Unterschied zwischen Flachriemenantrieb und Keilriemenantrieb

Eine Maschine kann als eine Gruppe von Mechanismen definiert werden, die bestimmte Aufgaben ausführen können, indem sie Energie ausdehnen. Die Mehrheit der Maschinen wird durch mechanische Kraft angetrieben, die nichts anderes als das Drehmoment der Drehwelle ist. Eine Antriebsmaschine wird verwendet, um andere Energieformen in mechanische Energie umzuwandeln. Beispielsweise wandelt ein Elektromotor elektrische Energie in mechanische Leistung um. Solche Kraftmaschinen sind jedoch von der Maschineneinheit entfernt angeordnet, und daher ist ein anderes Übertragungssystem erwünscht. Hier kommt die Rolle des mechanischen Kraftübertragungssystems, das Bewegung, Drehmoment und Kraft vom Antriebselement (wie der Antriebsmaschine) auf das angetriebene Element (wie die Maschineneinheit) überträgt. Dazu werden vier mechanische Antriebe, nämlich Zahnradantrieb, Riemenantrieb, Kettenantrieb und Seilantrieb eingesetzt.

Der Riemenantrieb ist ein Reibungsantrieb, bei dem Bewegung und Kraft durch Reibung übertragen werden. Hier werden zunächst zwei Riemenscheiben mit An- und Abtriebswelle montiert. Ein endloser Riemen wird dann teilweise um die Riemenscheiben gewickelt, wobei eine angemessene Spannung aufrechterhalten wird. Der Riemenantrieb eignet sich für die Kraftübertragung über kleine bis große Entfernungen und kann das System von Natur aus vor Überlastung und Vibration schützen. Da die Reibungskraft zwischen der Riemenscheibe und dem Riemen zur Kraftübertragung beiträgt, wird die Kapazität des Riemenantriebs hauptsächlich durch die Reibungseigenschaften, den Kontaktwinkel und die Vorspannung begrenzt. Eine Möglichkeit, die Übertragungskapazität zu erhöhen, besteht darin, den Umschlingungs- oder Kontaktwinkel zu erhöhen. Dies kann erfolgen, indem der offene Riemenantrieb durch den Kreuzriemenantrieb ersetzt wird, sofern dies nicht anders zulässig ist.

Eine weitere Möglichkeit zur Verbesserung der Kraftübertragungskapazität besteht darin, die Kontaktfläche zwischen Riemen und Riemenscheibe zu vergrößern. Dies wird durch den Einsatz eines Keilriemenantriebs realisiert. Im Flachriemenantrieb Es wird ein verbundener Riemen mit rechteckigem Querschnitt verwendet, bei dem nur eine flache Seite des Riemens in Kontakt mit der Riemenscheibe bleibt. Obwohl seine Kapazität gering ist, wird es überwiegend für die Kraftübertragung über große Entfernungen verwendet. Es kann zwei Anordnungen haben – offen und gekreuzt. Keilriemenantrieb verwendet einen endlosen trapezförmigen (Querschnitts-)Riemen mit Riemenscheiben, die eine entsprechende Keilnut aufweisen. Hier bleiben zwei Seitenflächen des Riemens in Kontakt mit der Riemenscheibe, was die Übertragungsfähigkeit erhöht und den Schlupf verringert. Es ist jedoch besonders geeignet, wenn Antriebs- und Abtriebswelle einen geringen Abstand voneinander haben. Nachfolgend sind verschiedene Unterschiede zwischen Flachriemenantrieb und Keilriemenantrieb tabellarisch aufgeführt.

Tabelle:Unterschied zwischen Flachriemenantrieb und Keilriemenantrieb

Konfiguration des Riemens: Ein Flachriemen wird an einer Stelle angelenkt, um einen endlosen Riemen zu bilden. Es hat einen rechteckigen Querschnitt, wobei die Breite wesentlich größer als die Dicke ist. Nur die Innenfläche des Riemens darf mit den Riemenscheiben in Kontakt kommen. Die Riemenscheiben haben eine zylindrische Form, bei der die Außenfläche nur den Riemen berührt. Daher wird die Reibungskraft zwischen der Außenfläche der Riemenscheibe und der Innenfläche des Riemens genutzt, um Bewegung und Kraft von der Antriebswelle auf die Abtriebswelle zu übertragen. Andererseits hat ein Keilriemen einen trapezförmigen Querschnitt, bei dem die Breite des Riemens auf der größeren Seite fast gleich der Dicke ist. Die Riemenscheibe hat auch eine V-Nut zur Aufnahme des Riemens. Der V-Winkel der Riemenscheibe sollte mit dem Winkel zwischen zwei nicht parallelen Riemenflächen übereinstimmen.

Lärm und Vibration: Wie bereits erwähnt, wird ein Flachriemen mit Schrauben und Muttern gelenkig verbunden, um ihn endlos zu machen. An dieser Verbindungsstelle ist immer eine Nut vorhanden. Aufgrund der unsymmetrischen Innenfläche des Riemens erzeugt der Flachriemenantrieb erhebliche Geräusche und Vibrationen. Dies schränkt manchmal seine Anwendung bei sehr hoher Geschwindigkeit ein. Andererseits wird der Keilriemen endlos hergestellt und somit existiert keine Verbindung. Dadurch erzeugt er weniger Vibrationen und ist zudem leise im Betrieb.

Kontakt zwischen Riemen und Riemenscheibe: Wie bereits erwähnt, bleibt nur die Innenfläche des Flachriemens in Kontakt mit der Außenfläche der zylindrischen Riemenscheibe. Beim Keilriemen bleiben zwei geneigte Flächen gleichzeitig in Kontakt mit den beiden Seitenflächen der Keilriemenscheibe.

Leistungsübertragungskapazität: Wie bei jedem mechanischen Antrieb besteht der grundlegende Zweck des Riemenantriebs darin, Bewegung und Kraft von einer Welle auf eine andere zu übertragen. Da der Riemenantrieb ein Reibungsantrieb ist, hängt die Kraftübertragungskapazität hauptsächlich von den Reibungseigenschaften der Passflächen ab. Immer wenn die Belastung die Reibungskraft übersteigt, tritt automatisch Schlupf auf. Je höher der Reibungskoeffizient zwischen Riemen und Riemenscheibe, desto höher ist die Übertragungskapazität; jedoch werden auch die Wärmeerzeugung und der Verschleiß größer sein. Anstatt den Reibwert direkt zu erhöhen, kann er indirekt durch den Einsatz eines Keilriemens anstelle eines Flachriemens erhöht werden. Es kann nachgewiesen werden, dass der effektive Reibungskoeffizient bei Keilriemen 2 – 3 Mal höher ist (basierend auf dem Keilwinkel des Riemens, der normalerweise 40° beträgt) im Vergleich zu Flachriemen aus demselben Material. Dementsprechend kann der Keilriemenantrieb wesentlich höhere Leistungen schlupffrei übertragen.

Abstand zwischen Wellen: Anhand des Achsabstandes zwischen Antriebs- und Abtriebswelle wird ein geeigneter mechanischer Antrieb ausgewählt. Beispielsweise ist ein Zahnradantrieb für kleine Achsabstände geeignet, typischerweise bis zu 1 m. Kettenantrieb kann für kleine bis mittlere Entfernungen verwendet werden, normalerweise bis zu 3 m mit Unterstützung von Leerlaufkettenrädern. Der Riemenantrieb kann für eine Vielzahl von Achsabständen verwendet werden – von unter 1 m bis zu 15 m. Ein Flachriemenantrieb eignet sich besonders für die Kraftübertragung über lange Strecken; während Keilriemen nur für kurze Entfernungen bevorzugt werden (normalerweise unter 1 m).

Geschwindigkeitsreduzierung: Maschineneinheiten werden von Antriebsmaschinen angetrieben. Üblicherweise dreht sich die Antriebswelle der Antriebsmaschine mit höherer Drehzahl, als es bei der angetriebenen Welle der Maschinen erforderlich ist. Daher ist eine Reduzierung der Drehzahl erforderlich, was durch Ändern der Durchmesser der Antriebs- und Abtriebsriemenscheiben erreicht werden kann. Jeder mechanische Antrieb kann jedoch das Geschwindigkeitsverhältnis innerhalb eines Bereiches verändern. Ein Flachriemenantrieb kann eine Geschwindigkeitsreduzierung von bis zu 1:4 bieten; höher als dieser Wert kann den Schlupf unerwünscht erhöhen. Aufgrund des höheren effektiven Reibungskoeffizienten bietet der Keilriemen eine höhere Geschwindigkeitsreduzierung, sogar bis zu 1:7.

Riemenverschiebung: Manchmal erfordert eine einzelne Maschineneinheit unterschiedliche Geschwindigkeiten in verschiedenen Betriebsstadien. Außerdem kann eine einzige Antriebsmaschine zum Antreiben mehrerer Maschinen verwendet werden, die jeweils unterschiedliche Betriebsgeschwindigkeiten erfordern. In einem solchen Szenario wird eine gestufte Riemenscheibe verwendet, bei der eine Anzahl von Riemenscheiben mit unterschiedlichen Durchmessern auf einer einzigen Welle montiert ist. Wenn Flachriemen verwendet werden, kann der Riemen im laufenden Zustand leicht von einer Riemenscheibe auf eine andere verschoben werden. Somit kann die Drehzahl der angetriebenen Welle geändert werden, ohne die Antriebseinheit anzuhalten (eine mechanisierte Einstellung der Riemenlänge ist sehr erforderlich, um die Riemenspannung aufrechtzuerhalten). Eine solche Schaltvorkehrung ist bei Keilriemenantrieben nicht verfügbar, da sie eine spezielle Riemenscheibe mit V-Nut erfordern.

Wirtschaftlicher Aspekt:​​ Das Einschnüren des Flachriemens und der entsprechenden Riemenscheibe ist einfach. Die Länge des Flats kann auch mehrfach angepasst werden, da es durch Muttern und Schrauben verbunden ist. Langlebigkeit und einfacher Aufbau machen diese Antriebseinheit günstiger. Keilriemen und entsprechende Riemenscheibe sind teurer. Seine Länge kann nicht angepasst werden und hat daher eine kürzere Lebensdauer.

In diesem Artikel wird ein wissenschaftlicher Vergleich zwischen Flachriemenantrieb und Keilriemenantrieb vorgestellt. Der Autor empfiehlt Ihnen außerdem, die folgenden Referenzen durchzugehen, um das Thema besser zu verstehen.

1. Design of Machine Elements von V. B. Bhandari (vierte Ausgabe; McGraw Hill Education).
2. Ein Lehrbuch des Maschinendesigns von R. S. Khurmi und J. K. Gupta (S. Chand; 2014).