Planetengetriebe

Einführung

Im fünften Semester meines Studiums zum Diplomingenier des Maschinenbaus, im Sommersemester 1999, war im zweiten Teil der Semesterarbeit ein geradverzahntes Planetengetriebe, wie es in LKW-Hinterachsnaben zum Einsatz kommt, auszulegen, teilweise zu berechnen und zu konstruieren.

Damals konnten sich die meisten meiner Freunde und Bekannten nicht im geringsten vorstellen, was ein Planetengetriebe überhaupt ist, wie es funktioniert und wo es eingesetzt wird. Deshalb, und weil mir diese Konstruktionsarbeit außer Arbeit auch viel Spaß gemacht hat, habe ich hier das Prinzip von Planetengetrieben, die auch Umlaufgetriebe genannt werden, aufbereitet und auf den folgenen Seiten präsentiert. Ich hoffe, es ist einigermaßen verständlich geworden. Viel Spaß dabei!

Was ist denn ein Planetengetriebe?

Ein Planetengetriebe, auch Umlaufgetriebe genannt, heißt nicht etwa deshalb Planetengetriebe, weil es im Weltall eingesetzt wird, nein. Es heißt deswegen so, weil in ihm mehrere umliegende Zahnräder um ein zentrale Zahnrad angeordnet sind. Im Betrieb kreisen diese umliegenden Zahnräder um das zentrale Zahnrad wie Planeten um eine Sonne. (Zumindest bei dem bei unserer Konstruktion vorliegenden Getriebe.) Darum werden die umliegenden Zahnräder auch Planetenräder, das zentrale Sonnenrad genennt. Wenn wir noch ein äußeres, innenverzahntes Zahnrad (Hohlrad) um das ganze setzen, haben wir ein Planetengetriebe, das wie folgt aussieht:

Was dreht sich jetzt worum? Ganz schön verwirrend, wie? Nun ja - es ist doch nicht ganz so einfach. Was wird wie angetrieben? In meiner Konstruktionsarbeit zum Beispiel wird das zentrale Sonnenrad durch den Motor angetrieben. Dies geschieht durch eine Steckwelle, die in diesen Abbildungen nicht sichtbar ist. Dadurch dreht sich die Sonne und überträgt das Drehmoment auf die Planetenräder. Wenn wir jetzt kein Hohlrad außenherum hätten, würde sich jetzt einfach jedes Planetenrad um seine eigene Achse drehen. Aber da wir nun mal ein Hohlrad haben, das die Planetenräder beeinträchtigt, passiert etwas anderes: sie kreisen gemeinsam gleichmäßig um das Sonnenrad. Die unten abgebildete Animation verdeutlicht dies, das Sonnenrad dreht sich übrigens tatsächlich!)

Und was wird jetzt wie angetrieben? Also, mal langsam, der Motor treibt das Sonnenrad an, damit es sich dreht. Das Sonnenrad versetzt mit Hilfe des Hohlrades die Planetenräder in Drehung um das Sonnenrad (und um sich selbst). Diese Planetenräder sind auf einem gemeinsamen Träger montiert (siehe Abbildung unten). Jetzt braucht man nur noch diesen Planetenträger mit einer Abtriebswelle zu verbinden und man hat eine Übersetzung, das heißt, der Antrieb dreht sich schneller als der Abtrieb, in diesem Fall um das 3,2-fache (abhängig von den Zähnezahlen der Zahnräder). Rechts unten seht ihr das zusammengebaute Getriebe ohne Gehäuse, links davon die Explosionsdarstellung. Darauf ist genau der Planetenträger (hellgrau) zu sehen und die über fünf Achsen (grau) und Nadellager (gold) befestigten Planetenräder (weiß). Dahinter das ausgebaute Hohlrad (rot) und das Sonnenrad (blau), das jetzt durch eine Verzahnung, eine Deckscheibe (kupferfarben) mit Senkkopfschraube (grau) sowie einen hier nicht sichtbaren Sicherungsring mit der Steckwelle verbunden ist.

Und wozu das Ganze?

Warum verwendet man Planetengetriebe? Dazu müssen wir zunächst ein normales Getriebe betrachten: zum Beispiel das einstufige aus dem ersten Teil meiner Konstruktionsarbeit:

Wenn über dieses Getriebe mit einer bestimmten Übersetzung Drehmomente übertragen werden, dann benötigen wir für jedes Zahnrad eigene Lagerungen, ein stabiles Gehäuse und eine stabile Befestigung am Boden, um das Gehäusemoment aufzunehmen. Das schafft hohe Material-, Fertigungs- und Materialkosten, da jede Lagerstelle eigens hergestellt und paßgenau montiert werden muß. Außerdem werden die Getriebe durch die Verwendung großer Zahnräder sehr schwer und unhandlich. Bei einem Planetengetriebe hingegen plazieren wir die Zahnräder innerhalb des umliegenden, äußeren Hohlrads und sparen uns so Gewicht und Raum. Außerdem können wir das, was beim normalen Getriebe durch Bodenschrauben aufgefangen werden muß, hier zum Teil ausnutzen: nämlich daß sich das gesamte Getriebe mitdrehen will. Nebenbei sparen wir Lagerstellen, da sich, wie schon im letzten Kapitel erwähnt, bei geeigneter Bauweise Sonnen- und Hohlrad von alleine einstellen und zentrieren.

Das sieht dann im realen Fall meiner Konstruktion so aus:

Auf dem nebenstehenden Bild sehen wir das Reifendoppel an einer LKW-Hinterachse mit den Felgen (rot, schematisch). Diese Felgen sind über Felgenschrauben (gelb) mit dem umlaufenden Steggehäuse und dem dahinter angeordneten Hauptträger (grau) verbunden. Der Hauptträger überträgt die Achslast mittels zweier Kegelrollenlager (gold, schematisch) auf die stillstehende Achse (türkis). An dieser Achse ist auch das Hohlrad befestigt, das sich nicht mitdreht. Durch das umlaufende Steggehäuse, das nach vorne verläuft wird das Antriebsdrehmoment übertragen. Es ist direkt mit mit dem Planetenträger (hellgrau) und den Planetenachsen, auf denen die Planetenräder (weiß) sitzen, verbunden. Durch das Getriebe wird, wie schon besprochen, das Drehmoment, das von der Steckwelle (hellgrau) kommt, übertragen. Die kupferfarbenen Anlaufscheiben dienen der axialen Sicherung der Zahnrräder. Vorne ist noch ein Deckel (blaugrau) angeschraubt, damit das Öl nicht rausläuft. Wir sehen, wir benötigen nur Nadellager für die Planetenräder und ein Kegelrollenpaar für die Aufnahme der Achslast und sparen so Gewicht und Kosten.

Und wofür benötigt ein LKW ein zusätzliches Getriebe in der Hinterrad-Antriebsachse?

Getriebe verändern die Drehzahl vom Antrieb zum Abtrieb und damit gleichzeitig das Drehmoment (das ist - vereinfachend ausgedrückt - die Kraft, die die sich drehende Welle aufbringen kann). Steigt die Drehzahl, so verringert sich das Drehmoment und umgekehrt über folgende Gleichung: Antriebsleistung = 2 * Pi * Drehzahl * Drehmoment.
Diese Eigenschaft nutzen wir zum Beispiel beim Schaltgetriebe eines PKWs. Der Otto- oder Dieselmotor kann nämlich nicht beliebig langsam laufen, sonst stirbt er ab. Er macht mindestens mehrere 100 Umdrehungen pro Minute. Zum Anfahren aus dem Stand benötigt ein Fahrzeug am Reifen aber eine wesentlich langsamere Drehzahl. Dies erreichen wir, indem wir am Schaltgetriebe den ersten Gang einlegen. Die Zahnräder, die dabei im ersten Gang verwendet werden, sind so gestaltet, daß durch eine bestimmte Übersetzung die Drehzahl zum Reifen hin wesentlich verringert wird. Gleichzeitig erhöht sich dabei, wie schon besprochen, das Drehmoment. Wir können also mit einer kleinen Reifendrehzahl zügig und kraftvoll anfahren.
Bei einem LKW könnte man dies selbstverständlich ebenso erreichen. Aber der LKW ist bei voller Zuladung wesentlich schwerer als ein PKW. Wir benötigen dadurch sehr viel mehr Kraft zum Anfahren (ein größeres Drehmoment). Außerdem muß die Drehung des Motors noch durch die Kardanwelle und das Differential auf die Hinterräder übertragen werden. Würde man die Übersetzung am Schaltgetriebe so wählen, daß schon am Abtrieb des Schaltgetriebes das volle, zum Anfahren benötigte Drehmoment zur Verfügung steht, müßte man das Schaltgetriebe, die Kardanwelle und das Differential wesentlich massiver bauen, damit sie dies aushalten. Das ist teuer und schafft Mehrgewicht. Um dies zu vermeiden, hält man während der Übertragung des Drehmoments vom Motor zum Reifen die Drehzahl hoch und dadurch das Drehmoment klein. Und durch das direkt in die Hinterachse eingebaute Planetengetriebe wird sozusagen erst im letzten Augenblick dort, wo man es wirklich braucht, das Drehmoment erhöht.
Strenggenommen hat das ganze allerdings auch einen Nachdteil: da das Planetengetriebe unmittelbar mit den Felgen und den Reifen verbunden ist, wird die ungefederte Masse wesentlich erhöht. Dies hat ein schlechteres dynamisches Verhalten des LKWs bei Fahrt über Bodenunebenheiten zur Folge. Dies fällt aber gegenüber den Vorteilen, die ein Planetengetriebe mit sich bringt, normalerweise nicht ins Gewicht.

Zusatzinfos zur ursprünglichen Konstruktionsaufgabe

Aufgaben:

• Vorauslegung und Festigkeitsnachweis der zentralen angetriebenen Steckwelle
• Vorauslegung der Verzahnungen
• Vorauslegung und Festigkeitsnachweis des umlaufenden Steggehäuses
• Auswahl und Berechnung der Radlager unter Verwendung von Kegelrollenlagern
  Konstruktion des gesamten Getriebes und Anfertigung einer technischen Konstruktionsgesamtzeichnung unter Einhaltung vorgeschriebener Bauraumbedingungen

Schwierigkeiten:

• Nur wenige Verzahnungskombinationen waren geeignet, die Zahn-Zahnlücke-Einbaubedingung für die Zahnräder im Planetengetriebe bei gleichzeitiger Einhaltung der Mindestmaterialstärken für das Zahnradvollmaterial und der Einbaubedingungen zu erfüllen.
• Die Steckwelle war so kerbarm wie möglich zu gestalten, um das zu übertragende Drehmoment aufnehmen zu können.
• Die Lagerberechnung war sehr umfangreich wie immer bei händischer Berechnung von angestellten Lagerungen; außerdem mußte mit Lastkollektiven gerechnet werden, um die verschiedenen Belastungen bei Geradeaus- und Kurvenfahrt rechts/links zu berücksichtigen; schließlich sollte eine Lebensdauer von 250.000 km erreicht werden was wiederum mit Einbaubedingungen vereinbart werden mußte
• Die Einbaubedingungen selbst waren sehr eng bemessen

Gesamtzeichnung:

[Anmerkung: Ok, ok, ich geb’s ja zu. An der Stelle ist wohl etwas nicht ganz astrein. Ein Monteur hätte vermutlich doch nicht unwesentliche Probleme, das rechte Kegelrollenlager dieses Planetengetriebes zu montieren, da es den gleichen Passsitz besitzt wie das linke. Was in der Theorie keine großen Probleme machen würde, wäre wohl beim LKW-Kundendienst ein Fiasko. Ich entschied mich dennoch für diese Bauweise, da sie gemäß den Konstruktionsvorgaben erlaubt war und so die Konstruktionsberechnungen und die Konstruktion einfacher wurde]

;-)