Stirnradgetriebe oder Planetengetriebe im Vergleich für Konstrukteure

Das Wichtigste auf einen Blick

Planetengetriebe bauen koaxial und kurz, Stirnradgetriebe achsparallel und länger, dafür günstiger.
Verdrehspiel und Torsionssteifigkeit entscheiden über die Eignung für Positionierachsen.
Die Auswahl gehört mit Nenndrehmoment, Lebensdauer und Bauraum dokumentiert.

Übersetzung, Drehmoment und Stufenwahl

Planetengetriebe verteilen das Drehmoment auf mehrere Planetenräder. Jedes Zahnrad überträgt deshalb weniger Last, was bei gleichem Abtriebsmoment kleinere Abmessungen erlaubt. Einstufige Ausführungen decken Übersetzungen von 3 bis 10 ab, für i = 100 sind zwei oder drei Stufen nötig.

Vergleich der Übersetzungsbereiche und Stufen von Stirnrad- und Planetengetrieben (Stirnradgetriebe oder Planetengetriebe im Vergleich für Konstrukteure) — Die Tabelle stellt die erreichbaren Übersetzungen und die Lastverteilung je Stufe gegenüber. Image: Antriebsauswahl

Stirnradgetriebe arbeiten mit einem Zahnradpaar je Stufe. Zweistufige Ausführungen erreichen i = 5 bis 50, dreistufige bis etwa 300. Die Nenndrehmomente liegen in mittleren Baugrößen zwischen einigen Hundert und über 20.000 Newtonmeter.

Für die Auslegung zählen Nenndrehmoment, Beschleunigungsmoment und die geforderte Lebensdauer in Betriebsstunden. Verzahnung, Welle und Lager werden rechnerisch nachgewiesen, etwa mit KISSsoft für Verzahnungs- und Wellenberechnung.

Bauraum, Verdrehspiel und Wirkungsgrad

Typische Kennwerte, wie Herstellerdatenblätter sie ausweisen:

Stirnradgetriebe

Übersetzung einstufig: 3 bis 8
Übersetzung mehrstufig: bis etwa 300
Wirkungsgrad je Stufe: 98 bis 99 Prozent
Verdrehspiel: 10 bis 30 Winkelminuten
Bauraum: achsparallel, Achsabstand 50 bis 300 Millimeter

Planetengetriebe

Übersetzung einstufig: 3 bis 10
Übersetzung mehrstufig: bis über 1.000
Wirkungsgrad je Stufe: 97 bis 98 Prozent
Verdrehspiel: 3 bis 15, präzise unter 1 Winkelminute
Bauraum: koaxial, Außendurchmesser 40 bis 200 Millimeter

Der koaxiale Aufbau macht Planetengetriebe für kompakte Achsen und kurze Einbaulängen interessant. Stirnradgetriebe passen, wenn die Achsen parallel versetzt liegen dürfen. Ihr Wirkungsgrad liegt je Stufe um etwa einen Prozentpunkt höher. Weil Planetengetriebe für dieselbe Übersetzung häufig eine Stufe mehr benötigen, schrumpft dieser Vorsprung im Gesamtwirkungsgrad.

Die Begriffe hinter diesen Kennwerten, etwa Übersetzung und Verdrehspiel, erklärt das DIN in seinem Basiswissen zu Normen und Standards.

Baureihen von SEW-EURODRIVE, NORD Drivesystems und Wittenstein

SEW-EURODRIVE führt Stirnradgetriebe in der Baureihe R, von R07 bis R167 in zwei oder drei Stufen. Die Nenndrehmomente staffeln sich von etwa 250 bis 18.000 Newtonmeter, die Übersetzungen reichen bis rund 290. Für Servoanwendungen ergänzt SEW Planetengetriebe mit geringem Verdrehspiel.

NORD Drivesystems baut die Stirnradgetriebe der Universalserie SK 02 bis SK 92 mit Blockgehäuse und die Aluminiumreihe NORDBLOC.1. Je nach Stufenzahl liegen die Übersetzungen zwischen etwa 1,5 und 300. Planetengetriebe für Servo- und Positionieraufgaben gehören ebenfalls zum Programm.

Wittenstein konzentriert sich mit der alpha-Reihe auf Planetengetriebe. Die Baureihen TP, SP und XP unterscheiden sich in Verdrehspiel und Torsionssteifigkeit. Hochpräzise Ausführungen bleiben unter einer Winkelminute und eignen sich für Werkzeugmaschinen und Robotik. Die Nenndrehmomente der Standardgrößen reichen von etwa 10 bis über 1.000 Newtonmeter. Die genannten Spannen streuen je nach Baugröße; maßgeblich bleibt das jeweilige Datenblatt.

Auswahl in fünf Schritten

Abtriebsmoment aus Lastmoment und Beschleunigungsmoment bestimmen, mit Betriebsfaktor für Stöße.
Übersetzung festlegen und daraus Stufenzahl und Bauart ableiten.
Bauraum mit Achsabstand, Außendurchmesser und Baulänge prüfen.
Verdrehspiel und Torsionssteifigkeit gegen die geforderte Positioniergenauigkeit stellen.
Angebote zu Lebensdauer, Wirkungsgrad und Preis vergleichen und die Entscheidung dokumentieren.

Die Dokumentation folgt den Anforderungen an Maschinen und Betriebssicherheit, die die Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin zusammenfasst.

Beispielrechnung für den Antriebsstrang

Ein Förderband benötigt am Abtrieb 400 Newtonmeter bei 30 Umdrehungen pro Minute. Gewählt wird ein zweistufiges Stirnradgetriebe mit i = 20 und 97 Prozent Wirkungsgrad. Das Moment an der Motorwelle beträgt 400 geteilt durch das Produkt aus 20 und 0,97, also rund 20,6 Newtonmeter. Ein Planetengetriebe mit derselben Übersetzung und 94 Prozent Wirkungsgrad käme auf etwa 21,3 Newtonmeter. Die Beispielrechnung zeigt, wie der Wirkungsgrad die Motorauswahl verschiebt.

Kosten und Normen

Als Orientierung ohne Umsatzsteuer: Kleine einstufige Planetengetriebe kosten netto etwa 300 bis 800 Euro. Hochpräzise Ausführungen mit Verdrehspiel unter einer Winkelminute liegen netto bei 1.200 bis 4.000 Euro.

Zweistufige Stirnradgetriebe mittlerer Größe bewegen sich netto zwischen 500 und 2.500 Euro. Große Ausführungen reichen bis 25.000 Euro netto, Sonderwellen und Lackierung erhöhen den Preis.

Für die Dokumentation ist die Maschinenrichtlinie 2006/42/EG maßgeblich, deren grundlegende Sicherheitsanforderungen auch Antriebsstränge betreffen.

Häufige Fragen

Wann ist ein Planetengetriebe die bessere Wahl?

Bei koaxialem Aufbau, knappem Bauraum, hoher Torsionssteifigkeit und kleinem Verdrehspiel. Für Positionierachsen und Robotik ist diese Bauart meist passend.

Wann lohnt sich ein Stirnradgetriebe?

Wenn die Achsen parallel versetzt liegen dürfen, Übersetzungen bis etwa 300 genügen und der Preis zählt. Im Dauerbetrieb hilft der etwas höhere Wirkungsgrad.

Welche Übersetzung schafft eine Stufe?

Einstufig sind es beim Stirnradgetriebe 3 bis 8, beim Planetengetriebe 3 bis 10. Höhere Werte verlangen mehr Stufen und damit mehr Bauraum.

Woran erkenne ich die passende Baugröße?

Am Nenndrehmoment und am Spitzenmoment aus dem Lastkollektiv. Beide Werte werden mit Betriebsfaktor gegen die Angaben im Datenblatt geprüft.