Übersetzungsverhältnis

Das Übersetzungsverhältnis drückt das Verhältnis der Drehzahlen zweier ineinandergreifender Zahnräder aus, definiert als die Zähnezahl des angetriebenen Rades geteilt durch die des antreibenden Rades oder gleichbedeutend als die Zahl der Eingangsumdrehungen, die für eine Ausgangsumdrehung nötig sind. Es ist das zentrale Konzept jedes Zahnradgetriebes, denn es bestimmt an jeder Stelle des Antriebsstrangs den Ausgleich zwischen Drehzahl und Drehkraft, also Drehmoment. Ein Verhältnis größer als eins bedeutet, dass sich der Abtrieb langsamer dreht als der Antrieb, dafür aber mit entsprechend größerem Drehmoment, während ein Verhältnis kleiner als eins das Umgekehrte bewirkt.

Das Prinzip beruht auf der Energieerhaltung und der Geometrie der ineinandergreifenden Zähne. Treibt ein kleines Zahnrad ein großes an, so dreht jede Umdrehung des kleinen Rades das große nur um einen Bruchteil einer Umdrehung weiter, sodass sich das größere Rad langsam dreht, dabei aber mehr Hebelwirkung ausübt. Die Leistung als Produkt aus Drehmoment und Drehzahl bleibt abgesehen von Reibungsverlusten weitgehend konstant, weshalb sich das Drehmoment nur durch den Verzicht auf Drehzahl vervielfachen lässt. Ein Verhältnis von 3:1 verdreifacht beispielsweise näherungsweise das Drehmoment und senkt die Abtriebsdrehzahl auf ein Drittel.

Das ist von Bedeutung, weil ein Verbrennungsmotor nur über ein begrenztes Drehzahlband, typischerweise einige tausend U/min, nutzbares Drehmoment liefert. Eine einzige feste Übersetzung könnte weder ein schweres Fahrzeug aus dem Stand beschleunigen noch ein wirtschaftliches Dahingleiten bei hoher Geschwindigkeit ermöglichen. Ein Getriebe bietet daher eine Spreizung von Übersetzungen: Kurze Gänge mit hohem Zahlenwert vervielfachen das Drehmoment zum Anfahren und Bergauffahren, während lange Gänge dieses Drehmoment gegen Geschwindigkeit eintauschen und den Motor bei gleichmäßiger Fahrt langsam und leise drehen lassen. Die Abstufung der Gänge ist so gewählt, dass der Motor mit steigender Fahrgeschwindigkeit nahe seines wirtschaftlichen Bereichs bleibt.

Die einzelnen Getriebeübersetzungen wirken nicht allein. Sie verbinden sich multiplikativ mit der Achsübersetzung zur Gesamtübersetzung zwischen Motor und Rädern. Ein erster Gang mit 3,5:1, der über eine Achsübersetzung von 4,0:1 wirkt, ergibt eine Gesamtuntersetzung von 14:1, während ein Schongang mit 0,8:1 über dieselbe Achse nur 3,2:1 ergibt. Die längsten Gänge mit Verhältnissen unter eins werden als Schongänge oder Overdrive bezeichnet und dienen eigens dazu, die Motordrehzahl für entspanntes, kraftstoffsparendes Autobahnfahren zu senken.

Übersetzungsverhältnisse beeinflussen außerdem Beschleunigung, Anhängelast und Kraftstoffverbrauch auf eine Weise, die der Ingenieur ausbalancieren muss. Eng gestufte Übersetzungen halten den Motor für sportliche Fahrleistungen im Drehmomentbereich, weit gestufte begünstigen Verbrauch und Laufruhe. Dieselbe Logik gilt für Elektrofahrzeuge, die jedoch meist nur eine einzige Untersetzung benötigen, da ihre Motoren bereits aus dem Stillstand ein hohes Drehmoment liefern. Das Verständnis der Übersetzungsverhältnisse ist daher der Schlüssel dazu, wie ein Fahrzeug seine Kraft auf die Straße bringt.