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MASCHINENVERKÄUFE

Geschichte des Zahnrads

Schon die alten Römer...?

Von wegen. Die Geschichte des Zahnrades - und damit des Getriebes - beginnt viel viel früher.

Schon die alten Griechen...? Noch früher!

Schon die alten Ägypter ...? Beinahe richtig, der Begriff alt ist nämlich weit dehnbar, was die Ägypter angeht. Schon die frühen Ägypter haben Zahnräder und Getriebe gekannt. Das behaupten jedenfalls die Historiker. Sie schließen das aus der Bewässerungstechnik der Nilanwohner: ohne Zahnräder hätten Göpel und Schöpfwerke nicht funktionieren können. Ob das nun gerade Zahnräder waren, bezweifeln einige. Hölzerne Reibräder, sagen sie, seien für die damalige Zeit auch bereits ganz schön fortschrittlich gewesen. Leider ist uns aber weder von dem einen noch von dem anderen eine Abbildung erhalten. Wir müssen also den Historikern glauben.

      Schöpfwerk für Nilbewässerung

Griechenland und Aristoteles

Ktesibios - der Leonardo des alten GriechenlandsAuf dem Weg von den Vermutungen zu den Dokumenten geraten wir nun doch recht bald ins antike Griechenland.
Lange Zeit wurde Aristoteles als Autor der "Mechanik" angesehen, aber er soll es gar nicht gewesen sein. Ein anständiger Philosoph gab sich nämlich mit sowas Vulgärem nicht ab, dafür hatte er seine Leute! Also, heißt es, müsse Straton dieses älteste aller bekannten technischen Lehrbücher (3. Jahrhundert vor Christus!) verfasst haben. Da wird ein Getriebe beschrieben, bei dem jedes Rad sich in einer

     

anderen Richtung dreht als das, mit dem es in Eingriff steht. Denn es heißt wörtlich: "... einige Leute bauen so, daß als Ergebnis einer einzigen Bewegung sich eine Anzahl von Kreisen gleichzeitig in entgegengesetzten Richtungen bewegen, wie die Bronze- und Eisenräder, welche sie in den Tempeln machen und weihen." Dazu bringt der Autor eine Skizze, sie zeigt ein Getriebe aus drei Rädern, die durch Kreise dargestellt sind. Reibräder? Zahnräder? Wir wissen es nicht.

Vieles spricht aber dafür, daß das Zahnrad später kam. Ein Zahnradpaar zu schneiden und zu teilen, das die richtige Anzahl von Zähnen hat und beim Drehen nicht steckenbleibt, das ist gar nicht so einfach. Fragen Sie mal einen Fachmann.


Der Athenische Leonardo

Ktesibios kannte natürlich Zahnstange und Zahnrad! Und zwar benutzte er sie bei seiner Wasseruhr: ein Schwimmer hob und senkte eine Zahnstange, die drehte ein Zahnrad, das drehte eine Welle, die drehte andere Zahnräder - und die "bewegten Figuren, drehten Säulen, ließen

     

Steine oder Eier fallen, bliesen Trompeten und erzielten andere Nebeneffekte", so beschreibt uns Vitrivius, der römische Architektur-Reporter, später dieses erstaunliche Robotorium.


Kriegsmaschinerie

Wir sind immer noch im 3. Jahrhundert vor Christus, Philon von Byzanz heißt ein Mann, der durch seine "Mechanike syntaxis" ("Grundlagen der Mechanik") in der hellenischen Welt Aufsehen erregt. Kriegsmaschinen, Siphons, automatische Seifen-(Bimsstein-)Spender,

     

Weinbecher mit doppeltem Boden, allerlei Firlefanz ist da beschrieben. Aber auch ein Eimerschöpfwerk, das von einem unterschlächtigen Wasserrad angetrieben wird; dabei setzt Philon zwei Zahnräder ein, die mit einer Kette verbunden sind.


Anfänge der Astronomie

Astromische Uhr, 1. Jahrhundert vor ChristusIm Jahr 1900 (nach Christus) entdeckten Schwammtaucher bei der Insel Antikythera in 60 Metern Tiefe die Reste eines Wracks. Außer vielen Statuen fand man einen Klumpen Bronzeschrott, der erst 58 Jahre später, und zwar durch einen britischen Wissenschaftshistoriker, näher untersucht werden konnte.

Es war ein astronomisches Rechengerät, Baujahr 82 (vor Christus), wie man aus den angegebenen Konstellationen schließen kann. Der Brite fand ein komplettes Uhrwerk!

     

Ein großes vierspeichiges Rad wurde durch ein Kronenrad und eine Welle angetrieben. Die Welle ragte aus der Seite der Kiste hervor und war zweifelsohne mit einem Schlüssel oder einem Handrad ausgestattet. Dieses Hauptrad bildete den Antrieb für mindestens 20 kleine Zahnräder, von denen einige zu komplizierten Planetengetrieben zusammengefasst waren. Die Zahnräder verstellten Zeiger auf den Skalen zur Veranschaulichung der jeweiligen Mondphasen und Gestirnkonstellationen. Das Gerät trug die Spuren mehrerer kleinerer Reperaturen, woraus hervorging, daß es tatsächlich in Gebrauch war.


Rom der Zeitenwende

Nochmal Vitrivius, wir sind jetzt im Rom der Zeitenwende. Im letzten seiner "10 Bücher von der Architektur" erzählt er von Uhren, Hebevorrichtungen, Pumpen, Mühlen, Wasserorgeln. Und von einem Taxameter: von einem Zahnradgetriebe, mit dessen Hilfe man die von einem Wagen zurückgelegte Entfernung messen konnte.

     

 


Kraft des Wassers

"Lasst die Hände nun ruhn, ihr Mädchen vom Mahlstein; schlaft länger, wenn auch das Krähen des Hans den Morgen ankündigt. Ceres hat ihren Nymphen befohlen, eurer Hände frühere Arbeit zu tun. Von oben auf das Rad springen die Geister des Wassers, drehen die Achsen und mit ihr die Speichen des Rades, das wirbelnd umläuft, dadurch die schweren, zermalmenden Mühlsteine tanzen lassend." (Antipatros von Saloniki, über die Vorteile einer Wassermühle)

      Untersetzungsgetriebe, 2. Jahrhundert nach Christus

Was die Chinesen schon wussten...

724 nach Christus. Liang Ling-ts'an hat seine Uhr fertig. Ein Wunder, diese Uhr, bald wird er sie dem Kaiser vorführen! Sie hat eine Himmelskugel, die sich mit den Sternen dreht, eine Sonne und einen Mond, die sich um die Erde drehen, Figuren, die wie Menschen durch Glocken und Trommeln die Zeit anzeigen. Die Glocke schlägt "shi" an, jene chinesische Stunde, die doppelt so lang ist wie unsere. Die Trommel schlägt "ko" an: 14 Minuten und 14 Sekunden - ein Hundertstel des Sonnentages.

     

Nur der Kaiser wird sehen dürfen, wie Liangs Uhr die Zeit zerteilt: Wasser, das in Löffelschaufeln fließt, dreht ein Rad, "das in einem Tag und in einer Nacht volle Umdrehung macht. Räder und Wellen, Haken, Stifte, Verbindungsstangen und eiautoder hemmende Haltevorrichtungen und Sperren" - die Zeitgenossen sind Liang doch hinter sein Geheimnis gekommen.


Die Renaissance der Zahnräder

Kranwinde um 1620Lange Zeit galt Leonardo da Vinci als Urheber eines Skizzenbuchs, das heute in der Biblioteca Laurenziana in Florenz aufbewahrt wird. Dort ist die ganze Mechanik der italienischen Frührenaissance zusammengetragen: eine erstaunliche Technik, auf der Leonardo aufbauen konnte - denn das Buch

     

ist nicht von ihm, sondern von dem eine Generation älteren Francesco di Giorgio.

Bildhauer, Maler, Mechaniker, Zeremonienmeister, Kanalbauer, er war eines jener letzten Universalgenies, die Italien der Welt damals in reichem Maße geschenkt hat. Er vervollkommnete das Wasserrad, erfand den Fliehkraftregler, baute Schwimmbagger und Rammen, und in jeder seiner Maschinen steckte ein Getriebe. Getriebe wurden jetzt "heimisch" bei den Baumeistern der Renaissance.


Probleme schaffen Lösungen

Leonardo wäre nicht Leonardo gewesen, hätte er sich nicht für die Getriebe und ihre Möglichkeiten interessiert. Aber auch er stieß wie alle Ingenieure seiner Zeit, auf schwer zu überwindende Schwierigkeiten. Die Getriebe waren aus Holz, nutzten sich sehr schnell ab und verlangten eine enorme Antriebskraft. Man verwendete daher nur die seit langem bekannten zwei Arten, die Zahnrad- und Stockgetriebe. Niemand hatte übrigens daran gedacht, die von dem Griechen Pappus überlieferten mathematischen Grundlagen für den Bau von Getrieben weiter zu entwickeln oder auch nur wieder hervorzuholen. Man kannte sicher die Übersetzungen, aber vermutlich ohne mathematische Formeln. Den bekannten Getriebesystemen fügte Francesco di Giorgio die Schnecke hinzu, für die er eine besondere Vorliebe gehabt zu haben scheint.

Taccola brachte schon ein Beispiel für einen Ketteautotrieb, dessen Zeichnung allerdings noch ziemlich ungeschickt ist. Leonardo hat uns viele Zeichnungen von Getrieben hinterlassen. Es ist schlecht vorstellbar, dass er nicht begriffen hätte, daß die Lösung der Getriebeprobleme für das ganze künftige Maschinenwesen von ausschlaggebender Bedeutung war. Eine Zeichnung im Codex Atlantico zeigt, daß Leonardo einige sehr einfache Regeln der Geometrie für die Gestaltung der Zahnräder anwendete. Er versuchte auch schon, die Reibung und den Verschleiß auszuschalten. Wenn auch die Form der Bolzen der Triebstangen kaum geändert werden konnten, so hatte die Form der Zähne für ihn doch große Bedeutung. Zeichnungen und Anmerkungen scheinen darauf hinzuweisen, dass Leonardo sich mit dieser Frage beschäftigte und wohl auch praktische Versuche machte, worauf einige Bemerkungen in seinen Aufzeichungen hindeuten.

     

Schrägverzahnung nach Leonardo Da Vinci, um 1500

 

 

 

 

 

Getriebeentwurf von Leonardo Da Vinci, um 1500
Getriebeentwurf von Leonardo Da Vinci, um 1500

Leonardo da Vinci ging aber noch über diese Stufe der Verbesserung hinaus. Er suchte offensichtlich nach Getrieben mit größerer mechanischer Festigkeit und von gleichmäßigerem Lauf. Wer eine alte Maschine mit Zahnrädern und Triebstangen in Betrieb gesehen hat, kann sich von dem lärmenden, rüttelnden und unregelmäßigem Lauf dieser Maschine überzeugen.

Leonardo hat die Kegelradgetriebe gezeichnet, die die Übertragung der Bewegung in zwei rechtwinklig aufeiautodertreffende Richtungen ermöglichte. Er hat auch an Schneckenradgetriebe gedacht, die einen gleichmäßigeren Lauf sichern, ohne dass er jedoch bis zu den

 

modernsten Schrägverzahnungen vorgestoßen wäre, die wenigstens für einige Arten von Bewegungen die größte Gleichmäßigkeit des Laufes garantieren. In seinen Skizzen findet sich sogar ein trapezförmiges Getriebe.

Solche Untersuchungen Leonardos, so interessant sie sind, konnten nicht zum Ziel führen. Trotz einiger Ansätze scheint er die geometrischen Kenntnisse, die zum vollkommenen Entwurf der Getriebe notwendig waren, nicht bis zur letzten Konsequenz angewendet zu haben. Die Getriebe hätten außerdem auch aus Metall hergestellt werden müssen. Dazu war jedoch weder die damalige Metallerzeugung noch die Metallbearbeitung in der Lage. (Grille, Ingenieure der Renaissance.)


Und es geht weiter...

Es sollte noch ein paar Jahrhunderte dauern, bis Wissenschaft, Material und Verfahrenstechnik eine weitere Entwicklung des Getriebes ermöglichten. Leibniz errechnete zum ersten Male Verzahnungen mit geringstmöglichem Reibungswiderstand - einer der letzten Meilensteine am Wege der Getriebetechnik. Von da an stürmte sie immer rascher voran, das 19. Jahrhundert ist eine Strecke bedeutsamer Wegmarken.        Zahnrad und Zahnradstange

Und heute, sind wir am Ziel?

Modernes Antriebskonzept für eine CNC-Drehmaschine