Markus Kossman

Das Drehmoment – das Erfolgsgeheimnis von Getrieben

Januar 08
2014
Das Drehmoment – das Erfolgsgeheimnis von Getrieben

LEGO® TECHNIC wäre weder besonders technisch, noch würde das Bauen dieser Modelle viel Spaß machen, wenn es das Zahnrad nicht gäbe – diese geniale Erfindung, die vor mehr als 2300 Jahren erstmals verwendet wurde.

Zahnräder und Getriebe in ihren zahlreichen modernen Auslegungen sind nicht nur ein wesentlicher Bestandteil von LEGO® TECHNIC – sie spielen auch eine wesentliche Rolle in nahezu jeder mechanischen Vorrichtung oder Maschine, mit der wir in Berührung kommen. Wann auch immer wir etwas mit rotierenden Teilen verwenden, kommen dort mit ziemlicher Sicherheit Zahnräder zum Tragen, auch wenn das – wie bei den LEGO® TECHNIC Modellen – nicht immer so offensichtlich ist.

Aber was bewirken denn eigentlich die Zahnräder, die überall zum Einsatz kommen – d. h. in Elektrowerkzeugen und Power Functions ebenso wie in Uhren und Kranwagen?!? Lies weiter, um dich kurz in die Welt der Zahnräder einführen zu lassen und dir all die unfassbaren und überraschenden Aufgaben anzusehen, die in unserem fantastischen Mobilen Schwerlastkran MKII von Zahnrädern und Getrieben verrichtet werden.

Wofür werden Zahnräder eigentlich benötigt?

Zahnräder übernehmen ganz unterschiedliche und völlig unverzichtbare mechanische Aufgaben. Die wichtigste dieser Funktionen wird als Untersetzung bezeichnet: Obwohl ein kleiner Motor durchaus ziemlich viel Leistung liefern kann, reicht diese häufig nicht aus, um die nötige Drehkraft bzw. das erforderliche Drehmoment zu erzeugen. Durch Reduzieren der Motorabtriebsdrehzahl wird das Drehmoment erhöht. Ein kleines Elektrowerkzeug wie ein Akkuschrauber würde bspw. niemals ohne Zahnräder funktionieren.

Abgesehen vom Erhöhen oder Reduzieren der Drehzahl werden Zahnräder im Allgemeinen für folgende Zwecke verwendet:
  • Zur Umkehr der Drehrichtung
  • Zur Übertragung der Drehbewegung auf eine andere Achse
  • Zur Synchronisierung der Drehung zweier Achsen

Zahlreiche Technic Modelle – vor allem die Modelle mit Power Functions – wären ohne die zahlreichen Zahnräder und Getriebe und deren Übertragungsfunktionen nicht funktionstüchtig. Bevor wir uns näher damit befassen, wie die Zahnräder und Getriebe an Bord des Mobilen Schwerlastkrans MKII – und das sind übrigens ziemlich viele – funktionieren, müssen wir noch einige weitere Dinge berücksichtigen:

Zahnräder gibt es in allen Formen und Größen!

spur gearsStirnräder sind der gängigste Zahnradtyp. Sie besitzen gerade Zähne und sind an parallel angeordneten Wellen montiert. Durch das Zusammenspiel von Stirnrädern werden sehr große Untersetzungen erzielt. Typische Einsatzbereiche: Elektrowerkzeuge, Waschmaschinen, Uhren usw.

Schrägstirnräder sind Stirnrädern sehr ähnlich, nur dass ihre Zähne schräg zur Scheibenfläche angeordnet sind, um eine größere Kontaktfläche zu bieten, ohne mehr Platz zu beanspruchen. Schrägstirnräder laufen geschmeidiger und leiser als Stirnräder. Typischer Einsatzbereich: Pkw-Getriebe.

bevel gearsKegelräder eignen sich gut dazu, die Drehrichtung einer Welle zu ändern. Sie werden in der Regel an Wellen montiert, die in einem 90-Grad-Winkel zueinander angeordnet sind. Sie können jedoch auch so ausgelegt werden, dass sie in anderen Winkeln ineinander greifen. Typische Einsatzbereiche: Antriebsstränge in Zügen, Flugzeugen und Autos!

tandstangSchneckenräder werden verwendet, um die Kraft in einem 90-Grad-Winkel zu übertragen, und eignen sich zudem für große Untersetzungen. Viele Schneckenradgetriebe vereint eine besondere Eigenschaft: Die Schnecke kann das Zahnrad antreiben, das Zahnrad aber nicht die Schnecke. Das ist sehr praktisch und kommt auch beim Mobilen Schwerlastkran MKII zum Einsatz! Typischer Einsatzbereich: Lenkmechanismen, Seilwinden (siehe Mobiler Schwerlastkran MKII)

Zahnstangengetriebe bestehen aus einem Zahnrad und einer geraden Zahnstange, um die Kraft und die Drehbewegung in eine lineare Bewegung zu übertragen. Typischer Einsatzbereich: Autolenkung

Zahnkränze werden zum Antrieb von Ketten oder Riemen verwendet. Typischer Einsatzbereich: Förderbänder.

Übersetzungsverhältnisse und ... Zähne!

Der entscheidende Aspekt bei der Übertragung von Kraft und Bewegung sind die Übersetzungsverhältnisse. Lass ein großes Zahnrad in ein kleines Zahnrad greifen und lass beide rotieren. Das Verhältnis beider Drehzahlen wird als Übersetzungsverhältnis bezeichnet. An jedem Zahnrad wird das Übersetzungsverhältnis durch den Abstand zwischen dem Mittelpunkt des Zahnrads und der Berührungsstelle bestimmt. Bei einem Getriebe aus zwei Zahnrädern, in dem das eine Zahnrad den doppelten Durchmesser des anderen Zahnrads besitzt, würde bspw. ein Übersetzungsverhältnis von 2:1 (in diesem Fall eine Untersetzung) herrschen. Hätten beide Zahnräder denselben Durchmesser, würden sie mit derselben Drehzahl und mit einem Übersetzungsverhältnis von 1:1 rotieren. Denkbar sind aber sogar Übersetzungsverhältnisse von 100.000:1 oder mehr.

1 1 gearing1:1-Übersetzung: 8:8, 16:16, 24:24

bevel gear ratioÜber- oder Untersetzung: 3:1 (24:8), 1:1,67 (12:20), 3:1 (36:12).

worm gear ratioSchneckenradübersetzung: 1:8, 1:24 (das Schneckenrad zählt als ein Zahnrad).

Gute Zähne sind wichtig!

Noch ein letzter Aspekt, bevor wir uns dem großen Kran zuwenden: Wie sind deine Zähne? Gerade, spiralenförmig oder hypoid? Vielleicht sogar verdreht? Hoffentlich sind sie gerade (obwohl spiralenförmige Zähne mal was anderes wären)!

Zahnräder und Zähne (ursprünglich Holzstifte) gehören genauso zusammen wie LEGO® und TECHNIC. Unterschiedliche Zahnräder und Anforderungen erfordern auch unterschiedliche Zahntypen (mit zum Teil seltsamen Namen, siehe oben). Der wichtigste Gesichtspunkt bei Zähnen und Zahnrädern dürfte jedoch ihre Form sein. Lücken oder eine falsche Form der Zähne bedeuten ständige Wechsel der Abtriebsdrehzahl. Bei manchen Mechanismen und Vorrichtungen (z. B. Uhrwerken) mag das auch in Ordnung sein, bei anderen (bspw. bei Fahrzeugen) jedoch nicht. Motorgetriebe müssen perfekt aufeinander abgestimmt sein, um möglichst rund zu laufen. Um dies zu erreichen, kommen bei Motoren Evolventenverzahnungen zum Einsatz, deren Zähne speziell darauf ausgelegt sind, dass die Zahnräder jederzeit optimal ineinander verzahnt sind.

Nun wollen wir einmal sehen, wie all diese Theorie in der Praxis umgesetzt wird!

Um den Zusammenhang zwischen der gesamten oben beschriebenen Theorie und deren Umsetzung in der Praxis möglichst anschaulich darzustellen, haben wir Senior TECHNIC Designer Markus Kossmann gebeten, die wesentlichen Zahnradgetriebe im Mobilen Schwerlastkran MKII hervorzuheben, damit ihr sehen könnt, wie Getriebe in der Realität bzw. bei LEGO® TECHNIC funktionieren ... ;-)

Markus, jetzt bist du dran:
Im Mobilen Schwerlastkran MKII werden 127 Zahnräder verwendet, um sämtliche Funktionen anzutreiben. Das ist die größte Anzahl an Zahnrädern, die wir jemals in einem TECHNIC® Modell verbaut haben. An dieser Stelle werde ich euch zeigen, wie einige dieser Zahnräder und Getriebe funktionieren. Ich fange zunächst mit dem überaus wichtigen Motor im Kranaufbau an:

step 1 powertrainZur Bereitstellung des nötigen Drehmoments haben wir ein Übersetzungsverhältnis von 12:20 gewählt. Die verschiedenen Kranfunktionen erfordern unterschiedliche Drehzahlen und Drehmomente. Es ist sehr wichtig, die richtige Balance zwischen Drehmoment und Drehzahl zu finden, um keine Energie zu verschwenden.

Zur Übertragung der Drehbewegung auf das Zahnradumschaltmodul, das aus Platzgründen auf der anderen Seite des Aufbaus untergebracht ist, waren fünf in Reihe geschaltete 16er-Zahnräder erforderlich. Einige Funktionen benötigen sehr viel Kraft, andere dagegen weniger, weshalb unbedingt sichergestellt werden musste, dass jeweils immer nur eine Funktion aktiviert (in das Zahnradsystem eingreifen bzw. verzahnt) sein würde. Um besser zugänglich zu sein, befindet sich das Zahnradumschaltmodul auf einer Querachse. Damit die einzelnen Funktionen gesondert betrieben werden können verfügt das Zahnradumschaltmodul über vier verschiedene Stellungen.

step 2 powertrain Hier ist das Zahnradumschaltmodul zu sehen. Die dunkelgrauen 16er-Zahnräder drehen sich erst, wenn sie in das andere Zahnrad greifen.

powertrain step4Hier ist die zum Ausfahren des Auslegers erforderliche Verzahnung zu sehen. Es war ganz schön schwierig, herauszufinden, wie die rotierenden Wellen und stationären Querachsen zueinander platziert werden mussten.

powertrain step9Hier ist das Getriebe für den Ausleger zu sehen. Der Ausleger ist gelenkig auf einer 12-cm-Querachse gelagert, die wiederum mit einem freilaufenden 20er-Kegelrad versehen ist. Da die Querachse das gesamte Gewicht des Auslegers trägt, haben wir uns für ein freilaufendes Kegelrad entschieden, um die Reibung auf ein Minimum zu beschränken. Analog dazu ist aus Sicherheitsgründen ein Kupplungszahnrad mit einem Übersetzungsverhältnis von 1:3 vorhanden. Sollte vergessen werden, das Schneckenrad zum Ausfahren des Auslegers abzuschalten, würde der Aufbau ohne diese Kupplung einer gewaltigen Belastung ausgesetzt werden, wobei bestimmte Elemente sogar kaputtgehen könnten. Das Schneckenrad hindert den ausgefahrenen Ausleger daran, wieder einfach herunterzugleiten, und hilft die Drehzahl zu drosseln, sodass mehr Kraft für das kraftaufwändige Ausfahren des Auslegers vorhanden ist. Die Umwandlung der Drehkraft in eine lineare Kraft ermöglicht den Einsatz von Zahnstangen zum Ausfahren des Auslegers in der zweiten Phase.

powertrain step7 In dieser Phase wird die Seilwinde aktiviert, die über zwei statische Achsen geführt und mithilfe von 20er- und 12er-Zahnrädern einer 1,67-fachen Übersetzung unterzogen wird. Als Seilwindensperre dienen ein Schneckenrad und ein Kupplungszahnrad. Das Schneckenrad verhindert, dass sich die Seilwinde dreht, wenn die Funktion nicht aktiviert ist. Das Kupplungszahnrad verhindert, dass zu schwere Lasten gehoben werden, und stoppt zudem den Haken, bevor er sich der Winde verklemmt.

 
Powertrain step 8Hier ist die aktivierte Funktion zum Heben des Auslegers zu sehen. Da hierfür ein großes Drehmoment erforderlich ist, haben wir uns für eine Untersetzung von 3:1 mithilfe von 24er- und 8er-Zahnrädern entschieden. Für die Kraftübertragung haben wir vier Wellen verwendet. Für diese Funktion wird kein Kupplungszahnrad benötigt, weil in den linearen Stellzylinder ein Kupplungszahnrad integriert ist.

powertrain step 6Hier ist der aktivierte Stabilisierungsausleger zu sehen. Er ist über eine statische Achse mit einer Querachse (Modullänge 16) mit zwei 12er-Kegelrädern (Übersetzung: 1:1) verbunden, die wiederum mit der Drehscheibe an der Karosserie des Schwerlastkrans verbunden sind. Wir haben ein spezielles Klammer-Element entwickelt, um ein reibungsloses Zusammenspiel der beiden Zahnräder zu gewährleisten.

chassis side viewVon der Seite betrachtet, ist die Karosserie dicht bestückt. Sie besteht aus vier Schichten, um sicherzustellen, dass sich alles an der richtigen Stelle befindet.

chassis side view motor strokeDie unterste Schicht beherbergt den Antriebsstrang des Kolbenmotors. Die Rotation wird mithilfe von fünf in Reihe geschalteten 16er-Zahnrädern übertragen.

chassis side view steeringDie zweite Schicht enthält die Lenkung, die sich mittig entlang der gesamten Karosserie erstreckt. Hierbei war es besonders knifflig, die Kraft an die Stabilisierungsausleger zu übertragen.

chassis side view outriggers strokeDie dritte Schicht beherbergt die Steuerung für die Stabilisierungsausleger, die wiederum auch die Getriebeteile der zweiten Schicht nutzt, um die Stabilisierungsausleger auszufahren.

chassis side view feet stroke Die vierte Schicht wird verwendet, um die Stützbeine der Stabilisierungsausleger abzusenken oder hochzufahren.

chassis 1 1Hier ist eine 3-D-Ansicht der Karosserie dargestellt. Mehrere Funktionen – einschließlich der Lenkung, deren Steuerung im Heck des Modells untergebracht ist – verlaufen entlang der Mitte. Die vorne und hinten angebrachten Stabilisierungsausleger haben es enorm erschwert, eine funktionstüchtige aber dennoch robuste Karosserie zu entwerfen.

chassis step 2 gearboxDie Kraft wird über die Drehscheibe mithilfe von drei kombinierten Kegelrädern und einer 90-Grad-Drehung in die Karosserie übertragen. Um das Kupplungszahnrad integrieren zu können, musste die Rotation erst zur Mitte und dann mithilfe von 8er- und 24er-Zahnrädern wieder nach außen gelenkt werden.

In den frühen Versionen hatten wir das Kupplungszahnrad in den Antriebsstrang zum Ausfahren der Stabilisierungsausleger integriert, da die kleinen Stellzylinder über eine eingebaute Kupplungsfunktion verfügen. Diese Lösung hat jedoch zu viel Strom verbraucht, weshalb wir das Kupplungszahnrad vor das Zahnradumschaltmodul verlegt haben, damit es jetzt für beide Funktionen genutzt werden kann.

Die Synchronisation der Stabilisierungsausleger war ein weiteres Problem, mit dem wir uns konfrontiert sahen. Unsere Lösung bestand darin, dass wir die beiden Stabilisierungsausleger in die Fahrposition gedrückt und dann eines der 16er-Zahnräder in die richtige Stellung gleiten lassen haben. Das erwies sich als ziemlich knifflig, denn wir mussten das ja zweimal machen!

chassis step 3 outtriggers 2

chassis step 3 outriggers detail stokeDa die Stabilisierungsausleger an beiden Seiten des Modells ausgefahren werden, müssen sich die beiden Zahnräder in entgegengesetzte Richtung drehen. Um dies zu bewerkstelligen, haben wir die beiden 16er-Zahnräder eine Modulbreite von der Mittelachse platziert (damit sie sich gegenläufig drehen) und haben dann die Rotation auf 20er-Zahnräder übertragen, die die 12er-Zahnräder antreiben, die wiederum die Stabilisierungsausleger ein- und ausfahren.

chassis step 4 feet 2Die Stabilisierungsausleger werden mithilfe eines neu entwickelten reibungsfreien 8er-Zahnrads gesteuert, das beim Ausfahren der Stabilisierungsausleger auf den Querachsen gleitet. Diese wirklich coole Funktion werden wir auch bei künftigen Modellen wieder verwenden.

chassis step 5 steering stroke 2 Die Entwicklung der Lenkung für ein derart langes Modell ist sehr anspruchsvoll, weil jede Achse ihren ganz eigenen Lenkwinkel erfordert. Damit sich das Modell noch einfach genug bauen lässt, haben wir ein und dieselbe Achse mit verstellbaren Hebeln verwendet, wobei lange Hebel die Räder weniger drehen als die kürzeren Hebel. Die Wellen vor der mittleren Welle müssen sich gegenläufig zu den hinteren Wellen drehen. Dieses Problem wurde gelöst, indem die Zahnstange auf der anderen Seite der mittleren Welle platziert wurde.

chassis step 6 motor strokeDer Kolbenantrieb war vermutlich die Funktion, die sich am leichtesten entwickeln ließ. Das Differenzial treibt die Welle an, die bis zur Front der Karosserie des Schwerlastkrans reicht, wo die Kraft mithilfe der fünf in Reihe geschalteten 16er-Zahnräder auf die Oberseite der Karosserie übertragen wird.

Und das ist jetzt eure Aufgabe! Vielen Dank, Markus! Zögert nicht, uns zu kontaktieren, falls ihr irgendwelche Fragen zu Getrieben und Zahnrädern, zum Mobilen Schwerlastkran MKII oder zu sonstigen Themen im Zusammenhang mit LEGO® Technic habt. Und vergesst nicht, wieder hier vorbeizuschauen, um unseren nächsten actionreichen Blog nicht zu verpassen!