Unterschied zwischen Kettenantrieb und Zahnradantrieb

Eine Maschine kann als eine Ansammlung von Mechanismen definiert werden, die bestimmte Aufgaben auf eine vordefinierte Weise ausführen können, indem sie Energie aufwenden. Die meisten Funktionen einer Maschine werden durch Nutzung mechanischer Energie ausgeführt, die von Antriebsmaschinen geliefert wird. Eine Antriebsmaschine kann eine Energieform in mechanische Energie (in Form von Drehmoment) umwandeln. In erster Linie kann es sich um einen Elektromotor handeln, bei dem elektrische Energie in mechanische Energie umgewandelt wird. In ähnlicher Weise wirken auch Dampfturbinen, Wasserturbinen, Windmühlen usw. in bestimmten Fällen als Antriebsmaschinen, insbesondere für Hochleistungsanwendungen. Solche Antriebsmaschinen befinden sich normalerweise entfernt von den Maschineneinheiten und erfordern daher andere Mittel, um Energie an Maschinen zu übertragen.

Dazu dient ein mechanisches Kraftübertragungssystem. Es ruft Bewegung, Drehmoment und Leistung von Antriebsmaschinen ab und überträgt sie anschließend an die vorgesehenen Stellen der Maschineneinheiten. Neben der Übertragung kann es auch die Drehrichtung ändern und die Geschwindigkeit ändern, um die genauen Anforderungen in Maschinen zu erfüllen. Das mechanische Kraftübertragungssystem besteht aus vier Grundantrieben, nämlich Zahnradantrieb, Kettenantrieb, Riemenantrieb und Seilantrieb. Für eine einfache und unterbrechungsfreie Kraftübertragung werden auch andere mechanische Elemente wie Bremse, Kupplung, Welle, Verzahnung, Passfeder, Kupplung usw. zu Hilfe genommen. Jeder der vier mechanischen Antriebe bietet bestimmte Vorteile gegenüber anderen und eignet sich daher für bestimmte Anwendungen.

Im Gegensatz zum Reibungsantrieb (Riemenantrieb und Seilantrieb) sind sowohl der Kettenantrieb als auch der Zahnradantrieb mechanische Antriebe vom Eingriffstyp, da die Kraft durch sukzessives Ein- und Ausrücken übertragen wird. Im Kettenantrieb , läuft eine Endloskette durch Kettenräder von Antriebs- und Abtriebswelle, was wiederum Flexibilität in das System bringt. Es kann für die Kraftübertragung über kurze bis mittlere Entfernungen eingesetzt werden. Obwohl er schlupffrei ist, beschränkt der Polygoneffekt diesen Antrieb darauf, ein konstantes Geschwindigkeitsverhältnis zu bieten. Zahnradantrieb andererseits ist aufgrund des Fehlens irgendeines flexiblen Zwischenelements ein starrer Antrieb. Es eignet sich für die Kraftübertragung auf kleine Distanzen und wirkt als positiver Antrieb. Verschiedene Unterschiede zwischen Kettenantrieb und Zahnradantrieb sind unten in Tabellenform aufgeführt.

Tabelle:Unterschied zwischen Kettenantrieb und Zahnradantrieb

Vorhandensein eines Zwischenelements und Flexibilität: Mechanische Antriebe können basierend auf dem Vorhandensein oder Fehlen eines Zwischengestänges klassifiziert werden. Ein flexibler Antrieb ist einer, bei dem ein flexibles Zwischengestänge zwischen der Antriebs- und der angetriebenen Welle vorhanden ist. Riemenantrieb, Kettenantrieb und Seilantrieb sind Beispiele für flexiblen Antrieb aufgrund des Vorhandenseins von Riemen, Kette und Seil bzw. als Zwischenverbindung zwischen zwei Wellen. Eine solche Verbindung bringt Flexibilität in die Antriebseinheit und kann daher für die Kraftübertragung über große Entfernungen verwendet werden. Wenn andererseits kein solches Zwischengestänge vorhanden ist, wird dieser mechanische Antrieb als starrer Antrieb bezeichnet. Der Zahnradantrieb ist ein Beispiel für einen starren Antrieb, da zwei starre Zahnräder über ihre Zähne in direkten Kontakt kommen. Zwischen zwei Zahnrädern ist kein Zwischenelement erforderlich, da sie direkt zusammenpassen.

Vibrationsdämpfung: Ein Vorteil jedes flexiblen Antriebs ist seine Fähigkeit, Schwingungen zu dämpfen. Normalerweise erzeugt eine Antriebseinheit wie eine Antriebsmaschine begrenzte und tolerierbare Vibrationen; die Maschineneinheit kann jedoch unerwünschterweise übermäßige Schwingungen erzeugen. Stoß- oder Stoßbelastung, unausgeglichene Kraft, lose Verbindungen, bewegliche Teile und gebrochene oder beschädigte Komponenten sind die Hauptquellen für Vibrationen in Maschineneinheiten. Eine solche Vibration mit hoher Amplitude kann, wenn sie auf die Antriebsmaschine übertragen wird, schwere Schäden verursachen. Bei jedem flexiblen Antrieb kann das flexible Zwischenelement Schwingungen inhärent dämpfen. Aufgrund des Fehlens eines Zwischengestänges im starren Antrieb werden Vibrationen in der Maschineneinheit auf die Antriebsmaschine übertragen. Somit kann ein Kettenantrieb die Antriebseinheit isolieren, aber ein Zahnradantrieb kann sie nicht vor übermäßigen unerwünschten Vibrationen schützen.

Bevorzugte Entfernung der Kraftübertragung: Grundlegendes Ziel jedes mechanischen Antriebs ist es, Bewegung und Kraft von der Antriebswelle auf die Abtriebswelle zu übertragen. Der Abstand zwischen Antriebs- und Abtriebswelle kann aufgrund verschiedener Faktoren wie z. B. der Anordnung der Werkstatt, der Verfügbarkeit von Platz, Sicherheitsaspekten usw. variieren. Jeder mechanische Antrieb ist für einen Bereich von Wellenabständen geeignet. Der Kettenantrieb kann für kleine bis mittlere Achsabstände eingesetzt werden, typischerweise zwischen 1 – 5 m in einer Stufe. Es kann auch für größere Wellenabstände verwendet werden, indem zusätzliche Zwischenlager verwendet werden. Andererseits ist der Zahnradantrieb für kleine Achsabstände, typischerweise unter 1 m, vorzuziehen; andernfalls müssen große Zahnräder verwendet werden, die Platz verbrauchen und das Systemgewicht erhöhen. Durch den Einsatz leerlaufender Zwischenräder kann Kraft auch über längere Distanzen übertragen werden; Dies erhöht jedoch das Systemgewicht und den Leistungsverlust, wodurch die Effizienz abnimmt.

Kraftübertragung zwischen nicht parallelen Wellen: Antriebs- und Abtriebswellen können verschiedene Orientierungen haben. Sie können (i) parallel, (ii) sich schneidend oder (iii) nicht parallel, aber nicht schneidend sein. Basierend auf dieser relativen Ausrichtung wird ein geeigneter mechanischer Antrieb ausgewählt. Alle drei flexiblen Antriebe (Riemen, Kette und Seil) sind nur für parallele Wellen geeignet. Obwohl der Riemen mit Vierteldrehung für rechtwinklige Wellen verwendet werden kann, wird er in der Praxis aufgrund vieler Einschränkungen selten verwendet. Kettenantrieb kann Kraft nur zwischen parallelen Wellen übertragen. Andererseits kann der Zahnradantrieb für jede Ausrichtung der Antriebs- und Abtriebswelle verwendet werden. Es gibt verschiedene Arten von Zahnrädern – jedes ist für eine bestimmte Ausrichtung geeignet. Beispielsweise werden Stirnrad- und Schrägstirnradgetriebe für parallele Wellen bevorzugt, Kegelradgetriebe werden für sich kreuzende Wellen bevorzugt und Schneckengetriebe eignen sich für rechtwinklige, aber sich nicht kreuzende Wellen.

Drehrichtung: Eine weitere Anforderung an den mechanischen Antrieb besteht darin, die Drehrichtung gemäß der Anforderung zu ändern. Bei Maschinen kann die erforderliche Drehrichtung entweder gleich oder entgegengesetzt zu der der Antriebsmaschine sein. Ein einstufiger Kettenantrieb kann die Abtriebswelle in die gleiche Richtung drehen wie die Antriebswelle. Wenn mehrere Wellen drehen müssen, kann der Kettenantrieb eine Drehung in beide Richtungen ermöglichen. Andererseits kann ein einstufiges Getriebe die Abtriebswelle nur in entgegengesetzter Richtung zur Antriebswelle drehen. Um eine Drehung in die gleiche Richtung zu erreichen, muss ein Zwischengetriebe verwendet werden.

Positiver Antrieb: Ein mechanischer Antrieb, der während seines Betriebs ein konstantes Geschwindigkeitsverhältnis liefern kann, wird als positiver Antrieb bezeichnet. Eine solche konstante Geschwindigkeit muss in vielen Anwendungen aufrechterhalten werden; B. Gewindeschneiden in einer Drehmaschine, automatisches Schrauben usw. Keiner der Reibungsantriebe kann aufgrund des inhärenten Schlupfes ein konstantes Geschwindigkeitsverhältnis liefern. Der Kettenantrieb ist zwar schlupffrei, aber der Polygoneffekt kann das Geschwindigkeitsverhältnis geringfügig verändern. Daher wird es nicht als positiver Antrieb betrachtet. Der Zahnradantrieb ist das einzige Beispiel für einen positiven Antrieb.

Erreichbare Geschwindigkeitsreduzierung: Normalerweise dreht sich die Antriebsmaschine mit viel höherer Geschwindigkeit, als es in der Maschineneinheit beabsichtigt ist. Dies erfordert eine Untersetzung der Drehzahl, die von jedem mechanischen Antrieb durchgeführt werden kann. Jedes Laufwerk hat jedoch eine Grenze in der Reduktionskapazität. Ein Kettenantrieb kann in einer einzigen Stufe eine Geschwindigkeitsreduzierung zwischen 1:1 und 1:5 bewirken. Andererseits kann der Zahnradantrieb einen großen Bereich der Geschwindigkeitsreduzierung bieten, typischerweise zwischen 1:1 und 1:100. Stirnrad- und Kegelradgetriebe werden für kleine Untersetzungen bevorzugt, Schrägstirnradgetriebe für mittlere Untersetzungen und Schneckengetriebe für steile Untersetzungen.

Schmierung: Da es sich um einen Eingriffsantrieb handelt, kommen zwei Festkörper in direkten Kontakt, sodass Wärmeentwicklung und Verschleiß sowohl bei Ketten- als auch bei Zahnradantrieben ein häufiges Problem darstellen. Die Verwendung eines geeigneten Schmieröls kann solche unerwünschten Wirkungen mildern. Kettenantrieb erfordert häufiges Schmieren; während die meisten Zahnradantriebe eine vollständige Schmierung erfordern, wenn die Getriebeeinheit teilweise oder vollständig in Schmieröl eingetaucht ist.

In diesem Artikel wird ein wissenschaftlicher Vergleich zwischen Kettenantrieb und Zahnradantrieb 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. Maschinendesign von R. L. Norton (fünfte Ausgabe; Pearson Education).
3. Ein Lehrbuch des Maschinendesigns von R. S. Khurmi und J. K. Gupta (S. Chand; 2014).