Die Koppelgetriebe sind eine der sechs grundlegenden Arten von Getrieben. Unter allen Getriebearten sind sie diejenigen, die die größte Vielfalt an Strukturen und Eigenschaften aufweisen.Johannes Volmer (Hrsg.): Getriebetechnik - Koppelgetriebe Verlag Technik, 1979, S. 24 Sie werden sowohl als Übertragungsgetriebe als auch als Führungsgetriebe verwendet.Volmer: Koppelgetriebe, S. 13 Zusammen mit den Kurvengetrieben bilden sie die Gruppe der ungleichmäßig übersetzenden Übertragungsgetriebe.Johannes Volmer (Hrsg.): Getriebetechnik - Grundlagen Verlag Technik, 1995, ISBN 3-341-01137-4, S. 27
Sofern Glieder des Koppelgetriebes an Fixpunkten gelagert sind, so wird die gemeinsame Basis der Fixpunkte als "Gestell" bezeichnet. Das Gestell ist gleichbedeutend mit einem der Glieder des Koppelgetriebes. Die vier Gelenke der einfachsten Grundform des Koppelgetriebes haben jeweils nur einen Freiheitsgrad. Ein Drehschubgelenk würde als Kombination eines Dreh- und eines Schubgelenks betrachtet, die jeweils einen Freiheitsgrad besitzen. Die Verbindung zwischen beiden Gelenken kann dann als Koppel angesehen werden (auch wenn diese Verbindung je nach Bauform des Gelenks nicht als separates Glied erkennbar ist).
Koppelgetriebe „sind Getriebe mit mindestens vier Festkörper-Gliedern, die durch Gelenke verbunden sind. Alle Koppelgetriebe enthalten mindestens eine feste Koppel, d.h.ein Getriebeglied, das im einfachsten Fall die beiden im Gestell gelagerten Glieder verbindet.“ Als viergliedrige und viergelenkige Koppelgetriebe werden sie auch als ViergelenkgetriebeVolmer, Koppelgetriebe, Seite 25. Am Anfang (19. Jahrh.) wurde des Viergelenkgetriebe noch Dreistabgetriebe genannt. oder als bewegliche Vierecke, d. h. Gelenkvierecke bezeichnet. mini|hochkant=1.2|Kurbelschwinge mit Bahnkurve eines Punkts der Koppel (Koppelkurve). Das blaue Dreieck stellt die Koppel dar. Die eingezeichnete Verbindung zwischen den beiden Fixpunkten verdeutlicht, dass die Basis ("das Gestell") als viertes Glied eines Viergelenkgetriebes anzusehen ist.
Nach der gegenseitigen Lage der Drehachsen der Gelenke werden sie unterteilt in ebene Getriebe mit parallelen Drehachsen der Gelenke und räumliche Getriebe mit sich kreuzenden Drehachsen der Gelenke.Volmer: Grundlagen S. 240.
Die Gelenke ebener Getriebe können alle den Freiheitsgrad f=1 haben. In räumlichen Getriebe sind immer einige Gelenke mit Freiheitsgrad f>1 enthalten,Volmer: Grundlagen S. 241 wie etwa Kugelgelenke (f=3).
Zwei Grundformen der viergliedrigen ebenen Koppelgetriebe sind: die Kurbelschwinge mit einem umlaufenden (Kurbel-)Glied und die Schubkurbel mit drei Drehgelenken und einem Schubgelenk.
Zwischen den beiden am Gestell gelagerten Gliedern befindet sich das Koppel genannte Übertragungsglied, was den Namen Koppelgetriebe erklärt. Mehr-gliedrige Koppelgetriebe besitzen mehrere Zwischenglieder, die alle als Koppel bezeichnet werden.vgl. Volmer: Grundlagen, S. 184–185. Bei Übertragungsgetrieben fungiert die Koppel entsprechend den beiden anderen beweglichen Gliedern als Übertragungsglied zwischen An- und Abtrieb. Bei Führungsgetrieben ist sie ein geführtes oder ein führendes (welches weitere, mit dem Koppelgetriebe verbundene Glieder führt) Getriebeglied.Volmer: Grundlagen, S. 184–185 Dabei wird die Variationsbreite möglicher Bahnformen von Punkten der Koppel oder mit ihr verbundener Punkte ausgenutzt (s. a. nebenstehende Abbildung).Dankert Dankert: Technische Mechanik. Beispiele für Koppelgetriebe inkl. animierter Darstellung von Koppelkurven tm-aktuell.de Bei ebenen Getrieben handelt es sich dabei um algebraische Kurven 6. Ordnung,Volmer: Grundlagen, S. 195. die Koppelkurven genannt werden.
Bezeichnungen der Getriebeglieder (Quellen:Johannes Volmer: Getriebetechnik - Lehrbuch, Verlag Technik, 1969, S. 38, Tafel 2.4.Johannes Volmer, Grundlagen, S. 185, Tafel 6.1.Johannes Volmer, Koppelgetriebe, S. 29, Tafel 2.2.)
Koppel „Mit dem Gestell nicht direkt verbundene Getriebeglieder heißen grundsätzlich Koppel.“
Am Gestell angeschlossene Getriebeglieder „Am Gestell angeschlossene Getriebeglieder werden entsprechend ihrer Beweglichkeit gegenüber dem Gestell bezeichnet“:
Es existieren die folgenden Bezeichnungen:Volmer, Lehrbuch', S. 39.
Kurbel Die Kurbel ist ein am Gestell und an der Koppel drehbar angeschlossenes Getriebeglied. Sie läuft am Gestell um.
Schwinge Die Schwinge ist ein am Gestell und an der Koppel drehbar angeschlossenes Getriebeglied, das am Gestell lediglich schwingt, aber keinen vollen Umlauf vollzieht. Bei der Automobil-Pendel- oder Schwingachse und der Motorrad-Hinterradschwinge wird der Begriff Schwinge auch verwendet, ohne dass diese Schwinge Teil eines Koppelgetriebes ist. Der Radträger (Achsschenkel) ist jeweils fest am schwingenden Ende des Schwingarms befestigt.
Schleife Die Schleife ist ein am Gestell drehbar und an der Koppel schiebbar angeschlossenes Getriebeglied. Am Gestell kann sie umlaufen (Kurbelschleife) oder nur schwingen.
Schieber Der Schieber ist ein im Gestell schiebbar gelagertes Getriebeglied. Nachbarglieder sind an ihm über ein Drehgelenk angeschlossen.
Kreuzschieber Der Kreuzschieber ist ein am Gestell und an der Koppel schiebbar angeschlossenes Getriebeglied. Am Gestell ist er nur schiebbar.
Ebene, sphärische und räumliche Koppelgetriebe mini|Kardangelenk mit eingezeichneten Drehachsen, die sich alle in einem Punkt schneiden
Ebene und sphärische Koppelgetriebe Die Achsen sphärischer Getriebe treffen sich in einem Punkt. Ein Beispiel für sphärische Getriebe ist die Kombination aus zwei auf dem Gestell drehbar gelagerten Wellen und einem sie verbindenden Kardangelenk (siehe nebenstehende Abbildung). Die Achsen der Wellen und der beiden Drehgelenke des Kardangelenks kreuzen sich im Punkt (dem das Kardangelenk auch seinen Namen Kreuzgelenk verdankt).
Die ebenen Getriebe sind ein Sonderfall sphärischer Getriebe, bei dem die Achsen der Lager parallel zueinander liegen. Bezüglich der auftretenden Kräfte, der Steifheit der Getriebeglieder und anderer physikalischer Faktoren sind Konstruktion und Dimensionierung sphärischer Getriebe aufwändiger.
mini|hochkant=1.4|Ein räumlicher Kurbeltrieb mit einem Kugelgelenk zwischen Kurbel und Koppelglied und einem Drehgelenk zwischen Koppel und Schubstange. Die grüne Schubstange ist in einem Drehschubgelenk gelagert. Durch die drei Bewegungsfreiheiten des Kugelgelenks kann die Ausrichtung der Schubstange innerhalb eines weiten Bereiches räumlich beliebig variiert werden. Wenn die rotierende rote Antriebswelle zur grünen Schubstange einen anderen Winkel als 90 Grad einnimmt, so wird zusätzlich zur erzeugten Schubbewegung auch die Drehbewegung der Antriebswelle übertragen (vergleichbar mit dem Kardangelenk).
Räumliche Koppelgetriebe Bei räumlichen Koppelgetrieben (Raumgetrieben) liegen die Drehachsen der Gelenke beliebig im Raum. Neben einfachen Dreh- und Schubgelenken (f=1) kommen auch Gelenke mit f>1 vor (f=2: Drehschub- und f=3: Kugelgelenke). Die theoretische und praktische Beherrschung von räumlichen Koppelgetrieben ist sehr viel aufwändiger als die der ebenen und sphärischen Getriebe. Die folgenden Darstellungen beziehen sich mit Ausnahme eines kurzen Abschnitts im nächsten Kapitel ausschließlich auf ebene Koppelgetriebe.
Wichtiges Anwendungsfeld räumlicher Koppelgetriebe sind moderne Radaufhängungen von Fahrzeugen.
Zahl der Getriebeglieder Im Minimum hat ein Koppelgetriebe vier Glieder. Mit nur drei Gliedern wäre es nicht beweglich, sofern nicht eines der Gelenke zwei Bewegungsfreiheiten hat, wie z. B. ein in einem Schlitz verschieb- und drehbarer Stift (f=2). Die Bewegungsfreiheit oder der Laufgrad eines Getriebes als Gesamtheit soll i. d. R. F=1 sein, damit alle seine Glieder dem Antriebsglied zwangläufig folgen.
Wenn mehr als ein Glied antreibend sein soll (F>1), werden entsprechend der Grüblerschen Gleichung im Minimum fünf Glieder benötigt (5-gliedrig bei 2 Antrieben; F=2 Volmer, Koppelgetriebe, S. 56): Gleichung für ebene Getriebe, die keine Gelenke mit mehr als einer Bewegungsfreiheit enthalten. n = Gliederzahl g = Gelenkzahl c = Gelenkzahl mit f=1
Zweck eines mehrfachen Antriebs ist, die Bewegungen der antreibenden Glieder in besonderer Übertragungsfunktion (Abtriebsparameter ψ = ψ(φ1,φ2,.. ) ; φi = Antriebsparameter Volmer, Koppelgetriebe, S. 34) zu summieren.
Im Unterschied zu viergliedrigen Koppelgetrieben existiert bei Koppelgetrieben mit mehr als vier Gliedern keine umfassende Ordnung (Klassifizierung).
Vier Glieder
F = 2 ≠ 3 (4 − 1 − 4) + 4 >> F=2 ist nicht möglich !(F = 1 = 3 (4 − 1 − 4) + 4 >> F=1 ist aber möglich.)
Fünf Glieder F = 2 = 3 (5 − 1 − 5) + 5 >> F=2 ist möglich !
Sechs und mehr Glieder Die Grüblersche Gleichung zeigt, dass Koppelgetriebe mit dem gewünschten Laufgrad F=1, also mit nur einem angetriebenen Glied, immer aus einer geraden Zahl von Gliedern bestehen.
Sechsgliedrige Drehgelenkketten unterscheiden sich in der gegenseitigen Lage der beiden Dreigelenkglieder und heißen Stephenson’sche und Watt’sche Kette.Volmer: Grundlagen, S. 39.
mini|Parallelkurbelgetriebe an der Dampflokomotive Saxonia. Eine zweite Koppelstange befindet sich an den gegenüberliegenden Rädern.
Sonderabmessungen: „übergeschlossene Getriebe“ In der Praxis sind auch funktionierende Getriebe anzutreffen, bei denen die Zwanglaufgleichungen nicht erfüllt sind. Ein Beispiel ist das zweifache Parallelkurbelgetriebe zur Übertragung einer Drehbewegung von einer Welle auf eine zweite,Siegfried Hildebrand: Feinmechanische Bauelemente, Hanser, München 1968, S. 633. wie in an einer Dampflokomotive. Die zweite Koppelstange steht gegen die erste um 90° versetzt, da dies zum Vermeiden des Umschlagen eines Radpaares erforderlich ist (sollte die Lokomotive einmal nicht auf den Gleisen stehen). Daher wird F=0 :
F = 3 (5−1−6) + 6 = 0 Dieser Widerspruch ergibt sich aus Sonderabmessungen: Die beiden Koppelstangen und die vier Kurbeln sind je untereinander gleich lang. Die Gleichheiten müssen bei der Fertigung mit hoher Genauigkeit gewährleistet werden. Bei Ungenauigkeiten klemmt das Getriebe oder ist nur soweit beweglich, wie es das Gelenkspiel zulässt.Volmer: Grundlagen, S. 33.Klemmen wegen Fertigungsfehlern kann auch beim einfachen Parallelkurbelgetriebe in den Totlagen eintreten. Es wird ebenfalls als umlaufendes Getriebe benutzt (wobei die Totlagen mit bestimmten Hilfsmitteln überwunden werden).
mini|Kreuzgelenk: rechte Winkel zwischen benachbarten Drehachsen
Viergliedriges Raumgetriebe Ein zwangläufiges (F=1) viergelenkiges Raumgetriebe benötigt gemäß Grüblerscher Gleichung
in der Summe sieben Gelenkbewegungsfreiheiten, und kann somit höchstens zwei einfache Gelenke haben.Volmer: Grundlagen, S. 241. Kontrollrechnung: Mit F=1 und n=g=4 (4 Glieder und 4 Gelenke) ist die Summe der Gelenkbewegungsfreiheiten
Bekanntes Beispiel eines Raumgetriebes ist das Kreuzgelenk (Kardangelenk). Infolge von Sonderabmessungen (rechte Winkel zwischen benachbarten Gelenken, die mit hoher Genauigkeit gefertigt werden müssen) funktioniert es als 4-gliedriges Raumgetriebe mit nur 4 einfachen (f=1) Gelenken. Es repräsentiert nicht den allgemeinen Fall der Raumgetriebes.
Übertragung Kennzeichen der Koppelgetriebe ist, dass sie eine (gleichmäßige) Drehbewegung in eine periodisch veränderliche Bewegung umformen. Das Abtriebsglied dreht um eine feste Achse hin und her (oder läuft um), geht auf einer geraden Bahn hin und her oder wird auf einer Bahn höherer Ordnung (Koppelkurve) geführt.Hildebrand, S. 627.
Übertragungswinkel Der Übertragungswinkel (Winkel am Gelenk zwischen den beiden als Geraden zu denkenden Gliedern) ist „ein Kriterium für die Güte der Kraft- und Bewegungsübertragung“. Er sollte innerhalb von 90°±50° bleiben. Bei den Werten 0° und 180° ist eine Übertragung „nicht möglich, das Übertragungsgetriebe ist nicht lauffähig.“Volmer, Koppelgetriebe, S. 33/34