Unterschied zwischen Reibungsantrieb und Eingriffsantrieb

Eine Maschine ist eine Gruppe von Mechanismen, die eine Energiequelle benötigen, um bestimmte Aufgaben auf eine vordefinierte Weise auszuführen. Haushalts- oder Industriemaschinen werden meist mit Hilfe von Antriebsmaschinen (wie Elektromotor, Windrad, Wasser- oder Dampfturbine, Verbrennungsmotor etc.) angetrieben. Üblicherweise ist diese Antriebsmaschine entfernt von der Maschineneinheit angeordnet und rotiert mit einer höheren Geschwindigkeit, als es in Maschinen erforderlich ist. Ein mechanisches Kraftübertragungssystem wird verwendet, um Kraft von dieser Antriebsmaschine zu der Maschineneinheit zu übertragen. Ein solches Übertragungssystem dient wenigen grundlegenden Zwecken, wie z. B. (i) Übertragung von Bewegung, Drehmoment und Leistung von der Antriebswelle auf die angetriebene Welle, (ii) Umkehr der Drehrichtung, wie im Uhrzeigersinn in den Gegenuhrzeigersinn oder umgekehrt, und (iii) Schritt Drehzahl erhöhen oder verringern.

Das mechanische Kraftübertragungssystem besteht aus vier Antrieben und wenigen Elementen. Vier Antriebe sind Zahnradantrieb, Riemenantrieb, Kettenantrieb und Seilantrieb. Jeder von ihnen hat bestimmte Vorteile gegenüber anderen. Sie nehmen direkt an der Bewegungs- und Kraftübertragung und -manipulation teil, um die genauen Anforderungen zu erfüllen. Sie nehmen im Grunde Kraft von der Antriebswelle auf und übertragen sie auf die Abtriebswelle. Solche Antriebe können von Anwendungen mit niedriger Geschwindigkeit und geringer Leistung (wie mechanische Uhren, Spielzeug usw.) bis hin zu Anwendungen mit hoher Geschwindigkeit und hoher Beanspruchung (wie Schiffsantriebe, Kraftwerke, Fahrzeugdifferentiale usw.) verwendet werden. Andererseits umfassen Kraftübertragungselemente Welle, Keil, Kupplung, Bremse, Kupplung, Kettenrad, Riemenscheibe usw. Diese Elemente werden zusammen mit dem Antrieb verwendet, um eine einfache und effiziente Kraftübertragung zu ermöglichen.

Vier Antriebe des mechanischen Kraftübertragungssystems können auf verschiedene Weise klassifiziert werden. Ein solches Klassifizierungskriterium ist die Art der Kraftübertragung. Auf dieser Grundlage lassen sich vier Antriebe in zwei Gruppen einteilen – Reibantrieb und Eingriffsantrieb. Als Reibungsantriebe werden alle Antriebe bezeichnet, bei denen Kraft durch Reibung übertragen wird . Riemenantrieb und Seilantrieb fallen in diese Kategorie. Ihre Kraftübertragungsfähigkeit ist auf die Reibungseigenschaften zweier Kontaktflächen beschränkt. Der Leistungsverlust ist auch mehr auf Reibung zurückzuführen. Sie haben jedoch die inhärente Fähigkeit, das System vor Überlastung zu schützen. Andererseits in Engagement-Aktionen erfolgt die Kraftübertragung durch sukzessives Ein- und Ausrücken zweier massiver Teile. Reibungskraft spielt bei solchen Antrieben keine Rolle. Zahnradantrieb und Kettenantrieb fallen in diese Kategorie. Verschiedene Unterschiede zwischen Friktionsantrieb und Eingriffsantrieb sind unten in Tabellenform aufgeführt.

Tabelle:Unterschied zwischen Friktionsantrieb und Eingriffsantrieb

Mittel zur Kraftübertragung: Das grundlegende Ziel mechanischer Antriebe ist es, Bewegung und Kraft von der Antriebswelle auf die Abtriebswelle zu übertragen. Diese Kraftübertragung kann entweder durch Reibung oder durch Paarung realisiert werden. Als Reibantrieb werden solche mechanischen Antriebe bezeichnet, bei denen die Bewegungs- und Kraftübertragung durch Reibung erfolgt. Beispielsweise hilft die Reibungskraft zwischen der Riemenscheibe und dem Riemen, eine Welle anzutreiben, indem Energie von einer anderen Welle abgerufen wird. Neben Riemenantrieben fallen auch Seilantriebe in diese Kategorie. Erfolgt die Kraftübertragung hingegen durch sukzessives Einrücken und Ausrücken von Zahnrädern, so wird dieser mechanische Antrieb als Einrückantrieb klassifiziert. Hier spielt die Reibungskraft bei der Kraftübertragung keine Rolle. Beispielsweise hilft bei einem Kettenantrieb das Zusammenpassen der Zähne des Kettenrads mit dem entsprechenden Schlitz in der Kette die Kraftübertragung. In ähnlicher Weise ist der Zahnradantrieb ein weiteres Beispiel für einen Eingriffsantrieb.

Schlupf- und Geschwindigkeitsverhältnis: Das Verhältnis der Drehzahl der Antriebswelle zur Drehzahl der Abtriebswelle wird als Geschwindigkeitsverhältnis bezeichnet. Verschiedene Phänomene wie Schlupf, Kriechen und Polygoneffekt können das Geschwindigkeitsverhältnis verändern. Ein mechanischer Antrieb, der ein konstantes Geschwindigkeitsverhältnis bereitstellt, wird als positiver Antrieb bezeichnet. Der Riemenantrieb, der ein Reibungsantrieb ist, neigt zum Schlupf. Schlupf zeigt in diesem Zusammenhang einen oder beide von zwei Fällen an – (i) die Antriebswelle dreht sich, aber der Riemen dreht sich nicht, und (ii) der Riemen dreht sich, aber die angetriebene Welle dreht sich nicht. Jeder Reibungsantrieb neigt zum Schlupf und kann daher kein konstantes Geschwindigkeitsverhältnis liefern (kraftschlüssiger Antrieb). Interaktionsfahrten sind versandkostenfrei; sie liefern jedoch nicht notwendigerweise ein konstantes Geschwindigkeitsverhältnis. Der Kettenantrieb wird nicht durch Schlupf beeinträchtigt, aber der polygonale Effekt in der Kette kann das Geschwindigkeitsverhältnis in geringem Maße beeinträchtigen. Der Zahnradantrieb kann als der einzige positive Antrieb angesehen werden.

Schutz vor Überlastung: Manchmal steigt die Belastung der Antriebswelle abrupt über die zulässige Grenze an. Dies kann verschiedene Ursachen haben, wie z. B. Fräserbruch, Berechnungsfehler, plötzliches Blockieren in einem Teil der Maschine usw. Der inhärente Schlupf in Friktionsantrieben kann das Antriebselement (Elektromotor) vor Überlastung in der angetriebenen Welle schützen. Immer wenn die Belastung über die maximal zulässige Grenze hinaus ansteigt, tritt automatisch Schlupf auf. Eine solche Isolationsfunktion ist bei Eingriffslaufwerken nicht verfügbar. Daher besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass jedes Element dauerhaft beschädigt wird. Beispielsweise kann die Kette reißen oder die Zähne des Zahnrads können katastrophal brechen. Im Extremfall kann auch die Antriebsmaschine beschädigt werden.

Leistungsübertragungskapazität: Die Leistungsfähigkeit jedes Reibradantriebs wird durch die zwischen zwei Kontaktflächen wirkende Reibkraft begrenzt. Dementsprechend spielen die Reibungseigenschaften der Kontaktflächen, die Vorspannung und der Umschlingungswinkel eine entscheidende Rolle bei der Definition der Kraftübertragungsgrenze. Schlupf tritt inhärent immer dann auf, wenn diese Grenze überschritten wird. Somit sind Friktionsantriebe nicht für schwere Kraftübertragungen geeignet. Andererseits definiert die Festigkeit der betroffenen Elemente (z. B. Verzahnung oder Kettenradverzahnung) in erster Linie die Kraftübertragungsgrenze bei Eingriffsantrieben. Reibungskraft spielt hier keine Rolle. Diese Antriebe können vorteilhaft zur Kraftübertragung eingesetzt werden.

Schmierung: Friktionsantriebe müssen nur gelegentlich geschmiert werden. Tatsächlich wird eine übermäßige Schmierung nicht empfohlen, da sie den Schlupf erhöht, was zu unnötigen Schwankungen des Geschwindigkeitsverhältnisses und der Kraft auf die Lager führt. Wärmeentwicklung und Verschleiß sind bei solchen Antrieben keine wesentlichen Faktoren. Im Gegensatz dazu erzeugen Eingriffsantriebe ausreichend Wärme und unterliegen einem allmählichen Verschleiß. Daher ist hier eine Schmierung sehr erwünscht. Kettenantrieb erfordert häufiges Schmieren; während Zahnradantriebe meistens eine vollständige Schmierung erfordern. Dementsprechend sind die Wartungskosten bei Engagement-Laufwerken höher.

Leistungsverlust und Effizienz: Leistungsverlust aufgrund von Reibung und Schlupf macht die Friktionsantriebe weniger effizient. Typischerweise kann ein Riemen- oder Seilantrieb einen Wirkungsgrad von 92 – 96 % für eine Stufe bieten. Eingriffsantriebe können aufgrund einer ordnungsgemäßen Schmierung (reduzierte Reibung) und eines geringeren Leistungsverlusts einen höheren Wirkungsgrad bieten. Ein Kettenantrieb kann einen Wirkungsgrad von 95 – 97 % bieten; wohingegen der Zahnradantrieb in einer Stufe einen Wirkungsgrad von bis zu 99 % bieten kann.

In diesem Artikel wird ein wissenschaftlicher Vergleich zwischen Reibungsantrieb und Eingriffsantrieb 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).