Zahnradgetriebe

In der Technik unterscheidet man zwei Maschinengruppen:

Nach der einleitenden Betrachtung über die Einordnung der Getriebe sollen in diesem und im nächsten Kapitel die beiden wichtigsten Bauformen der Zahnradgetriebe, das Zahnradvorgelege- und das Zahnradplanetengetriebe behandelt werden. Die ältere Vorgelegebauweise hat sich im gesamten Maschinenbau in konstruktiver Hinsicht und ganz besonders mit Rücksicht auf den Preis als günstigste Lösung erwiesen, während die neuere Planetenbauweise auf Grund ihrer unterteilten Leistungsübertragung und kreissymmetrischen Bauform in Hochleistungsgetrieben des Schiffs- und Turbinengetriebebaus, in stationären Getrieben sowie in automatisch geschalteten Fahrzeuggetrieben Vorteile bietet. Aber gerade bei einigen Großgetrieben für Schiffe und Kraftwerke ist man in jüngster Zeit, nicht zuletzt aus Preisgründen, wieder auf das Vorgelege- oder Mehrwellen-Vorgelegegetriebe zurückgekommen, wobei man jedoch die an Planetengetrieben gesammelten Erfahrungen hinsichtlich des Belastungsausgleichs, der gelenkigen und elastischen Aufhängung, der Gleitlager usw. übernommen hat, s. Beispiel in Abb. 3.68.

Planeten- oder Umlaufrädergetriebe werden wegen ihrer günstigen Eigenschaften und wegen ihrer Einsatzmöglichkeit als Übersetzungs-, Überlagerungs- und Schaltgetriebe in allen Bereichen der Antriebstechnik angewendet. Dieser Getriebetyp hat sich besonders im Fahrzeug- und Schiffbau, sowie für stationäre Zwecke im Turbinen- und allgemeinen Maschinenbau durchgesetzt, wo hohe Leistungen und hohe Drehzahlen zu übertragen sind. Die Vorteile sind sehr mannigfaltig; hierzu gehören:

Neben der reinen Bewegungs- oder Leistungsübertragung haben die Getriebe die Aufgabe, unterschiedliche Betriebsbedingungen zwischen Kraftmaschine und Arbeitsmaschine zu überbrücken oder einander anzupassen. In den meisten Antriebsfällen beschränkt sich diese Anpassung auf die Abstimmung der Drehzahlen oder Geschwindigkeiten, z. B. zwischen einem schnellaufenden Elektromotor und einer langsam anzutreibenden Verpackungsmaschine oder zwischen schnellaufenden Dampfturbinen, Gasturbinen, Verbrennungsmotoren o. ä. und langsamlaufenden Arbeitsmaschinen, wie Generatoren, Kreiselpumpen, Schiffsschrauben. Im umgekehrten Fall muß das Getriebe langsamlaufende Kraftmaschinen, wie Wasserturbinen, Asynchron- und Synchronmotoren o. ä., mit schnellaufenden Arbeitsmaschinen, z. B. Generatoren, Turboverdichtern, Kreiselpumpen usw. verbinden. In anderen Antriebsfällen ist die Drehmomentwandlung, z. B. eine bestimmte Drehmomentsteigerung, ausschlaggebend für die erforderliche Getriebeübersetzung. Die Übersetzungen der aus Gruppen zusammengesetzten Werkzeugmaschinengetriebe müssen so abgestimmt werden, daß die möglichen Schaltkombinationen den geforderten Arbeits- und Schnittgeschwindigkeiten entsprechen, und in Schaltgetrieben für Kraftfahrzeuge, bei denen z. B. die Übersetzung des untersten Gangs durch eine geforderte Anfahrwandlung und die des obersten Gangs durch eine bestimmte Endgeschwindigkeit vorliegen, müssen die Übersetzungen der Zwischengänge so ausgewählt werden, daß das Fahrzeug entweder ein optimales Leistungs- oder ein günstiges Beschleunigungsverhalten erhält.

Wie bereits in der Einleitung von Kap. 4 dargestellt, haben Getriebe die Aufgabe, unterschiedliche Betriebsbedingungen zwischen Kraftmaschine und Arbeitsmaschine zu überbrücken oder einander anzupassen. Als Musterbeispiel einer solchen getriebetechnischen Abstimmung wird im folgenden an Hand einer gekürzten und vereinfachten Nachrechnung gezeigt, wie die Kennlinien eines Verbrennungsmotors (Kraftmaschine) mit den Daten eines mechanischen Schaltgetriebes bzw. eines hydrodynamischen Föttinger-Wandlers mit Nachschaltgetriebe und den Kennwerten eines Personenkraftwagens (Arbeitsmaschine) zusammengefügt werden, Abb. 5.1 und 5.2. Dabei wird zur Vereinfachung der Darstellung von einem stationären Zustand ausgegangen; die dynamischen Einflüsse während der Beschleunigungsphasen und des Schaltübergangs werden hier vernachlässigt.

Die Auswahl der Konstruktionsbeispiele hat den Verfasser vor mehrere Möglichkeiten gestellt. Der gemeinsame Nenner aller Getriebe sind die Zahnräder und ihre Verzahnungen. Dieses Gebiet sollte aber — s. Vorwort — ausgeklammert werden, da über diese Maschinenelemente in letzter Zeit genügend neues Schrifttum erschienen ist. Die zweite Möglichkeit, einen Querschnitt über Getriebe aus dem gesamten Maschinenbau zu bringen, würde auf Grund der vielen Anwendungsbereiche dazu führen, die einzelnen Konstruktionen nur kurz beschreiben zu können. Der bessere Weg scheint daher, die Beispiele einem Anwendungsgebiet zu entnehmen, wo an die Getriebe besonders hohe Anforderungen gestellt werden. Hierzu dürften wohl mit die Fahrzeuggetriebe gehören. Sie haben hinsichtlich Baugröße, Gewicht, Verzahnungsauslegung, Geräuschentwicklung, Fertigungsverfahren u. a. einen sehr hohen Entwicklungsstand erreicht, an dem sich viele andere Zweige des allgemeinen Maschinenbaus orientieren.

Bereits 1759 hat sich James Watt mit der Verwendung von Dampfmaschinen in Straßenfahrzeugen befaßt und 1784 hat er für ein mehrstufiges Zahnradgetriebe solcher Straßendampfwagen ein Patent erhalten, Abb. 7.1. Er nennt diese Einrichtung eine „gewisse neuartige Verbesserung an Feuer- und Dampfmaschinen, sowie von diesen angetriebenen Arbeitsmaschinen“. In der Beschreibung heißt es wörtlich: „Um der Arbeitsmaschine eine größere Leistungsfähigkeit zu verleihen, wenn schlechte Straßen oder starke Steigungen es erfordern, ordne ich auf der Achse des Wagens zwei oder mehrere Zahnräder mit verschieden großem Durchmesser an“, [95]. Damit war das Vorgelegegetriebe (mit Dauereingriff der Zahnräder und Klauenkupplung) geboren.

Eine ähnliche Entwicklung wie bei den Nutzfahrzeuggetrieben — vom Schieberad bis zum lastschaltbarem Halb- oder Vollautomat mit mehr Gängen, feinstufigeren Übersetzungen und Bedienungserleichterungen — findet sich auch bei den Getrieben für Baumaschinen und Schlepper. Abbildung 8.1 und 8.2 zeigen den Vergleich eines Schleppertriebwerks aus dem Jahr 1937 und einen solchen von heute. Tabelle 8.1 gibt einen Überblick über die im Kap. 8 beschriebenen Getriebe.

Zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs muß die vom Motor gelieferte Leistung auf die einzelnen Treibachsen (z. B. Vorder- und Hinterachse bei Fahrzeugen mit Vierradantrieb) und von dort aus auf die linken und rechten Treibräder verteilt werden. Hierzu sind Verteilergetriebe erforderlich; und zwar bezeichnet man im Fahrzeugbau die Getriebe zur Verteilung der Leistung auf die Achsen als Verteil- oder Verteilergetriebe, während man bei den Achsverteilgetrieben kurz von Achsgetrieben, Ausgleichsgetrieben oder Ausgleichsdifferentialen spricht, Abb. 9.1. Tabelle 9.1 gibt einen Überblick über die in Kap. 9 beschriebenen Getriebe.

Im Überlandverkehr oder auf belebter Autobahn können Fahrzeuge selten bis zu ihrer Leistungsgrenze ausgefahren werden. Auf weiten Fahrstrecken sind die Motoren, insbesondere die leistungsstarken und hochtourigen Personen- und Sportwagenmotoren, auch bei hoher Geschwindigkeit nur zu einem Teil ihrer Maximalleistung ausgenutzt und kommen in Bereiche mit hohem spezifischen Brennstoffverbrauch. Durch Umschalten auf einen ins Schnelle übersetzenden Gang lassen sich diese Nachteile vermeiden. Bei gleicher Fahrgeschwindigkeit dreht der Motor langsamer und arbeitet wirtschaftlicher.

Ein übliches Ausgleichsgetriebe, z. B. ein Kegelraddifferential, soll die durch wechselnde Straßenbeschaffenheit verursachten oder bei Kurvenfahrt zwangsläufig auftretenden Drehzahlunterschiede zwischen den Antriebsrädern leichtgängig ausgleichen und so ein Verspannen in den Achswellen und ein Radieren der Reifen vermeiden. Das über ein Tellerrad 1 eines Differentials eingeleitete Drehmoment T wird über den Differentialkorb 2 auf die Ausgleichkegelräder 3 übertragen, die wie ein Waagebalken wirken und immer ein Drehmoment- bzw. Kräftegleichgewicht zwischen linker und rechter Seite herstellen, Abb. 11.1.

Von Kraftfahrzeug-Schaltgetrieben verlangt man, daß sie sich einfach, stoßfrei und möglichst auch geräuscharm schalten lassen. In Lastschaltgetrieben müssen darüber hinaus die Schaltübergänge ohne Zugkraftunterbrechung erfolgen, ohne daß dabei der Fuß vom Gaspedal weggenommen wird. Diese Forderungen sind nur zu erreichen, wenn die formschlüssigen Schaltelemente — Schieberäder oder Schaltklauenkränze — an der Trennstelle gleiche Umfangsgeschwindigkeiten haben, oder wenn die kraftschlüssigen Verbindungen — Lamellen- oder Bandbremsen — beim Schalten entsprechend ihrem Lastwechsel gesteuert werden.

Es sind die verschiedensten Grundformen von Pumpen im Einsatz. Jede hat die Aufgabe, Flüssigkeit in bestimmter Menge auf einen bestimmten Druck zu fördern. In Getrieben haben Pumpen folgende Funktionen zu erfüllen:

Im Normalfall ist zu beobachten, daß ein Zahnradgetriebe oder ein Radpaar eine Einlaufperiode aufweist. Hierbei hat das Zusammenwirken von Rollen und Gleiten der Zahnflanken zur Folge, daß sich die Oberflächenunebenheiten glätten und die aktiven Zahnflanken einen hellen Glanz erhalten.