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Mehrkeilriemen: Ein Mehrkeilriemen ist ein riemenförmiges, geschlossenes Band mit einer Reihe längs verlaufender, dreieckiger Keile, die an einer flachen Riemenbasis befestigt sind (siehe Abbildung 1). Seine wirksame Lauffläche bilden die Flanken der Keile; dadurch stellt er eine neuartige Form des Treibriemens dar. Indem er die Vorteile sowohl des Flachriemens als auch des Keilriemens übernimmt – aber auch deren Nachteile berücksichtigt – hat er sich in den letzten Jahren zunehmend verbreitet.
I. Eigenschaften von Mehrkeilriemenantrieben
1. Im Vergleich zu herkömmlichen Keilriemenantrieben bieten Mehrkeilriemenantriebe folgende Vorteile:
(1) Keilrippenriemen werden eingesetzt, um den Druck gleichmäßig über alle Kontaktflächen hinweg durch die Flüssigkeitsunverformbarkeit des Gummis zu verteilen (siehe Abbildung 2). Der Kontaktwirkungsgrad an der Keilfläche des Riemens und der Riemenscheibennut liegt nahe bei 100 %. Daher können Keilrippenriemen bei gleicher Breite wie Keilriemen 30–50 % mehr Last übertragen als herkömmliche Keilriemen.
(2) Aufgrund ihrer geringen Dicke weisen Keilrippenriemen nur einen minimalen wirksamen Riemenscheibendurchmesser (demin) auf, der ein Drittel oder ein Fünftel des Durchmessers einer normalen Keilriemenscheibe beträgt. Ihre Bauweise ist daher kompakter und kostengünstiger (die demin-Werte sind in Tabelle 2 angegeben).
(3) Keilrippenriemenantriebe vermeiden wirksam die Einschränkungen von Mehr-Keilriemen-Antrieben, darunter Vibrationen, ungleichmäßige Belastung und instabile Übersetzungsverhältnisse infolge von Längenänderungen der Riemen.
(4) Mehrkeilriemen weisen eine geringe Dehnung auf und verformen sich nicht plastisch („kriechen“) bei Überlastung. Die relative Bewegung zwischen den Keilen und den Rillen der Scheiben ist minimal, wodurch weniger Reibungswärme entsteht und sich die Lebensdauer von Riemen und Laufflächen der Scheiben verlängert.
(5) Mehrkeilriemen sind sehr flexibel und leicht, sodass bei der Kraftübertragung keine Leistung durch Biege- und Fliehkraftverluste verloren geht; die Übertragungseffizienz ist daher hoch.
2. Sie weisen die gleiche Flexibilität wie Flachriemenantriebe auf, was bedeutet, dass Spannrollen sowohl innen als auch außen am Mehrkeilriemen angeordnet werden können. Im Gegensatz zu Flachriemen können sie jedoch während des Betriebs nicht von der Scheibe ablaufen. Sie eignen sich für Hochgeschwindigkeitsübertragungen und erreichen Drehzahlen bis zu 10.000 min⁻¹ bei einem Übersetzungsverhältnis von 1:10.
3. Mehrfach-Keilriemenscheiben sind außerdem einfacher herzustellen und zu bearbeiten, da sie keine speziellen Werkzeuge oder Geräte erfordern, wie dies bei Synchronriemenantrieben der Fall ist. Die Einbauanforderungen sind geringer als bei Synchronriemen, wodurch sie von vielen Fabriken leicht übernommen werden können. Der Austausch von Synchronriemen durch Mehrfach-Keilriemen kann sehr kosteneffektiv sein, sofern die zulässigen Toleranzen bei den mechanischen Übersetzungsverhältnissen geringfügig sind.
II. Einführung in Mehrfach-Keilriemen und Scheibensysteme
1. Mehrfach-Keilriemen-Modelle und Querschnittsabmessungen
Keilrippenriemen werden aufgrund des verwendeten Materials in Gummiriemen und Polyurethanriemen eingeteilt. Gummikeilrippenriemen weisen eine höhere Wärme- und Lasttragfähigkeit als Polyurethanvarianten auf und werden daher häufiger eingesetzt. Die Gummikeilrippenriemen fallen gemäß ISO/DP 9982-1988 (siehe Tabelle 1) unter die Klassifizierung PH. PH-Riemen werden hauptsächlich in Büromaschinen und Messgeräten für den Antrieb zur Bewegungsübertragung verwendet. PK-Riemen haben einen spezifischen Einsatz im Automobilbereich, beispielsweise für den Lüfter-, Lichtmaschinen- und Wasserpumpenantrieb. PJ-, PL- und PM-Riemen finden breite Anwendung in allgemeinen industriellen Antriebssystemen. In einigen Ländern wie den Vereinigten Staaten und dem Vereinigten Königreich erfolgt die Bezeichnung von Mehrkeilriemen mit den Buchstaben H, J, K, L und M; die Grundriemengröße ist dabei der in Tabelle 1 angegebenen sehr ähnlich. Am verbreitetsten sind die Typen J und L. Obwohl es geringfügige Abweichungen bei den Querschnittsmaßen zwischen verschiedenen Ländern gibt, beeinträchtigt dies nicht die universelle Austauschbarkeit der Produkte. Bei M-Typ-Mehrkeilriemen ist der Keilwinkel in allen Ländern identisch und beträgt 40°, doch unterscheidet sich der Abstand zwischen den Keilen. Daher sind M-Typ-Mehrkeilriemen aus verschiedenen Ländern nicht immer miteinander kompatibel.
Die ISO-Kennzeichnung des Riemens besteht aus der Keilzahl, der Querschnittsart des Riemens und seiner wirksamen Länge. Als Beispiel wird ein Riemen vom Typ PM mit 10 Keilen und einer wirksamen Länge von 3550 mm als 10PM3550 gekennzeichnet; im Vereinigten Königreich und in den Vereinigten Staaten hingegen als 550M10.
Zur Messung der wirksamen Länge (L) des Riemens wird spezielle Messtechnik eingesetzt. Jedes Riememodell weist bezüglich des wirksamen Scheibendurchmessers (d) spezifische Werte auf, die bei der Messung ermittelt werden. Von Interesse ist die Tatsache, dass die von der ISO verwendete wirksame Länge (L) tatsächlich dieselbe Länge bezeichnet wie die in Ländern wie dem Vereinigten Königreich und den USA verwendete Bezeichnung „Teilungslänge“ (Pitch Length). Beide Begriffe beziehen sich auf den Umfang des Riemens am wirksamen Scheibendurchmesser d. Identische Normreihen für die Teilungslänge wurden im Vereinigten Königreich, in den Vereinigten Staaten, in Japan und anderen Ländern festgelegt, jedoch nicht in ISO/DP9982.
2. Riemenscheibentypen und Querschnittsabmessungen
Die Mehrkeilriemenscheiben werden gemäß ISO/DP9982 in fünf Typen eingeteilt; ihre Querschnittsabmessungen sind in Abbildung 4 und Tabelle 2 dargestellt.
Der Außendurchmesser (da) der Riemenscheibe kann (gemäß ISO-Angabe) dem wirksamen Durchmesser (d.) entsprechen oder davon abweichen. In anderen Ländern wie Großbritannien, den USA und Japan ist der Außendurchmesser der Riemenscheibe jedoch vollständig mit dem Teilungsdurchmesser vergleichbar. Es sei darauf hingewiesen, dass der von der ISO festgelegte wirksame Durchmesser und der in Ländern wie Großbritannien und den USA verwendete Teilungsdurchmesser tatsächlich ein und derselbe Durchmesser sind. Sowohl hinsichtlich der wirksamen Riemenlänge als auch des wirksamen Durchmessers sind die Angaben und Spezifikationen in der ISO streng definiert und präzise. Der Grund hierfür ist, dass der tatsächliche Teilungsdurchmesser (dp) einer Mehrkeilriemenscheibe in der neutralen Schicht des Riemens liegen muss, nachdem dieser auf der Scheibe montiert und ordnungsgemäß gespannt wurde, wie in Abbildung 5 gezeigt.
Auf Basis von Abbildung 5 lässt sich erkennen, dass die Teilungsdurchmesserkraft der Riemenscheibe mit der folgenden Gleichung berechnet wird:
Tabelle 2 zeigt die effektive Leitungsabweichung △e in der Formel.
Die Umfangsgeschwindigkeit (V) und das Übersetzungsverhältnis (i) des Riemens werden hauptsächlich auf Grundlage des Teilungskreisdurchmessers berechnet; die Gleichung lautet:
Dabei ist: dp1 der Durchmesser des Teilungskreises des kleinen Rades in Millimetern; n1 ist die Drehzahl des kleinen Rades in Umdrehungen pro Minute.
In der Gleichung beziehen sich die Indizes 1 und 2 jeweils auf das kleine und das große Rad.
Um übermäßige Biegespannungen im Riemen während des Transmissionsvorgangs zu vermeiden und die Lebensdauer des Riemens zu minimieren, hat die ISO den minimalen effektiven Durchmesser (dmin) jedes Riementyps gemäß Tabelle 2 festgelegt.
Bei der Bearbeitung zur Regelung der Nuttiefe bei einer Mehrkeilriemenscheibe ist der Außendurchmesser (d₂) des in die Nut eingelegten Messstabs (bzw. der Messkugel) gemäß Abbildung 6 zu bestimmen. Die Berechnungsformel lautet: d₂ = d + 2K.
Dabei sind k und d₉ des Messstabs (der Kugel) sowie K und d₉ in Tabelle 2 angegeben.
Wenn die Scheibe mit dₐ = d hergestellt wird, dann gilt: d₂ = dₐ + 2K. Die Grenzabmaße für d₂ betragen ±0,13 mm.
III. Anwendungen von Mehrkeilriemenantrieben
Mehrfach-Keilriemenantriebe werden in vielen Branchen im Ausland, beispielsweise in der Automobilindustrie, der Textilindustrie, der chemischen Industrie, der Verteidigungsindustrie, der Haushaltsgeräteindustrie und der Büromaschinenindustrie, weit verbreitet eingesetzt. Mehrfach-Keilriemenantriebe eignen sich besonders gut als Ersatz für Keilriemenantriebe bei Maschinen, die mit zahlreichen Keilriemen ausgestattet sind und starken Stoßbelastungen ausgesetzt werden. Dazu zählen Maschinen zur Zerschneidung von Lumpen, Altgarn und Schuhobermaterialien; schwerlastfähige Textilmaschinen sowie Kolbenpumpen. Darüber hinaus bietet der Austausch von Keilriemen- oder Flachriemenantrieben durch Mehrfach-Keilriemenantriebe bei Getrieben, bei denen die Achse der Radscheibe senkrecht zum Boden oder halbgekreuzt angeordnet ist, außergewöhnlich große Vorteile.
Die Betriebsparameter für Mehrfach-Keilriemenantriebe liegen allgemein wie folgt: Drehzahl n₁ = 200–10.000 min⁻¹; Leistung P₁ ≈ 0,2 kW bis 300 kW; Übersetzungsverhältnis i ≤ 10; der Wirkungsgrad des Antriebs liegt nahe demjenigen von Flachriemenantrieben, η ≈ 0,97.
Die Mehrkeilriemenantriebe haben bei den Entwicklungsprognosen für diese Technologie in China erhebliche Schwierigkeiten bereitet. Der Ersatz zahlreicher alternder Mehrkeilriemen an importierten Anlagen stellt insbesondere ein dringendes Problem dar. Nicht nur würde die lokale Fertigung konformer Mehrkeilriemen dem Land eine erhebliche Menge an Devisen ersparen, sondern auch die breite Anwendung der neuen Riemenantriebstechnologie in verschiedenen Branchen fördern. Dies würde das Wachstum und die Entwicklung der Riemenherstellungsindustrie in China aktiv vorantreiben.