Riementriebe
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Fertigstellung bis zum 28. Februar 2006
Datei:Riementrieb.jpg
Inhaltsverzeichnis
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
- Geräuscharmer Lauf (stoß und schwingungsdämpfend)
- Kein Schmierstoffbedarf
- Geringeres Gewicht/Leistungsübertragung
- Überlastungsschutz durch Reibschluss
- Sonderausführung mit variabler Übersetzung
Nachteile:
- Dehnung des Riemens Dehnschlupf (keine synchrone Übersetzung)
- Vorspannkraft des Riemens (zusätzliche Lagerbelastung)
- Riemenwerkstoff begrenzt Temperaturbereich
- Großer Platzbedarf
Frage: Welche Gründe sprechen für den Einsatz einer Riementriebkonstruktion gegenüber einem Kettentrieb?
Kraftschlüssige Riementriebe
Kraftschlüssige Riementriebe übertragen das Drehmoment durch die in der Kontaktfläche zwischen Riemen und Riemenscheibe wirkenden Reibkraft. Dies ist z.B. 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 oder Wippe bzw. betriebene Schiebe auf einen Spannschlitten vorsehen) oder durch Verwendung von Spannrollen erreicht wird. Die Spannrolle muss jeweils auf der unbelasteten Riemenseite in der Nähe der kleineren Riemenscheibe vorgesehen werden um den Umschlingungswinkel zu vergrößern. 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, da hierbei zwangsläufig durch die Dehnung des Riemens und der Umfangskraft ein ca. 2%´er Schlupf zwischen Riemen und Riemenscheibe auftritt. Das übertragbare Drehmoment berechnet sich bei kraftschlüssigen Riementrieben mit Hilfe der Gleichung. Hierfür müssen die Größe der Umschlingungswinkel, die Vorspannung und die in der Kontaktfläche vorhandenen Reibfaktoren bekannt sein. Ebenso ist die auftretende Biegefrequenz während des Umlaufs zu berechnen.
Riemenvorspannung
Riementriebbauarten
Frage: In welcher Weise findet bei kraftschlüssigen Riementrieben die Kraftübertragung statt?
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 Keilriemen, 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: Warum können die Scheibendurchmesser bei der Kraftübertragung durch Flachriemen kleiner sein?
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 es Unterschiede in der Normung gibt, DIN 7753 Teil 1/ISO 4184 Europäisch und RMA/MPTA Amerikanisch, wird ein Umrechnungsfaktor Ld auf La benutzt. 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
Datei:Aufbau von Keilriemen.jpg
Frage: Wodurch unterscheiden sich der Keilriemen von dem Flachriemen im Bezug zur Kraftübertragung?
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: In welcher Art und Weise findet bei formschlüssigen Riementrieben die Kraftübertragung statt?
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: Wodurch sind die Nachteile des Zahnriementriebes gegenüber des Kettenantriebes begründet?
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.
Berechnungsbeispiel:
Aufgabe:
Ein Motor (n1=1250 1/min, ddk= 115mm) treibt eine Welle an, die 250 1/min machen soll. Berechne ddg, i und v in m/s.
geg: n1=1250 1/min, : n2=250 1/min ddk=115mm
ges: ddg, i und v in m/s.
Berechnung:
ddk * n1 = ddg * n2
ddg = (ddk * n1) / n2
ddg = (115mm * 250 1/min) / 115mm
ddg = 575mm
i = n1 / n2
i = 1250 1/min / 250 1/min
i = 5 : 1
v = φ * ddk * n1
v = φ * 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
Übungsaufgabe
Berechne die theoretische Riemenlänge zur Beispielaufgabe, bei einem Achsabstand von 1150mm, die notwendig ist um eine Übertragung der Antriebskraft durch einen Keilriemen zu ermöglichen..
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