Wie tauschen Zahnräder Tempo gegen Drehmoment?
Setze Zahnräder, wähle Zähnezahlen und baue eine zweistufige Übertragung. Verändere Antrieb und Last und vergleiche Drehrichtung, Drehzahl und verfügbares Drehmoment.
Die Zähnezahlen bestimmen das Drehzahlverhältnis
Zwei außen ineinandergreifende Zahnräder drehen entgegengesetzt. Treibt ein kleines Rad ein größeres an, dreht sich das größere langsamer. Bei idealer Übertragung steht dafür mehr Drehmoment zur Verfügung.
Ein Zwischenrad verändert in einer einfachen Kette die Richtung, aber nicht das Verhältnis aus Antriebs- und Ausgangsgröße. Zwei verschieden große Räder auf einer gemeinsamen Achse verbinden zwei Stufen. Sie haben dieselbe Drehzahl; die Verhältnisse der Stufen werden miteinander multipliziert.
Macht jedes zusätzliche Zahnrad den Ausgang langsamer? Was bewirken zwei verschieden große Räder auf einer Achse?
Gemeinsam in der Werkstatt ausprobieren
- Baue zwei ineinandergreifende Zahnräder. Lasse den Antrieb bei 60 U/min und vergleiche 20 Antriebszähne mit 40 Ausgangszähnen.
- Merke das Ergebnis. Ergänze ein Zwischenrad, ohne die Zähnezahlen von Antrieb und Ausgang zu verändern. Vergleiche Verhältnis und Richtung getrennt.
- Baue zwei Stufen mit gemeinsamer Achse. Erhöhe das Bremsmoment am Ausgang bis zum Stillstand und verändere dann nur eine Übersetzung oder die Drehmomentgrenze.
Ein Beispiel zum Nachvollziehen
20 Antriebszähne mit 60 U/min treiben 40 Zähne mit 30 U/min in Gegenrichtung an. Ideal ergeben 0,8 Nm am Eingang bis zu 1,6 Nm am Ausgang. Eine zweite Stufe von 12 auf 48 Zähne senkt die gemeinsame Ausgangsdrehzahl auf 7,5 U/min und erhöht die ideale Grenze auf 6,4 Nm.
Eine Idee abseits des Bildschirms
Verwendet einen vorbereiteten Spielzeug-Zahnradkasten. Eine erwachsene Begleitung befestigt zwei Räder und bittet das Kind, die Drehrichtung des zweiten zu vermuten. Vergleicht Zähnezahlen und ergänzt ein Zwischenrad. Bewegte Zähne beobachten, ohne in den Zahneingriff zu greifen.