Optimales Antriebssystem wählen: Rollenkette, Keilriemen oder Zahnriemen

Rollenkettenantriebe

Die Beliebtheit von Kettenantrieben rührt von ihrer Fähigkeit her, hohe Drehmomente in kompakter Bauweise bei relativ geringen Kosten mit Standardkomponenten zu übertragen. Zwar können die Anschaffungskosten standardmäßiger Rollenkettenantriebe sehr niedrig sein, doch die Instandhaltungskosten können erheblich sein. Richtige Instandhaltung ist essenziell für optimale Leistung und umfasst folgende Kostenfaktoren:

• Schmierung
• Ausrichtung
• Spannung
• Antriebskomponenten-Ersatz

Branchenangaben zufolge verschleißen Rollenkettantriebe ohne Schmierung etwa 300-mal schneller als ordnungsgemäß geschmierte vergleichbare Antriebe. Dennoch schätzen Hersteller, dass 90 bis 95 % aller installierten Antriebe entweder unzureichend oder gar nicht geschmiert sind. Die Bestimmung der benötigten Schmiermethode ist eine wichtige Designentscheidung mit eigenen Kostenimplikationen. Ein ölspeicherndes Kettengehäuse kann bis zu 75 % der Gesamtkosten des Kettenantriebssystems ausmachen. Neben Schmierung sind korrekte Kettenradausrichtung und Kettenspannung kritisch für die Lebensdauer.

Ein weiterer Kostenfaktor ist der Antriebskomponenten-Ersatz. Eine Hauptschwäche von Rollenkettantrieben ist Kettenverschleiß, der zu Dehnung führt. Hersteller empfehlen Kettenersatz bei ca. 3 % Dehnung. Die meisten empfehlen auch, Kettenräder bei jedem Kettenwechsel zu ersetzen, da der Metall-zu-Metall-Kontakt starken Kettenradverschleiß erzeugt.

Leistungstabellen der Rollenkettindustrie basieren auf einer theoretischen Auslegungslebensdauer von 15.000 Stunden bei korrektem Design, Ausrichtung, Schmierung, Instandhaltung etc. In typischer Betriebsumgebung wird die tatsächliche Lebensdauer selten erreicht. Ungeschmierte Rollenkettantriebe unter rauen Bedingungen können so kurzlebig wie 100 Stunden sein.

Die oben genannten Instandhaltungskosten, addiert zu den Anschaffungskosten, approximieren die wahren Kosten eines standardmäßigen Rollenkettantriebs. Doch neben Schmiermittel- und Komponentenersatzkosten kommt der Arbeitsaufwand für häufiges Nachspannen, der Stillstand der Anlage erfordert und Produktionsausfall verursacht. Zudem arbeiten Standard-Rollenkettantriebe mit 91 bis 94 % Wirkungsgrad – Energiekosten müssen berücksichtigt werden.

Trotz Instandhaltungs- und Energiekosten bieten Rollenkettantriebe Vorteile gegenüber Keilriemen- oder Zahnriemenantrieben:

1. Vielseitigkeit (funktionale Anbauteile für Produktförderung, Schalterbetätigung, Hebelauslösung etc. möglich)
2. Beliebige Kettenlängen durch Verbindungsglieder realisierbar
3. Große Auswahl an Ketten und Kettenrädern verfügbar

Keilriemenantriebe

Keilriemenantriebe übertragen Leistung durch Reibung zwischen Riemen und Scheibe. Mit Wirkungsgraden von 95 bis 98 % bei Installation nutzen diese Antriebe Energie effizienter als Rollenkettantriebe, etwas weniger effizient als Zahnriemenantriebe. Keilriemenantriebe sind Industriestandard, bieten große Größenauswahl bei relativ niedrigen Kosten, einfache Montage und leisen Lauf.

Keilriemen-Ersatzteile können günstiger sein als Rollenkette oder Zahnriemen, aber regelmäßiges Nachspannen erhöht Instandhaltungskosten.

Keilriemen werden in verschiedenen Materialien, Querschnitten und Verstärkungen gefertigt, oft einzeln, in Matched Sets oder als Verbundriemen. Sie eignen sich gut für schwere Anwendungen mit Stoßlasten und hohen Anlaufdrehmomenten. Standard-Keilriemenantriebe arbeiten optimal ab 500 min⁻¹, Übersetzungsverhältnisse bis 6:1, Betriebstemperatur -40 bis 130 °F. Da Keilriemen bei Überlast durchrutschen, schützen sie teurere Ausrüstung vor Lastspitzen. Sie erlauben auch Flexibilität bei Motor- und Lastpositionierung.

In geeigneter Anwendung beträgt die Lebensdauer eines ordnungsgemäß installierten und gewarteten Keilriemenantriebs 20.000 bis 25.000 Stunden. Die Komponenten eines einfachen Keilriemenantriebs sind relativ günstig in Anschaffung, Montage, Ersatz und Instandhaltung. Nach korrekter Installation und Spannung nach Herstellervorgaben benötigen diese Antriebe wenig Service, außer periodischem Nachspannen im Wartungsplan. Durch Riemenschlupf verlieren sie bis zu 5 % Wirkungsgrad nach Installation. Keilriemen dehnen sich bei Verschleiß, was Schlupf verschlimmert und den Wirkungsgrad um bis zu 10 % senken kann, falls nicht durch periodisches Nachspannen korrigiert. Gezahnte Keilriemen können den Wirkungsgrad um 2 % gegenüber Standardausführungen steigern.

Zahnriemenantriebe

Zahnriemen arbeiten nach dem Zahnradprinzip. Runde, eckige oder modifizierte kurvilineare Riemenzähne greifen in Nuten der Zahnscheiben ein und ermöglichen formschlüssige Kraftübertragung bei Hochdrehmomentanwendungen mit hohen und niedrigen Drehzahlen.

Wenn Bauraum ein Problem ist, haben viele Zahnriemenantriebssysteme nun äquivalente Kapazität zu Rollenkettantrieben in gleicher Breite.

Die Komponenten eines Zahnriemenantriebssystems kosten initial typischerweise mehr als vergleichbare Standard-Rollenkett- oder Keilriemenantriebe. Im Gegensatz dazu haben Zahnriemenantriebe nicht die Instandhaltungskosten von Rollenkettantrieben. Sie benötigen keine Schmierung und kein Schmiersystem, nur grundlegende Sicherheitsabdeckungen. Während Rollenkette häufiges Nachspannen und Keilriemen periodisches Nachspannen erfordern, braucht ein Zahnriemen typischerweise für seine gesamte Lebensdauer kein Nachspannen.

Zur Veranschaulichung der Dehnung bei Rollenkette können empfohlene Mittenabstands-Nachstellbereiche für Riemenantriebe mit dem für Rollenkette gleicher Länge benötigten verglichen werden. Bei 100 Zoll Länge:

Rollenkette: Dehnt sich ca. 3 Zoll (3 %) über Lebensdauer, erfordert ca. 1,5 Zoll Mittenabstandsnachstellung.

Keilriemen: Erfordert 1,5 bis 2,5 Zoll Mittenabstandsnachstellung über Lebensdauer, abhängig von Querschnitt und Hersteller.

Zahnriemen: Erfordert typischerweise nur 0,04 Zoll Mittenabstandsnachstellung über Lebensdauer, abhängig von Riemenart und Hersteller.

Ketten- und Kettenradverschleiß sind signifikante Kostenfaktoren bei Rollenkettantrieben. Zahnriemen und Zahnscheiben erfahren dramatisch weniger Verschleiß. In einem Zahnriemenantrieb überdauert der Riemen eine vergleichbare Rollenkette im Verhältnis 3:1, die Zahnscheiben die Rollenkettzahnräder 10:1.

Abbildung 1. Erforderlicher Mittenabstandsnachstellbedarf durch Lebensdauerdehnung (in Zoll).

Wie Rollenkettantriebe sind Zahnriemenantriebe empfindlich gegenüber Fluchtungsfehlern und sollten nicht in Systemen eingesetzt werden, wo diese inhärent sind. Fluchtungsfehler führen zu ungleichmäßigem Riemenverschleiß und vorzeitigem Zugstrangbruch durch ungleiche Lastverteilung. Zwar sind Zahnriemen abriebfest, korrosionsbeständig und widerstehen ätzenden Waschlösungen in der Lebensmittelverarbeitung, doch für bestimmte hochkorrosive Umgebungen kann korrosionsbeständige Kette die bessere Wahl sein.

Ein Missverständnis: Zahnriemen seien für Schlangenleitungen (Serpentine Drives) ungeeignet. Konstrukteure denken oft, Rollenkette sei die einzige Option, wenn eine Last von beiden Seiten angetrieben werden muss; jedoch bieten beidseitige Zahnriemen viele der gleichen Kostenvorteile wie ihre einseitigen Pendants.

Durch ihre hohen Wirkungsgrade (bis zu 99 % kontinuierlich bei manchen Antriebssystemen) können Zahnriemenantriebe auch Energiekosten gegenüber Rollenkett- oder Keilriemenantrieben senken.

Fazit

Auf Total-Cost-of-Ownership-Basis kann ein Zahnriemenantriebssystem kosteneffektiver sein als ein vergleichbarer Rollenkett- oder Keilriemenantrieb. Zwar kostet ein Zahnriemenantrieb initial durchschnittlich 30 % mehr als ein vergleichbarer Standard-Rollenkettantrieb, bietet aber viele Kostenvorteile für Instandhaltungsmanager und Konstrukteure.

Im MRO-Markt können Zahnriemenantriebe tägliche Betriebskosten stark senken und Produktionsausstoß steigern im Vergleich zu Stillstandszeiten und Produktivitätsverlusten durch häufige Instandhaltung und Ersatz von Rollenkett- und Keilriemenantrieben. Konstrukteure, die Zahnriemen wählen, geben ihren Produkten einen Wettbewerbsvorteil durch bessere Leistung, längere Lebensdauer, saubereren, leiseren und wartungsfreien Betrieb bei niedrigeren Gesamtkosten.

Dieser Artikel wurde von der Power Transmission Product Application Abteilung der Gates Corporation verfasst. Mehr unter www.gates.com.