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Watt Drive Antriebstechnik: Wie funktioniert eigentlich ein Getriebe?

Getriebe für den Maschinenbau
Wie funktioniert eigentlich ein Getriebe?

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Getriebe zählen zu den wichtigsten Komponenten in unzähligen Antriebssträngen. Insbesondere in der Industrie sorgen sie in Verbindung mit einem Elektromotor für den reibungslosen Betrieb von Produktionslinien. Dabei übertragen sie Bewegungen und Kräfte im richtigen Maß dorthin, wo sie benötigt werden. Wie dies aber genau funktioniert, ist vielen Anwendern nicht unbedingt klar. Ein grundlegendes Verständnis der Technologie hilft jedoch, sich am Ende für das optimale Getriebe zu entscheiden.

Norbert Reisner, Watt Drive Antriebstechnik GmbH, A-Markt Piesting

Inhaltsverzeichnis

1. So funktioniert ein Getriebe
2. Getriebearten und ihre Einteilungen
3. Worauf es technisch ankommt
4. Anwendungsdaten bestimmen Auswahl des Getriebes
5. Technische Trends bei der Getriebeentwicklung

 

Getriebe werden primär dazu verwendet, die Drehzahl oder auch das Drehmoment eines Antriebs an die Erfordernisse der Anwendung anzupassen. Denn Elektromotoren haben ihren idealen Arbeitspunkt jeweils in einem bestimmten Drehzahlbereich. Das variiert je nach Motortyp und hängt unter anderem davon ab, ob beispielsweise ein möglichst hohes Drehmoment oder ein Betrieb mit maximaler Geschwindigkeit oder auch Energieeffizienz gefragt ist. In aller Regel jedoch entspricht die optimale Drehzahl des Elektromotors nicht der, die der Nutzer in seiner Anwendung benötigt. Für einen Verbrennungsmotor oder andere Antriebe gilt ähnliches. Deshalb kommen Motoren häufig in Kombination mit einem Getriebe zum Einsatz.

So funktioniert ein Getriebe

Ein einfaches und intuitives Beispiel für die Funktionsweise eines Getriebes ist ein Fahrrad mit Kettenschaltung am Hinterrad. Liegt die Kette auf einem großen Ritzel, ist die Übersetzung zwischen Kettenblatt und Ritzel relativ klein. Das große Ritzel überträgt jedoch ein großes Drehmoment: das Anfahren ist verhältnismäßig einfach. Dies kommt daher, dass das Zahnrad einen großen Radius hat und daher gemäß der Gleichung M = F x r (da die Kraft senkrecht zur Achse angreift) ein großes Drehmoment auf das Laufrad überträgt. Dabei ist die Drehzahl gering. Später kann der Radfahrer auf ein kleineres Ritzel umschalten, dann wirkt bei gleicher Kraft ein geringeres Drehmoment bei höherer Drehzahl.

Das System Pedal-Kette-Hinterrad oder Kettenblatt-Kette-Ritzel ist ein einfaches Beispiel für ein Getriebe und illustriert die Bedeutung der Übersetzung – also des Verhältnisses zwischen An- und Abtriebsdrehzahl. Das Getriebe reguliert bei gleicher mechanischer Leistung im Grunde das Verhältnis zwischen Drehzahl n und Drehmoment M beziehungsweise Geschwindigkeit und Kraft, wobei deren Verhältnis umgekehrt proportional ist: M ~ 1/n. Die Seite des Krafteintrages am Getriebe – über die Pedalkurbel im Beispiel oder durch einen Elektromotor – nennt man Antriebsseite, die Seite, die die gewünschte Drehzahl oder das gewünschte Drehmoment liefert, nennt man Abtriebsseite.

Getriebearten und ihre Einteilungen

Getriebe – also Komponenten zur Wandlung von Drehzahl und Drehmoment – gibt es in unzähligen Bauformen und Ausführungen. Die Art der Kraftübertragung bildet dabei ein Unterscheidungsmerkmal. Neben mechanischen Getrieben gibt es beispielsweise hydraulische und elektrische Getriebe. Aber auch nach der Art der Bewegungsübertragung kann eine Einteilung von Getrieben erfolgen. Dabei unterscheidet man zwischen einer gleichförmigen und einer ungleichförmigen Übersetzung. Von einer ungleichförmigen Übersetzung spricht man, wenn ein Getriebe unstetige Bewegungen überträgt. Dies ist der Fall, wenn lineare in Rotationsbewegungen übersetzt werden. Typische Vertreter dafür sind der Kniehebel oder das Schubkurbelgetriebe.

Getriebe mit gleichförmiger Übersetzung wandeln in der Regel eine Drehbewegung in eine Drehbewegung – mit den oben beschriebenen Beziehungen zwischen Drehzahl und Drehmoment. Hier wiederum unterscheidet man zwischen festen oder gestuften und stufenlosen Getrieben. Bei stufenlosen Getrieben lässt sich das Übersetzungsverhältnis frei und stufenlos während des Betriebs einstellen.

Zu dieser Getriebeform zählen die hydraulischen und elektrischen Getriebe ebenso wie einige mechanische Bauformen, beispielsweise stufenlose Kettengetriebe, wie sie unter anderem in Kraftfahrzeugen mit Automatikgetriebe zu finden sind. Feste und gestufte mechanische Getriebe wiederum arbeiten nach dem gleichen Prinzip. Gestufte Getriebe besitzen lediglich mehrere Stufen der Kraft- beziehungsweise Drehmomentübertragung. Dadurch wird ein entsprechend großer Drehzahlbereich ermöglicht.

Es gibt unzählige Bauformen mechanischer Getriebe. Dazu zählen Schrittgetriebe, Riemen- und Kettengetriebe, Reib- und Wälzkörpergetriebe ebenso wie Zahnradgetriebe. In der Industrie kommen in erster Linie Zahnradgetriebe zum Einsatz. Die oben genannten Ziele der Kraft- und Drehmomentwandlung beziehungsweise der Geschwindigkeits- und Drehzahlwandlung erreicht man mit einem oder mehrerer Zahnradpaaren (Radsätzen), Lagern, Wellen und einem Gehäuse. Aufgrund der Bauform mit in einander eingreifenden Zahnrädern zählen die Zahnradgetriebe auch zur Gruppe der formschlüssigen Getriebe. Die gewünschte Wandlung soll in der Regel möglichst reibungs- und geräuscharm erfolgen. Maßgebliche Unterschiede zwischen den verschiedenen Formen von Zahnradgetrieben liegen in der Art der Verzahnung sowie im Winkel zwischen der Krafteintrittsachse und Kraftaustrittsachse.

Worauf es technisch ankommt

Die wichtigsten technischen Daten eines Getriebes sind das Drehmoment, die Leistung, die Untersetzung beziehungsweise Übersetzung sowie der Drehzahlbereich. Zudem spielen die Anschlussmaße und das Gehäusematerial eine Rolle für den jeweiligen Einsatz. Moderne Getriebe sind sehr effizient in ihren Wirkungsgraden. Je Übersetzungsstufe geht man von einem Verlust von lediglich etwa 1,5 Prozent aus. Bei einem zweistufigen Getriebe entspricht das also einem Wirkungsgrad von rund 97 Prozent. Bei Schneckengetrieben ist der Wirkungsgrad geringer.

In der Praxis spielen neben den Leistungsdaten andere Kriterien eine weitaus entscheidendere Rolle als beispielsweise der ohnehin sehr hohe Wirkungsgrad. Ein wesentlicher Faktor sind im täglichen Einsatz die Zuverlässigkeit eines Getriebes, seine Robustheit und Lebensdauer sowie der Wartungsaufwand. Qualitativ hochwertige Komponenten (zum Beispiel Schmierstoffe) sind daher ein wichtiges Merkmal für ein wartungsarmes Getriebe.

Anwendungsdaten bestimmen Auswahl des Getriebes

Die Auswahl des Getriebes ist vor allem durch die Anwendungsdaten bestimmt. Dazu zählen zum Beispiel Leistungsbedarf, Geschwindigkeit, Umgebungstemperatur und die Platzverhältnisse. Ebenso hängt die Lebensdauer eines Getriebes davon ab, welchen Belastungen – zum Beispiel Stoßbelastungen, etwa beim Antrieb eines Förderbands – das Getriebe ausgesetzt ist. Daher sollte bei der Konstruktion einer Maschine oder Anlage nach Möglichkeit vermieden werden, das Getriebe häufigeren Stoßbelastungen auszusetzen.

Das bereits erwähnte Gehäusematerial kommt zum Tragen, wenn es um die Steifigkeit und das Gewicht der Gesamtkonstruktion geht. Ein Aluminium-Gehäuse ist beispielsweise bei ähnlicher Festigkeit deutlich leichter als ein Grauguss-Gehäuse. Für größere Drehmomente ist Grauguss die bessere Wahl, da das Material besonders verwindungssteif und schwingungsdämpfend ist. Generell gilt: Je glatter die Gehäuseoberfläche, desto einfacher ist die Reinigung eines Getriebes, was den Einsatz in reinigungsintensiven Industrien – etwa dem Lebensmittelbereich – ermöglicht.

Technische Trends bei der Getriebeentwicklung

Die Entwicklung von Getrieben und Getriebemotoren ist auf der mechanischen Seite sehr weit fortgeschritten. Materialien, Bauformen, Wirkungsgrade sind weitgehend ausgeschöpft. Neue Entwicklungen sind in näherer Zukunft eher auf der elektronischen Seite zu erwarten. Im Zuge der Industrie 4.0 werden auch diese Maschinenkomponenten in das Gesamtpaket „digitale Fabrik“ integriert werden. Dazu zählen Komponenten der Steuerung sowie entsprechende Sensorik, welche die benötigten Daten und Rückmeldungen liefert. Schwerpunkt künftiger Entwicklungen könnten Komponenten zur vorausschauenden Wartung für größere Getriebe sein. Aber auch dezentrale Antriebstechnik wie Getriebemotoren mit aufgesetztem Umrichter zählen zu den Trends, die im Bereich der Getriebemotor-Technik zu den Entwicklungs-Schwerpunkten zählen. (eve)


Kontakt:

Watt Drive Antriebstechnik GmbH
Wöllersdorfer Straße 68
A-2753 Markt Piesting
Tel.: +43 (0) 2633 404–0
E-Mail: info-at@weg.net
Website: www.wattdrive.com/de/

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