Flachriemen vs. Keilriemen: Wichtigste Unterschiede & Leistungsmerkmale

Eine Maschine kann als Zusammenstellung von Mechanismen definiert werden, die eine bestimmte Aufgabe durch Energieumwandlung ausführen können. Die meisten Maschinen werden durch mechanische Leistung angetrieben, die nichts anderes als das Drehmoment einer rotierenden Welle ist. Eine Primärmaschine wird verwendet, um andere Energieformen in mechanische Energie umzuwandeln. Beispielsweise wandelt ein Elektromotor elektrische Energie in mechanische Leistung um. Solche Primärmaschinen befinden sich jedoch entfernt von der Maschinen-Einheit, weshalb ein weiteres Übertragungssystem gewünscht wird. Hier kommt die Rolle des mechanischen Leistungsübertragungssystems ins Spiel, das Bewegung, Drehmoment und Leistung vom Antriebselement (wie Primärmaschine) auf das Abtriebselement (wie Maschinen-Einheit) überträgt. Vier mechanische Getriebe – Zahnradgetriebe, Riemengetriebe, Kettengetriebe und Seilgetriebe – werden zu diesem Zweck genutzt.

Riemengetriebe ist ein Reibungsantrieb, bei dem Bewegung und Leistung durch Reibung übertragen werden. Hier werden zwei Scheiben zunächst auf der Treiber- und Abtriebswelle montiert. Ein endloser Riemen wird dann teilweise um die Scheiben gewickelt, wobei eine angemessene Spannung aufrechterhalten wird. Riemengetriebe eignet sich für kurze bis lange Distanzen der Leistungsübertragung und kann das System inhärent vor Überlastung und Vibration schützen. Da die Reibungskraft zwischen Scheibe und Riemen die Leistungsübertragung unterstützt, wird die Kapazität des Riemengetriebes hauptsächlich durch Reibungseigenschaften, Umschlingungswinkel und Anfangsspannung begrenzt. Ein Weg, die Übertragungskapazität zu erhöhen, ist die Erhöhung des Umschlingungs- oder Kontaktwinkels. Dies kann durch Ersetzen des offenen Riemengetriebes durch ein gekreuztes Riemengetriebe erfolgen, sofern dies ansonsten erlaubt ist.

Ein weiterer Weg, die Leistungsübertragungskapazität zu verbessern, ist die Erhöhung der Kontaktfläche zwischen Riemen und Scheibe. Dies wird durch den Einsatz von Keilriemengetrieben realisiert. Beim Flachriemengetriebe wird ein verbundener Riemen mit rechteckigem Querschnitt verwendet, bei dem nur eine flache Seite des Riemens in Kontakt mit der Scheibe bleibt. Obwohl seine Kapazität gering ist, wird es überwiegend für lange Distanzen der Leistungsübertragung verwendet. Es kann zwei Anordnungen haben – offen und gekreuzt. Das Keilriemengetriebe nutzt einen endlosen trapezförmigen (Querschnitt) Riemen mit Scheiben, die entsprechende Keilnuten haben. Hier bleiben zwei Seitenflächen des Riemens in Kontakt mit der Scheibe, was die Übertragungsfähigkeit erhöht und Schlupf reduziert. Es ist jedoch besonders geeignet, wenn Treiber- und Abtriebswellen kurze Distanz voneinander entfernt sind. Verschiedene Unterschiede zwischen Flachriemen- und Keilriemengetriebe sind unten in Tabellenform dargestellt.

Tabelle: Unterschiede zwischen Flachriemengetriebe und Keilriemengetriebe

Flachriemengetriebe	Keilriemengetriebe
Flachriemen hat rechteckigen Querschnitt, wobei die Breite wesentlich größer als die Dicke ist.	Keilriemen hat trapezförmigen Querschnitt, wobei die größere Seitenbreite fast gleich der Dicke ist.
Flachriemen ist verbunden (gescharniert). Daher erzeugt er Vibration und Geräusch.	Keilriemen ist endlos gefertigt. Daher ist sein Betrieb ruhig und leise.
Im Flachriemengetriebe bleibt nur eine Oberfläche des Riemens in Kontakt mit den Scheiben.	Im Keilriemengetriebe bleiben zwei Seitenflächen des Riemens in Kontakt mit den Scheiben.
Leistungsübertragungskapazität des Flachriemens ist vergleichsweise geringer aufgrund höherer Schlupfgefahr.	Keilriemen kann mehr Leistung ohne Schlupf übertragen aufgrund erhöhter Reibung.
Es wird für lange Distanzen der Leistungs- und Bewegungsübertragung empfohlen.	Es wird für kurze bis mittlere Distanzen der Leistungs- und Bewegungsübertragung bevorzugt.
Schlupf begrenzt auch die erreichbare Übersetzungsreduktion. Bis zu 1:4 Reduktion ist erreichbar.	Höhere Übersetzungsreduktion, bis zu 1:7, ist erreichbar.
Bei Stufenscheibensystemen kann der Flachriemen von einem Scheibendurchmesser auf einen anderen verschoben werden, ohne die Rotation anzuhalten.	Keilriemen kann nicht für Stufenscheibensysteme genutzt werden, da das Verschieben von einer Scheibe auf eine andere nicht durchführbar ist.
Flachriemen und zugehörige Scheiben sind einfach in der Konstruktion. Daher ist diese Anordnung günstiger.	Keilriemen und zugehörige Scheiben haben komplizierte Konstruktion. Daher ist es teurer.

Konfiguration des Riemens

Ein Flachriemen ist an einer Stelle geschärnt, um einen endlosen Riemen zu bilden. Er hat rechteckigen Querschnitt, wobei die Breite wesentlich größer als die Dicke ist. Nur die Innenseite des Riemens kann in Kontakt mit den Scheiben kommen. Die Scheiben haben zylindrische Form, wobei die äußere Oberfläche nur den Riemen berührt. Daher wird die Reibungskraft zwischen der äußeren Oberfläche der Scheibe und der inneren Oberfläche des Riemens genutzt, um Bewegung und Leistung von der Treiberwelle auf die Abtriebswelle zu übertragen. Andererseits hat ein Keilriemen trapezförmigen Querschnitt, wobei die Breite des Riemens an der größeren Seite fast gleich der Dicke ist. Die Scheibe hat auch eine Keilnut, um den Riemen aufzunehmen. Der Keilwinkel der Scheibe sollte mit dem Winkel zwischen den beiden nicht-parallelen Flächen des Riemens übereinstimmen.

Geräusch und Vibration

Wie bereits erwähnt, wird ein Flachriemen mit Muttern und Schrauben geschärnt, um ihn endlos zu machen. An dieser Verbindungsstelle existiert immer eine Nut. Aufgrund der unsymmetrischen Innenseite des Riemens erzeugt das Flachriemengetriebe erhebliches Geräusch und Vibration. Dies begrenzt manchmal seine Anwendung bei sehr hohen Drehzahlen. Andererseits wird der Keilriemen endlos gefertigt und somit existiert keine Verbindung. Daher erzeugt er weniger Vibration und sein Betrieb ist auch leise.

Kontakt zwischen Riemen und Scheibe

Wie bereits erwähnt, bleibt nur die Innenseite des Flachriemens in Kontakt mit der äußeren Oberfläche der zylindrischen Scheibe. Im Fall des Keilriemens bleiben zwei geneigte Flächen gleichzeitig in Kontakt mit den beiden Seitenflächen der keilförmigen Scheibe.

Leistungsübertragungskapazität

Wie bei jedem mechanischen Antrieb ist der Grundzweck des Riemengetriebes die Übertragung von Bewegung und Leistung von einer Welle auf die andere. Da das Riemengetriebe ein Reibungsantrieb ist, basiert die Leistungsübertragungskapazität primär auf den Reibungseigenschaften der paarenden Oberflächen. Wann immer die Last die Reibungskraft übersteigt, tritt automatisch Schlupf auf. Je höher der Reibungskoeffizient zwischen Riemen und Scheibe, desto höher die Übertragungskapazität; jedoch werden auch Wärmeentwicklung und Verschleiß mehr. Anstatt den Reibungskoeffizienten direkt zu erhöhen, kann er indirekt durch den Einsatz von Keilriemen statt Flachriemen erhöht werden. Es kann bewiesen werden, dass der effektive Reibungskoeffizient beim Keilriemen 2–3-mal höher ist (basierend auf dem Keilwinkel des Riemens, der üblicherweise 40° beträgt) im Vergleich zum Flachriemen aus demselben Material. Entsprechend kann das Keilriemengetriebe wesentlich höhere Leistung ohne Schlupf übertragen.

Distanz zwischen Wellen

Ein geeigneter mechanischer Antrieb wird basierend auf dem Mittenabstand zwischen Treiber- und Abtriebswellen ausgewählt. Beispielsweise ist Zahnradgetriebe für kleine Mittenabstände geeignet, typischerweise bis 1 m. Kettengetriebe kann für kleine bis mittlere Distanzen eingesetzt werden, üblicherweise bis 3 m mit Unterstützung von Leerlaufkettenrädern. Riemengetriebe kann für eine breite Palette von Mittenabständen genutzt werden – von unter 1 m bis zu 15 m. Ein Flachriemengetriebe ist besonders für lange Distanzen der Leistungsübertragung geeignet; während Keilriemen für kurze Distanzen bevorzugt wird (üblicherweise unter 1 m).

Übersetzungsreduktion

Maschinen-Einheiten werden von Primärmaschinen angetrieben. Üblicherweise rotiert die Treiberwelle der Primärmaschine mit höherer Drehzahl als in der Abtriebswelle der Maschinen erforderlich. Daher ist eine Reduktion der Drehzahl erforderlich, die durch Ändern der Durchmesser der Treiber- und Abtriebsscheiben erreicht werden kann. Allerdings kann jeder mechanische Antrieb das Übersetzungsverhältnis innerhalb eines Bereichs verändern. Ein Flachriemengetriebe kann Übersetzungsreduktion bis zu 1:4 bieten; höher als dies kann unerwünscht den Schlupf erhöhen. Aufgrund des höheren effektiven Reibungskoeffizienten bietet der Keilriemen höhere Übersetzungsreduktion, sogar bis zu 1:7.

Verschieben des Riemens

Manchmal erfordert eine einzelne Maschinen-Einheit unterschiedliche Drehzahlen in verschiedenen Betriebsphasen. Auch kann eine einzelne Primärmaschine für den Antrieb mehrerer Maschinen eingesetzt werden, die jeweils unterschiedliche Drehzahlen erfordern. In solchem Szenario wird ein Stufenscheibensystem verwendet, bei dem mehrere Scheiben mit unterschiedlichen Durchmessern auf einer einzigen Welle montiert sind. Wenn ein Flachriemen eingesetzt wird, kann der Riemen leicht von einer Scheibe auf eine andere im laufenden Betrieb verschoben werden. Somit kann die Drehzahl der Abtriebswelle ohne Anhalten der Antriebseinheit geändert werden (eine mechanisierte Einstellung der Riemenlänge ist dringend erforderlich, um die Riemenspannung aufrechtzuerhalten). Eine solche Verschiebevorrichtung ist im Keilriemengetriebe nicht verfügbar, da sie spezialisierte Scheiben mit Keilnut erfordern.

Wirtschaftlicher Aspekt

Die Konstruktion von Flachriemen und zugehörigen Scheiben ist einfach. Die Länge des Flachriemens kann auch mehrfach angepasst werden, da er mit Muttern und Schrauben verbunden ist. Langlebigkeit und einfache Konstruktion machen diese Antriebseinheit günstiger. Keilriemen und zugehörige Scheiben sind teurer. Ihre Länge kann nicht angepasst werden und daher haben sie eine kürzere Lebensdauer.

Der wissenschaftliche Vergleich zwischen Flachriemen- und Keilriemengetriebe wird in diesem Artikel präsentiert. Der Autor empfiehlt Ihnen auch, die folgenden Referenzen für ein besseres Verständnis des Themas zu konsultieren.

1. Design of Machine Elements von V. B. Bhandari (Vierte Auflage; McGraw Hill Education).
2. A Textbook of Machine Design von R. S. Khurmi und J. K. Gupta (S. Chand; 2014).