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Getriebe

Getriebe mit vier Gliedern: Antriebsritzel u.re., Zwischenrad li. und Abtriebsrad o.re., sowie Gestell / Rahmen

Getriebe sind bewegliche Verbindungen von Teilen zum Übertragen und Umwandeln von Kräften oder zum Führen von Teilen auf einer Bahn. Es werden also nahezu sämtliche Mechanismen als Getriebe bezeichnet.

In einem engeren in der Umgangssprache üblichen Sinn sind Getriebe jedoch nur mechanische Vorrichtungen zum Übertragen und Wandeln von Drehbewegungen, Drehrichtungen und Drehmomenten. Der bekannteste Vertreter ist das Fahrzeuggetriebe. Für andere Bauarten wird meist der Begriff Mechanismus oder Räderwerk benutzt. Ein Mechanismus ist meist ein Zusammenspiel von Zahnrädern. In Anlehnung an VDI 2127: Getriebe dienen zur Übertragung und Umformung (Übersetzung) von Bewegungen, Energie und/oder Kräften.
Sie bestehen aus mindestens drei Gliedern, von denen eines das Gestell bildet.

Getriebe mit gleichmäßiger Übersetzung (für Drehbewegung)

Der Einsatz dieser Form von Getrieben erfolgt hauptsächlich

• zur Wandlung der Drehzahl
• zur Wandlung des Drehmoments

Das Getriebe wird meist zwischen dem Antriebsaggregat (Motor) und dem zu treibenden Maschinenteil mittels Kupplungen eingebunden. Getriebe werden nach verschiedenen Kriterien unterteilt:

Nach Bauart

1. Feste Getriebe - Drehzahlverhältnis und Drehmomentwandlung sind nicht veränderbar
2. Verstellgetriebe können in gestufte und stufenlose Getriebe unterteilt werden.
   1. Schaltgetriebe: Drehzahl und Drehmoment können abgestuft geschaltet werden. Die Funktion kann auch in einer Drehrichtungsumkehr in Form eines Rückwärtsganges liegen. (Typ. Verwendung in Kraftfahrzeugen.)
   2. Automatisches Getriebe: siehe Fahrzeuggetriebe
   3. Leistungsteilungsgetriebe: beispielsweise Differentialgetriebe
   4. Wälzkörpergetriebe
   5. Zugmittelgetriebe als typische Umsetzung einer kontinuierlich verstellbare (Kraft-)Übertragung siehe Continuously variable transmission (CVT)
      1. Kettengetriebe
      2. Riemengetriebe
      3. Schubkettengetriebe mit Schubgliederband

Nach der Art der Kraftübertragung

Mechanische Getriebe

Formschlüssige Getriebe

1. Getriebe mit Zahnrädern
   1. Stirnradgetriebe: Eingangs- und Ausgangswelle sind parallel.
   2. Planetengetriebe: An- und Abtriebswelle sind koaxial. Um das Innenrad kreisen Planetenräder, die ihrerseits wieder in ein Außenrad eingreifen. Sonderform der Stirnradgetriebe (zum Beispiel in der Nabenschaltung von Fahrrädern).
   3. Kegelradgetriebe: An- und Abtriebswelle sind nicht parallel (meist 90°) angeordnet. Die äußere Form der Zahnräder (Hüllkurve) entspricht Kegeln, deren Mittelachsen sich schneiden.
   4. Kronenradgetriebe: Verwendung und Bauform wie Kegelradgetriebe; allerdings ist das Ritzel als Stirnrad ausgeführt, und das Gegenrad hat die Form einer Krone mit der Verzahnung an der Radseite. Daher nennt man es Kronenrad.
   5. Schraubenradgetriebe: Wellen kreuzen sich. Die Wellenachsen sind windschief, haben also keinen Schnittpunkt.
   6. Ausgleichsgetriebe (auch Differentialgetriebe): Spezialgetriebe, das vor allem im Kraftfahrzeugbau eingesetzt wird.
   7. Schieberadgetriebe: Bei Schieberadgetrieben werden die verschiedenen Übersetzungsstufen durch axiales Verschieben eines Räderblocks auf einer Getriebewelle hergestellt.
   8. Harmonic-Drive-Getriebe (auch Taumelradgetriebe): es fällt unter die sogenannten Umlaufgetriebe. Beim Harmonic-Drive-Getriebe wird das Antriebselement durch einen elliptischen Kurvenkörper permanent verformt. Das Untersetzungsverhältnis von HD-Getrieben ist systembedingt hoch. Es wird unter anderem bei Robotern, Geräten und Maschinen, auch in Luft- und Raumfahrt eingesetzt, wenn dort eine Drehzahl stark reduziert oder ein Moment stark erhöht werden muss. Aus Aufbau und Wirkart ergibt sich eine nahezu spielfreie Verzahnung.
2. Cyclo-Drive-Getriebe
3. Schneckengetriebe
4. Kettengetriebe (siehe auch Antriebskette und Kettenarten)
5. Zahnriementrieb

Kraftschlüssige Getriebe

1. Riemengetriebe (hierzu werden auch kraftschlüssige Kettengetriebe gezählt)
2. Kegelringgetriebe: An- und Abtriebswelle sind in Form von Kegeln dargestellt, die über einen stufenlos verstellbaren Ring eine (nahezu) beliebige Übersetzung ermöglichen.
3. Wälzkörpergetriebe (auch: Reibradgetriebe)
4. Rollringgetriebe
5. DW-Getriebe

Hydraulische Getriebe

Bei hydraulischen Getrieben (siehe Strömungsgetriebe) sind An- und Abtriebsseite nicht mechanisch miteinander verbunden (kraftschlüssiges Getriebe). Die Antriebsseite setzt eine Flüssigkeit im Inneren in Bewegung, die die Abtriebsseite antreibt. Es wird zwischen hydrostatischen und hydrodynamischen Getrieben unterschieden.

Pneumatische Getriebe

Pneumatische Getriebe sind nicht bekannt, jedoch werden Pneumatik-Motoren (linear oder drehend) häufig als Antrieb für Getriebe und Mechanismen verwendet.

Bekannt sind Elektro-Pneumatische Getriebe. Eine Steuerelektronik steuert über elektrisch schaltbare Ventile die Druckluft für Pneumatikzylinder an. Somit wird das Getriebe elektropneumatisch geschaltet.

Man könnte die Turbinenantriebe von Zahnarztbohrern als pneumatische Getriebe bezeichnen. Ein niedrig drehender Kompressor komprimiert Luft, die dann im Handstück des Zahnarztes eine hochdrehende winzige Turbinenwelle in Bewegung setzt.

Elektrische und elektronische Getriebe

Das einfachste „elektrische Getriebe“ ist ein Generator (Antrieb), der mit einer bestimmten Drehzahl angetrieben wird, und einen daran angeschlossenem Elektromotor (Abtrieb), der, von diesem gespeist, mit einer anderen Drehzahl dreht.

Über die Feldsteuerung des Generators kann die elektrische Spannung und somit die Drehzahl des Motors (Abtriebes) variiert werden. Eine solche Anordnung nennt man Leonardsatz, wenn zum Antrieb des Generators ein Elektromotor verwendet wird. Dient zum Antrieb ein Dieselmotor, liegt ein sogenannter dieselelektrischer Antrieb vor. Solche Antriebe werden in Dieselloks und Schiffen verwendet; der Dieselmotor kann nun immer mit optimaler Drehzahl arbeiten, der Abtrieb kann ab Drehzahl null das volle Drehmoment liefern. Der Abtrieb kann auf mehrere Räder oder Schiffsschrauben verteilt werden und diese ggf. mit unterschiedlichen Drehzahlen und Momenten antreiben.
Beispielsweise in Schiffen werden auch Gasturbinen als Antriebsmaschinen eingesetzt.
Diesel- und Ottomotoren werden in Hybridfahrzeugen verwendet.
Fast jeder Hybridantrieb verfügt über Funktionen eines elektrischen Getriebes, teilweise mit anschließender Leistungsverzweigung über mechanische Systeme (Differentialgetriebe) oder zunehmend elektrisch (Einzelradantrieb). Im Hybrid Synergy Drive wird eine Leistungsverzweigung zur Reduzierung der Leistungsübertragung über das elektrische Getriebe integriert um Verluste und Dimensionierung zu minimieren.

Ein derartiges elektrisches Getriebe war Anfang der 1990er Jahre auch der serielle Hybridantrieb der FICHTEL & SACHS AG: ein Verbrennungsmotor treibt einen Generator für elektrischen Strom, der erzeugte elektrische Strom wird anschließend über einen Umrichter an zwei Elektromotoren (Tandem-Motoren) an den Rädern geliefert.

Ein Magnetisch-Elektrischer Getriebe-Automat (MEGA) integriert in einem Gehäuse die elektronische Leistungssteuerung, Antriebsrotor, Abtriebsrotor und einen verschiebbaren gemeinsamen Stator. Durch Veränderung der wirksamen Windungszahlen während des Betriebs wird die Auslegung auf hohes Drehmoment oder hohe Drehzahl variiert. So wird ein Wirkungsgrad von 80 bis 90 Prozent über alle Übersetzungen von Null bis unendlich erreicht. Die Entwicklung zur Serienreife des MEGA erfordert noch Entwicklungen der Automobil-Zulieferer. Das Antriebskonzept mit dem von Volkswagen entwickelten Getriebe wird als Direkthybrid bezeichnet.^[1][2]

Es gibt auch Kopplungen von Synchrongenerator und Synchronmotor, bei denen keine Steuerung erforderlich ist. Diese erreichen insbesondere bei hohen Untersetzungen bessere Wirkungsgrade als mehrstufige mechanische Getriebe.

Der Begriff elektronisches Getriebe wird im übertragenen Sinne für eine elektronische Schaltung verwendet, die sowohl zur Drehzahl- als auch zur Drehmomentsteuerung dienen kann. Dabei werden nur die Motoren (Abtrieb) gesteuert. Verwendet wird dazu beispielsweise ein Frequenzumrichter oder ein Brückenverstärker. Der Antrieb des „Getriebes“ ist ein Drehgeber, der aus der Drehbewegung elektrische Steuersignale erzeugt.
Sind auch die Motoren mit Drehgebern (Winkelaufnehmer, Inkrementalgeber) ausgestattet, sind exakte Übersetzungsverhältnisse erreichbar. Solche Getriebe werden z. B. zur Drehung von Antennen (Antennenrotor zur Peilung oder bei Funkamateuren, Radar-Antennen) oder als „elektronische Welle“ in Manipulatoren und Flugzeugen (fly-by-wire) eingesetzt.

Nach Bauform

Offene Bauform

Offene Bauform bedeutet, dass die Elemente des Getriebes frei zugänglich sind. Häufig werden sie jedoch aus sicherheitstechnischen Gründen verkleidet. Beispiele: Riemengetriebe (früher auch Transmission genannt)

Geschlossene Gehäuse

Schnittmodell eines Autogetriebes

Bei geschlossenen Getrieben kommt kein Sand bzw. Staub in das Getriebe, was wichtig für einen geringen Verschleiß ist. Die Schmierung erfolgt über Fett oder einen geschlossenen Ölkreislauf. Das Gehäuse dient auch dem Lärmschutz und der Sicherheit. Beispiele: Kraftfahrzeuggetriebe, Differentialgetriebe

Getriebe mit einer ungleichmäßigen Übersetzung

Zur Berücksichtigung der Positionsabhängigkeit der Übersetzung von der jeweiligen Position des Antriebes benutzt man die Übertragungsfunktion. Diese zeichnet die Position des Abtriebes über der Position des Antriebes auf.

Kurvengetriebe

Kurvengetriebe mit Nutführung

Als Kurvengetriebe werden Mechanismen bezeichnet, bei denen die Form einer bewegten Kurve von einem Abtaster abgegriffen und an andere Getriebeelemente (rotatorische oder translatorische) weitergeleitet wird. Die Abtastung erfolgt meist einseitig, das heißt, der Abtaster läuft auf der Kurve, an die er gedrückt wird, aber bei zu großen abhebenden Kräften kann er auch von der Kurve abheben. Um das zu vermeiden, wurden verschiedene Lösungen zur Zwangsführung der Abtaster entwickelt.

Kurvenkörper können ihre Kurve durch Rotation oder Längsverschiebung auf den Abtaster übertragen. Oft werden Kurvenkörper eingesetzt, die nur als Kreissegment ausgebildet sind und zum Zweck der Abtastung darum hin und her schwingen, entsprechend der Hin- und Herbewegung ebener Kurvenkörper.

Kurvengetriebe werden sehr häufig in der Automation eingesetzt, um Schalter zu bedienen, oder um komplizierte Bewegungsabläufe auszuführen. Am geläufigsten ist der Einsatz in Verbrennungsmotoren, wo Kurvengetriebe (Nockenwelle) das Öffnen und Schließen der Ventile steuern. Von dort ist auch das Problem des Abhebens des Abtasters bekannt (Ventilflattern).

Die Synthese von Kurvengetrieben geht meistens einher mit der Synthese von Koppelgetrieben, die üblicherweise die abgetasteten Bewegungen weiterleiten und umformen. Es gibt spezielle Kurvenformen zur Optimierung des Abtastverhaltens:

• Geschwindigkeitsoptimal
• Beschleunigungsoptimal
• Kraftoptimal
• Geräuschminimierend

u. a. Dazu werden im allgemeinen entsprechend geneigte Sinoiden verwendet.

Koppelgetriebe

Koppelgetriebe

Hauptartikel: Koppelgetriebe

Kurbeltrieb

In die Gruppe der Koppelgetriebe gehört u. a. auch der Kurbeltrieb. Es setzt eine rotatorische (drehende) Bewegung in eine translatorische (geradlinige) Bewegung um oder umgekehrt. Anwendung findet er beispielsweise an Dampfmaschinen oder im Kolbenmotor. (siehe auch Kurbelwelle)

Schrittgetriebe

Schrittgetriebe setzen eine kontinuierliche Drehbewegung in eine intermittierende, schrittweise Drehbewegung um. Zwischen den einzelnen Schritten erfolgt eine Pause, bis der nächste Schritt beginnt. Schrittgetriebe sind keine spezielle Getriebeart, die einen allgemeinen Aufbau besitzen. Schrittgetriebe können mit fast jeder Getriebeart realisiert werden.

Schrittgetriebe werden verwendet, um kontinuierliche Bewegungen in schrittweise Bewegungen mit momentaner oder zeitlicher Rast sowie auch mit Pilgerschritt (kurze Rückwärtsbewegung) umzuformen. Schrittgetriebe können u. a. durch Rädergetriebe, Räderkoppelgetriebe oder Koppelgetriebe, aber auch durch Kurvengetriebe und Getriebesonderbauformen realisiert werden.

Die bekannteste Bauform von Schrittantrieben ist das Malteserkreuzgetriebe, bei dem das bestimmende Getriebeteil (je nach Ausprägung) die Form eines Malteserkreuzes annehmen kann. Sie wurden beispielsweise in Filmprojektoren und -kameras eingesetzt, um die schrittweise Bewegung des Filmmaterials auszuführen, sind darüber hinaus aber wenig verbreitet.

Ordnung nach Hauptbestandteilen

• Zahnradgetriebe
• Schraubengetriebe
• Reibradgetriebe
• Zugmittelgetriebe (Riemengetriebe und Kettengetriebe)
• Druckmittelgetriebe (Hydraulikgetriebe und Pneumatikgetriebe)
• Koppelgetriebe
• Keilschubgetriebe
• Kurvengetriebe

Begriffsdefinitionen

• Die Abtriebswelle führt die Leistung aus dem Getriebe heraus.
• Bei der Antriebsdrehzahl unterscheidet man zwischen der Drehzahl im Fall der belasteten und der unbelasteten Antriebswelle.
• Für die Abtriebsdrehzahl gilt das gleiche wie bei der Antriebsdrehzahl.
• Die Übersetzung ist bei Getrieben das Verhältnis zwischen Antriebsdrehzahl und Abtriebsdrehzahl. Auch hier unterscheidet man zwischen belastetem und unbelastetem Getriebe.
• Die Nennleistung ist die auf der An- oder Abtriebswelle bezogene Leistung, auf die das Getriebe ausgelegt ist. Betriebsfaktoren werden dabei nicht berücksichtigt.
• Die Betriebsfaktoren K oder C_B sind Werte, die zur Berücksichtigung von Stößen, Anfahrhäufigkeiten, Staub, Betriebsdauerintervallen, Temperatureinflüssen usw. dienen.
• Multipliziert man die Nennleistung mit den Betriebsfaktoren, so erhält man die Bemessungsleistung.
• Der Wirkungsgrad η eines Getriebes ergibt sich aus dem Verhältnis der Abtriebsleistung zur Antriebsleistung.
• Der Stellbereich R oder S_V ist das Verhältnis der maximalen zur minimalen Übersetzung.

Redewendung „Sand im Getriebe“

„Besser ohne Sand“

Auf Grund der Funktion eines Getriebes gibt es den umgangssprachlichen Ausdruck Sand im Getriebe, wenn etwas schleppend oder nur gestört funktioniert. Sand im Getriebe sorgt für erhöhten Verschleiß. Die Sandkörner können ein Getriebe auch blockieren oder unrunden Lauf verursachen. Ihren Ursprung mag die Redewendung im Rennsport sowie bei anderen Wettbewerben haben, wie sie beispielsweise bei Ausschreibungen erfolgen. Dabei soll es mitunter vorkommen, dass tatsächlich Sand nebst anderen Sabotagemaßnahmen in Getriebe und Motoren eingebracht wird, um damit den Konkurrenten Nachteile zu verschaffen. Auch waren und sind nicht alle Getriebe dicht gekapselt was durchaus auch unabsichtlich Sand ins Getriebe geraten lässt, wie beim Fahrrad oder landwirtschaftlichen Maschinen und dem Betonmischer.

Einzelnachweise

1. ↑ http://miredaktion.sv-www.de/imperia/md/content/ap/charts/steiger.pdf
2. ↑ http://miredaktion.sv-www.de/imperia/md/content/ap/charts/apr_t_007636_beitrag.pdf

Siehe auch

• Direktschaltgetriebe (DSG)
• Themenliste Fahrzeugtechnik
• Kreisschubgetriebe
• Flaschenzug
• Hebel
• Linearantriebe

Weblinks

• Dissertation als Beispiel für die enge Verwandtschaft von Kurven- und Koppelgetrieben.

• Eine (z. Z. vorwiegend deutschsprachige) Onlinebibliothek zum Thema Mechanismen und Getriebe ist unter Digitale Mechanismen- und Getriebebibliothek (DMG-Lib) zu finden.

• Unter Kinematic Models for Design Digital Library (KMODDL) ist auch eine englischsprachige Onlinebibliothek (u. a. mit deutschen Schriften) zum Thema erreichbar