Mechanik · Getriebe, Riemen & Ketten

Zahnrad, Riemen, Kette.
Übersetzung sehen.

Stell Zähnezahlen, Scheiben und Drehzahlen ein und schau zu, wie sich alles dreht. Du siehst sofort Übersetzung, Drehzahl, Drehmoment, Leistung und die Drehrichtung jedes Rades – und rechnest danach selbst nach.

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Stationen

Station 4 · Vergleich Zahnrad, Riemen, Kette ↓

Station 1 · Zahnradgetriebe

Vermute zuerst: Du setzt ein Zwischenrad zwischen zwei Zahnräder. Ändert sich die Abtriebsdrehzahl, die Drehrichtung oder beides?

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Nur die Drehrichtung. Die Übersetzung hängt nur von den Zähnezahlen des treibenden und des getriebenen Rades ab – die Zähnezahl des Zwischenrades kürzt sich heraus. Probier es aus: „in Stufe 1“ wählen und die Zähnezahl des Zwischenrades ändern.

Deine Werkbank

Räder einstellen

Stufe 1: Rad 1 treibt Rad 2
Stufe 2: Rad 3 treibt Rad 4
Stufe 3: Rad 5 treibt Rad 6
Zwischenrad

Lernmodell: außenverzahnte Stirnräder, in jeder Stufe gleicher Modul, stationärer Betrieb. Verluste nur über η je Stufe (ein Zwischenrad zählt zu seiner Stufe), ohne Spiel, Lagerreibung und Trägheit.

Live-Modell

Drehzahl, Drehmoment und Richtung

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Verlangsamt: Das schnellste Rad macht 0,4 Umdrehungen pro Sekunde, die Verhältnisse stimmen.

Station 2 · Riementrieb

Vermute zuerst: Du kreuzt den Riemen. Was passiert mit der Drehrichtung der getriebenen Scheibe und mit dem Umschlingungswinkel an der kleinen Scheibe?

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Die getriebene Scheibe dreht andersherum. Der Riemen umschlingt beide Scheiben mit mehr als 180° – er kann mehr Kraft übertragen, reibt aber an der Kreuzungsstelle an sich selbst. Deshalb kreuzt man nur Flach- oder Rundriemen.

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Scheiben einstellen

Lernmodell: Schlupf als fester Prozentwert, Riemen ohne Dicke, ohne Vorspannung und Dehnung im Einzelnen. v gilt an der treibenden Scheibe. Keil- und Zahnriemen laufen nur offen.

Live-Modell

Drehzahl, Schlupf und Umschlingung

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Verlangsamt. Die Striche zeigen, wie der Riemen läuft.

Station 3 · Kettentrieb

Vermute zuerst: Das vordere Kettenrad hat 17 Zähne, das hintere 34. An welchem Rad läuft die Kette schneller?

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An keinem – die Kette läuft über beide Räder gleich schnell: v = z₁ · p · n₁ = z₂ · p · n₂. Das kleine Rad muss dafür doppelt so schnell drehen.

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Kettenräder einstellen

Lernmodell: Teilkreis d = p / sin(180° / z), mittlere Kettengeschwindigkeit. Ohne Polygoneffekt, Durchhang und Kettenlängung.

Live-Modell

Drehzahl und Ketten­geschwindigkeit

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Verlangsamt. Die Punkte sind die Kettenrollen.

Übersetzung verstehen

Die Übersetzung i sagt, wie stark ein Trieb die Drehzahl ändert: i = nan / nab. Bei Zahnrädern gilt i = z2 / z1, bei Riemen i = d2 / d1, bei Ketten i = z2 / z1.

Ist i größer als 1, ist es eine Untersetzung: Der Abtrieb dreht langsamer, das Drehmoment steigt. Ist i kleiner als 1, dreht der Abtrieb schneller (Übersetzung ins Schnelle).

Bei mehreren Stufen werden die Einzelübersetzungen multipliziert: iges = i1 · i2 · i3. Beispiel: 2,5 · 3 = 7,5 – aus 1 450 1/min werden rund 193 1/min.

Ein einzelnes Zahnradpaar im Getriebe-Simulator üben →

Drehrichtung bestimmen

Zwei außenverzahnte Räder drehen immer gegeneinander. Zähle die Außeneingriffe vom Antrieb zum Abtrieb: ungerade Zahl → Gegenrichtung, gerade Zahl → gleiche Richtung. Räder auf derselben Welle drehen gleich.

Ein Zwischenrad sitzt auf einer eigenen Achse zwischen zwei Rädern. Es kehrt die Drehrichtung um, ändert aber die Übersetzung nicht – seine Zähnezahl kürzt sich heraus.

Bei einer Innenverzahnung (Hohlrad) drehen beide Räder in dieselbe Richtung. Ein offener Riemen und eine Kette behalten die Drehrichtung bei, ein gekreuzter Riemen kehrt sie um.

Drehmoment, Leistung, Wirkungsgrad

Ein Getriebe wandelt Drehzahl gegen Drehmoment: Mab = Man · i · η. Bei mehreren Stufen werden auch die Wirkungsgrade multipliziert: ηges = η1 · η2 · η3.

Die Leistung an einer Welle ist P = 2π · n · M (n in 1/s). Mit n in 1/min teilst du durch 60: 1 450 1/min und 10 Nm ergeben P = 2π · 24,17 1/s · 10 Nm ≈ 1,52 kW.

Die Leistung bleibt bis auf die Verluste gleich – ein Getriebe erzeugt keine Energie. Die Verlustleistung wird zu Wärme.

Motor und Getriebe zusammen rechnen →

Riemen: Schlupf und Umschlingung

Flach- und Keilriemen übertragen kraftschlüssig durch Reibung. Weil der Riemen sich unter Last dehnt, bleibt die getriebene Scheibe etwas zurück: der Schlupf. Rechnung: n2 = n1 · d1 / d2 · (1 − s).

Der Umschlingungswinkel β ist der Bogen, auf dem der Riemen die Scheibe berührt. Entscheidend ist die kleine Scheibe. Offen: β = 180° − 2 · arcsin((d2 − d1) / (2a)). Gekreuzt: β = 180° + 2 · arcsin((d1 + d2) / (2a)). Beim offenen Riemen gilt: größerer Achsabstand → größeres β an der kleinen Scheibe → weniger Rutschgefahr. Gekreuzt liegt β immer über 180°.

Der Keilriemen klemmt mit seinen Flanken in der Rille und überträgt dadurch mehr als ein Flachriemen gleicher Breite. Der Zahnriemen greift formschlüssig in die Zahnscheibe – er läuft schlupffrei und taktgenau, zum Beispiel als Steuerriemen.

Die Riemengeschwindigkeit ist v = π · d · n. Flachriemen, Keilriemen und Zahnriemen im Anschauungskoffer ansehen →

Kette: Teilung, Polygoneffekt, Schmierung

Die Teilung p ist der Abstand von Rollenmitte zu Rollenmitte, zum Beispiel 1/2″ = 12,7 mm. Pro Umdrehung läuft das Kettenrad z Teilungen weiter, daher v = z · p · n. Teilkreis: d = p / sin(180° / z).

Die Kette legt sich nicht als Kreis, sondern als Vieleck um das Kettenrad. Dadurch schwankt die Kettengeschwindigkeit bei jedem Zahn ein wenig (Polygoneffekt). Je weniger Zähne, desto stärker: Kettenräder mit sehr wenigen Zähnen laufen unruhiger und lauter.

Gelenke und Rollen brauchen Schmierung, sonst längt sich die Kette schneller. Eine gelängte Kette springt über die Zähne und verschleißt die Kettenräder – Kette und Räder dann gemeinsam tauschen.

Zahnrad, Riemen und Kette im Vergleich

Station 4: Welcher Trieb passt wofür?
MerkmalZahnradgetriebeRiementriebKettentrieb
Kraftübertragungformschlüssig – Zähne greifen ineinanderFlach- und Keilriemen kraftschlüssig durch Reibung, Zahnriemen formschlüssigformschlüssig – Rollen liegen in den Zahnlücken
Schlupfkeiner, Übersetzung exaktFlach-/Keilriemen: etwas Schlupf (meist wenige Prozent); Zahnriemen schlupffreikeiner; durch den Polygoneffekt läuft die Kette aber leicht ungleichförmig
Geräuschje nach Verzahnung und Drehzahl; schrägverzahnt leiserleise, dämpft Stößelauter, besonders bei hoher Drehzahl
Achsabstandklein – die Räder greifen direkt ineinandergroß möglichmittel bis groß, Richtwert 30 bis 50 Teilungen
DrehrichtungAußenverzahnung kehrt um, jedes Zwischenrad kehrt nochmals umoffen gleich, gekreuzt umgekehrtgleich
WartungÖlstand und Ölwechsel, Verzahnung auf Verschleiß prüfenSpannung prüfen, Risse und Verschleiß kontrollieren, keine Schmierungschmieren, Längung prüfen, nachspannen

Faustregel: Kurzer Weg und exakte Übersetzung → Zahnräder. Großer Abstand, leise, Stöße dämpfen → Riemen. Großer Abstand, schlupffrei, robust und hohe Kräfte → Kette. Taktgenau, leise, ohne Schmierung → Zahnriemen.

Sicherheit: Prüfen, spannen und schmieren nur im Stillstand und gegen Wiedereinschalten gesichert. Schutzabdeckungen danach wieder montieren – an Riemen, Ketten und Zahnrädern werden Finger und Kleidung eingezogen.

Rookie · Fortgeschritten · Profi

Selbst anwenden

Je Station drei Aufgaben. Zahlen mit Komma oder Punkt eingeben. Nach einem Fehlversuch siehst du den Lösungsweg. Nichts wird gespeichert.