Was ist ein Ketten- und Ritzelsystem und wie funktioniert es?

Ein taiwanesischer Hersteller von Verpackungsmaschinen stellte von einem Riemenantrieb auf einen Rollenketten- und Ritzelsystem Für ihre neue Verpackungsanlage im Jahr 2023 wählten sie einen Kettenantrieb. Ausschlaggebend war eine einzige Anforderung: Der Antrieb musste auch bei einer Laständerung von 4:1 zwischen leeren und vollen Verpackungen ein exaktes Timing gewährleisten. Der getestete Riemenantrieb zeigte unter Last eine Drehzahlschwankung von 1,5–21 TP3T – für viele Anwendungen akzeptabel, jedoch nicht für eine Klebstoffauftragsstation, bei der die Timinggenauigkeit die Versiegelungsqualität direkt beeinflusst. Der Kettenantrieb hingegen lief, einmal korrekt dimensioniert, unabhängig von der Laständerung mit konstanter Drehzahl. Dies ist keine Marketingaussage, sondern eine Folge der Funktionsweise eines formschlüssigen Antriebs.

Verstehen, was ein Ketten- und Ritzelsystem Das macht tatsächlich den Unterschied – und zwar nicht nur beschreibend, sondern mechanisch –, ob man gleich beim ersten Mal das richtige Laufwerk auswählt oder drei Monate mit der Fehlersuche an einem Laufwerk verbringt, das von vornherein nicht für die Anwendung geeignet war.

Was ein Ketten- und Ritzelsystem tatsächlich leistet

Ein Ketten- und Ritzelantrieb ist ein formschlüssiges mechanisches Kraftübertragungssystem. „Formschlüssig“ bedeutet, dass die Kettenzähne fest mit den Ritzelzähnen verzahnt sind – es gibt keinen Schlupf, kein Kriechen und keine durch Lastschwankungen verursachte Drehzahländerung. Dies unterscheidet ihn von reibungsbasierten Antrieben wie Keilriemen und Flachriemen, bei denen eine Lastzunahme ein Kriechen des Riemens auf der Riemenscheibenoberfläche verursacht und somit eine proportionale Drehzahlreduzierung an der Abtriebswelle zur Folge hat.

Das System besteht mindestens aus einem Antriebsritzel (montiert auf der Antriebswelle), einem Abtriebsritzel (montiert auf der Ausgangswelle) und einem Rollenkette Die beiden Teile sind miteinander verbunden. Das Antriebsritzel wandelt das Drehmoment in eine lineare Zugkraft auf der Kettenseite um. Die Kette überträgt diese Kraft auf das Abtriebsritzel, wo sie wieder in ein Drehmoment auf der Abtriebswelle umgewandelt wird. Das Verhältnis der beiden Wellen – ihr Drehzahl- und Drehmomentverhältnis – wird ausschließlich durch das Verhältnis der Zähnezahlen der Ritzel bestimmt.

Die Formel für das Übersetzungsverhältnis ist einfach und es lohnt sich, sie genau zu verstehen, da sie jede Konstruktionsentscheidung bei einem Kettenantrieb bestimmt:

Hat das Antriebsritzel 19 und das Abtriebsritzel 57 Zähne, beträgt das Übersetzungsverhältnis 3:1. Die Abtriebswelle dreht sich mit einem Drittel der Drehzahl der Antriebswelle, und das Ausgangsdrehmoment (vor Übertragungsverlusten) ist dreimal so hoch wie das Eingangsdrehmoment. Dieses Verhältnis gilt unter allen Lasten und ohne Schlupf – daher sind Kette und Ritzel die optimale Wahl für alle Anwendungen, die ein präzises Übersetzungsverhältnis oder eine Synchronisierung erfordern.

Wie die Kette in das Kettenrad eingreift – Die Mechanik im Detail

Der Eingriffsvorgang ist komplexer als er scheint. Wenn die Kette sich dem Antriebsritzel nähert, gleitet jede einzelne Rolle nicht sanft in den Zahnfuß – sie trifft schräg ein und stößt mit geringer Geschwindigkeit in die Auflagefläche. Dieser Aufprall erzeugt das charakteristische Geräusch eines Kettenantriebs und trägt zu einem Teil der Materialermüdung an Rolle und Ritzelzahn bei.

Die Zahnform nach ANSI B29.1 ist so konstruiert, dass dieser Aufprall minimiert wird. Dies wird dadurch erreicht, dass die Rolle zunächst etwas oberhalb der Auflagekurve auf der Zahnflanke aufsetzt und dann mit zunehmendem Kettenumschlingungswinkel in den Zahnfuß abrollt. Diese Geometrie des Abrollens in den Zahnfuß verteilt die Eingriffslast auf die ersten 15–20 Grad der Kettenradumdrehung und reduziert so die maximale Aufprallkraft im Vergleich zu einer Kette, die direkt in den Zahnfuß einrastet.

Der Polygon-Effekt ist die wichtigste dynamische Eigenschaft, die Käufer und Planer immer wieder missverstehen. Da die Kette aus starren Gliedern mit definierter Teilung besteht, bewegt sich die Zugseite der Kette nicht geradlinig, sondern in einer Reihe kleiner Sehnen, wenn jedes Glied nacheinander in das Kettenrad eingreift. Dies erzeugt eine sinusförmige Geschwindigkeitsänderung in der Abtriebswelle, selbst wenn sich die Antriebswelle mit perfekt konstanter Drehzahl dreht. Die Amplitude dieser Geschwindigkeitsänderung hängt von der Zähnezahl des Kettenrads ab.

Konfigurationsoptionen für Kettenantriebe: Einsträngig, mehrsträngig und doppelt geteilt

Wenn eine einsträngige Antriebskette die obere Grenze ihrer angegebenen Nennleistung für die jeweilige Drehzahl erreicht, gibt es zwei Möglichkeiten: die Kettenteilung zu erhöhen (Wechsel zur nächstgrößeren ANSI-Größe) oder einen zweiten Strang hinzuzufügen (Duplexkette). Diese beiden Optionen sind nicht gleichwertig – sie haben unterschiedliche Auswirkungen auf das Antriebssystem.

Eine größere Teilung erhöht zwar die Mindestbruchlast und die Dauerfestigkeit der Kette, verstärkt aber auch den Polygon-Effekt bei gleicher Zähnezahl und erfordert den Austausch der Kettenräder. Der Wechsel von einer #60-Kette zu einer #80-Kette auf einem 19-Zahn-Antriebskettenrad erhöht die Drehzahlvariation von 1,74% auf 1,74% (unverändert, da dies von der Zähnezahl und nicht von der Teilung abhängt) – die Kette mit der größeren Teilung benötigt jedoch größere Kettenräder, um das gleiche Übersetzungsverhältnis beizubehalten. Dies vergrößert den Außendurchmesser des Antriebssystems und kann zu Freigängigkeitsproblemen führen.

Durch Hinzufügen eines zweiten Strangs (Simplex zu Duplex) verdoppelt sich die Nennlast, ohne dass sich die Teilung oder der Außendurchmesser des Kettenrads ändert. Die Kettenräder müssen durch Duplex-Versionen (gleicher Teilkreis, doppelte Zahnbreite) ersetzt werden, die Wellenmitten bleiben jedoch gleich und der Einbauraum ändert sich nicht. Bei Antrieben, bei denen eine Vergrößerung des Kettenraddurchmessers – beispielsweise aufgrund der Rahmengeometrie oder der Abstände zu den Schutzvorrichtungen – nicht möglich ist, ist die Duplex-Aufrüstung in der Regel die bessere Option.

Doppelte Teilungskette Doppelteilketten unterscheiden sich von Duplexketten und werden häufig mit diesen verwechselt. Doppelteilketten haben denselben Rollendurchmesser und dieselbe innere Gliederbreite wie ihre entsprechende Standardteilkette – lediglich der Gliederabstand ist verdoppelt. Die ANSI #2060 (Doppelteil-Äquivalent der #60) hat eine Teilung von 38,10 mm anstelle von 19,05 mm, verwendet aber dieselbe 11,91-mm-Rolle wie die Standard-#60. Doppelteilketten werden ausschließlich für langsame Förderantriebe eingesetzt – sie sind leichter und pro Meter günstiger als Standardketten mit demselben Rollendurchmesser. Allerdings können sie nicht bei Geschwindigkeiten über etwa 100 Metern pro Minute eingesetzt werden, da sonst ein starker Polygoneffekt und Geräuschentwicklung auftreten. Der Einsatz von Doppelteilketten in Hochgeschwindigkeitsantrieben führt zu Wartungsproblemen und spart keine Kosten.

Wann Kettenrad- und Kettensysteme die richtige Wahl sind

Landwirtschaftliche Maschinen. Kettenantriebe dominieren bei Mähdreschern, Reismähdreschern und Sämaschinen aus einer Reihe von Gründen: Sie tolerieren die Stoßbelastung durch unregelmäßige Zufuhr von Erntegut, sie gewährleisten ein exaktes Timing zwischen Zuführung, Dresch- und Trennsystemen und sie arbeiten zuverlässig unter staubigen, nassen und abrasiven Bedingungen, die die Riemenoberflächen schnell verschleißen lassen würden. Rollenketten in ANSI- und ISO-Teilungsgrößen bildet das Rückgrat der meisten Antriebssysteme koreanischer Landmaschinen, von #40 Zuführketten bis hin zu #100 Elevatorantrieben mit großer Teilung.

Industrielle Förderanlagen und Materialtransport. Kettenantriebe für Förderanlagen müssen auch bei variablen Lasten eine konstante Kettengeschwindigkeit gewährleisten – eine Anforderung, die Ketten aufgrund ihrer Schlupffreiheit besser erfüllen als Riemen. Speziell entwickelte Ketten in Kratz-, Becher- und Kratzförderern transportieren Lasten, die die Bruchlast herkömmlicher Rollenketten übersteigen würden. Dies wird durch optimierte Kettendurchmesser und Plattenstärken erreicht, die bei Nennlasten einen Sicherheitsfaktor von 5:1 gewährleisten.

Motorrad- und Powersport-Antriebe. Der Motorradketten- und Ritzelsystem Die Kettenübertragung ist eine der anspruchsvollsten und wartungsintensivsten Anwendungen im Bereich der Motorradketten. Die Kette muss das maximale Motordrehmoment unter dynamischer Beschleunigung übertragen, dabei möglichst wenig wiegen und Straßenschmutz standhalten. Die Teilungsbezeichnungen 520, 530 und 630 geben in der Motorradketten-Nomenklatur die Innenbreite – nicht die Teilung – an (die tatsächliche Teilung beträgt bei allen drei Ketten 5/8 Zoll bzw. 15,875 mm). Die korrekte Interpretation dieser Zahlen verhindert Fehlbestellungen von Ersatzteilen.

Automatisierungs- und Verpackungslinien. Servogetriebene Kettenindexierungssysteme benötigen Kettenräder mit einer Mindestzähnezahl von 21 oder mehr, um die Geschwindigkeitswelligkeit aufgrund des Polygon-Effekts unter die Rückkopplungstoleranz des Servoreglers zu senken. Kettenräder mit Standardbohrung und fertiger Bohrung in Aluminium oder Kohlenstoffstahl bieten die Kombination aus geringem Trägheitsmoment und Maßgenauigkeit, die Servoantriebssysteme benötigen.

Ketten- und Ritzelsysteme in landwirtschaftlichen Anwendungen – wo gleichzeitig ein sicherer Eingriff, Stoßfestigkeit und zuverlässiges Timing unter variablen Lasten erforderlich sind.

Auswahl eines Ketten- und Ritzelantriebs: Die Vier-Schritte-Methode

ANSI B29.1 bietet eine grafische Leistungstabelle, die jede Kombination aus Auslegungsleistung und Drehzahl des kleinen Ritzels einer empfohlenen Kettenteilung zuordnet. Das Verfahren funktioniert wie folgt:

1. Ermitteln Sie die Auslegungsleistung. Multiplizieren Sie die Nennleistung des Motors mit dem Betriebsfaktor für Ihre Lastart: 1,0 für gleichmäßige Last (Kompressoren, Kreiselpumpen), 1,3 für mäßige Stoßbelastung (Förderbänder mit ungleichmäßiger Zufuhr, Mischer) und 1,7 für starke Stoßbelastung (Pressen, Becherwerke, Brecher). Die Auslegungsleistung ist stets höher als die Nennleistung – dies ist beabsichtigt.
2. Wählen Sie die Kettenteilung anhand der Bewertungstabelle. Ermitteln Sie anhand der Auslegungsleistung und der Drehzahl des kleineren Kettenrads (Drehzahl der schnelleren Welle) den Schnittpunkt im ANSI-Leistungsdiagramm. Der Bereich, in dem dieser Punkt liegt, gibt die empfohlene Kettenteilung an. Liegt der Punkt nahe der Grenze zwischen zwei Teilungsbereichen, wählen Sie die kleinere Teilung mit mehreren Litzen der größeren Teilung mit einer einzelnen Litze vorzuziehen.
3. Wählen Sie die Anzahl der Kettenradzähne. Das kleine Kettenrad sollte mindestens 17 Zähne haben. Das Verhältnis der Zähnezahl bestimmt die Übersetzung. Für einen optimalen Lauf empfiehlt es sich, Kettenräder mit ungerader Zähnezahl zu verwenden, sodass jeder Zahn bei jeder Umdrehung eine andere Rolle berührt und sich der Verschleiß gleichmäßiger auf die Kettenradzähne verteilt.
4. Mittenabstand und Kettenlänge einstellen. Der empfohlene Achsabstand beträgt für die meisten Standardantriebe das 30- bis 50-Fache der Kettenteilung, mindestens jedoch das 1,5-Fache des Teilkreisdurchmessers des großen Kettenrads. Die Kettenlänge in Gliedern berechnet sich aus dem Achsabstand, den beiden Teilkreisdurchmessern und der Kettenteilung. Das Ergebnis sollte auf eine gerade Anzahl von Gliedern gerundet werden, um ein Standard-Verbindungsglied zu ermöglichen. Halbe Glieder (versetzte Glieder) sind schwächer als ganze Glieder und sollten bei hohen Belastungen vermieden werden.

Häufig gestellte Fragen