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Fahrzeugtechnik

Planetengetriebe

Das Planetengetriebe unterscheidet sich optisch wie auch funktional stark von den bisher behandelten Getriebearten.

Planetengetriebe
Planetengetriebe

Vorteile gegenüber anderen Getriebearten

So hat es den Vorteil, dass eine Leistungsverzweigung hohe Drehmomente bei vergleichsweise kleiner Baugröße zulässt. Zudem ermöglicht die koaxiale Bauweise eine günstige Anbringung von Reibelementen wie Kupplungen und Bremsen, die wiederum ein automatisiertes Schalten ohne Unterbrechung der Zugkraft erlauben. 
Ein weiterer wichtiger Vorteil bezieht sich auf die Lagerung. Denn gegenüber anderen Getriebearten, treten bei Planetengetrieben keine freien Lagerkräfte auf. 

Funktionsprinzip

Um das Funktionsprinzip dieser Getriebeart besser verstehen zu können, schaue dir die nächste Abbildung an.

Planetengetriebe Schema
Planetengetriebe Schema

Es handelt sich hier um ein einstufiges Planetengetriebe der einfachsten Art. Außen läuft das Hohlrad, welches alternativ als Außenrad bezeichnet wird. Das Sonnenrad läuft innen und zwischen Außenrad und Sonnenrad laufen die Planetenräder, die auf einem Planetenträger (Ring) sitzen. 

Merke

Hier klicken zum Ausklappen Der Name Planetengetriebe, ergibt sich aus der Anordnung der Zahnräder und ihrer Analogie zu unserem Sonnensystem mit Sonne und umkreisenden Planeten. Das wirst du wahrscheinlich bereits bemerkt haben. 

 

Bei unserem einstufigen Planetengetriebe ist der Radius $ r_H $ des Hohlrades doppelt so groß wie der Radius $ r_S $ des Sonnenrades. Dies erlaubt uns die erzielbaren Getriebestufen einfacher zu bestimmen. Für die Planetenräder ergibt sich hieraus ein Radius $ r_P = \frac{r_s}{2} = \frac{r_H}{4} $.

1. Gang/ Übersetzung

Um den ersten Gang zu erzeugen, wird das Hohlrad blockiert und das Sonnenrad angetrieben.

Planetengetriebe 1. Gang
Planetengetriebe 1. Gang

Daraus ergibt sich eine Übersetzung von $ i_1 = 3 $. Die lässt sich mathematisch mit der nachfolgenden Gleichung berechnen:

Methode

Hier klicken zum Ausklappen  Übersetzung $ i_1 = \frac{\omega_S}{\omega_P} = \frac{\frac{\nu_S}{r_S}}{\frac{\nu_P}{r_S + r_P}} $

Setzen wir nun unsere zuvor festgelegten Verhältnisse ein und kürzen, so ergibt sich für die Übersetzung im ersten Gang:

$ i_1 = \frac{\frac{2 \cdot \nu_P}{2 \cdot r_P}}{\frac{\nu_P}{ 3 \cdot r_P}} = 3 $

2. Gang / Übersetzung

Im zweiten Gang blockiert das Sonnenrad und das Hohlrad wird angetrieben. Der Planetenträger dient als Abtrieb.

Planetengetriebe 2. Gang
Planetengetriebe 2. Gang

 

Da die Umfangsgeschwindigkeit des Hohlrades doppelt so hoch ist wie die des Planetenträgers, ergibt sich eine Übersetzung von $i_2 = \frac{3}{2} $. Auch dies lässt sich mathematisch berechnen:

Methode

Hier klicken zum Ausklappen Übersetzung $ i_2  = \frac{\omega_H}{\omega_P} = \frac{\frac{\nu_H}{r_H}}{\frac{\nu_P}{r_S + r_P}} $

Auch hier setzen wir die Verhältnisse ein und kürzen:

$ i_2 = \frac{\frac{2 \cdot \nu_P}{4 \cdot r_P}}{\frac{2 \cdot \nu_P}{ 3 \cdot r_P}} = \frac{ 3}{2} $ 

3. - 5. Gang / Übersetzung

Im 3. Gang werden Sonnenrad und Planetenträger gegeneinander blockiert, wodurch sich alle Element gleich schnell drehen und man eine Übersetzung von

Methode

Hier klicken zum Ausklappen Übersetzung $ i_3 = 1$

erhält.

Im 4. und 5. Gang tauscht man Antrieb und Abtrieb (vgl. 1. oder 2. Gang). Beim 4. Gang blockiert das Sonnenrad, der Planetenträger wird angetrieben und der Abtrieb erfolgt über das Hohlrad. Beim 5. Gang blockiert das Hohlrad, der Planetenträger wird angetrieben und der Abtrieb erfolgt über das Sonnenrad.

Hieraus ergibt sich jeweils eine Übersetzung von

Methode

Hier klicken zum Ausklappen Übersetzung $ i_4 = \frac{1}{i_2} = \frac{2}{3} $

sowie

Methode

Hier klicken zum Ausklappen Übersetzung $ i_5 = \frac{1}{i_1} = \frac{1}{3} $.

Rückwärtsgang

Beim Rückwärtsgang ändert sich die Drehrichtung des Hohlrades. Der Antrieb erfolgt über das Sonnenrad und der Abtrieb über das Hohlrad. Der Planetenträger blockiert.

Planetengetriebe Rückwärtsgang
Planetengetriebe Rückwärtsgang

Auch hier bedienen wir uns wieder unserer mathematischen Gleichung und erhalten eine Übersetzung:

Methode

Hier klicken zum Ausklappen Übersetzung (Rückwärtsgang) $ i_R = \frac{\omega_S}{\omega_H} = \frac{\frac{\nu_S}{r_S}}{\frac{\nu_H}{r_H}} $

Substituieren und Kürzen ergibt:

$ i_R = \frac{\frac{\nu_S}{r_S}}{\frac{- \nu_S}{2 \cdot r_S}} = - 2 $ 

Kuppeln und Blockieren

Wie wir bereits wissen, erfordert das Schalten zwischen den Gängen immer ein auch ein Kuppeln. Zum Kuppeln zwischen Sonnenrad, Hohlrad und Planetenträger setzt man Lamellenkupplungen ein. Das Blockieren erfolgt dabei durch Bremsbänder oder Lamellenkupplungen, die am Gehäuse angebracht sind

Merke

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Kann dieses einfache Planetengetriebe einzeln in Fahrzeugen eingesetzt werden?

Nein. In herkömmlichen Fahrzeugen mit Automatikgetrieben sind mehrere Planetengetriebe hintereinander geschaltet und teilweise auch mehrstufig ausgeführt. Dieser Aufbau ist jedoch äußert kompliziert und daher begnügen wir uns im Rahmen dieses Kurses mit dem einfachen Planetengetriebe um die Funktionsweise zu verstehen.