Table Of ContentKonstruktionsbücher
Herausgegeben von Professor Dr.-Ing. G. Pahl
Band 26
Johannes Looman
Zahnradgetriebe
Grundlagen, Konstruktionen,
Anwendungen in Fahrzeugen
Zweite, völlig neubearbeitete und erweiterte Auflage
Mit 434 Abbildungen
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH 1988
Dr.-Ing. Johannes Looman
Prokurist der Zahnradfabrik Friedrichshafen AG,
Honorar-Professor an der Universität Stuttgart
Dr. -Ing. Gerhard Pahl
Professor, Fachgebiet Maschinenelemente und Konstruktionslehre der Technischen
Hochschule Darmstadt
ISBN 978-3-662-10990-8
elp·K urztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek.
Looman, Johannes: Zahnradgetriebe: Grundlagen, Konstruktionen, Anwen
dungen in Fahrzeugen / Johannes Looman. - 2;, völlig neubearb. u. erw.
Aufl.
(Konstruktionsbücher ; Bd.26)
ISBN 978-3-662-10990-8 ISBN 978-3-662-10989-2 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-10989-2
NE:GT
WG: 36 DBN 88.050152.9 88.03.30
2281 bä
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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1988
Ursprünglich erschienen hei Springer-Verlag Berlin Heidelherg New Yo rk 1988
Softcover reprint of the hardcover 2nd edition 1988
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2362/3020·543210
Vorwort
Dieses "Konstruktionsbuch" erschien erstmalig im Jahre 1970. Die damals beschriebe
nen Getriebe sind heute 20 Jahre alt oder noch älter. In der Zwischenzeit hat aber der
Getriebe- und speziell der Fahrzeuggetriebebau eine beachtliche Weiterentwicklung
erfahren. Größere Motorleistungen sowie erhöhte Anforderungen im Hinblick auf
Fahreigenschaften, Fahrkomfort und Umweltbelastung haben bei Personen-und Nutz
kraftwagen, bei Bussen, Land- und Baumaschinen einen starken Einfluß auf die Ge
triebetechnik ausgeübt. Die Forschungs-und Entwicklungsarbeiten von Industrie und
Hochschulen auf dem Gebiet des Fahrzeuggetriebebaus waren in verstärktem Maße
richtungweisend für den Hochleistungsgetriebebau. Kurzum: Die Ergebnisse, der hohe
Stand der heutigen Entwicklung und die Erwartungen der Zukunft, in vielen Punkten
auf die gesamte Antriebstechnik übertragbar, sind 1988 andere als die von vor 18 Jah
ren!
Auf diesem Hintergrund wurde von vielen Lesern, vom Herausgeber dieser Buch
reihe und vom Verlag eine .zweite Auflage angeregt. Diese liegt nun in Form einer tief
greifenden Neubearbeitung vor. Die Grundlagen der Vorgelege- und Planetengetriebe
wurden präziser gefaßt. Die Beschreibungen "historischer" Fahrzeuggetriebe wurden
auf wenige Einzelfälle begrenzt. Der Schwerpunkt der ausgewählten Konstruktionsbei
spiele liegt auf heutigen modemen Zahnrad-Schaltgetrieben, gleichgültig ob handge
schaltet, teilautomatisiert oder vollautomatisch. Die Abschnitte über Achsen, Diffe
rentiale und Selbstsperrdifferentiale wurden auf den neuesten Stand gebracht.
Ich danke allen, die zum Gelingen dieser zweiten Auflage beigetragen haben: den
Vorständen der Zahnradfabrik Friedrichshafen AG, den einzelnen Konstruktionsab
teilungen für alle zur Verfügung gestellten Beispiele, und ganz besonders meiner Se
kretärin Frau Herta Barwinek, die meine oft "chaotischen" Vorlagen in ein lesbares
Manuskript verwandelte.
Dem Springer-Verlag danke ich vor allem für die langjährige Betreuung sowie für
die sorgfältige Vorbereitung und Ausführung der Herstellungsarbeiten, Herrn Profes
sor Dr. G. Pahl für die Übernahme der Herausgeberschaft.
Friedrichshafen, im Frühjahr 1988 J ohannes Looman
Inhaltsverzeichnis
1 Einordnung und Definition der Getriebe 1
2 Grundlagen der Vorgelegegetriebe 4
2.1 Aufbau, Definition 4
2.2 Bezeichnungen . 5
2.3 Berechnungsgrundlagen von Vorgelegegetrieben 5
2.3.1 Drehzahlen 6
2.3.2 Relativdrehzahlen (für Lagerberechnung) 7
2.3.3 Übersetzung (Übersetzungsverhältnis) . . 8
2.3.4 Übersetzungsbereich 9
2.3.5 Übersetzungssprung (Übersetzungsstufe, Stufensprung) 9
2.3.6 Drehzahl der Vorgelegewelle . 11
2.3.7 Relativdrehzahlen der Losräder 11
2.3.8 Drehmomente 12
2.3.9 Leistungen . 14
2.3.10 Wirkungsgrad . 18
3 Grundlagen der Planetengetriebe 19
3.1 Begriffsbestimmungen und Bezeichnungen 20
3.1.1 DefInition der Planetengetriebe 20
3.1.2 Benennung der Planetengetriebe nach verschiedenen
Merkmalen 22
3.1.3 Besondere Begriffe bei Planetengetrieben 23
3.1.4 Benennung der Bauteile einfacher Planetengetriebe 24
3.1.5 Bezeichnung der Anschlußwellen, Stege und Räder 26
3.2 Symbolische Darstellung von Planetengetrieben . 26
3.2.1 Symbole für einfache Planetengetriebe 26
3.2.2 Symbole für Standgetriebe und Zwischengetriebe 27
3.2.3 Symbole für zusammengesetzte Planetengetriebe 27
3.3 Berechnungsgrundlagen von Planetengetrieben 31
3.3.1 Berechnung einfacher Planetengetriebe 31
3.3.1.1 Drehzahlen, Übersetzung (graphisch) 32
3.3.1.2 Drehzahlen, Übersetzung (rechnerisch) 32
3.3.1.3 Weitere Verfahren zur Drehzahlermittlung 33
3.3.1.4 Relativdrehzahlen 34
3.3.1.5 Drehmomente 36
VIII Inhaltsverzeichnis
3.3.1.6 Leistungen. . 38
3.3.1.7 Wirkungsgrad . 40
3.3.1.8 Einbaubedingungen 43
3.3.1.9 Planeten-Plusgetriebe 46
3.3.1.10 Selbsthemmung . 50
3.3.2 Berechnung zusammengesetzter Planetengetriebe 51
3.3.2.1 Zusammengesetztes Planetengetriebe mit
Leistungsverzweigung 52
3.3.2.2 Zusammengesetztes Planetengetriebe, Simpson-Satz 57
3.3.2.3 Zusammengesetztes Planetengetriebe mit
Blindleistung . 57
3.3.2.4 Reihenplanetengetriebe 59
3.3.2.5 Parallelplanetengetriebe 60
3.3.2.6 Reduziertes Planetengetriebe, Wolfrom-Satz 60
3.3.2.7 Reduziertes Planetengetriebe, Ravigneaux-Satz 67
3.4 Planetenüberlagerungsgetriebe 71
3.4.1 Leistungsverhältnisse 72
3.4.2 Wirkungsgrad. . . 73
3.4.3 Verstellbereich 74
3.5 Planeten-Stellkoppelgetriebe 78
3.5.1 Planeten-Stellkoppelgetriebe, Grundlagen - Beispiel 79
3.5.2 Leistungsverzweigtes Zweibereichgetriebe 85
3.5.3 Reduziertes Planeten-Stellkoppelgetriebe 93
3.6 Synthese von Planetengetrieben 98
3.7 Belastungsausgleich in Planetengetrieben . 100
4 Vergleich verschiedener Getriebesysteme 109
5 Zusammenarbeit Kraftmaschine - Getriebe - Arbeitsmaschine 117
5.1 Fahrwiderstandslinien 117
5.2 Motorkennlinie 118
5.3 Ideale Zugkrafthyperbel 120
5.4 Motor und Schaltgetriebe 120
5.5 Motor, Föttinger-Wandler (Trilok) und Nachschaltgetriebe 122
5.6 Zahl der Gänge .... 125
6 Getriebe für Personen-, Sport- und Rennsportwagen sowie leichte
Lastkraftwagen . . . . . . . 129
6.1 Vorgelegegetriebe - Handschaltgetriebe 129
6.1.1 Zweistufige Vorgelegegetriebe ohne Achsantrieb 130
6.1.2 Einstufige Vorgelegegetriebe mit Achsantrieb 139
6.2 Planetengetriebe - Automatgetriebe 159
6.2.1 Strömungswandler und Zweigang-Planetengetriebe 160
6.2.2 Strömungswandler und Dreigang-Planetengetriebe 163
6.2.3 Strömungswandler und Viergang-Planetengetriebe 171
6.2.4 PKW-Automatgetriebe für Frontantrieb 196
Inhaltsverzeichnis IX
7 Getriebe für Nutzfahrzeuge, schwerere Lastkraftwagen und Omnibusse 207
7.1 Mechanische Handschaltgetriebe mit fünf und sechs Gängen 214
7.2 Mechanische Handschaltgetriebe mit acht bis sechszehn Gängen 221
7.3 Halbautomatische Schaltgetriebe . . . 235
7.4 Automatisierte Synchrongetriebe. . . 239
7.5 Vollautomatische Wandler-Schaltgetriebe 241
7.6 Retarder . . 272
7.7 Bremsenergie-Rückgewinnung 274
7.8 Nebenabtriebe . 275
8 Getriebe für Baumaschinen und Schlepper 278
8.1 Baumaschinengetriebe . . . . . 280
8.1.1 Getriebe rur Gabelstapler . . 280
8.1.1.1 Hydrostatische Getriebe 280
8.1.1.2 Hydrodynamische Getriebe 280
8.1.2 Getriebe rur schwere Baumaschinen 286
8.1.2.1 Hydromechanische Vorgelegegetriebe 286
8.1.2.2 Hydromechanische Planetengetriebe 291
8.2 Schleppertriebwerke . . . . . . . . . . . 302
9 Verteilergetriebe, Achsgetriebe 313
9.1 Verteilergetriebe 315
9.2 Achsgetriebe 327
9.2.1 Achseinsätze rur PKW und LKW 329
9.2.2 Achsen rur LKW, Baumaschinen und Schlepper 332
10 Schnellganggetriebe . 343
10.1 Integrierte Schnellganggetriebe 344
10.2 Schnellgang-Zusatzgetriebe 344
11 Differentialsperren und Selbstsperrdifferentiale 349
11.1 Differentialsperren . . . . . . . . 350
11.2 Selbstsperrdifferentiale, Querdifferentiale . 353
11.2.1 Lastabhängige Selbstsperrdifferentiale mit Anpressung
über Druckringe . . . . . . . . . . 356
11.2.2 Lastabhängige Selbstsperrdifferentiale mit Anpressung
über die Verzahnungen der Achskegelräder 358
11.2.3 Federbelastete Selbstsperrdifferentiale 361
11.2.4 Fahreigenschaften . . . . . . . . 362
11.2.5 Auslegungsspielraum . . . . . . . 363
11.2.6 Lastabhängige Selbstsperrdifferentiale mit vorgespannten
Reibungskupplungen . . . . . . . . . 364
x Inhaltsverzeichnis
11.2.7 Wirkungsgrad. . . . . . 364
11.2.8 Belastung der Achswellen . . 367
11.2.9 Unsymmetrische Selbstsperrdifferentiale 367
11.3 Längsdifferentiale, Stimrad-Selbstsperrdifferentiale 372
11.4 Ausgeführte Konstruktionen . . . . . . . . 375
11.4.1 Sperrdifferentiale mit symmetrischem Aufbau 375
11.4.2 Sperrdifferentiale mit unsymmetrischem Aufbau 382
11.4.3 Weitere Konstruktionen . . . . . . . 389
12 Schaltungselemente, Synchronisierungen 391
12.1 Unsynchronisierte Schaltelemente 392
12.2 Synchronisierte Schaltelemente 393
12.3 Sperrsynchronisierte Schaltelemente 394
13 Ölpumpen in Zahnradgetrieben 399
13.1 Zahnradpumpen . . . . 400
13.1.1 Zahnradpumpen mit Außenverzahnung 400
13.1.2 Zahnradpumpen mit Innenverzahnung (mit Sichel) 401
13.1.3 Zahnradpumpen mit Innenverzahnung (ohne Sichel) 402
13.1.4 Einige ausgeführte Zahnradpumpen 404
13.2 Schraubenpumpen .... . . . . . . . . 405
14 Zahnradschäden 406
14.1 Zahnbruch 407
14.1.1 Gewaltbruch 407
14.1.2 Dauerbruch oder Ermüdungsbruch 408
14.2 Flankenschäden . . . . . . 408
14.2.1 Grübchen, Grübchenbildung 408
14.2.2 Abblätterungen 409
14.2.3 Schaltschäden 409
14.2.4 Verschleiß 410
14.2.5 Riefen 411
14.2.6 Fressen . 412
14.2.7 Risse 412
14.2.8 Reibkorrosion (passungsrost) 414
14.2.9 Sonstige seltener vorkommende Flankenschäden 414
Literaturverzeichnis . . . . . . . 416
Firmen- und Namenverzeichnis . . . . . . 421
Sachverzeichnis 423
1 Einordnung und Definition der Getriebe
In der Technik unterscheidet man zwei Maschinengruppen:
Kraftmaschinen: Maschinen zur Umwandlung einer Energieform (Wärme, Wind) in
eine andere, insbesondere mechanische Energie. Beispiel: Kolbendampfmaschinen,
Dampf-, Wasser- und Gasturbinen, Windräder, Verbrennungsmotoren, Elektromoto
ren.
Arbeitsmaschinen: Maschinen, die ihren Antrieb durch Menschen-oder Tierkräfte oder
Kraftmaschinen erhalten und eine Arbeit verrichten. Beispiel: Werkzeugmaschinen,
Pumpen, Bagger, Schreibmaschinen.
Wo sind hier die Getriebe einzuordnen? Die VDI-Richtlinie 2127 [1] gibt folgende Be
grifIserklärung:
Getriebe sind Einrichtungen zum Umformen oder Übertragen von Bewegungen, und in
diesem Zusammenhang auch von Energien. Ein Getriebe besteht wenigstens aus drei
Gliedern; eines davon muß als Gestell festgelegt sein.
Auf Grund dieser Definition stellen Zylinder, Pleuelstange, Kurbelwelle und Motorge
häuse einer Verbrennungskraftmaschine ein Getriebe dar, und der Mechanismus einer
Schreibmaschine mit dem Tastenhebel als Antriebsglied, dem Typenhebel als Ab
triebsglied und dem Rahmen als Gestell ist ebenfalls ein Getriebe und zugleich eine
Arbeitsmaschine. Ein Zahnrad- oder Reibradgetriebe - äußerlich bestehend aus zwei
in einem Gehäuse gelagerten An- und Abtriebswellen - kann jedoch weder als Kraft
maschine noch als Arbeitsmaschine angesprochen werden, da es einerseits keine Ener
gieformen in dem beschriebenen Sinne umwandelt und andererseits selbst keine Ar
beit verrichtet. Im letzten Fall ist das Getriebe nur ein Verbindungsglied zwischen
antreibender Kraftmaschine und angetriebener Arbeitsmaschine, wobei es neben der
Übertragungsaufgabe Anpassungs- und Umformungsaufgaben übernehmen kann. Im
Gegensatz hierzu zählt ein einfacher, ruhender Hebel zur alleinigen Umformung von
Kräften nach obiger Definition nicht zu den Getrieben, da die Bewegung fehlt.
Die geschilderten Beispiele lassen folgende Einordnung zu:
Getriebe können Bestandteile von Kraft- und Arbeitsmaschinen sein. Für sich al
lein betrachtet sind es Übertragungseinrichtungen zum Umformen, Wandeln oder
Transformieren von Bewegungen unter Einschluß damit verbundener Kraftumformun
gen.
Nun drängt sich die Frage nach dem Unterschied zwischen Kupplung und Ge
triebe auf.
Eine Kupplung besteht im Prinzip aus nur zwei Gliedern, der Primär- und der Se
kundärhälfte (z.B. An- und Abtriebswelle), die starr, nachgiebig, lösbar, schaltbar oder
rutschend miteinander verbunden sind, Abb. 1.1. Ein vorhandendes Kupplungsge
häuse zählt nicht als drittes Glied, da es lediglich zur Aufnahme der Lagerungen oder
als Verschalung dient.
2 1 Einordnung und Defmition der Getriebe
A
C~---------~--
A \5 - --C"_-=-=c=c-:-c,-
a
L __ -.J
a
A~_""
B
'1- "
I
b C
~
~
~~ ~~B
c C
- ------- ----------- -
~ WiJ
e
8
Abb. 1.1. Beispiele einiger Kupplungen.
A Primärglied, Antriebsglied; B Sekundärglied,
Abtriebsglied. a) Anhängerkupplung; b) starre
Wellenverbindung; c) lösbare Wellenverbin
dung; d) schaltbare Kupplung; e) mechanische
Schlupf-oder Rutschkupplung; 0 hydrodynami e
sche Schlupfkupplung.
K
-----lll-I----li
A B
1-1
nA nB
TA TB
Abb.1.2. Grundaufbau einer Kupplung K: f
Zwei Glieder. A Antrieb; B Abtrieb.
Abb.1.3. Beispiele einiger Getriebe.
A Antriebsglied; B Abtriebsglied; C gestellfestes Abstütz
8
glied.
a) Schraubengetriebe; b) Kurvengetriebe; c) Kurbelgetriebe;
d) Zugmittelgetriebe; e) kraftschlüssiges Rädergetriebe
(Wälzgetriebe, Reibkörpergetriebe); 0 formschlüssiges
Rädergetriebe (Zahnradgetriebe); g) hydrodynamisches Strö
mungsgetriebe.
