Wie funktioniert ein Getriebe? Getriebestufe, Übersetzungsverhältnis, Drehzahl, Drehmoment, Leistung

In diesem Video behandeln wir die Grundlagen der Getriebetechnik. Getriebe kommen zum Beispiel in Bohrmaschinen oder Fahrrädern zum Einsatz. Sie dienen dazu, Kraft und Geschwindigkeit oder Drehmoment und Drehzahl zu steuern. Die Umwandlung erfolgt bei Zahnradgetrieben durch Zahnräder, bei Riementrieben durch Riemen und Riemenscheiben und bei Kettentrieben durch Ketten und Kettenblätter. Getriebe verändern nicht die mechanische Leistung, sondern nur das Verhältnis von Kraft und Geschwindigkeit bzw. von Drehmoment und Drehzahl. Dies ist letztlich eine direkte Folge der Energieerhaltung.

In diesem Video wird die Formel zur Berechnung der Leistung aus Kraft und Geschwindigkeit bzw. Drehmoment und Drehzahl hergeleitet. Dabei wird deutlich, dass die Kraft bzw. das Drehmoment immer nur auf Kosten der Geschwindigkeit bzw. der Drehzahl erhöht werden kann.

Eine wichtige Kenngröße eines Getriebes ist das Übersetzungsverhältnis, das angibt, wie stark die Drehzahländerung in einem Getriebe ist. Dieses Übersetzungsverhältnis kann bei Zahnrad- und Kettengetrieben aus dem Verhältnis der Zähnezahlen ermittelt werden. Bei Riementrieben ergibt sich das Übersetzungsverhältnis aus dem Verhältnis der Durchmesser der Riemenscheiben.

Bei mehrstufigen Getrieben erfolgt die Drehzahl- bzw. Drehmomentwandlung in mehreren Stufen. Dadurch können große Übersetzungsverhältnisse bei kleinen Getriebeabmessungen realisiert werden. Die Multiplikation der einzelnen Übersetzungen der jeweiligen Getriebestufen ergibt die Gesamtübersetzung des Getriebes.

Wird die Drehzahl durch ein Getriebe reduziert und damit das Drehmoment erhöht, spricht man von einer Übersetzung ins Langsame. Dies wird umgangssprachlich auch als Untersetzung bezeichnet. Umgekehrt spricht man von einer Übersetzung ins Schnelle, wenn die Drehzahl erhöht und damit das Drehmoment verringert wird.

Im Gegensatz zu Zahnrad- oder Kettentrieben muss bei Riementrieben die Elastizität des Riemens bei der Drehzahlwandlung berücksichtigt werden. Aufgrund der Elastizität treten beim Umlauf des Riemens um die Riemenscheiben Dehnungseffekte auf. Diese führen dazu, dass der Riemen über die Scheiben rutscht. Dies führt zu einem Geschwindigkeitsverlust und damit zu einem Drehzahlverlust. Dieses Phänomen wird Dehn-Schlupf genannt.

Abschließend betrachten wir in diesem Video die Vor- und Nachteile der verschiedenen Getriebearten.

00:00 Beispiel des Einsatzes von Getrieben
01:59 Anpassung der Kraft (Drehmoment) und Geschwindigkeit (Drehzahl)
04:04 Kettengetriebe, Zahnradgetriebe und Riemengetriebe
04:43 Leistung bei translatorischen Bewegungen
06:51 Beeinflussung der Kraft und Geschwindigkeit durch ein Getriebe
09:00 Leistung bei rotatorischen Bewegungen
10:35 Vergleich der Translations- und Rotationsleistung
11:24 Zusammenhang zwischen Leistung, Drehmoment und Drehzahl
13:06 Änderung der Drehzahl durch ein Getriebe (Herleitung)
14:31 Übersetzungsverhältnis
15:38 Änderung des Drehmoments durch ein Getriebe (Herleitung)
18:17 Getriebewirkungsgrad
19:26 Was ist eine Getriebestufe?
22:21 Vorteile und Nachteile von mehrstufigen Getrieben
23:10 Übersetzung ins Schnelle | ins Langsame (Untersetzung)
24:50 Wie funktioniert ein Kettentrieb?
26:04 Wie funktioniert ein Riementrieb?
27:36 Wirkungsgrad und Schlupf bei Riementrieben
29:55 Drehzahl- und Leistungsverlust durch Schlupf
30:59 Vor- und Nachteile von Zahnradgetrieben, Riementrieben und Kettentrieben