Riementriebe (2) 22.11.2014, 06:22

Bei Riemen unterscheidet man kraftschlüssige und formschlüssige Bauarten. Der vorliegende Beitrag geht auf Riemenspannkonstruktionen, Riemenbauformen, den Serpentinentrieb und die Normung von Riemen ein.

Riementriebe (2)

Müssen zwischen zwei Wellen Kräfte und Drehmomente übertragen werden, hat der Riementrieb gegenüber Zahnradtrieben Vor- und Nachteile. 

Vorteile: 

– Riemen laufen geräuscharm und dämpfen wegen ihrer Elastizität von außen kommende Kräfte
– Riemen können große Wellenabstände überbrücken
– Riemen laufen ohne Schmierung.

Nachteile: 

– Zahnlose Riemen arbeiten kraftschlüssig und laufen deshalb mit Schlupf, was bedeutet: Es lässt sich kein genaues Übersetzungsverhältnis einhalten 
– Riemen sind temperaturempfindlich
– Riemen-Spanneinrichtungen erzeugen zusätzliche Lagerbelastungen. 

Der formschlüssig arbeitende Zahnriemen läuft ohne Schlupf.

Bei einfachen Riementrieben erzeugt man die erforderliche Riemenspannung durch Spannschrauben, Spannrollen oder durch Schwenken des Antriebsmotors.

Riemenspannrollen

- vergrößern den Umschlingungswinkel; dadurch übertragen sie höhere Leistungen oder ermöglichen kleinere Bauteile  
- gleichen betriebsbedingte Längungen der Riemen aus  
- erlauben kurze Achsabstände
- reduzieren den Verschleiß am Riementrieb.

Riemenbauformen 

Flachriemen 

Die Mitnahmekraft des Flachriemens hängt ab von  
– der Spannkraft F  
– dem Reibwert η  
– der Größe des Umschlingungswinkels α. 

Gegenüber anderen Riemenarten haben Flachriemen den Vorteil, dass sie sich von einer auf der Welle befestigten Scheibe auf eine daneben befindliche durchdrehende Scheibe verschieben lassen und dadurch wie eine Kupplung wirken. Durch die geringe Riemenstärke sind sie sehr biegsam und der Scheibendurchmesser kann kleiner sein als bei Keilriemen. Um zu verhindern, dass der Riemen von den Scheiben abläuft, ist eine davon ballig ausgeführt: Der Riemen zentriert sich automatisch.

Keilriemen

Die keilförmigen Flanken bewirken, dass die Spannkraft F an den Riemenflanken hohe Mitnahmekräfte erzeugen. Weil die Normalkräfte F_N immer größer sind als die Spannkraft F, kann diese gering bleiben. 

Sind Keilriemen gezahnt, dann ist die Verwendung kleiner Scheibendurchmesser möglich. Aber auch ein gezahnter Keilriemen bleibt ein Keilriemen, weil er durch die Keilwirkung an den Flanken kraftschlüssig arbeitet. 

Durch die Dehnung des Riemenmaterials entsteht bei der Bewegungsübertragung ein Schlupf von etwa 2% zwischen Riemen und Riemenscheibe.

Keilrippenriemen (Bild)

Keilrippenriemen sind eine Mischform aus Flachriemen und Keilriemen. Der Riemen besitzt in Laufrichtung angeordnete Rippen, die von entsprechenden Rillen in der Riemenscheibe geführt werden. Die Zugkräfte werden von den im Riemenmaterial eingebetteten Zugsträngen übertragen.

Zahnriemen (Bild)

Zahnriemen vereinigen die Vorteile des Flach- und Keilriemens mit der Schlupffreiheit des Kettentriebs. Der Umschlingungswinkel des Riemens auf der verzahnten Riemenscheibe kann geringer sein als bei Keil- oder Flachriemen. In Fahrzeugen werden Zahnriemen für die Motorsteuerung eingesetzt. Die Kurbelwelle treibt den Zahnriemen an und dieser steuert über die Nockenwelle die Ventilbewegungen. 

Die Riemen können mit einer trapezförmigen Verzahnung oder mit kreisförmigen Mitnehmern (wie in den Bildern unten) ausgestattet sein.

Bild: 天然ガス: Offener Zahnriementrieb eines Motors mit zwei Nockenwellen (DOHC) (CC BY-SA 3.0)

Die Kraftübertragung übernimmt der im Zahnriemen eingebettete Zugstrang, der meist aus Glas- oder Aramidfasern besteht. Die Innenseite des Zahnriemens besteht aus abriebfestem Gewebe; es schützt die aus Elastomer bestehenden Zähne vor Verschleiß. Die exakte Einhaltung der Steuerzeiten verbietet jede Veränderung der Winkellage von Nocken- und Kurbelwelle.

Bei Sonderformen besitzt der Riemen sowohl innen als auch außen Zähne. Diese können jeweils unterschiedliche Abstände haben. Durch geeignete Umlenkungen und Zahnformen ist sehr unterschiedliches Verhalten des Getriebes möglich. 

Zahnriemen sind z. B. genormt in:

DIN ISO 5296: Zahnteilungen MXL, XXL, XL, L, H, XH, XXH
DIN 7721: Zahnteilungen T 2,5, T 5, T 10, T 20 (trapezförmige Verzahnung in metrischen Teilungen).
ISO 13050: Zahnteilungen H8M, H14M, S8M, S14M, R8M, R14M (kurvenförmige Verzahnungen mit metrischen Teilungen). 

Daneben gibt es eine Unzahl von Firmen-Normen. Solche findet man z. B. bei der Flender-Gruppe. Deren Katalog bietet auch Berechnungsgrundlagen an. Dort wird gesagt, für den Entwurf eines Keilriemenantriebs seien 4 Informationen nötig:
– Leistungsbedarf des Antriebs in kW
– Drehzahl der treibenden Scheibe 
– Drehzahl der getriebenen Scheibe
– ungefährer Achsabstand.

Wenn die Übertragung eines Drehmoments Vorrang vor präzisen Bewegungsübertragungen hat, dann bezeichnet man Zahnriemen auch als Treibriemen. Sie spielen etwa bei Motorrädern zunehmend eine Rolle als Antrieb des Hinterrads. Bei Fahrrädern hat sich der Treibriemen noch kaum durchgesetzt.

Der Serpentinentrieb

Moderne Pkw-Motoren sind mit so genannten Serpentinen-Trieben ausgestattet (Serpentine = Schlangenlinie). Dabei treibt ein einziger Keilrippenriemen mit automatischer Spannvorrichtung die Nebenaggregate (Lüfter, Wasserpumpe, Generator, Lenkungs-Servopumpe und Klimakompressor) an. Gegenüber einem Antrieb von mehreren Keilriemen bedeutet der Serpentinentrieb eine deutliche Platzersparnis und lässt so eine kompakte Bauweise zu.