Riemenantriebe und ihre Klassifizierung | Kraftübertragung | Maschinenbau

Die Kraftübertragung mittels Riemenantrieb ist eine der gängigsten und am häufigsten verwendeten Methoden der Kraftübertragung, wenn zwei Wellen parallel (bis zu 10 m) zueinander verlaufen, wie in Abb. 9.1 gezeigt. Ein Riementrieb besteht aus zwei parallelen Wellen, auf denen jeweils eine Riemenscheibe montiert ist.

Ein endloser Riemen läuft über die Oberfläche der Riemenscheibe. Zwischen ihnen kann es zu Schlupf kommen, so dass man nicht von einem formschlüssigen Antrieb sprechen kann. Wenn der Riemen über die Riemenscheibe läuft, gibt es immer eine Reibung, die zwischen der Oberfläche der Riemenscheibe und der Oberfläche des Riemens in der entgegengesetzten Richtung der Bewegung wirkt. Der Riemen überträgt die Kraft nur durch Reibung. Das Riemenantriebssystem kann für große Achsabstände der Welle verwendet werden. Für eine effektive Übertragung sollte die Reibung zwischen der Riemenscheibenoberfläche und der Riemenoberfläche so hoch wie möglich sein.

Wie bekannt, ist die Reibung in den meisten Systemen nicht erwünscht und sollte so gering wie möglich sein.

1. Flachriemenantrieb:

Ein Riemen ist ein dünnes Band aus Leder, synthetischem Gummi, Segeltuch oder Faden, das in Gummi oder Balata eingebettet ist. Diese Riemen sind flach und im Querschnitt rechteckig. Die Gürtel werden endlos gemacht, indem die beiden Enden des Gürtels durch Stifte oder Nähte verbunden werden, wie in Abb. 9.2 gezeigt.

Das System kann für den Einzelantrieb oder den Gruppenantrieb eingesetzt werden. Der Einzelantrieb mit Riemen kann verwendet werden, wenn jede Maschine einen eigenen Elektromotor hat. Beim Gruppenantrieb treibt ein Hochleistungsmotor eine obenliegende Welle an, die Hauptwelle oder Antriebswelle genannt wird, und die Hauptwelle treibt eine andere Welle an, die Gegenwelle genannt wird und eine andere Maschinenwelle antreibt.

Die Drehkraft von der treibenden Scheibe auf die getriebene Scheibe wird durch die Reibung zwischen der Riemenoberfläche und der Scheibenoberfläche übertragen. Der Riemen hat zwei Seiten, eine Seite steht unter Spannung, die sogenannte Spannseite, und die andere Seite steht unter geringerer Spannung, die sogenannte Durchhangseite, wie in Abb. 9.3 gezeigt.

Die Spannseite (T1) und die lockere Seite (T2) des Riemens hängen von der Drehrichtung der Antriebsscheibe ab.

Vorteile und Nachteile von Flachriemen:

Vorteile:

i. Einfache Methode, universelle Anordnung, reibungsloser Betrieb, wenn das Band die richtige Größe hat.

ii. Niedrige Wartungskosten und lange Lebensdauer.

iii. Flexibilität ist mehr.

iv. Der Grad der Erschütterung ist geringer.

v. Geeignet für zwei parallele Schächte.

vi. Geeignet für große Abstände zwischen zwei mittig angeordneten Wellen.

Nachteile:

i. Der endlose Gürtel wird hergestellt, indem die beiden Enden durch Stifte verbunden werden. Der Riemen neigt dazu, in der Nähe der Verbindungsstellen beschädigt zu werden, was seine Lebensdauer verkürzt. Dies kann einen regelmäßigen Austausch des Riemens erforderlich machen.

ii. Das System ist nicht für Kurzstreckenwellen geeignet.

iii. Der Wirkungsgrad ist aufgrund von Schlupf und Kriechen geringer, wenn die Größe des Riemens nicht angemessen ist.

iv. Das System ist kein formschlüssiger Antrieb.

Flachriemen können auf zwei Arten angeordnet werden:

(a) Offener Flachriemenantrieb und

(b) Kreuz-Flachriemenantrieb.

(a) Offener Flachriemenantrieb:

Abbildung 9.3 zeigt eine Anordnung mit offenem Flachriemenantrieb. Es gibt zwei Riemenscheiben, die auf zwei parallelen Wellen montiert sind. Ein Flachriemen läuft gerade über die Riemenscheiben. Der Riemen läuft immer in dieselbe Richtung. Diese Anordnung ist am besten geeignet, wenn der Mittenabstand der beiden Wellen groß ist und beide Seiten des Riemens parallel zueinander verlaufen. Riemenscheibe A ist die treibende Riemenscheibe und B ist die getriebene Riemenscheibe, und sowohl A als auch B drehen sich im Uhrzeigersinn. Der untere Teil des Riemens ist die straffe Seite mit Spannung T1 und die obere Seite des Riemens ist die schlaffe Seite mit Spannung T2, so dass T1 > T2.

(b) Kreuz-Flachriemen-Anordnung:

Die Anordnung eines Kreuzflachriemens ist in Abb. 9.4 dargestellt. Sie wird verwendet, wenn zwei Wellen parallel zueinander stehen, aber in entgegengesetzter Richtung gedreht werden sollen. Die treibende Welle A wird im Uhrzeigersinn gedreht, während die getriebene Welle B gegen den Uhrzeigersinn gedreht wird. Der Achsabstand der beiden Wellen ist L.

In diesem Antriebssystem gibt es einen Kreuzungspunkt, an dem sich die Riemen kreuzen und durch die ständige Reibung während des Betriebs verschleißen. Dieser Effekt ist kontinuierlich. Die Reibungseffekte können jedoch vermieden werden, indem der Mittenabstand auf das 20-fache der Gurtbreite erhöht wird. Ein solches System ist geeignet, wenn das System mit niedriger Geschwindigkeit betrieben wird.

Bandschlupf:

Wenn der Reibungswiderstand zwischen der Riemenscheibenoberfläche und der Riemenoberfläche geringer ist, entsteht ein Unterschied in der relativen Bewegung zwischen den beiden Oberflächen, der als Riemenschlupf bezeichnet wird. Der Riemenschlupf kann als Differenz zwischen der linearen Geschwindigkeit der Riemenscheibenrandfläche und der Riemenfläche berechnet werden. Die übliche Methode ist die Messung in Prozent.

Riemenschlupf wird durch die folgenden Gründe verursacht:

(a) Kontinuierlicher Lauf des Riemens, Riemenscheibenrandoberfläche wird sehr glatt,

(d) Abnahme des Reibungskoeffizienten zwischen den beiden Oberflächen.

(c) Vergrößerung der Länge des Riemens durch ständigen Betrieb.

(d) Großer Unterschied in der Spannung zwischen der straffen Seite (T1) und der losen Seite (T2).

Kriechen im Riemenantrieb:

Kriechen wird durch die relative Bewegung eines Riemens oder einer Riemenscheibe verursacht. Es ist auf die zunehmende Länge des Riemens zurückzuführen. Während des Betriebs läuft der Riemen oder die Riemenscheibe ununterbrochen und der Riemen zieht sich abwechselnd zusammen und dehnt sich. Dadurch kommt es zu einem Leistungsverlust. Durch das Kriechen des Riemens kann weniger Wirkleistung übertragen werden und somit kommt es zu einer Verringerung des Drehzahlverhältnisses.

Jockey Pulley/Idle Pulley:

Eine kleine Riemenscheibe, die auf der schlaffen Seite des Riemens und näher an der angetriebenen Riemenscheibe B angebracht ist, wird Jockey-Riemenscheibe genannt (siehe Abb. 9.5). Die Riemenscheibe C ist die Jockey-Riemenscheibe und wird auch als Leerlaufscheibe bezeichnet.

Nachfolgend sind die Vor- und Nachteile einer Leerlaufscheibe aufgeführt:

(a) Sie erhöht die Spannung T2 auf der schlaffen Seite des Riemens.

(b) Sie vergrößert den Umschlingungswinkel.

(c) Er verringert den Schlupf.

(d) Er erhöht den Wirkungsgrad der Kraftübertragung.

(e) Es reduziert die Lebensdauer des Riemens, da die Spannung auf der losen Seite durch die Platzierung der Stützscheibe erhöht wird.

Gestuftes Riemenscheibensystem:

Bei einem gestuften Riemenscheibensystem wird eine einzelne Riemenscheibe in drei Stufen hergestellt, wie in Abb. 9.6(a) gezeigt. Sie ist aus Gusseisen hergestellt. Zwei solcher Riemenscheiben werden auf zwei parallele Wellen montiert, wie in Abb. 9.6(b) dargestellt.

In Abb. 9.6(b) ist A die Antriebswelle und B die Abtriebswelle. Die Wellen sind parallel zueinander angeordnet und so ausgerichtet, dass die größte Scheibe von A genau gegenüber der kleinsten Scheibe der angetriebenen Scheibe B liegt. Die Durchmesser aller Stufen von A und B sind so eingestellt, dass der gleiche Riemen verwendet werden kann. Die Anordnung ist nützlich, um das Geschwindigkeitsverhältnis durch Verschieben des Riemens von einer Stufe zur anderen zu ändern. Manchmal kann das System auch mit einer vierstufigen Riemenscheibe anstelle einer dreistufigen Riemenscheibe verwendet werden.

Konus-Riemenscheiben-Anordnung:

Bei dieser Art der Riemenscheibenanordnung sind zwei Wellen mit einem langen Kegelstumpf montiert, wie in Abb. 9.7(a) gezeigt, und sie werden parallel zueinander gehalten, aber in entgegengesetzter Richtung angeordnet. Eine vollständige Kegelscheibenanordnung ist in Abb. 9.7(b) dargestellt.

In einer solchen Anordnung ist A die treibende Welle und B die angetriebene Welle. Ein Flachriemen läuft über die Oberfläche des Kegelstumpfes in einer bestimmten Position entsprechend dem gewünschten Geschwindigkeitsverhältnis. Dazwischen befindet sich ein Riemenschieber „C“. Der Riemen kann verschoben werden, um das Geschwindigkeitsverhältnis in geeigneter Weise zu verändern. Die Anordnung ist sehr nützlich und wird häufig bei Drechslerarbeiten verwendet.

Verbundriemenantriebssystem:

Beim Verbundriemenantrieb hält eine bestimmte Welle zwei oder mehr Riemenscheiben. Eine solche Anordnung ist in Abb. 9.8(a) und 9.8(b) dargestellt.

Wie in den Abbildungen 9.8(a) und 9.8(b) gezeigt, ist bei der A-B-Kombination A die treibende Scheibe und B die angetriebene Scheibe. Bei der Kombination C-D ist C die treibende Scheibe und D die getriebene Scheibe. Wenn eine maximale Geschwindigkeitsreduzierung erwünscht ist, wird der Verbundriemenantrieb als die wichtigste Methode angesehen. Sie macht die größere getriebene Riemenscheibe überflüssig.

Bei dieser Kombination sind die Riemenscheiben B und C die Verbundscheiben, d. h., die Riemenscheibe C ist auf derselben Welle wie die Riemenscheibe B aufgekeilt. D ist eine weitere Riemenscheibe. Ein Riemen läuft über A-B und ein weiterer Riemen über C-D. Die Drehzahl der Riemenscheibe B (nb) und der Riemenscheibe C (nc) ist gleich, d. h. nb = nc.

Die Geschwindigkeit der Riemenscheibe D (nd) kann wie folgt berechnet werden:

wobei na, nb, nc und da, db, dc die Drehzahl und der Durchmesser der Scheiben A, B bzw. C sind; t ist die Riemendicke.

Schnelle und lockere Riemenscheibe:

In einer gut organisierten Werkstatt werden mehrere Maschinen von einer einzigen Hauptantriebswelle (der sogenannten Leitungswelle) angetrieben, und es kommt häufig vor, dass eine Maschine angehalten oder häufig betrieben werden muss. Um eine Maschine anzuhalten, muss die treibende Hauptwelle angehalten werden, was die Arbeit der anderen Maschinen behindert. Dieses Problem kann jedoch durch die Einführung der in Abb. 9.9 dargestellten Technik beseitigt werden.

Die Anordnung erleichtert es der Maschine, je nach Bedarf zu laufen oder anzuhalten. Abbildung 9.9 zeigt, dass die Kraft von der treibenden Riemenscheibe A auf die schnelle Riemenscheibe B mittels eines Riementriebs übertragen wird. Die Welle der schnellen Riemenscheibe ist mit der zu stoppenden Maschine verbunden. Daneben befindet sich eine freie/lose Riemenscheibe, die frei auf der Welle sitzt und sich frei drehen kann.

Wird der Riemen durch den Riemenschieber auf die frei drehende lose Scheibe umgelegt, wird die Drehung der schnellen Scheibe gestoppt und damit die Drehung der Maschinenwelle angehalten. Der Riemen läuft weiter, aber die schnelle Riemenscheibe wird frei und die Maschine stoppt schnell.

Symbole und Formeln, die für Flachriemen zu verwenden sind:

Wie in Abb. 9.10 dargestellt, nehmen wir A und B als zwei Riemenscheiben an.

Dann gilt:

da = Durchmesser der treibenden Riemenscheibe, m

db = Durchmesser der getriebenen Riemenscheibe, m

ra = Radius der treibenden Riemenscheibe

rb = Radius der getriebenen Riemenscheibe

na = Drehzahl der treibenden Riemenscheibe, U/min

nb = Drehzahl der getriebenen Riemenscheibe, U/min

m = Masse/Länge des Riemens (kg/m)

θa = Umschlingungswinkel an Riemenscheibe A

θb = Umschlingungswinkel an Riemenscheibe B

L = Achsabstand zwischen treibender und getriebener Riemenscheibe

L0 = Länge des Riemens bei offenem Riemenantrieb

Lc = Länge des Riemens bei Quer-Antrieb

T1 = straffe Seitenspannung

T2 = schlaffe Seitenspannung

T = maximale Riemenspannung = T1 + T2

T0 = Anfangsspannung des Riemens = (T1 + T2)/2

Tc = Zentrifugalspannung = mv2

Tco = Vorspannung unter Berücksichtigung der Zentrifugalspannung

= (T1 + T2 + 2Tc )/2

T1 – T2= Netto- oder effektive Spannung im Riemen

b = Breite des Riemens, m

t = Riemendicke

v = Geschwindigkeit des Riemens (m/s)

ωa = Winkelgeschwindigkeit der treibenden Riemenscheibe = 2Πna

ωb = Winkelgeschwindigkeit der getriebenen Riemenscheibe = 2Πnb

P = Übertragene Leistung (kW) = (T1 – T2)v/1000

2. Keilriemenantrieb:

Keilriemen eignen sich sehr gut für die Übertragung hoher Leistungen. Der Querschnitt eines Keilriemens ist trapezförmig, wie in Abb. 9.11 dargestellt. Er wird aus reinem Kautschuk/Synthesekautschuk mit faserigem Material, wie z. B. Tragschnüren aus Nylon, geformt, die eine faserige Festigkeit haben. Keilriemen werden von den Herstellern je nach dem betrachteten System wie eine Endlosschleife von begrenzter Länge aufgebaut.

Ein Keilriemen, der zur Übertragung eines hohen Drehmoments eng anliegend in einer Keilrillenscheibe läuft, ist in Abb. 9.12 dargestellt. Wie man sieht, berühren zwei Oberflächen des Keilriemens die Oberfläche der Keilrille, wodurch die Reibungskräfte zwischen dem Riemen und der Scheibe verbessert werden. Die Übertragungseffektivität ist bei diesem System deutlich verbessert.

Durch die hohen Reibungskräfte erhöht sich der Verschleiß des Keilriemens, was zu einer Verkürzung der Lebensdauer des Riemens führt. Die Hersteller produzieren Keilriemen in verschiedenen Größen, je nach Anforderung. Wenn ein Keilriemen für die Kraftübertragung verwendet wird, wird die Riemenscheibe mit einer keilförmigen Nut versehen, damit der Keilriemen in der Nut laufen kann.

Abbildung 9.13(a) zeigt eine Keilriemenscheibe, die die Leistung mit einem Keilriemen überträgt, und Abbildung 9.13(b) zeigt die Leistungsübertragung mit drei Keilriemen. Beim „Mehrkeilriemenantrieb“ können auch bei Ausfall eines Riemens die anderen Riemen Kräfte übertragen.

Ein Keilriemen hat folgende Eigenschaften:

(a) Keilriemen werden für die Übertragung großer Leistungen verwendet.

(b) Die Anzahl der Keilriemen auf einer Riemenscheibe hängt von der zu übertragenden Leistung ab.

(c) Ein Keilriemen kann bei geringem Achsabstand im Vergleich zu einem Flachriemen verwendet werden.

(d) Im Vergleich zum Flachriemen ist kein Schlupf vorhanden.

(e) Er kann in jeder Position und in jeder Richtung eingesetzt werden; sogar die Wellenachse kann geneigt sein.

(f) Die Installation des Keilriemens ist einfach.

(g) Der Austausch des Keilriemens ist einfach.

(h) Ein Keilriemenantrieb ist sehr effektiv und nimmt weniger Platz ein.

Einschränkungen des Keilriemens:

(a) Die Lebensdauer eines Keilriemens ist aufgrund von Verschleiß kurz.

(b) Er ist nicht sehr haltbar.

(c) Die Herstellung von Keilriemen ist kompliziert und erfordert eine besondere Technik.

(d) Wenn der Keilriemen beschädigt wird, ist der Austausch die einzige Alternative, was die Kosten erhöht.

(e) Keilriemen können in einem Geschwindigkeitsbereich von 5-50 m/s eingesetzt werden.

(f) Beim Austausch von Riemen müssen, wenn ein Riemen beschädigt wird, alle Riemen desselben Satzes ersetzt werden.