Ein Untersetzungsgetriebe ist Teil eines mechanischen Systems aus Zahnrädern und Wellen, das in erster Linie dazu dient, die Dinge innerhalb einer Maschine zu verlangsamen, damit Energie an einem Ort übertragen und an einem anderen verwendet werden kann. Untersetzungsgetriebe werden am häufigsten in Pkw- und Lkw-Antriebssträngen verwendet und reduzieren in diesen Einstellungen die hohen Drehzahlen des Motors und wandeln sie in eine nutzbare, langsamere Geschwindigkeit um, die die Reifen interpretieren und sicher verwenden können. Diese Art von Getriebekonfigurationen werden auch häufig in schweren Maschinen und anderen mechanischen Geräten verwendet, sowohl groß als auch klein. Alles, was an einer Stelle mit hohen Drehzahlen arbeitet, an einer anderen jedoch weniger Energie benötigt, kann auf ein solches internes System zurückgreifen. Bei einwandfreier Funktion der Zahnräder wird die Drehzahl der Eingangswelle in eine langsamere Drehzahl der Ausgangswelle umgewandelt. Diese Reduzierung der Abtriebsdrehzahl trägt zur Erhöhung des Drehmoments bei. Das System kann in verschiedenen Einstellungen etwas anders aussehen, aber das Konzept ist normalerweise das gleiche.
Grundzusammensetzung
Diese Art von Getriebekonfigurationen treten fast immer im Innenleben von Motoren, Maschinen und anderen mechanischen Komponenten auf. In Bezug auf die Grundlagen sind sie normalerweise nicht sehr kompliziert. Ein einfaches Untersetzungsgetriebe besteht aus zwei Zahnrädern mit gleich großen Zähnen, aber unterschiedlichen Durchmessern. Die Zähnezahl ist proportional zum Umfang; das Zahnrad mit kleinerem Umfang hat weniger Zähne als das größere. Ein Zahnrad mit einem Umfang von 16 Zoll (40.64 cm) hat beispielsweise doppelt so viele Zähne wie ein Zahnrad mit einem Umfang von 8 Zoll (20.32 cm).
Wenn diese Zahnräder in einem Untersetzungsgetriebe kämmen, macht das kleinere Zahnrad für jede Umdrehung des größeren Zahnrads zwei Umdrehungen – also doppelt so schnell. Umgekehrt wäre das an der größeren Welle verfügbare Drehmoment doppelt so hoch wie an der kleineren. Mit abnehmender Drehzahl des Abtriebs wird das Drehmoment proportional erhöht.
Bestimmung des Übersetzungsverhältnisses
Das Übersetzungsverhältnis, das die Beziehung zwischen den relativen Geschwindigkeiten jedes beteiligten Zahnrads ausdrückt, wird fast immer durch die Anzahl der beteiligten Zähne bestimmt. Dies wiederum drückt sich im Verhältnis der Zähnezahl des größeren Zahnrads zur Zähnezahl des kleineren Zahnrads aus. Zum Beispiel hätte ein einstufiges Untersetzungssystem, das aus zwei Zahnrädern besteht, eines mit 30 Zähnen und das andere mit 10 Zähnen, ein Übersetzungsverhältnis von 30:10 oder 3:1. In diesem System würde sich das größere Zahnrad mit einem Drittel der Geschwindigkeit des kleineren drehen, während es das Dreifache des verfügbaren Drehmoments hätte.
Mehrstufige Untersetzungsgetriebe ermöglichen deutlich höhere Übersetzungen als bei einstufigen Systemen praktikabel. Bei diesen Systemen werden zusätzliche Wellen und Zahnräder verwendet. Beispielsweise wird der Ausgangswelle des ersten Zahnradsatzes ein kleines Zahnrad hinzugefügt, um als Antriebsantrieb für einen zweiten Zahnradsatz zu dienen. Zusätzliche Zahnradsätze können nach Bedarf hinzugefügt werden. Das endgültige Übersetzungsverhältnis wird durch Multiplizieren des Übersetzungsverhältnisses jedes Satzes von Zahnrädern bestimmt. Zum Beispiel würde ein Untersetzungsgetriebe, das aus drei Sätzen von Gängen mit Übersetzungen von 3:1, 4:1 und 5:1 besteht, eine Endübersetzung von 60:1 ergeben.
Antriebsstränge als gängiges Beispiel
Pkw-Antriebsstränge sind ein gutes Beispiel für ein mehrstufiges Untersetzungssystem. Ein typischer Motor dreht mit 1500 bis 3000 Umdrehungen pro Minute (U/min), eine Geschwindigkeit, die weit höher ist als bei den Reifen. Wenn so viel Leistung auf die Reifen gehen würde, würde dies wahrscheinlich ernsthafte Probleme verursachen, da sie wahrscheinlich mehr sein würden, als sie bewältigen könnten. Das Getriebe des Autos reduziert die Drehzahlen auf die Antriebswelle und erhöht das Drehmoment ausreichend, um das Fahrzeug zu bewegen. Das Heck reduziert die Geschwindigkeit weiter auf ein brauchbares Niveau und vervielfacht gleichzeitig das den Antriebsrädern zur Verfügung stehende Drehmoment.
Viele andere Maschinen, einschließlich vieler elektrisch betriebener Handwerkzeuge, verwenden eine Form eines Untersetzungsgetriebes, um die Abtriebsdrehzahl zu steuern und gleichzeitig das verfügbare Drehmoment zu erhöhen. Dadurch können kleine, relativ leistungsschwache Elektromotoren Arbeiten ausführen, für die sonst viel größere, leistungsstärkere Motoren erforderlich wären.