Kettengetriebe

Kettentrieb

Kettengetriebe sind Zugmittelgetriebe. Sie übertragen Drehkräfte mit festem oder wechselbarem Übersetzungsverhältnis über eine Kette. Sie arbeiten in der Regel über Kettenräder und zählen zu den formschlüssigen Getrieben. Ein Lamellenkettengetriebe verwendet eine Kette, deren seitlich verschiebbare Lamellen Formschluss mit zwei genuteten stumpfen Kegelscheiben haben. Kraftschlüssige Bauformen sind selten, ebenso Schubkettengetriebe.

Eine Anordnung von An- und Abtriebsrad mit einer umlaufenden Kette wird als Kettentrieb bezeichnet. Kettengetriebe mit in Stufen wechselbarer Übersetzung finden beispielsweise bei Fahrrädern mit Kettenschaltung Anwendung, aber auch früher bei einigen von Richard Küchen konstruierten Motorradmodellen. Lamellenkettengetriebe sind stufenlose Schaltgetriebe.

Formschlüssige Kettengetriebe

Kette zum Nockenwellenantrieb

Formschlüssige Kettentriebe sind die häufigste Ausführungsform. Als Antriebskette wird hauptsächlich die sogenannte Rollenkette verwendet. Die Innenlaschen werden auf Buchsen aufgepresst, was eine höhere Verschleißfestigkeit verursacht. Als Lärm- und Verschleißminderung werden gehärtete und geschliffene Rollen auf den Buchsen gelagert. Während bei kraftschlüssigen Bewegungsübertragungen (z. B. Riemen- oder Seiltrieb) immer ein gewisses Maß an Schlupf auftritt, bewegen sich beim Kettentrieb die Antriebs- und Abtriebswelle immer völlig synchron zueinander. (Eine neue Kette erlebt im Betrieb eine Kettenlängung von ca. 2 %; diese kann durch Spannelemente nachgestellt werden.) In der Kfz-Technik wird daher die Nockenwelle, die stets in einem festen Winkelverhältnis zur Kurbelwelle stehen muss, meistens über eine Kette oder einen Zahnriemen angetrieben.

Vergleich form- und kraftschlüssige Getriebe

Weitere Vorteile gegenüber der kraftschlüssigen Kraftübertragung:

• Ein Kettentrieb braucht keine größeren Reibflächen zur Kraftübertragung wie z.B. Riementriebe (Ausnahme Zahnriemen), daher sind kleinere (Zahn-)Scheibendurchmesser möglich.
• Es ist keine Vorspannung nötig, was die Lager der Wellen entlastet.
• Es können je nach Anwendung wesentlich größere Kräfte übertragen werden.
• Da sich die Kette beim Umlauf kaum elastisch verformt sind kleinere Umschlingungswinkel und Achsabstände möglich.
• Die Lebensdauer gut geschmierter Kettentriebe ist hoch, verglichen mit anderen Transmissionssystemen
• keine Wartung erforderlich (falls Kettentrieb im Ölkreislauf des Motors integriert ist, so ist Schmierung gewährleistet, und über die Motorlebensdauer ist kein aufwendiger Steuertriebswechsel wie z.B. beim Zahnriemen erforderlich)

Nachteile gegenüber der kraftschlüssigen Kraftübertragung:

• Kettentriebe haben höhere Laufgeräusche.
• Die Kette umschlingt die Zahnscheibe nicht rund sondern vieleckig, so dass das umlaufende Kettensegment kürzer ist als der beschriebene Kreisbogen. Das führt zu einer diskontinuierlichen Kraftübertragung - die getriebene Welle wird abwechselnd beschleunigt und gelöst, was zu hohen Trumkräften führen kann. Durch höhere Zähnezahlen lassen sich diese als Polygon-Effekt bezeichneten longitudinalen Schwingungen verringern.
• Senkrecht stehende Wellen lassen sich nicht gut mittels Kettentrieb verbinden, denn die Kettenlaschen würden einseitig an der Scheibenstirn reiben. Bei senkrecht übereinanderstehenden, quer gelagerten Wellen hängt die Kette am unteren Rad durch, was ungünstigere Laufeigenschaften zur Folge haben kann. Ideal ist eine leicht schräg versetzte Anordnung.
• Schwingungen - vor allem auf der rücklaufenden Kettenstrecke - müssen teilweise durch zusätzliche (teils gefederte Dämpfer) oder Spannrollen verringert werden.

Um gegenseitige Verschleißverstärkung zwischen Kette und Zahnrad zu vermeiden, sollten als Zähnezahlen Primzahlen verwendet werden, so greifen nicht regelmäßig dieselben Bolzen in eine Zahnlücke.

Antriebsketten an Motorrädern laufen mit besserem Wirkungsgrad als Kardanwellen, wenn sie in einwandfreiem Zustand sind.

Kettengetriebe eines Fahrrades

Motorrad- und Fahrradkette

Formschlüssige Kettengetriebe werden auch beim Fahrrad eingesetzt. Dort hat sich die Fahrradkette gegenüber allen anderen Kraftübertragungen (Kardanwelle usw.) durchgesetzt. Ein Nachteil der Kraftübertragung durch die Kette ist der Umstand, dass die Übersetzung nicht stufenlos gewählt werden kann. Im Radsport hat dies vor allem dazu geführt, dass Kettenschaltung in den letzten Jahrzehnten besonders mit einfach abgestuften Zahnkranzpakete nachgefragt wurden, welche vom Handel wegen der technischen Weiterentwicklung von Kette und Ritzeln mittlerweile in großer Auswahl angeboten werden (9- und 10-fach-Kassetten, seit 2008 auch 11-fach).

Kraftschlüssige Kettengetriebe

Bei der Kraftübertragung ohne Formschluss kommen sogenannte Gliederkettentriebe zum Einsatz. Sie arbeiten in der Regel kraftschlüssig und werden daher nicht den Kettentrieben zugeordnet, sondern folgen dem Arbeitsprinzip von Riemengetrieben.

Als Ausnahme sind formschlüssige Lamellenkettentriebe zu nennen, wie z. B. das stufenlose PIV-Getriebe, bei dem eine Kette mit seitlich verschiebbaren Laschen in die radialen Nutenzähne zweier Kegelscheibenpaare greift. Zahn und Lücke eines Scheibenpaares stehen sich gegenüber.

Stufenlose Kettengetriebe

Es gibt auch stufenlose Kettengetriebe, bei denen eine Lamellenkette zwischen je zwei Kegelscheiben auf der Antriebs- und Abtriebsseite läuft. Durch die Veränderung des Abstandes zwischen den Kegelscheiben kann die Übersetzung verstellt werden. Die Verstellung erfolgt in der Regel hydraulisch; je eine der Kegelscheiben ist fest, während die andere wie ein Zylinderkolben fungiert. Sie kann durch eine Erhöhung des Öldrucks im Hydrauliksystem bewegt werden.

Diese Getriebe werden in der PKW-Industrie als Automatikgetriebe verwendet. Ihr Hauptvorteil ist ihre Stufenlosigkeit, die ein Fahren immer im wirtschaftlichsten Drehzahlbereich des Motors ohne Schaltrucke ermöglicht. Ein bekannter Vertreter ist die multitronic von Audi.

Es muss bei der Auslegung beachtet werden, dass die Kette nicht durchrutschen darf, da es ansonsten zu einer Zerstörung des Getriebes kommen kann. Das maximal übertragbare Drehmoment eines Kettenwandlers liegt bei ca. 300 Nm (Stand Ende 2003).

Literatur

• Waldemar Steinhilper (Hrsg.), Bernd Sauer (Hrsg.): Konstruktionselemente des Maschinenbaus 2: Grundlagen von Maschinenelementen für Antriebsaufgaben. 6. Auflage. Springer 2008, ISBN 978-3-540-76653-7, S. 618-636.

Weblinks

• Machinelenelemente III - Vorlesung der Universität Siegen, Kapitel Zugmittelgetriebe