Riementrieb, Riemen-scheibe, Antrieb, Abtrieb, treibend, getrieben

Grundlagen

Dieser Artikel liefert unter anderem Antworten auf die folgenden Fragen:

  • Wie funktioniert ein Riementrieb?
  • Welche Besonderheit in der Kraftübertragung weisen Zahnriemen im Vergleich zu klassischen Flach- oder Keilriemen auf?
  • Wie beeinflusst die Riemenspannung und die Umschlingung der Scheibe die Kraftübertragung?
  • Was versteht man unter Lasttrum und Leertrum?
  • Wie ist der Umschlingungswinkel definiert?
  • Durch welche konstruktive Maßnahme kann der Umschlingungswinkel erhöht werden?
  • Wie ändert sich der Umschlingungswinkel unter Last?
  • Wie können Riemen im Betrieb auf Spannung gehalten werden?
  • Welche Vorteile und Nachteile haben Riementriebe im Vergleich zu anderen Getriebearten?

Einleitung

Riementriebe (auch Riemengetriebe genannt) gehören zur Gruppe der Zugmittelgetriebe. Als Zugmittel dienen dabei Riemen, die über Riemenscheiben laufen. Die Kraftübertragung geschieht bei Riemengetrieben immer über mindestens zwei Riemenscheiben. Eine Riemenscheibe treibt dabei den Riemen an (Antriebsscheibe) und die andere Riemenscheibe wird vom Riemen angetrieben (Abtriebsscheibe).

Riementrieb, Riemen-scheibe, Antrieb, Abtrieb, treibend, getrieben
Abbildung: Funktionsweise eines Riementriebs

Häufig findet bei Riemengetrieben eine Übersetzung ins Langsame statt, sodass in diesen Fällen die kleinere der beiden Riemenscheiben die Antriebsscheibe darstellt.

Kraftübertragung

Bei Riementrieben erfolgt die Kraftübertragung in aller Regel reibschlüssig, d.h. über Reibungskräfte zwischen Riemen und Riemenscheibe. Sehr häufig kommen dabei Keil- oder Flachriemen zum Einsatz. Eine Ausnahme der reibschlüssigen Kraftübertragung bilden Zahnriemen, bei denen die Kraftübertragung formschlüssig durch angebrachte Zähne am Riemen erfolgt, die in die Riemenscheibe greifen.

Bei Riementriebe erfolgt die Kraftübertragung reibschlüssig über Reibungskräfte zwischen Riemen und Scheibe (Ausnahme: Zahnriemen)!

Bei der reibschlüssigen Kraftübertragung muss der Riemen mit einer bestimmten Anpresskraft an die Riemenscheibe gepresst werden. Nur so kann sichergestellt werden, dass die entstehende Reibungskraft groß genug ist, damit der Riemen nicht über die getriebene Riemenscheibe rutscht bzw. die treibende Riemenscheibe nicht einfach nur unter dem Riemen durchdreht.

Die im Idealfall maximal zu übertragende Kraft entspricht der maximal wirkenden Haftreibungskraft zwischen Riemen und Riemenscheibe. Ist die zu übertragende Kraft größer als die Haftreibungskraft, so rutscht der Riemen über die Scheibe und es wirkt nur noch die geringere Gleitreibungskraft (Gleitschlupf). Durch die dann stattfindende Relativbewegung zwischen Riemen und Scheibe verschleißt der Riemen sehr stark und wird in kürzester Zeit unbrauchbar. Ein Durchrutschen des Riemens bzw. der Riemenscheibe muss deshalb unbedingt vermieden werden.

Die maximal übertragbare Kraft mit Riementrieben entspricht der Haftreibungskraft zwischen Riemen und Riemenscheibe!

Zwei Größen haben dabei besonderen Einfluss auf die Haftreibungskraft und damit auf die maximal übertragbare Kraft. Zum einen die Riemenspannung, die dafür sorgt dass der Riemen mit einer bestimmten Kraft an die Riemenscheibe gepresst wird und hierdurch die notwendige Haftreibungskraft erzeugen kann. Zum anderen muss für die Haftreibung eine ausreichend starke Umschlingung der Riemenscheibe vorliegen, damit der notwendige Haftkontakt zustande kommen kann.

Um große Kräfte übertragen zu können muss die Riemenscheibe möglichst stark vom Riemen umschlungen werden und die Riemenspannung möglichst groß sein!

Auf die Umschlingung der Riemenscheiben wird im übernächsten Abschnitt näher eingegangen.

Zugtrum und Leertrum

Beim Umlauf um die Riemenscheiben ist der Riemen unterschiedlichen Belastungen ausgesetzt. Jener Riemenabschnitt (allgemein als Trum bezeichnet) in dem der Riemen stark zum treibenden Rad hingezogen wird und damit einer großen Last ausgesetzt ist, bezeichnet man auch als Zugtrum, Lasttrum oder ziehendes Trum. Auf dem gegenüberliegenden Abschnitt bewegt sich der Riemen weg vom treibenden Rad und wird durch dessen „aufschiebende“ Wirkung etwas entlastet. Dieser Riemenabschnitt wird als Leertrum oder gezogenes Trum bezeichnet.

Im Zugtrum bewegt sich der Riemen auf die Antriebsscheibe zu; im Leertrum bewegt sich der Riemen auf die Abtriebsscheibe zu!

Animation: Zugtrum und Leertrum am Riementrieb

Beachte, dass der Riemen im Leertrum nicht „leer“ im Sinne von „ohne Last“ läuft, denn tatsächlich wirken auch im Leertrum Riemenkräfte. Diese sind zwar geringer sind als im Zugtrum aber dennoch vorhanden und sie müsen sogar vorhanden sein. Denn würden im Leertrum keine Riemenkräfte wirken, dann hieße dies nichts anderes als dass der Riemen keine Spannung aufweist. Eine Riemenspannung ist aber zwingend erforderlich, damit sich der Riemen an die Scheiben pressen kann und somit die notwendige Haftreibung zur Kraftübertragung erzeugen kann. Mit Hilfe von speziellen Spannsystemen wird im Betrieb die Aufrechterhaltung der Riemenspannung gewährleistet (siehe Abschnitt Spannvorrichtung).

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Abbildung: Kräfte im Zugtrum und Leertrum

Die unterschiedlich großen Trumkräfte führen dazu, dass der elastische Riemen im Zugtrum relativ stark gespannt wird. Der Riemen wird insgesamt gelängt und hängt dann folglich im weniger stark beanspruchten Riemenabschnitt des Leertrums etwas durch. Lediglich wenn der Riementrieb sich nicht unter Last befindet sind die Riemenkräfte gleich groß und die Durchhängung verschwindet. Beachte, dass sich je nach Drehrichtung des Riementriebs Zug- und Leertrum sowie die damit verbundene Durchhängung umkehren (siehe Animation oben)!

Umschlingung

Im Folgenden wird ein einstufiger Riementrieb mit zwei Riemenscheiben betrachtet, die von einem gemeinsamen Riemen umschlungen werden. Die Stärke dieser Umschlingung wird durch den Umschlingungswinkel \(\varphi\) beschrieben.

Als Umschlingungswinkel bezeichnet man den aufgespannten Winkel zwischen Auflaufen und Ablaufen des Riemens an der Riemenscheibe.

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Abbildung: Definition des Umschlingungswinkels

Je größer der Umschlingungswinkel desto mehr Haftfläche hat der Riemen und umso größer ist die Reibungskraft bzw. die hierdurch übertragbare Kraft. Beachtet werden muss jedoch, dass die Riemenscheiben eines Riementriebes unterschiedlich stark umschlungen werden, sofern An- und Abtriebsscheibe unterschiedliche Durchmesser aufweisen!

Die maximal übertragbare Kraft durch den Riemen wird meist durch die kleinere der beiden Scheiben begrenzt (i.d.R. die Antriebsscheibe), da diese im Vergleich zur größeren Abtriebsscheibe einen geringeren Umschlingungswinkel aufweist. Zudem wirken dort durch die stärkere Krümmung größere Biegespannungen im Riemen, welche die übertragbare Riemenkraft ebenfalls begrenzen.

Um den Umschlingungswinkel zu erhöhten können Umlenkrollen eingesetzt werden. Diese werden meist in der Nähe der Riemenscheiben platziert um eine möglichst große Umschlingungswirkung zu erzielen. Dienen diese Umlenkrollen gleichzeitig zum Spannen des Riemens, dann werden diese auch als Spannrollen bezeichnet.

Um den Umschlingungswinkel und damit die übertragbare Kraft zu erhöhen, können Umlenkrollen eingesetzt werden!

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Animation: Vergrößerung des Umschlingungswinkels mit einer Umlenkrolle

Die untere Abbildung zeigt als Beispiel für den Einsatz einer Umlenkrolle den Riemenantrieb einer Trocknertrommel (die Trommel selbst dient dabei als Abtriebsscheibe). Um die Umschlingung an der Antriebswelle zu erhöhen und somit eine ausreichende Kraftübertragung zu gewährleisten wurde eine Umlenkrolle benutzt.

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Abbildung: Riementrieb einer Trocknertrommel

Ferner gilt es bei der Umschlingung zu beachten, dass sich durch die Durchhängung des Leertrums unter Last andere Umschlingungswinkel ergeben als im lastfreien Zustand. Dabei hat auch die Anordnung der Trume Einfluss auf den Umschlingungswinkel. Verläuft das Leertrum nämlich oberhalb des Zugtrums dann vergrößert sich der Umschlingungswinkel aufgrund des Durchhangs, während es im umgekehrten Fall zu einer Verringerung des Umschlingungswinkels kommt.

Damit sich die Umschlingung unter Last nicht verringert sollte das Leertrum über dem Zugtrum verlaufen!

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Animation: Einfluss der Lage von Zugtrum und Leertrum auf den Umschlingungswinkel

Die Änderung des Umschlingungswinkels unter Last spielt in der Praxis jedoch eine untergeordnete Rolle und kann häufig vernachlässigt werden (vor allem bei großen Reibungskoeffizienten). Siehe hierzu auch der Artikel Kraftübertragung am Riementrieb.

Spannsysteme

Die Notwendigkeit der Riemenspannung zur Kraftübertragung wurde in den vorherigen Abschnitten bereits erläutert. Trotz Vorspannkraft wird sich die Riemenspannung im Betrieb jedoch durch plastische Dehnvorgänge oder durch Temperatureinflüsse verändern. Deshalb müssen Riementriebe häufig durch bestimmte Vorrichtungen auf Spannung gehalten werden.

Außerdem muss bedacht werden, dass ein Riemen mit der Zeit auch gewartet und von der Riemenscheibe genommen werden muss sowie wieder hierauf aufgezogen wird. Unter Spannung ist dies kaum möglich, sodass bereits aus Montagegründen dem Riemen beim Riemenwechsel die Spannung genommen werden muss und nach dem erneuten Aufziehen wieder durch Spannvorrichtungen (Riemenspanner) gespannt werden muss.

Spannsysteme dienen der Erzeugung und der Aufrechterhaltung der Riemenspannung und gewährleisten somit die sichere Kraftübertragung!

Spannrollen, Umlenkrollen und Führungsrollen

Das Aufrechterhalten der Riemenspannung im Betrieb kann bspw. durch Spannrollen erfolgen. Spannrollen dienen auch dazu starke Lastwechsel abzufedern. Zudem können durch Spannrollen die Umschlingungswinkel vergrößert werden, was dann ebenfalls positive Effekte bzgl. der Reibungskraft zur Folge hat. Darüber hinaus werden Spannrollen bei langen Trumlängen eingesetzt, um eine zu starke Vibration des Riemens zu unterbinden.

Animation: Umlenkrolle

Dienen solche Rollen lediglich der Umlenkung des Riemens, dann werden diese Rollen auch Allgemein als Umlenkrollen bezeichnet. Auch Umlenkrollen können bei langen Trumlängen zur Verringerung von Riemenschwingungen eingesetzt werden. Solche Rollen können auch gleichzeitig die Funktion einer Führung übernehmen, damit der Riemen nicht von der Scheibe springt. Man spricht dann von Führungsrollen, die links und rechts Überstände aufweisen (Bordscheiben genannt) zwischen denen der Riemen dann in der Spur gehalten wird. Umlenkrollen werden bspw. bei Mehrfachantrieben eingesetzt, bei denen eine Antriebsscheibe mehrere Abtriebsscheiben antreibt.

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Abbildung: Mehrfachantrieb

Spannrollen übernehmen an sich noch keine Spannfunktion; hierfür sind bestimmte Vorrichtungen erforderlich (auch Spannsysteme genannt). Spannvorrichtungen gibt es in den verschiedensten Ausführungen. Die oberen Spannsysteme wurden jeweils mit einem einfachen Federmechanismus ausgeführt. Die Federn bieten den Vorteil, dass sich die Riemenspannung dynamisch den Gegebenheiten anpassen kann, z.B. bei starken Lastwechseln wenn die Riemenkraft sich hierdurch ändert.

Animation: Mehrfachantrieb

Exzenterspannrolle

Eine weitere Möglichkeit der Erzeugung der Riemenspannung besteht durch eine extentrische Befestigung der Spannrolle. Durch Drehung kann dann die gewünschte Riemenspannung eingestellt und die Exzenterrolle festgezogen werden. Zusätzlich können Torsionsfedern in der Rolle eingebaut sein, die dann eine dynamische Anpassung der Riemenspannung bei Lastwechsel erlauben.

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Abbildung: Exzenterspannrolle
Animation: Exzentricher Riemenspanner

Spannzange

Eine weitere Möglichkeit der Spannung besteht über einen Hebelarm an dessen einen Ende die Spannrolle befestigt wird und mit einer Feder auf Spannung gehalten wird (Spannzange genannt).

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Abbildung: Hydraulische Spannzange

Treten im Betrieb häufige Lastwechsel auf, dann kann das oben beschriebene Spannsystem zu starken Schwingungen/Vibrationen angeregt werden. Hydraulische Dämpfungsysteme, wie sie bspw. auch in Türschließern wiederzufinden sind, schaffen an dieser Stelle Abhilfe. Dabei befindet sich der Kolben in einem Ölbad, welches aufgrund seiner Viskosität für die nötige Dämpfung sorgt.

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Abbildung: Aufbau einer hydraulischen Spannzange
Animation: Hydraulische Spannzange

Motorschlitten

Neben der Verwendung von zusätzlichen Spannrollen, kann die Riemenspannung auch durch ein Verstellen der Riemenscheibe aufgebracht bzw. angepasst werden. Bei der Verwendung von sogenannten Motorspannschlitten (auch Spannschlitten oder Motorschlitten genannt) befindet sich der gesamte Motorantrieb auf einem beweglichen Schlitten der in einer fest montierten Führung läuft.

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Abbildung: Motorspannschlitten

Durch angebrachte Verstellschrauben kann die Position des Schlittens auf der Führung verändert und somit die Riemenspannung eingestellt werden. Bei Nachlassen der Riemenspannung oder bei starken Lastwechsel passt sich der Motorschlitten jedoch nicht den geänderten Kräfteverhältnissen an sondern muss von Hand nachgestellt werden.

Animation: Motorspannschlitten

Motorwippe

Eine dynamische Anpassung der Riemenspannung an die vorhandenen Lastverhältnisse bzw. bei plastischen Ausdehnungsvorgängen kann durch die Verwendung einer selbstspannenden Motorwippe erreicht werden. Der Motor ist dabei auf einer drehbar gelagerten Platten aufgeschraubt, wobei der Schwerpunkt des Systems so ausgelegt wird, dass die Platte mit Motor tendenziell nach hinten kippt. In einer Schräglage von etwa 15° bis 20° sorgt die Motorwippe mit seiner Gewichtskraft somit für eine permanente und nahezu konstante Riemenspannung.

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Abbildung: Motorwippe
Animation: Motorwippe

Vorteile und Nachteile von Riementrieben

Vorteile

Im Vergleich zu einem Zahnradgetriebe können mit Riemengetriebe auf einfachere Weise größere Distanzen zwischen zwei Wellen überbrückt werden. Auch Kettengetriebe bieten diesen Vorteil und werden deshalb bei Fahrrädern eingesetzt, bei denen zwischen Pedal und Hinterrad eine relativ große Distanz überwunden werden muss.

Reibschlüssig arbeitende Riemen wie Flach- oder Keilriemen bieten zudem eine natürlich Überlastfunktion. Anders als bei Zahnradgetrieben kommt es bei Überlast einfach zu einem Durchrutschen des Riemens. Die Getrieberäder und Getriebewellen werden somit vor größeren Schäden geschützt. Im schlimmsten Fall muss nur der Riemen neu getauscht werden und nicht die gesamten Zahnräder und Wellen wie im Fall eines beschädigten Zahnradgetriebes.

Animation: Überlast (Gleitschlupf)

Ein weiterer Vorteil von Riemengetrieben ist die Elastizität der verwendeten Riemen im Vergleich zu starren Zahnrädern. Dies bietet gerade bei stoßartigen Drehmomentänderungen eine gute Dämpfungseigenschaft. Deshalb werden Riementriebe bspw. bei Mahlwerken oder Steinbrechern verwendet. Auch das Anfahr- und Abschaltverhalten ist entsprechend gedämpft und nicht in diesem Maße rückartig wie bei Zahnradgetrieben. Beachte, dass eine hohe Elastizität des Riemens jedoch gleichzeitig einen erhöhten Dehnschlupf zur Folge hat. Riemen können folglich nicht beliebig elastisch, aber auch nicht beliebig unelastisch konstruiert werden, da ansonsten die positiven Dämpfungseigenschaften fehlen.

Ein zusätzlicher Vorteil von Riemengetrieben gegenüber Zahnradgetriebe ist die Unempfindlichkeit gegenüber einer Winkelschiefstellung, solange die Getriebeachsen weiterhin in einer parallelen Ebene zueinander verlaufen. Eine solche Schiefstellung ist in vielen Fällen sogar gezielt gewollt. Hiermit kann auf einfache Weise die Drehbewegung umgelenkt werden. Wird die Achse der Abtriebswelle dabei um 180° gedreht und der Riemen damit überkreuz gelegt, so kann auf bequeme Art die ursprüngliche Drehrichtung umgekehrt werden. Man spricht dann auch im Gegensatz zu einem offenen Riementrieb von einem gekreuzten Riementrieb.

Riementrieb, gekreuzt, Richtung, Umkehr
Abbildung: Gekreuzter Riementrieb zur Richtungsumkehr
Animation: Gekreuzter Riementrieb für Richtungsumkehr

Riemengetriebe müssen gegenüber Zahnradgetrieben nicht geschmiert werden. Dies verringert den Wartungsaufwand entsprechend. Auch sind Riementriebe im Allgemeinen geräuschärmer als Zahnradgetriebe, da keine metallischen Zähne ineinandergreifen sondern relativ weiche, elastische Riemen die Getrieberäder antreiben. Dies ermöglicht die Übertragung von großen Drehzahlen.

Des Weiteren handelt es sich bei Riemenscheiben in der Regel nicht um Vollräder wie bei Zahnräder. Riemenscheiben besitzen zur Reduktion des Gewichtes und der Herstellungskosten entsprechende Aussparungen. Damit weisen Riemengetriebe in der Regel ein geringeres Gewicht als vergleichbare Zahnradgetriebe auf.

Nachteile

Den oben genannten Vorteilen von Riemengetrieben stehen jedoch auch Nachteile gegenüber. So unterliegen Riemen je nach Umgebungsbedingungen mehr oder weniger starken Alterungserscheinungen, d.h. sie verlieren über die Zeit ihre elastischen Eigenschaften und müssen getauscht werden. Aus diesem Grund sind Riemen auch nur innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs anwendbar. Darüber hinaus kommt es mit der Zeit zu plastischen Dehnungserscheinungen der Riemen, sodass diese in regelmäßigen Abständen nachgespannt werden müssen.

Ein weiterer Nachteil von einigen Riemenarten wie Flach- oder Keilriemen ist der damit verbundene Schlupf, der den Getriebewirkungsgrad entsprechend herabsetzt. Lediglich bei Zahnriemen kann ein Schlupf aufgrund der formschlüssigen Kraftübertragung verhindert werden.

Nachteilig kann sich in manchen Fällen auch der erhöhte Raumbedarf eines Riementriebs gegenüber einem Zahnradgetriebe auswirken. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Riemenscheiben nicht direkt aneinander gesetzt werden können, während die Zahnräder bei Zahnradgetrieben sogar ineinandergreifen und damit platzsparender aufgestellt werden können. Zudem nimmt der Umschlingungswinkel mit geringer werdendem Achsabstand ab, sodass dieser unzulässig klein werden kann. Dies kann zwar durch Umlenkrollen wieder kompensiert werden, erhöht jedoch nicht nur den konstruktiven Aufwand sondern eventuell auch wieder den Raumbedarf.