Riemen- und Kettengetriebe

Ein Motor läuft links, eine Pumpe steht rechts daneben. Beide Wellen sollen sich drehen, aber nicht direkt ineinander greifen. Genau das ist die Aufgabe eines Umschlingungsgetriebes: Es nimmt das Drehmoment der treibenden Welle, transportiert es über ein flexibles Zugmittel und gibt es an der getriebenen Welle wieder ab.

Ein Umschlingungsgetriebe besteht aus einer treibenden Scheibe oder einem Kettenrad, einem flexiblen Zugmittel – Riemen oder Kette – und einer getriebenen Scheibe beziehungsweise einem Kettenrad. Das Zugmittel umschlingt beide Räder und überträgt die Bewegung zwischen ihnen.

Der entscheidende Unterschied liegt in der Art der Kraftübertragung:

• Reibschluss: Bei Flachriemen, Keilriemen und Keilrippenriemen wird die Kraft durch Reibung zwischen Riemen und Scheibe übertragen. Damit das funktioniert, muss der Riemen vorgespannt sein.
• Formschluss: Bei Zahnriemen, Synchronriemen und allen Kettenarten greifen Zähne oder Rollen mechanisch in passende Aussparungen am Rad. Ein nennenswertes Verrutschen ist ausgeschlossen.

Im Vergleich zum Zahnradgetriebe haben Umschlingungsgetriebe klare Vorteile: Der Achsabstand kann groß sein – mehrere Meter sind kein Problem. Sie laufen ruhig und dämpfen Schwingungen. Sie sind günstig herzustellen und einfach zu warten. Die Schattenseite: meist etwas niedrigerer Wirkungsgrad als das Zahnradgetriebe, größerer Bauraum bei vergleichbarer Leistung, und bei klassischen Riemen ein gewisser Schlupf.

Ein Keilriemen sieht anders aus als ein Zahnriemen, und beide unterscheiden sich vom flachen Stück Gummi, das auf manchen alten Maschinen läuft. Hinter jeder Bauart steckt eine konkrete Überlegung: Wieviel Leistung soll übertragen werden, wie hoch sind die Drehzahlen, darf der Riemen rutschen, wieviel Platz ist verfügbar?

Flachriemen sind die älteste Bauart. Ein flacher Streifen aus Kunststoff, Polyurethan oder Leder läuft über zylindrische Scheiben. Vorteile: sehr hohe Drehzahlen möglich, geringe Walkarbeit, einfache Geometrie. Nachteile: braucht große Umschlingungswinkel und hohe Vorspannung, kann seitlich ablaufen.

Keilriemen haben einen trapezförmigen Querschnitt. Sie laufen in V-förmigen Nuten der Riemenscheiben. Durch die Keilwirkung steigt der effektive Reibwert deutlich gegenüber dem Flachriemen – schon eine moderate Vorspannung reicht für hohe Übertragungskräfte. Klassische Profile (Y, Z, A, B, C, D, E) und Schmalkeilriemen (SPZ, SPA, SPB, SPC) sind nach ÖNORM EN ISO 4184 genormt.

Schmalkeilriemen sind eine Weiterentwicklung mit größerer Höhe im Verhältnis zur Breite. Sie übertragen bei gleichem Bauraum mehr Leistung und haben die klassischen Keilriemen in vielen Industrieanwendungen abgelöst.

Keilrippenriemen, auch Poly-V-Riemen genannt, kombinieren Flachriemen-Flexibilität mit Keilriemen-Reibung. Mehrere kleine Keilrippen laufen parallel auf der Innenseite. Sie laufen ruhig, lassen sich gut um kleine Umlenkrollen führen und sind im Kfz-Nebenantrieb (Lichtmaschine, Klima, Wasserpumpe) Standard.

Zahnriemen, auch Synchronriemen, haben quergerichtete Zähne, die in entsprechende Zahnscheiben greifen. Damit arbeiten sie formschlüssig – kein Schlupf, exakte Winkellage zwischen den Wellen. Typische Einsatzgebiete: Steuerriemen im Verbrennungsmotor, Vorschübe an Werkzeugmaschinen, 3D-Drucker, Servoantriebe mit hoher Positioniergenauigkeit.

Moderne Riemen sind mehrschichtig aufgebaut. Ein Zugträger aus Polyester, Aramid oder Stahlseilen nimmt die Zugkräfte auf. Eine Gummi- oder Polyurethan-Matrix gibt die Form und sorgt für Reibung an der Scheibe. Bei Zahnriemen liegt eine verschleißfeste Gewebebeschichtung über den Zahnflanken.

Eine Kette ist kein Riemen aus Stahl – sie hat eine ganz eigene innere Logik. Wer schon einmal eine Fahrradkette zerlegt hat, kennt das Prinzip: Innenglieder mit Hülsen, Außenglieder mit Bolzen, dazwischen die Rollen. Industriell wird daraus eine sehr robuste Lösung für hohe Drehmomente.

Die Rollenkette ist die Standardbauart in der Antriebstechnik und nach ÖNORM EN ISO 606 genormt. Sie besteht aus folgenden Bauteilen:

• Außenglied: zwei Außenlaschen, in die zwei Bolzen eingepresst sind.
• Innenglied: zwei Innenlaschen, in die zwei Hülsen eingepresst sind.
• Hülse: sitzt fest in den Innenlaschen, dreht sich aber frei um den Bolzen.
• Rolle: läuft frei auf der Hülse und kommt mit dem Kettenrad in Kontakt.

Beim Eingriff in das Kettenrad rollt die Rolle in den Zahn-Aussparungen ab. Dadurch wird der Gleitanteil minimiert und der Verschleiß am Kettenrad sinkt – genau dafür sind Hülse und Rolle da. Die Bolzen-Hülse-Paarung gleitet zwar weiterhin, aber innerhalb der Kette und gut geschützt.

Die Teilung ist die wichtigste Kenngröße einer Kette – der Mittenabstand zweier benachbarter Bolzen. Sie wird in Millimetern oder Zoll angegeben. Übliche Teilungen für Industrieketten reichen von etwa 6 mm bis weit über 50 mm. Die ersten zwei Ziffern der Kettenbezeichnung nach ISO 606 geben die Teilung in 1/16 Zoll an: Eine Kette 08B-1 hat 8/16 Zoll = 12,7 mm Teilung. Die Endung „-1″ steht für Einfachkette.

Hülsenketten sind ohne lose Rolle aufgebaut. Die Hülse greift direkt in das Kettenrad. Sie sind günstiger als Rollenketten, verschleißen aber schneller und kommen vorwiegend in einfachen, langsam laufenden Anwendungen zum Einsatz.

Mehrfachketten (Duplex, Triplex) bestehen aus zwei oder drei parallelen Kettensträngen mit gemeinsamen, längeren Bolzen. Bei gleichem Bauraum übertragen sie das Mehrfache der Leistung einer Einfachkette.

Zahnketten, auch Lamellenketten, sind aus vielen profilierten Laschen aufgebaut, die wie eine Verzahnung in das Kettenrad greifen. Sie laufen sehr ruhig, sind aber teuer und werden in präzisen, schnell laufenden Antrieben verwendet.

Wenn eine treibende Scheibe mit einer bestimmten Drehzahl läuft, dreht die getriebene Scheibe mit einem passenden Wert. Damit das auch quantitativ funktioniert, brauchen wir zwei Hauptformeln – Übersetzung und Riemengeschwindigkeit – und einen dritten Aspekt, der bei reibschlüssigen Riemen wichtig ist: den Schlupf.

Übersetzungsverhältnis am Umschlingungsgetriebe

An einem Riemen- oder Kettentrieb verhalten sich die Drehzahlen umgekehrt wie die Durchmesser der Scheiben:

Bei Kettenrädern ersetzt die Zähnezahl z den Durchmesser. Die Theorie hinter der Übersetzung – ins Langsame, ins Schnelle, Wirkungsgradketten – ist im Beitrag „Zahnräder und Getriebe (inkl. Übersetzungsverhältnis)“ ausführlich behandelt. Hier nutzen wir die Formel als Werkzeug.

Schlupf bei reibschlüssigen Riemen

Bei Flach-, Keil- und Keilrippenriemen entsteht durch die elastische Dehnung des Riemens beim Übergang vom Last- ins Leertrum ein kleiner Geschwindigkeitsverlust. Dieser Effekt heißt Dehnschlupf und ist kein Fehler des Antriebs, sondern eine Eigenschaft des Reibschlusses.

Daraus folgt die reale Abtriebsdrehzahl:

Typische Werte: 1 % bis 2 % bei modernen Keilriemen, weniger bei Keilrippenriemen, praktisch null bei Zahnriemen und allen Ketten. Wesentlich höhere Werte deuten auf zu geringe Vorspannung oder Überlastung hin. Genau diese Eigenschaft wird in modernen Förderanlagen genutzt: Eine Schlupfüberwachung am Antrieb erkennt sofort, wenn das Förderband blockiert oder ungewöhnlich stark belastet wird.

Riemengeschwindigkeit

Die Umfangsgeschwindigkeit der Riemenscheibe entspricht der Riemengeschwindigkeit (vom Schlupf abgesehen):

Der Faktor 60000 wandelt mm/min in m/s. In der Praxis liegen Riemengeschwindigkeiten meist zwischen 5 m/s und 30 m/s. Höhere Werte are möglich, erfordern aber spezielle Riemen und sorgfältige Auswuchtung.

Beim Bestellen eines neuen Riemens oder beim Tausch braucht man die richtige Länge. Sie hängt vom Achsabstand der beiden Scheiben und ihren Durchmessern ab – über eine Näherungsformel, die in der Praxis genau genug ist.

Für einen offenen Riementrieb mit Achsabstand a und Scheibendurchmessern d_1 (kleine Scheibe) und d_2 (große Scheibe) gilt:

Die ersten beiden Terme sind die zwei geraden Trumlängen plus die halben Scheibenumschlingungen. Der dritte Term ist eine kleine Korrektur für die Schräglage des Riemens zwischen unterschiedlich großen Scheiben. Die Näherung ist sehr genau, solange der Achsabstand deutlich größer als der Radius der großen Scheibe ist.

In der Praxis kauft man Standardlängen nach ÖNORM EN ISO 4184 ein. Der Achsabstand wird so gewählt, dass eine Standardlänge passt – wobei ein Verstellbereich für Montage und Nachspannen vorgesehen sein muss.

Achsabstand in der Praxis

Als Richtwert sollte der Achsabstand mindestens dem Durchmesser der großen Scheibe entsprechen und höchstens das Drei- bis Vierfache davon betragen. Zu kleine Abstände führen zu schlechtem Umschlingungswinkel an der kleinen Scheibe und damit zu reduzierter Kraftübertragung. Zu große Abstände machen den Riemen anfällig für Schwingungen.

Spannweg

Damit der Riemen montiert und nachgespannt werden kann, muss der Achsabstand verstellbar sein – meist über eine Spannschiene oder eine verschiebbare Motorplatte. Üblich sind etwa 3 % des Riemenumfangs als Spannweg zum Nachspannen und nochmal rund 1,5 % zum Einlegen eines neuen Riemens.

Ein Riemen, der nur lose über zwei Scheiben gelegt ist, überträgt keine nennenswerte Kraft – er würde sofort durchrutschen. Erst die Vorspannung erzeugt die Normalkraft an der Scheibe und damit die Reibung. Hinter dieser einfachen Aussage steht eine mathematische Beziehung, die seit Anfang des 19. Jahrhunderts bekannt ist.

Last- und Leertrum, Umfangskraft

Beim laufenden Riementrieb ist die Zugkraft im Lasttrum (ziehende Seite) höher als im Leertrum (abgehende Seite). Die Differenz dieser beiden Trumkräfte ist die Umfangskraft – das, was letztlich an der Scheibe als Drehmoment ankommt.

Aus der Umfangskraft folgt direkt das übertragene Drehmoment an der Scheibe:

Die Eytelweinsche Gleichung

Wie groß das Verhältnis von Last- zu Leertrum maximal werden darf, hat Johann Albert Eytelwein 1808 beschrieben. Das Maximum hängt nur vom Reibwert μ zwischen Riemen und Scheibe und vom Umschlingungswinkel β ab:

Hinweis zur Berechnung: Der Umschlingungswinkel muss von Grad in Bogenmaß umgerechnet werden: β_rad = β_Grad · π / 180. Ein Umschlingungswinkel von 180° entspricht also π rad ≈ 3,14.

Wird das Verhältnis größer, rutscht der Riemen durch. Praktisch heißt das: Ein hoher Umschlingungswinkel und eine reibungsstarke Paarung erlauben ein höheres Trumkraftverhältnis – und damit mehr Umfangskraft bei gleicher Vorspannung.

Beim Keilriemen tritt anstelle des reinen Reibwerts μ ein effektiver Reibwert μ‘, der durch die Keilwirkung deutlich größer ausfällt als beim Flachriemen mit der gleichen Materialpaarung. Genau das ist der Grund für die hohe Kraftdichte des Keilriemens.

Vorspannung in der Praxis

Damit der Riemen das geforderte Drehmoment dauerhaft überträgt, wird er mit einer Vorspannkraft eingebaut. Diese sorgt dafür, dass auch im Leertrum noch eine Restkraft anliegt – sonst würde der Riemen abheben.

Zu hohe Vorspannung erzeugt unnötige Lagerkräfte, der Riemen wird heiß, dehnt sich und altert beschleunigt. Zu niedrige Vorspannung führt zu Durchrutschen, glänzenden Flanken und im Extremfall zu Hitzeschäden am Riemen.

Die richtige Vorspannung wird heute meist mit einem Frequenzmessgerät oder per Eindrückprüfung kontrolliert. Faustregel für die Eindrückprüfung: Bei einer Prüfkraft, die je nach Riemenprofil im Bereich von 1 % bis 2 % der zulässigen Riemenkraft liegt, sollte sich der Riemen auf der Trumlänge um etwa 1,5 % eindrücken lassen. Hersteller geben dafür konkrete Tabellenwerte aus.

Spannrollen

Wenn der Achsabstand fest ist oder zusätzlich der Umschlingungswinkel vergrößert werden soll, kommt eine Spannrolle zum Einsatz. Drei bauformen sind verbreitet:

• Feste Spannrolle: einmalig eingestellt, bei Wartung manuell nachjustiert.
• Federbelastete Spannrolle: kompensiert Riemenlängung selbsttätig – typisch im Kfz-Nebenantrieb.
• Hydraulische oder pneumatische Spannrolle: bei großen Industrieantrieben.

Spannrollen drücken bevorzugt am Leertrum gegen den Riemen, weil dort die Beanspruchung am geringsten ist.

Vorspannung bei Ketten

Eine Kette muss nicht reibschlüssig vorgespannt werden – sie greift formschlüssig. Sie braucht aber einen leichten Durchhang im Leertrum, damit Längungen durch Verschleiß ausgeglichen werden können. Faustregel: Der Durchhang im Leertrum soll etwa 1 % bis 2 % des Achsabstandes betragen, bei stark belasteten oder schnell laufenden Ketten weniger. Zu wenig Durchhang führt zu erhöhter Lagerbelastung, zu viel zu Aufschwingen und Überspringen am Kettenrad.

Ein gut ausgewählter Riemen oder eine richtig dimensionierte Kette laufen jahrelang ohne nennenswerten Service. Trotzdem altern sie – und wer typische Verschleißbilder kennt, erkennt Probleme rechtzeitig.

Verschleiß an Riemen

Riemen altern hauptsächlich durch Walkarbeit, Hitze und Umwelteinflüsse. Typische Erscheinungen:

• Querrisse in der Riemenrückseite oder im Zahngrund deuten auf Überlastung, zu kleine Rollendurchmesser oder fortgeschrittene Alterung hin.
• Glänzende Flanken an einem Keilriemen entstehen durch Schlupf bei zu geringer Vorspannung – ein Warnzeichen, das vor dem eigentlichen Versagen kommt.
• Längung ist normal, aber begrenzt. Übersteigt sie den Spannweg, muss der Riemen gewechselt werden.
• Ölverunreinigung greift viele Gummimischungen an. Der Riemen wird weich und verliert Reibwert.

Verschleiß an Ketten

Ketten verschleißen vor allem an Bolzen und Hülse. Dadurch wird die Kette als Ganzes länger. Wichtige Punkte:

• Kettenlängung wird mit einer Verschleißlehre gemessen oder durch Vergleich mit einer bekannten Strecke. Übliche Grenze: 1 % bis 3 % Längung, dann tauschen.
• Hakenförmige Kettenradzähne entstehen, wenn eine verschlissene Kette zu lange weiter läuft. Das Kettenrad muss dann meist mitgetauscht werden.
• Rost und Verharzung bei mangelhafter Schmierung machen die Kette steif – sie springt unter Last über den Kettenrad-Zahn.

Schmierung von Ketten

Für Ketten ist die richtige Schmierung essenziell. Sie reduziert Reibung an Bolzen und Hülse und schwemmt feinen Abrieb aus. Je nach Geschwindigkeit kommen Tropfschmierung, Tauchbadschmierung oder Druckumlaufschmierung zum Einsatz. Welcher Schmierstoff bei welchen Bedingungen passt, ist im Beitrag „Schmierung und Schmierstoffe“ beschrieben.

Riemen sind im Gegenteil wartungsfrei zu schmieren – Öl oder Fett würde sie zerstören.

Auswahl: Riemen, Kette oder Zahnradgetriebe?

Welche Lösung wann sinnvoll ist, lässt sich an wenigen Kriterien festmachen:

Wer einen großen Achsabstand und Geräuscharmut braucht, nimmt einen Riemen. Wer hohe Drehmomente bei geringem Bauraum und ohne Schlupftoleranz übertragen muss, greift zur Kette oder zum Zahnradgetriebe.