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Getriebe

Stirnrad, Kegelrad und Co. – Zahnradgetriebe kurz erklärt

Getriebe gibt es in vielen Bauarten mit unterschiedlichsten Funktionsprinzipien. Wir haben uns die Zahnradgetriebe einmal genauer angesehen.

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Zahnradgetriebe zählen zu den gestuften Getrieben. Im Maschinen- und Anlagenbau spielen sie eine bedeutende Rolle.
Zahnradgetriebe zählen zu den gestuften Getrieben. Im Maschinen- und Anlagenbau spielen sie eine bedeutende Rolle.
(Bild: ©electriceye - stock.adobe.com)

In den Antriebssträngen industrieller Maschinen und Anlagen sorgen Getriebe dafür, dass Bewegung weitergeleitet wird und sich die Bewegungsgrößen je nach Bedarfsfall ändern. Bevor wir die sogenannten Zahnradgetriebe genauer betrachten, blicken wir kurz auf die gesamte Getriebewelt. Denn Getriebe ist nicht gleich Getriebe. Die mechanische Komponente lässt sich in viele Gruppen unterteilen. Zum Beispiel nach Bewegungsübertragung, nach Bauart, nach Funktionsprinzipien, etc.

Bei der Einteilung nach Bewegungsübertragung unterscheidet man zwei Getriebearten:

  • Getriebe mit ungleichmäßiger Übersetzung
  • Getriebe mit gleichmäßiger Übersetzung
Anwendertreff IndustriegetriebeEin effizienter Antriebsstrang ist das A und O bei jeder modernen Maschine und Anlage. Welche Rolle dabei das Getriebe als mechanische Komponente im mechatronischen Gesamtsystem spielt, wie man das richtige Getriebe auswählt und wie die Integration in den Antriebsstrang effizient und fehlerfrei funktioniert, zeigt der Anwendertreff Industriegetriebe.
Mehr Informationen: Anwendertreff Industriegetriebe

Häufig genutzte Getriebetypen mit ungleichförmiger Übersetzung sind zum Beispiel Schubkurbeln oder Kniehebel. Die Schubkurbel formt eine Drehbewegung in eine Schubbewegung um, während der Kniehebel einen großen Hubweg bei geringer Zug- oder Druckkraft in einen kleinen Hub mit großer Kraft umsetzt oder umgekehrt.

Getriebe mit gleichmäßiger Übersetzung werden in stufenlose und gestufte Getriebe unterteilt. Die Übersetzung der stufenlosen Getriebe ist unendlich – ohne vorgegebene Stufen – einstellbar, während die der gestuften Getriebe mit einer endlichen Anzahl an Stufen eingestellt wird. Eine der bekanntesten Bauarten der stufenlosen Getriebe ist das mechanische Umschlingungsgetriebe mit Schubgliederband. Stufenlose Getriebe findet man zum Beispiel im Werkzeugmaschinenbau.

Zahnradgetriebe – wichtige Antriebskomponente im Maschinen- und Anlagenbau

Zu den gestuften Getrieben zählen Zugmittelgetriebe, bekannt beispielsweise durch die Fahrradkettenschaltung, und Zahnradgetriebe. Letztere spielen im Maschinen- und Anlagenbau eine bedeutende Rolle. Deren Aufgabe: Drehzahlen und Drehmomente auf kleinem Raum umwandeln und übertragen. Sie bestehen aus zwei oder mehr miteinander im Eingriff befindlichen Zahnrädern, Wellen, Lagern, Dichtungen, einem Gehäuse und Schmierstoff. Unterschieden werden Fest- und Schaltgetriebe. Festgetriebe haben ein unveränderliches Übersetzungsverhältnis. Je nach Anwendung und Einsatz kann man auf unterschiedliche Bauarten zurückgreifen:

  • Planetengetriebe
  • Stirnradgetriebe
  • Kegelrad-/Kronenradgetriebe
  • Schneckengetriebe
Umsatzanteile der verschiedenen GetriebetypenDie Umsatzanteile der verschiedenen Getriebetypen waren 2017 wie folgt verteilt: Planetengetriebe 53 %; Stirnradgetriebe 29 %; Kegelrad/Kegelstirnradgetriebe 12 %; Schneckengetriebe 6 %. (Quelle: VDMA)

Funktionsweise Planetengetriebe:

Planetengetriebe werden auch Umlaufrädergetriebe genannt. Die drehenden Planetenräder umkreisen das zentrale Sonnenrad wie im astronomischen Sinn die Planeten die Sonne – daher auch der Name Planetengetriebe. Der Aufbau ist komplexer, aber die Bauweise sehr kompakt. Je nachdem, an welcher Welle der An- bzw. Abtrieb erfolgt, sind unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse möglich. Für sehr große Übersetzungsverhältnisse können auch mehrere Planetengetriebe hintereinander eingesetzt werden.

Funktionsweise Stirnradgetriebe:

Das Stirnradgetriebe weist eine einfache Bauweise auf: Die Zähne der Stirnräder sind außen um die Scheibe herum angeordnet (Außenverzahnung). Sind die Zähne nach innen gerichtet, spricht man von einer Innenverzahnung. Ein einstufiges Stirnradgetriebe besteht aus zwei Wellen, auf denen je ein außenverzahntes Stirnrad sitzt. An- und Abtriebswellen sind parallel zueinander angeordnet. Bei komplexeren Bauformen sind auch mehrere Abtriebswellen möglich. Die Übertragung des Drehmoments erfolgt über gerad- oder schrägverzahnte Stirnräder.

Funktionsweise Kegelrad-/Kronenrad-/Hypoidgetriebe:

Kegelradgetriebe werden auch Winkelgetriebe genannt. An- und Abtriebswelle stehen im Winkel zueinander. Die Achsen haben einen gemeinsamen Schnittpunkt. Kegelradgetriebe bestehen aus einem Kegelrad (auch Tellerrad genannt) und einem Kegelritzel. Die Verzahnung kann gerade, schräg oder bogenförmig ausgeführt sein.

Das Kronenradgetriebe ist quasi eine Sonderform des Kegelradgetriebes. Der Aufbau ist ähnlich, mit dem Unterschied, dass die Zähne gerade im 90°-Winkel auf dem Tellerrad sitzen – wie die Zacken einer Krone. Auch die Verzahnung des Kronenrads kann gerade, schräg oder bogenförmig ausgeführt werden.

Das Hypoidgetriebe lässt sich ebenfalls den Kegelradgetrieben zuordnen. Die Achsen von Antriebs- und Tellerrand sind – im Gegensatz zum herkömmlichen Kegelradgetriebe – parallel zueinander angeordnet. Sie schneiden sich also nicht – ein Achsversatz liegt vor. Aufgrund dieser Konstruktion kann das Kegelritzel mit einem größeren Spiralwinkel ausgeführt werden. So lassen sich größere Drehmomente übertragen und höhere Übersetzungen realisieren.

Funktionsweise Schneckengetriebe:

Das Schneckengetriebe ist ebenfalls ein Winkelgetriebe. Die Schnecke ist sozusagen eine Sonderbauform des Zahnrades. Ein Zahn windet sich um den Schneckenschaft. Das Gegenstück dazu ist das Schneckenrad. Mit dem Schneckengetriebe können sehr große Drehmomente übertragen werden. Auf engem Raum sind hohe Übersetzungsverhältnisse möglich.

Ergänzendes zum Thema
Kurz erklärt: Übersetzungsverhältnis

Je nach Zusammenspiel der Zahnräder lässt sich mit einem Getriebe die Drehgeschwindigkeit an der Abtriebsseite verändern. Es gilt: Kleinere Zahnräder drehen sich schneller als die größeren, dafür ist das Drehmoment am größeren Rad auch größer. Bei Getrieben ist das Verhältnis der Eingangsdrehzahl zur Ausgangsdrehzahl als Übersetzung bzw. Übersetzungsverhältnis fest definiert. Ist die Eingangsdrehzahl höher als die Ausgangsdrehzahl, spricht man auch von Untersetzung.

Zykloid-, Harmonic-Drive- und Galaxie-Getriebe

Neben den klassischen Zahnradgetrieben gibt es auch Sonderbauformen, die ähnlich funktionieren, aber auf das klassische Zahnrad verzichten bzw. dieses in seiner Form abgewandelt ist. Darunter fallen auch das Harmonic-Drive- sowie das Galaxie-Getriebe. Beide Bauformen wurden von den jeweiligen Firmen neu entwickelt und haben sich mittlerweile als Standard auf dem Markt der Getriebebauarten etabliert.

Funktionsweise Zykloidgetriebe:

Bei Zykloidgetrieben übertragen Kurvenscheiben Drehmomente wälzend. Daher kommen sie ohne klassische Zahnräder aus. Der Aufbau eines Zykloidgetriebes sieht folgendermaßen aus:

  • Exzenterwelle (Antrieb)
  • Bolzenscheibe
  • Zykloidenscheibe
  • Rollen
  • Rollenscheibe (Abtrieb) – sie läuft der Untersetzung entsprechend langsam

Die Exzenterwelle treibt eine oder mehrere Kurvenscheiben (Zykloidenscheiben) an. Die Scheiben rollen auf dem Inneren einer feststehenden Bolzenscheibe. Die Scheiben bewegen sich exzentrisch und um ihre eigene Symmetrieachse. In den Scheiben sind Löcher ausgespart, in die die Rollen der dahinterliegenden Rollenscheibe eingreifen. So treiben die Zykloidscheiben die Rollenscheibe an, an der auch die Abtriebswelle sitzt.

Mit Zykloidgetrieben sind hohe Untersetzungsverhältnisse und eine hohe Präzision möglich.

Funktionsweise Harmonic-Drive-Getriebe:

Das Harmonic-Drive-Getriebe besteht aus drei Bauteilen: dem äußeren Circular Spline – einem zylindrischen Ring mit Innenverzahnung, dem mittleren Flex Spline – einer zylindrischen, verformbaren Stahlbüchse mit Außenverzahnung sowie dem inneren Wave Generator – einer elliptischen Stahlscheibe mit zentrischer Nabe und aufgezogenem, elliptisch verformbaren Spezialkugellager.

Der elliptische Wave Generator als angetriebenes Teil verformt über das Kugellager den Flex Spline, der sich in den gegenüberliegenden Bereichen der großen Ellipsenachse mit dem innenverzahnten, fixierten Circular Spline im Eingriff befindet. Mit Drehen des Wave Generators verlagert sich die große Ellipsenachse und damit der Zahneingriffsbereich.

Da der Flex Spline zwei Zähne weniger als der Circular Spline besitzt, vollzieht sich nach einer halben Umdrehung des Wave Generators eine Relativbewegung zwischen Flexspline und Circular Spline um einen Zahn und nach einer ganzen Umdrehung um zwei Zähne. Bei fixiertem Circular Spline dreht sich der Flex Spline als Abtriebselement entgegengesetzt zum Antrieb.

Mit dem Harmonic-Drive-Getriebe können sehr hohe Untersetzungen bei hoher Präzision erzielt werden.

Hier finden Sie einen Übersichtsartikel speziell zum Harmonic-Drive-Getriebe:

Funktionsweise Galaxie-Getriebe von Wittenstein:

Die patentierte Getriebe-Kinematik des Galaxie-Getriebes verzichtet im Gegensatz zu anderen Gattungen auf ein starres Zahnrad –stattdessen erfolgt die Drehmomentwandlung über dynamisierte Einzelzähne, die um ein unrundes Antriebspolygon mit Nadellagerung herum gruppiert sind und radial gleitend entlang der Innenverzahnung des Hohlrades geführt werden. Dieses Prinzip führt dazu, dass fast alle Zähne gleichzeitig am Zahneingriff beteiligt sind – während bei anderen Getriebeausführungen nur wenige Zähne gleichzeitig eingreifen. Hinzu kommt, dass die Zahnflanken der Einzelzähne sowie des Hohlrades erstmals als logarithmische Spirale ausgeführt sind, wodurch der Zahneingriff nicht mehr wie bei Getrieben mit Zahnrädern als Linienkontakt erfolgt, sondern als Flächenkontakt mit hohem Traganteil. Der Kontakt beim Zahneingriff baut einen hydrodynamischen Schmierfilm auf, der mechanischen Verschleiß und Abrieb minimiert. Dadurch bleibt ein einmal eingestelltes Verdrehspiel oder Nullspiel über die gesamte Lebensdauer konstant.

Hier finden Sie eine ausführliche Produktbeschreibung zum Galaxie-Getriebe:

Getriebe-Hersteller:

  • ABM Greiffenberger
  • Bonfiglioli
  • Dr. Fritz Faulhaber
  • Flender
  • Getriebebau Nord
  • Halstrup-Walcher
  • IMS Gear
  • Lenze
  • Maxon Motor
  • MS Graessner
  • Nabtesco
  • Neugart
  • SEW
  • Siemens
  • SPN Schwaben Präzision
  • Stöber Antriebstechnik
  • Sumitomo
  • Watt Drive Antriebstechnik
  • Wilhelm Vogel Antriebstechnik
  • Wittenstein
  • ZAE Antriebssysteme

Die Auflistung der Hersteller ist eine Auswahl. Sie erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit.

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Über den Autor

Dipl.-Ing. (FH) Sandra Häuslein

Dipl.-Ing. (FH) Sandra Häuslein

Redakteurin, konstruktionspraxis – Alles, was der Konstrukteur braucht