Riementriebe

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Aufgabe

Mit Hilfe von Riementrieben können Drehmomente einfach und erschütterungsfrei auch bei großen Achsabständen zwischen zwei oder mehreren Wellen übertragen werden. Man unterscheidet kraftschlüssige und formschlüssige Riementriebe.

Allgemeine Vor- und Nachteile

Vorteile:

- Einfachheit in Konstruktion und Herstellung

- Elastische Kraftübertragung

- Stoß und schwingungsdämpfend

- Kein Schmierstoffbedarf

- Geringeres Gewicht

- Überlastungsschutz durch Reibschluss

Nachteile:

- Dehnung des Riemens (Dehnschlupf bei Kraftschlüssigen Riementrieben)

- Vorspannkraft des Riemens (zusätzliche Lagerbelastung)

- Riemenwerkstoff begrenzt Temperaturbereich

- Großer Platzbedarf

Frage 1: Welche Gründe sprechen für den Einsatz einer Riementriebkonstruktion gegenüber einem Kettentrieb?

Antworten

Kraftschlüssige Riementriebe

Kraftschlüssige Riementriebe übertragen das Drehmoment durch die in der Kontaktfläche zwischen Riemen und Riemenscheibe wirkenden Reibkraft. Dies ist bei Flachriemen, Keilriemen oder Rundriemen der Fall. Die Größe der auftretenden Reibkräfte hängt von der Riemenvorspannung ab, die durch Vergrößern des Achsabstandes (Antriebsmotor auf eine Spannschiene,Schwenkscheibe, Wippe, betriebene Scheibe auf einen Spannschlitten, Spannrolle) erreicht wird. Zu beachten sind auch durch Riemenvorspannung auftretenden Spannkräfte die bei den Lagerungen der Wellen zu berücksichtigen sind. Kraftschlüssige Riementriebe eignen sich nicht zur positionsgenauen Übertragung von Drehmomenten (synchronisation), da hierbei zwangsläufig durch die Dehnung des Riemens und der Umfangskraft ein ca. 2%´er Schlupf zwischen Riemen und Riemenscheibe auftritt.

Riemenvorspannung

Riementriebbauarten

Frage 2: In welcher Weise findet bei kraftschlüssigen Riementrieben die Kraftübertragung statt?

Antworten

Flachriemen

Flachriemen werden meist aus Textilien hergestellt und an den Enden entweder verklebt, verschweißt oder vernäht. Die Flachriemen nutzen die Haftreibung auf den Riemenscheiben aus. Zudem können Flachriemen auch bei gekreuzten oder halbgekreuzten Riementrieben eingesetzt werden wobei aber bei diesen beiden Varianten der Riemenverschleiß größer als bei offenen Riementrieben ist. Flachriemen haben außerdem den Vorteil gegenüber anderen Riemenarten, dass sie auf flachen Riemenscheiben seitlich verschoben werden können. So können sie von einer auf der Welle befestigten Scheibe auf eine daneben befindliche durchdrehende Scheibe verschoben werden und stellen dadurch eine einfache Kupplung dar. Durch die kleine Materialstärke sind sie biegsamer und der Scheibendurchmesser kann kleiner als bei Keilriemen sein. Um zu verhindern, dass der Riemen von den Scheiben läuft, sind diese ballig ausgeführt: der Riemen zentriert sich automatisch.

Aufbau von Flachriemen

Frage 3: Welchen Vorteil weisen Flachriemen gegenüber allen anderen Riemenarten auf?

Antworten

Keilriemen

Keilriemen sind meist endlos gefertigte Gummiriemen mit trapezförmigen Querschnitt, die einvulkanisierten Polyesterfäden zur Erhöhung der Zugfestigkeit enthalten. Im Gegensatz zum Flachriemen wird die Umfangskraft nicht durch Reibung auf der Innenseite des Riemens übertragen, sondern durch die Reibkräfte als Folge der hohen Anpresskräfte an den schrägen Flanken des Keilriemens. Sie können bei gleichem Platzbedarf wesentlich größere Drehmomente als Flachriemen übertragen. Durch die höhere Reibung sind die Kräfte auf die Lager wesentlich geringer. Man kann auch mehrere Keilriemen nebeneinander anordnen. Bei Antrieben mit mehreren parallelen Keilriemen ist aufgrund der Ausdehnung jedoch wichtig, dass alle Riemen zugleich getauscht werden sollen. Der Keilriemen ist wohl der bekannteste Vertreter der Antriebsriemen. Er findet in Kraftfahrzeugen Verwendung um die Lichtmaschine, häufig auch den Ventilator und die Wasserpumpe oder die Hydraulikpumpe für die Servolenkung anzutreiben. Während Flachriemen nicht genormt sind, sind die Keilriemen weitgehend standardisiert, sodass sie herstellerneutral verwendet und getauscht werden können. Da der Keilriemen relativ hoch (dick) ist, kommt es bei der Umlenkung zu einer Stauchung innen und somit zur Erwärmung. Man kann den Keilriemen auch zahnen um kleine Scheibendurchmesser zu erlauben oder die Verluste zu verringern. Jedoch ist auch ein gezahnter Keilriemen immer noch ein Keilriemen, da er kraftschlüssig durch die Keilwirkung an den Flanken arbeitet. Der Keilrippenriemen ist eine Mischform aus Flachriemen und Keilriemen. Der Riemen besitzt Rippen, die in Längsrichtung verlaufen. Die Riemenscheibe weist entsprechende Rillen auf.

Aufbau und Arten von Keilriemen

Zugschicht: Polyesterfasern

Kern: Kautschuk

Hülle: Textilgewebe

Verbundkeilriemen: Geringe Riemenschwingung

Keilrippenriemen: Hohe Geschwindigkeit

Frage 4: Wodurch unterscheiden sich der Keilriemen von dem Flachriemen im Bezug zur Kraftübertragung?

Antworten

Rundriemen

Für kleine Kräfte werden häufig auch Rundriemen verwendet. Diese kommen heute als Vollkunststoffriemen oder aus geflochtenen Kunststofffaserriemen zur Anwendung. Sie haben den Vorteil, dass sie sehr flexibel anwendbar sind. Sie werden beispielsweise bei Textilmaschinen oder Büromaschinen verwendet. Sie vertragen hohe Geschwindigkeiten, haben eine ähnlich hohe Reibung wie Keilriemen, sind aber leichter zu kreuzen. Die Riemenscheiben müssen nicht unbedingt fluchten.

Riemenscheiben

Flachriemenscheiben werden aus Gußeisen, Stahlblech, Leichtmetall oder Kunststoff hergestellt. Ihre Laufflächen müssen glatt sein, da sonst der Riemenverschleiß durch den Schlupf zu groß wird. Durch die leichte Laufflächenwölbung einer oder beider Flachriemenscheiben läuft der Riemen immer auf der Mitte der Scheibe.

Keilriemenscheiben besitzen einen Rillenwinkel von 38° bei großen und 32° bei kleinen Scheibendurchmessern, Keilriemen dürfen nicht im Grund der Scheibennuten auffliegen und nicht über den Außendurchmesser der Keilriemenscheibe hinausstehen. Lediglich Mehrrippenkeilriemen sollen die Scheibenrillen voll ausfüllen.

Formschlüssige Riementriebe

Bei Formschlüssigen Riementrieben (Zahnriementriebe) wird das Drehmoment durch Ineinandergreifen der Zähne des Riemens und der Riemenscheibe (z.B. Zahnrad mit seitlichen Bordscheiben, welche das Abspringen des Riemens verhindern) von der Antriebswelle auf das Zugmittel bzw. dem Zugmittel auf die Abtriebswelle übertragen. Zahnriemen verbinden die Vorteile der Flach- und Keilriemen mit der Schlupffreiheit der Ketten. Zahnriemen zeichnen sich durch geringere Riemenvorspannung und der daraus geringeren Lagerbelastung, die durch profillosen Spannrollen auf der Riemenaussenseite eingestellt wird aus. Da kein Durchrutschen zwischen den eingreifenden Partnern möglich ist, können formschlüssige Riementriebe für Steueraufgaben eingesetzt werden, z.B. in Verbrennungsmotoren zur Synchronisation der Kurbelwellen- mit der Nockenwellenbewegung oder in Druckmaschinen. Als Auslegungskriterium zählen hier vom Hersteller ermittelte Tabellen, die die maximale zu übertragende Leistung in Abhängigkeit der Geschwindigkeit und der Zähnezahlen darstellen.

Frage 5: In welcher Art und Weise findet bei formschlüssigen Riementrieben die Kraftübertragung statt?

Antworten

Zahnriemen

Zahnriemen sind auf der Innenseite des Riemens, ähnlich einer Kette, Zähne aus Gummi (Neopren) oder Kunststoff (Polyurethan) ausgeformt, die in ein spezielles Zahnrad eingreifen. Vorteil bei dieser Form ist, dass der Umschlingungswinkel des Riemens auf dem Zahnrad nicht so groß sein muss wie bei den Keil- oder Flachriemen, und dass diese Form der Kraftübertragung keinen Schlupf aufweist. Durch die Möglichkeit von hohen Drehzahlen, seiner Laufruhe und nicht zuletzt durch den Preis ist der Zahnriemen eine Alternative zu Antriebsketten. Als Nachteile gegenüber Ketten sind die schlechtere Temperaturbeständigkeit und die geringere Lebensdauer zu nennen. Die Kraftübertragung erfolgt dabei durch den im Zahnriemen vorhanden Zugstrang, welcher meist aus Glasfasern seltener aus Stahlseilen besteht. Auf der Innenseite des Zahnriemens ist ein abriebfestes Gewebe angebracht, um die aus Elastomer bestehenden Zähne vor Verschleiß zu schützen.

Ein Anwendungsbeispiel für das Fach Entwicklung & Konstruktion zeigt die Projektarbeit Riementrieb.

Aufbau von Zahnriemen

Zahnprofil: trapezförmig

Zugelemente: Stahlseil, Glasfaser

Riemenkörper: Gummi, Elastomer

Deckschicht: Polyamidgewebe

Frage 6: Wodurch sind die Nachteile des Zahnriementriebes gegenüber des Kettenantriebes begründet?

Antworten

Synchronriemenscheiben

Durch die Formgebung der Synchronriemenscheiben kann durch die größere Auflagefläche der Zähne eine höhere Leistung durch den Zahnriemen übertragen werden. Außerdem läuft er verschleiß- und geräuschärmer. Seitliche Bordscheiben an den Synchronriemenscheiben verhindern das Abspringen des Zahnriemens.

Normungen

Im folgenden sind die wichtigsten Normen für Riementriebe und deren Bauteile aufgelistet die im Maschinenbau ihre Anwendungen finden.

DIN - Deutsche Industrienorm

DlN 109

Teil 1 - Antriebselemente; Umfangsgeschwindigkeiten

Teil 2 - Antriebselemente; Achsabstände für Riementriebe mit Keilriemen

DIN 2211

Teil 1 - Schmalkeilriemenscheiben; Maße, Werkstoff

Teil 2 - Schmalkeilriemenscheiben; Prüfung der Rillen

DIN 2215 - Endlose Keilriemen; Maße

DIN 2217

Teil 1 - Keilriemenscheiben für klassische Profile; Maße, Werkstoff

Teil 2 - Keilriemenscheiben für klassische Profile; Prüfung der Rillen

DIN 2218 - Endlose Keilriemen klassische Profile für den Maschinenbau; Berechnung der Antriebe, Leistungswerte

DIN 7719

Teil 1 - Endlose Breitkeilriemen für industrielle Drehzahlwandler; Riemen und Rillenprofile der zugehörigen Scheiben

Teil 2 - Endlose Breitkeilriemen für industrielle Drehzahlwandler; Messung der Achsabstandsschwankung

DIN 7721

Teil 1 - Synchronriementriebe symetrische Teilung; Synchronriemen

Teil 2 - Synchronriementriebe, metrische Teilung; Zahnlückenprofil für Synchronscheiben

DIN 7753

Teil 1 - Endlose Schmalkeilriemen für den Maschinenbau; Maße

Teil 3 - Endlose Schmalkeilriemen für den Kraftfahrzeugbau; Maße der Riemen und Scheibenrillenprofile

Teil 4 - Endlose Schmalkeilriemen für den Kraftfahrzeugbau; Ermüdungsprüfung

DIN 7867 - Keilrippenriemen und -Scheiben

DIN ISO 5294 - Synchronriementriebe; Scheiben

DIN ISO 5296 - Synchronriementriebe; Riemen

ISO – International Organization for Standardization

ISO 155 - Verstellwege des Achsabstandes

ISO 254 - Qualität, Oberfläche und Auswuchten von Riemenscheiben

ISO 1081 - Terminologie von Keilriementrieben

ISO 1604 - Endlose Verstellgetrieberiemen und zugehörige Rillenprofile der Scheiben

ISO 1813 - Elektrische Leitfähigkeit für endlose Keilriemen (Profile Y bis E und SPZ bis SPC); Meßmethode und Grenzwerte

ISO 2790 - Schmalkeilriemen für die Automobilindustrie; Abmessungen

ISO 3410 - Endlose Verstellgetrieberiemen und zugehörige Rillenprofile der Scheiben für den Landmaschinenbau

ISO 4183 - Scheiben für klassische Keilriemen und Schmalkeilriemen

ISO 4184 - Klassische Keilriemen und Schmalkeilriemen; Längen

ISO 5287 - Schmalkeilriemen für die Automobilindustrie; Ermüdungsprüfung ISO 5292 - Industrielle Keilriementriebe; Leistungsberechnung

ISO 5294 - Synchronriementriebe; Scheiben

ISO 5295 - Synchronriementriebe; Leistungsberechnung und Berechnung des Achsabstandes

ISO 5296 - Synchronriementriebe; Riemen

ISO 8370 - Keilriemen und Keilrippenriemen; Bestimmung der Wirkzone

ISO 9010 - Synchronriementriebe; Automobilriemen

ISO 9011 - Synchronriementriebe; Automobilscheiben

ISO 9563 - Elektrische Leitfähigkeit von Synchronriemen; Meßmethode und Grenzwerte

ISO 9608 - Gleichförmigkeit von Keilriemen; Messung und Grenzwerte für Achsabstandsschwankungen

ISO 9980 - Keilriemenscheiben; geometrische Kontrolle der Rillen

ISO 9981 - Keilrippenriemen und -Scheiben für die Kraftfahrzeug-Industrie; Maße Profil PK

ISO 9982 - Keilrippenriemen und -Scheiben für industrielle Anwendungen; Maße Profil PH bis PM

Berechnungsbeispiel:

Aufgabe:

Ein Motor (n₁=1250 1/min, d_dk= 115mm) treibt eine Welle an, die 250 1/min machen soll. Berechne den Scheibendurchmesser der anzutreibenden Welle und das daraus resultierende Übersetzungsverhältnis, sowie die entstehende Riemengeschwindigkeit basierend auf den bekannten Daten.

geg: n₁=1250 1/min, : n₁=250 1/min, d_dk=115mm

ges: d_dg, i und v in m/s.

Berechnung:

d_dk * n₁ = d_dg * n₂

d_dg = (d_dk * n₁) / n₂

d_dg = (115mm * 250 1/min) / 115mm

d_dg = 575mm

i = n₁ / n₂

i = 1250 1/min / 250 1/min

i = 5 : 1

v = π * d_dk * n₁

v = π * 0,115m * 1250 1/min

v = 451 m/min

v = 7,5 m/s

Antwort:

Die Riementriebkonstruktion verfügt über einen Scheibendurchmesser der anzutreibenden Welle von 575mm einem Übersetzungsverhältnis von 5:1 sowie einer Riemengeschwindigkeit von 7,5 m/s

Berechnungsaufgabe

Berechne die theoretische Riemenlänge zur Beispielaufgabe, bei einem Achsabstand von 1150mm, die notwendig ist um eine Übertragung der Antriebskraft durch einen Keilriemen zu ermöglichen..

Antworten

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