Umlaufrädergetriebe

aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
Wechseln zu: Navigation, Suche

Umlaufrädergetriebe sind Zahnrad- oder Reibradgetriebe, die neben gestellfesten Wellen auch Achsen besitzen, die auf Kreisbahnen im Gestell umlaufen.[1] In vielen Ausführungen sind die umlaufenden Achsen parallel zu den gestellfesten Wellen, was anschaulich begründet, warum die Umlaufrädergetriebe oft auch als Planetenrädergetriebe (kurz: Planetengetriebe) bezeichnet werden. Die auf den umlaufenden Achsen drehenden Räder umkreisen ein zentrales Rad ähnlich wie Planeten die Sonne.

Umlaufrädergetriebe sind kompakt bauende Getriebe mit dem besonderen Merkmal, dass Antriebs- und Abtriebs-Welle zueinander fluchten.

Umlaufrädergetriebe in der Radnabe eines Traktors (Gehäuse aufgeschnitten): zentrales Sonnenrad (verdeckt), drei Umlaufräder, äußeres Hohlrad

Grundlegender Aufbau[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Ein einfaches Standgetriebe (keine umlaufenden Achsen) hat im Minimum zwei Wellen und ist einstufig (nur eine Radpaarung). Ein Umlaufrädergetriebe hat im Minimum zwei Wellen und eine umlaufende Achse und ist zweistufig. Zwei gestellfeste Wellen werden in technischen Anwendungen benötigt, man braucht eine treibende und eine getriebene Welle. Der Umlauf des Rades (Umlaufrad U, Bilder unten) muss koaxial zu beiden umkreisten Rädern (1 und 2), mit denen es gepaart ist, erfolgen. Folglich sind diese beiden gestellfest drehenden Räder sogenannte Zentralräder. Und beide und der Steg (S), der die Achse mit dem umlaufenden Rad trägt, sind gleichachsig.[2]

Unterschiedliche Bauformen ergeben sich aus der Form des zweiten Zentralrades (2) und dadurch, dass ein einfaches Umlaufrad (U) oder Umlaufradpaare (U1 und U2) vorkommen. Ist das zweite Zentralrad ein Hohlrad, so ist das Getriebe besonders schmal (einfaches Umlaufrad U).

PlanetengetriebeMitHohlrad12.svg
Bauart 1: mit Hohlrad 2 und Umlaufrad U, das mit beiden Zentalrädern 1 und 2 gepaart ist
PlanetengetriebeMitStirnrad12.svg
Bauart 2: mit Stirnrad 2 und Umlaufräderpaar U1, U2, die je mit nur einem Zentralrad gepaart sind


Zwei Bauarten eines Umlaufrädergetriebes
1 und 2: Zentralräder, S: Stegrad, U: Umlaufrad, : Radius, : Umfangsgeschwindigkeit (Geschwindigkeit senkrecht zum Radius)

Wenn die umlaufende Achse parallel zu den gestellfesten Wellen ist und alle Räder Stirnräder sind, erscheinen die Räder im achs-senkrechten Schnittbild als kreisförmige Körper. Das umlaufende Rad umkreist das außenverzahnte Zentralrad wie ein Planet, was zur generellen, aber nicht immer treffenden Bezeichnung der Umlaufgetriebe als Planetengetriebe geführt hat. Man spricht vom das Sonnenrad umkreisenden Planetenrad.

Beim Kegelrad-Differentialgetriebe, dem meist verwendeten Umlaufrädergetriebe, schneidet die Mittellinie der umlaufenden Achse die gestellfeste zentrale Mittellinie rechtwinklig. Seine Bezeichnung als Planetengetriebe ist im oben genannten Sinne nicht treffend. Die beiden Zentralräder sind spiegelbildlich gleiche Kegelräder. Das Umlaufrad ist auch ein Kegelrad, der Steg hat die Form eines Käfigs.

Betriebsarten[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Im Allgemeinen hat ein Umlaufrädergetriebe drei Wellen, von denen aber oft eine festgehalten wird (Zweiwellenbetrieb), beispielsweise der Steg (siehe oben: zweite Illustration oder unten: Animation). Ist das Sonnenrad treibend, so ist das Hohlrad das getriebene und umgekehrt. Welche Welle/Rad festgehalten wird und welche/s als Antrieb beziehungsweise als Abtrieb dient, hängt von der zu lösenden Konstruktionsaufgabe ab.

In bestimmten Anwendungen drehen sich alle drei Wellen (Dreiwellenbetrieb). Dann sind zwei treibend und eins getrieben (Additionsgetriebe) oder umgekehrt (Verteilgetriebe).

Umlaufradgetriebe im Zweiwellenbetrieb, Standübersetzung
Mehrfach-Umlaufradgetriebe in einer Fahrradnabenschaltung mit 14 Gängen

Zweiwellenbetrieb[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Im Zweiwellenbetrieb ist das Getriebe zwangläufig (Laufgrad F = 1). Beim Antrieb einer Welle ist die Drehung der zweiten eindeutig.

Man unterscheidet zwischen Standübersetzung und Umlaufübersetzung:

  • Bei der Standübersetzung steht die Stegwelle still, und die beiden Zentralradwellen (also Sonnen- und Hohlrad) bewegen sich. Die ruhende Welle kann fest mit dem Gehäuse verbunden sein oder durch eine Bremse oder eine Freilaufkupplung festgehalten werden.
  • Bei der Umlaufübersetzung steht eine der beiden Zentralradwellen still. An- und Abtrieb erfolgen über die drehende Zentralradwelle und über die Stegwelle.

Dreiwellenbetrieb[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Im Dreiwellenbetrieb hat das Getriebe zunächst den Laufgrad F = 2. Es arbeitet als Summiergetriebe oder Verteilgetriebe:

  • Beim Summiergetriebe treiben 2 Wellen an, und 1 Welle ist getrieben. Beispiel ist das Summiergetriebe in der Hinterradnabe eines Elektrofahrrads.[3] Die Antriebsdrehzahlen werden frei gewählt, die Abtriebsdrehzahl ist dadurch eindeutig. Durch die Vorgabe der beiden Antriebsbewegungen ist schließlich Zwangläufigkeit (F = 1) gewährleistet.
  • Beim Verteilgetriebe treibt eine Welle an und zwei Wellen sind getrieben. Das Drehzahlverhältnis der beiden Abtriebswellen muss festgelegt sein. Das bekannteste Beispiel eines Verteilgetriebes ist das Differentialgetriebe am Kraftfahrzeug. Hier wird das Drehzahlverhältnis durch den Radabstand und den Kurvenradius festgelegt. Durch den Reibkontakt der Räder mit dem Boden ist schließlich Zwangläufigkeit (F = 1) gewährleistet. Anders als im Zweiwellenbetrieb stützen sich die An- und Abtriebsmomente der Wellen nur untereinander ab. Wegen MS+M1+M2=0 bleibt das Gehäuse drehmomentfrei (vgl. Abschnitt Drehmomentübersetzung).

Selbsthemmung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Schon einfache Planetengetriebe sind zur Selbsthemmung fähig, d. h. Momente können nur in einer Antriebsrichtung übertragen werden. Bei gegebener Standübersetzung (i0) und Standwirkungsgrad () ist dies ein Bereich von , also mit i0 in der Nähe von +1 [4].

Mehrfach- oder Koppelgetriebe[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Oft wird nicht nur der hier geschilderte einfache Umlaufradsatz als Umlaufgetriebe bezeichnet, sondern auch eine auf dieser Grundbauform beruhende Kombinationen mehrerer, in- und hintereinander geschalteter Zahnräder. Beispiel sind die Nabenschaltungen am Fahrrad, bei der mit einem Mehrfachgetriebe mehr als die mit einfachen Umlaufradsatz erreichbaren drei Gänge möglich wurden.

Weitere Beispiele für Mehrfachgetriebe sind der Ravigneaux-Satz oder das Lepelletier-Getriebe.

Kinematik[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Kutzbachplan[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Übersetzungen am Umlaufrädergetriebe können anschaulich mit Hilfe des Kutzbachplanes dargestellt und graphisch ermittelt werden.

Willis-Gleichung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Zur analytischen Darstellung genügt eine einzige Gleichung, die sogenannte Willis-Gleichung:[Anmerkung 1]

.[5][6]

Darin ist die sogenannte Standübersetzung des Umlaufrädergetriebes, welche das Drehzahlverhältnis zwischen den beiden Zentralwellen 1 und 2 bei festgehaltenem Steg S beschreibt:

.

Meistens haben die beiden gleichachsigen Zentralräder gegensätzliche Drehrichtungen, und die Standübersetzung ist negativ (sogenanntes Minusgetriebe, Gegenteil: Plusgetriebe). Jedes der beiden Zentralräder kann treibendes Rad 1 oder getriebenes Rad 2 sein.

Im Folgenden wird die für die Willis-Gleichung benötigte Standübersetzung aus den Wälzradien der Getrieberäder bestimmt.[Anmerkung 2] Dazu wird der Ansatz verwendet, der dem Kutzbachplan zu Grunde liegt: Die Geschwindigkeit eines Umlaufrades U (vgl. Abbildungen unter Grundlegender Aufbau) verläuft längs seines rot dargestellten Radius (einschließlich seiner rückwärtigen Ergänzung zum Durchmesser) linear. Das gilt allgemein für rotierende Kreisflächen, deren Mittelpunkt senkrecht zum Radius bewegt wird. Bei Vorgabe von zwei der drei Umfangsgeschwindigkteten und kann aus der zugehörigen Verbindungsgeraden auf die dritte Umfanggeschwindigkeit geschlossen werden.

Fur die Bauarten mit Hohlrad oder Umlaufradpaaren (vgl. Bilder am Artikelanfang) erhält man die Umfangsgeschwindigkeit des jeweiligen 1. Zentralrades nach der Zwei-Punkte-Form der Geradengleichung zu

bzw. .

Durch Übergang auf die entsprechenden Drehzahlen folgt

bzw. .

Für die Standübersetzung (d. h. für festgebremstes Stegrad) folgt daraus

bzw. .

Dieser Parameter erlaubt, beide Bauarten mit der nach R. Willis benannten Gleichung zu beschreiben.

Die Willis-Gleichung gilt unabhängig davon, wie das Umlaufrädergetriebe im Inneren aufgebaut ist. Die umlaufenden Räder werden von ihr nicht erfasst. Mit der Standübersetzung zwischen zwei der drei gestellfesten Wellen sind die übrigen Drehzahlverhältnisse zwischen den gestellfesten Wellen bestimmt. Dies lässt sich so erklären: Jede Bewegung eines Planetengetriebes kann als Superposition (Überlagerung) von zwei Teildrehungen betrachtet werden. Eine Teildrehung ergibt sich bei festgehaltenem Steg mit der Standübersetzung i0. Diese wird überlagert durch die Drehung des gesamten Planetengetriebes mit Steg[7].

Im Zweiwellenbetrieb gibt es sechs Kombinationen für eine treibende, eine getriebene und eine festgehaltene Welle. In der folgenden Tabelle ist die Willis-Gleichung beispielsweise für jeden dieser sechs Fälle umgestellt, wobei als Standübersetzung diejenige zwischen Sonnenrad (treibend) und Hohlrad (getrieben) gewählt ist:[8]

  (Da die Zähnezahl eines Hohlrades definitionsgemäß einen negativen Wert hat, ist im Beispiel negativ: Minusgetriebe).

Steg fest Hohlrad fest Sonnenrad fest
Epicyclic Gearing Stationary Carrier.gif Epicyclic Gearing Stationary Ring.gif Epicyclic Gearing Stationary Sun.gif
Antrieb / Abtrieb Übersetzung Antrieb / Abtrieb Übersetzung Antrieb / Abtrieb Übersetzung
Sonnenrad / Hohlrad Sonnenrad / Steg Hohlrad / Steg
Hohlrad / Sonnenrad Steg / Sonnenrad Steg / Hohlrad
Antrieb / Abtrieb Übersetzungs- verhältnis Antrieb / Abtrieb Übersetzungs- verhältnis Antrieb / Abtrieb Übersetzungs- verhältnis
Sonnenrad / Hohlrad Sonnenrad / Steg Hohlrad / Steg
Hohlrad / Sonnenrad Steg / Sonnenrad Steg / Hohlrad

Bei nicht gestuften umlaufenden Rädern errechnet sich die Relativdrehzahl des umlaufenden Rads gegenüber dem Steg (Minusradsatz) aus:

Diese Formel kann auch für die Berechnung der Relativdrehzahl des mit dem Hohlrad kämmenden umlaufenden Rads eines Plusradsatzes verwendet werden.

Die Zähnezahl und die Anzahl der umlaufenden Räder ist ohne Bedeutung für die Standübersetzung , hat aber einen Einfluss auf die Drehzahl der umlaufenden Räder und die maximal übertragbaren Drehmomente.

Drehmomentübersetzung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Hebelmodell eines reibungsfreien Planetengetriebes

Die Verhältnisse der Drehmomente untereinander lassen sich mit einem einfachen Hebelmodell oder aus einer Leistungsbilanz herleiten. Vorausgesetzt wird hier ein reibungsfreies Getriebe, also ein Wirkungsgrad von 100 %. Das rechts abgebildete Hebelmodell gilt drehzahlunabhängig. Mit Vorgabe des Drehmoments der Stegradwelle erhält man und . Mit der oben definierten Standübersetzung folgen daraus die Drehmomentübersetzungen

und
.

In den Leistungsbilanzen und ist das Hohlrad 2 bzw. das Sonnenrad 1 ruhend vorausgesetzt. Die ruhenden Räder übertragen keine Leistung. Damit ergeben sich dieselben Drehmomentübersetzungen. Aus den letzten beiden Gleichungen ist abzulesen, dass die für alle Drehzahlen gültigen Drehmomentübersetzungen gleich dem negativen Kehrwert der Drehzahlübersetzungen in den entsprechenden Standfällen sind.

Um den Betriebszustand eines Planetengetriebes zu beschreiben genügen ein Drehmoment und zwei Drehzahlen (vgl. Willis-Gleichung).

Leistungsfluss[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Leistungsfluss (rote und blaue Pfeile) und Drehzahl-Isolinien

Jede Welle eines Planetengetriebes kann alleinige An- oder Abtriebswelle sein. Somit sind jeweils drei Wellenkombinationen bei Leistungsverzweigung bzw. Leistungssummierung möglich. Die Graphik rechts ordnet die sechs verschiedenen Betriebsarten in die --Ebene ein. Die Leistungen sind als Rechts- und Hoch-Komponenten der roten Pfeile ( bzw. ) und als blaue Pfeile ( ) maßstäblich und vorzeichenbehaftet dargestellt. Das Drehmoment jeder Welle ist in allen Betriebspunkten konstant, wobei gesetzt ist; d. h. in der rechten Halbebene ist die Hohlwelle 2 Abtriebswelle. In den Getriebesymbolen am Bildrand sind die Antriebswellen schwarz und die Abtriebswellen cyan gefärbt. Die vorausgesetzte Standübersetzung ist . Die von und gemäß Willis-Gleichung abhängige Sonnenraddrehzahl ist in Form von parallelen Isolinien in der Einheit 100 U/min eingetragen. Weitere Erläuterungen siehe Bildbeschreibung unter Wikimedia-Commons.

Verteilung der umlaufenden Räder[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Ungleiche Verteilung der umlaufenden Räder

Die gewöhnlich mehreren umlaufenden Räder lassen sich nur dann gleichmäßig über den Umfang verteilen, wenn folgendes Verhältnis ganzzahlig ist:

      (, = Zähnezahl des Sonnen- bzw. des Hohlrades)

Das abgebildete Beispiel zeigt ein Getriebe, das ungleiche Teilungswinkel erfordert. Die rechte Darstellung zeigt den nicht möglichen Eingriff der Zähne bei gleichem Teilungswinkel.

Vor- und Nachteile[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Kompakte Bauweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • geringes Volumen (insbesondere bei Verwendung eines Hohlrades)
  • koaxiale Wellen
  • Übertragung hoher Drehmomente (Vervielfachung durch mehrere parallele Zahnpaarungen mit mehreren Umlaufrädern)

Zwei- und/oder Dreiwellenbetrieb[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Zweiwellenbetrieb: Die Auswahl zweier von drei Wellen und die Umkehr zwischen treibender und getriebener Welle ergibt 6 mögliche Getriebe.
  • Zeitweiser Dreiwellenbetrieb: Ist die dritte Welle im Betrieb durch eine Reibungskupplung fixiert, so kann der Zweiwellenbetrieb durch Entkuppeln und Kuppeln unter Last unterbrochen und wiederhergestellt werden.
  • Dreiwellenbetrieb: Addition zweier Drehbewegungen (Summiergetriebe) zu einer dritten oder Verteilung (Verteilgetriebe) einer Drehbewegung auf zwei andere.

Nachteile[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die wesentlichen Nachteile sind

  • Im Vergleich zu einer einfachen Stirnradstufe wird die Leistung über mindestens zwei Zahneingriffe geführt, so dass sich die Verlustleistung verdoppelt. Dies kann dazu führen, dass Selbsthemmung in einer Antriebsrichtung eintritt.
  • Aufwändige Bauweise
  • Aufwändige Lagerung, vor allem wenn das Getriebe als Dreiwellengetriebe genutzt wird, so dass auf wenigstens einer Seite mit zwei Wellen (Vollwelle in einer Hohlwelle) oder einem zusätzlichen Leistungsabgriff (Verzahnung mit weiterem Verlust) gearbeitet werden muss.

Anwendungen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Nabengetriebe[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Eine häufige Anwendung des Umlaufradgetriebes erfolgt in Radnaben, wobei die in Fahrrädern schon sehr alt ist (seit etwa 1900).

Nabenschaltung im Fahrrad[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Hauptartikel: Nabenschaltung

In Fahrrad-Nabenschaltungen wird die kompakte Bauweise des Umlaufradgetriebes ausgenutzt. Es ist sowohl wichtig, ein Getriebe in der (Hinterrad)-Nabe unterzubringen, als es auch koaxial betreiben zu können. Primäre Eigenschaft ist seine Schaltbarkeit, nicht seine Grundübersetzung zwischen Kettenritzel und Rad ins Schnelle oder ins Langsame. Im mittleren Gang wird das Getriebe überbrückt und die Übersetzung ist i=1. Ansonsten bedeutet Schalten einen Wechsel zwischen zwei verschiedenen Zweiwellenbetrieben. Das Sonnenrad ist in der Regel fix, so dass die vier anderen Möglichkeiten des Zweiwellenbetriebs wegfallen. Ein langsamer Gang (i>1) entsteht, wenn das Hohlrad treibend gemacht wird, ein schneller (i<1) bei treibendem Steg.[9]

Mehr als drei Gänge werden mit mehr Teilen erreicht, als ein einfacher Umlaufradsatz hat.

Auch die seltenere Tretlagerschaltung am Fahrrad enthält in der Regel ein Umlaufrädergetriebe.

„Außenplanetenachse“[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

In den Naben der getriebenen Räder von Lastkraftwagen, Omnibussen und Bau- und Landmaschinen kann ein Umlaufradgetriebe für die Übersetzung ins Langsame eingebaut sein. Bei einer solchen Konstruktion sind die antreibenden Teile für relativ kleine Drehmomente ausgelegt, da deren Drehzahl noch größer ist als die der Räder. Genutzt wird die starke Übersetzung ins Langsame vom Sonnenrad zum Steg, das Hohlrad ist fest. Die Umformung am Ende des Antriebsstrangs in der relativ kleinen Radnabe ist infolge der kompakten Bauweise eines Umlaufradgetriebes möglich.

Diese Technik der sogenannten Außenplanetenachse wurde 1953 von Magirus-Deutz eingeführt und in der Folgezeit von zahlreichen anderen Nutzfahrzeugherstellern übernommen.

Elektrischer Nabenmotor mit Getriebe[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der zuerst in Automobilen eingesetzte elektrische Radnabenmotor wird auch in Elektrofahrrädern verwendet. Damit der Elektromotor mit seiner optimalen Drehzahl betrieben werden kann, wird er zweckmäßig mit einem ins Langsame übersetzenden Umlaufradgetriebe kombiniert. Dieses hat den gleichen Zweiwellenbetrieb wie die „Außenplanetenachse“: treibendes Sonnenrad und getriebenes Hohlrad.[10]

Verteilgetriebe[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Klassischer Anwendungsfall für ein Verteilgetriebe ist die Leistungsverteilung auf zwei Räder in der Antriebsachse eines Automobils. Dieses sogenannte Differentialgetriebe ist bei heute mehrheitlichem Vorderradantrieb in manchen Fällen nicht mehr mit Kegelrädern, sondern mit Stirnzahnrädern versehen und erfüllt in dieser Form das anschauliche Umlaufrädergetriebekonzept. In Allradfahrzeugen kommt zu zwei sogenannten Achsdifferentialen noch ein Zentraldifferential hinzu.

Bei Hybridelektrokraftfahrzeugen gibt es eine Kombinationsvariante, in der die Leistung des Verbrennungsmotors auf die Räder und einen elektrischen Generator verteilt wird.

Bei Luftfahrzeugen mit koaxialen Propellern erfolgt die Leistungsverteilung vom Antrieb auf die zwei gegenläufigen Propeller mit einem Umlaufräder-Verteilgetriebe.

Summiergetriebe[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

PKW-Hybridantriebsschema. 1: Sonnen­rad, 2: Hohlrad, S: Stegrad, U: Umlaufrad, MG1, MG2: Motorgeneratoren

Bei einem Summiergetriebe werden zwei Leistungen zu einer zusammengefasst. In Hybridelektrokraftfahrzeugen ist das die als paralleler Hybrid bezeichnete Kombinationsvariante eines Verbrennungs- und eines Elektromotors. Läuft der Elektromotor zunächst rückwärts, dann lässt sich sogar ein kupplungsfreies Anfahren realisieren.

Bei dem rechts schematisch skizzierten kupplungsfreien Hybridantrieb (Toyota Prius, 1. Generation) ist der Verbrennungsmotor mit dem Stegrad S und der kleinere Motorgenerator MG1 mit dem Sonnenrad verbunden. MG1 erzeugt normalerweise den Ladestrom für den Akkumulator. Bei Volllast und hoher Beschleunigung schaltet die Antriebsteuerung MG1 zur Unterstützung des Verbrennungsmotors in den Motorbetrieb. Unabhängig vom inneren Getriebezustand kommt die Leistung des großen Motorgenerators MG2 hinzu, der direkt auf die Antriebsachse wirkt.

Ein Beispiel ist auch der Antrieb einer Schiffsschraube durch zwei Motoren über ein Summiergetriebe.

Andere Anwendungen haben einen Motor, der große Leistungen bei konstanter Drehzahl liefert. Mit einem kleineren Motor, der sich leicht in der Drehzahl regeln lässt, und einem Summiergetriebe kann auf diese Art eine Drehzahländerung am Ausgang erreicht werden, zum Beispiel in einem Walzwerk, um die Geschwindigkeit bei der Umformung zu variieren.

Im Flugzeugbau sind Anwendungen bekannt, bei denen aus Sicherheitsgründen zwei Elektromotoren eine Kraftstoffpumpe über ein Summiergetriebe antreiben. Fällt einer der Motoren aus (bleibt stehen), kann der andere immer noch die Pumpe mit halber Drehzahl antreiben.

Achtgang-Stufenautomatgetriebe. Die verschiedenen Gänge werden mit mehreren Umlaufradgetrieben über Lamellenkupplungen und Lamellenbremsen realisiert.

Kuppeln und Schalten[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der Zweiwellenbetrieb wird unterbrochen, wenn die dritte Welle des Umlaufradgetriebes vorübergehend nicht festgehalten wird. Diese Möglichkeit wird als generelle Kupplung oder zum Schalten der Gänge in einem Wechselgetriebe genutzt.

Vorwiegend in der Landtechnik gibt es unter Last schaltbare Kupplungen, die so funktionieren. So wird beispielsweise die Zapfwelle ein- und ausgeschaltet. Das Hohlrad wird fest gebremst beziehungsweise drehbar gelassen.

Klassische Automatikgetriebe in Kraftfahrzeugen haben mehrere hintereinander angeordnete Umlaufradgetriebe. Zum Gangwechsel wird durch Öffnen und Schließen von Reibkupplungen und -bremsen eine andere Übersetzung geschaltet. Dies geschieht als Lastschaltung, es gibt keine Zugkraftunterbrechung.

Stufenlose Drehzahlveränderung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Mit einem prinzipiell für große Leistungen nicht geeigneten stufenlosen Getriebe lässt sich die Drehzahl einer mit großer Leistung versehenen Drehübertragung wie folgt variieren (allerdings bei reduziertem Drehzahlbereich): Zunächst wird die Drehübertragung mit einem Umlaufradgetriebe aufgeteilt. Ein Nebenzweig mit geringerer Leistung wird über ein stufenloses Getriebe zu einem zweiten Umlaufradgetriebe geführt, wo es dann mit der Leistung aus dem Hauptzweig des ersten Umlaufradgetriebes wieder summiert wird.

Eine stufenlose Nabenschaltung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Für Fahrräder gibt es die stufenlose NuVinci-Nabenschaltung. In dieser Markenbezeichnung ist der Name von Leonardo da Vinci enthalten, der das Grundprinzip bereits beschrieben hatte.

Es handelt sich um die bekannte Nabenschaltung mit einem Umlaufradgetriebe, dessen Zahnräder (Formschluss) aber durch Reibräder (Kraft- oder Reibschluss) ersetzt sind. Die Umlaufräder sind zu umlaufenden Kugeln (Kugelrädern) geworden. Durch Schwenken ihrer Achsen relativ zur Nabenachse ändern sich die Radien, auf denen sie rollenden Kontakt mit der treibenden und der getriebenen Scheibe (anstatt Sonnen- und Hohlrad) haben. Das stufenlos mögliche Schwenken bedeutet eine stufenlose Änderung der Getriebe-Übersetzung. Kinematisch stellt die NuVinci-Nabenschaltung ein Umlaufrädergetriebe mit variierbarer positiver Standübersetzung dar.

In der ausgeführten Nabenschaltung ist die Getriebespreizung (Verhältnis von größter zu kleinster Übersetzung) 360 %.[11]

Wie in jeder reibschlüssigen Verbindung ist auch in der NuVinci-Nabenschaltung Schlupf mit daraus folgendem Verschleiß möglich.

Siehe auch[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Hugo Klein: Die Planetenrad-Umlaufrädergetriebe. Carl Hanser Verlag München, 1962.
  • Fritz Winkler, Siegfried Rauch: Fahrradtechnik Instandsetzung, Konstruktion, Fertigung. 10. Auflage, BVA Bielefelder Verlagsanstalt GmbH & Co. KG, Bielefeld, 1999, ISBN 3-87073-131-1.
  • Johannes Volmer: Getriebetechnik Umlaufrädergetriebe. Verlag Technik, Berlin, 1990.

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

 Commons: Epicyclic gears – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Siegfried Hildebrandt: Feinmechanische Bauelemente. Hanser, 1968, S. 542
  2. Gleichachsig ist in geometrischem Sinne gemeint: Die Mittel- beziehungsweise Rotationsachsen sind identisch.
  3. Siegfried Wetzel: Planetengetriebe am Fahrrad. 5. Planetengetriebe in der Hinterradnabe des Elektro-Fahrrades Swissbee
  4. Johannes Looman, Zahnradgetriebe, Abschnitt 3.3.1.10 Selbsthemmung, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 3. Auflage 2009, ISBN 978-3-540-89459-9
  5. Bernd Künne: Köhler/Rögnitz Maschinenteile 2. 10. Auflage. Vieweg+Teubner Verlag, 2008, ISBN 3-8351-0092-0, S. 508 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  6. Berthold Schlecht: Maschinenelemente 2: Getriebe, Verzahnungen und Lagerungen. 2. Auflage. Pearson Studium, 2010, ISBN 3-8273-7146-5, S. 787 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche – Drehzahl-Grundgleichung bzw. Willis-Gleichung).
  7. Eckhard Kirchner, Leistungsübertragung in Fahrzeuggetrieben, siehe Anmerkung 5.13, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2007, ISBN 978-3-540-35288-4
  8. Bernd Künne: Köhler/Rögnitz Maschinenteile 2. 10. Auflage. Vieweg+Teubner Verlag, 2008, ISBN 3-8351-0092-0, S. 509 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  9. Siegfried Wetzel: Planetengetriebe am Fahrrad. 3. Planetengetriebe in Nabenschaltungen
  10. Siegfried Wetzel: Planetengetriebe am Fahrrad. 4. Planetengetriebe in elektrischen Nabenmotoren
  11. Stiftung Warentest.de: NuVinci-Fahrradnabe –Schalten ohne Gänge. Abgerufen am 8. August 2012.

Anmerkungen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Robert Willis, 1800 bis 1875, englischer Ingenieur
  2. Das Wälzradienverhältnis gepaarter Zahnräder ist gleich ihrem Zähnezahlverhältnis.