Hans-Dietrich Zeuschner, 07.08

100 Biegewechsel in der Sekunde             

Keilriemen, ein Überblick

Vor rund 200 Jahren entwickelte der Forscher Eytelwein die Berechnungsgrundlagen für den Riementrieb. Seit etwa 80 Jahren kennt man im Maschinen- und Fahrzeugbau den Keilriemen. Sein „Gesicht“ hat sich  seither wesentlich verändert. Anfangs legte man noch großen Wert auf hohe statische Zerreißfestigkeit zumeist auf Kosten der Zerrüttungsfestigkeit. Denkt man an die damals üblichen Dimensionen, z. B. von Scheibendurchmessern und Achsabständen sowie an die niedrigen Drehzahlen, so ist das nicht verwunderlich. Diese Faktoren haben einen wesentlichen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit und die Lebenserwartung eines Keilriemens. Inzwischen wurden allgemein im Maschinenbau die Drehzahlen höher geschraubt und die Forderung nach kompakten Maschinen und damit auch Raum sparenden Antrieben laut.  

Als Folge dessen wurde der  Anteil an Textilien im Inneren des Keilriemens  reduziert und dafür der Gummianteil vergrößert. Durch diese Veränderung und erhebliche Verbesserungen in Bezug auf Werkstoff und Konfektion  hat der Keilriemen immer mehr an Bedeutung gewonnen und wurde zu dem heute auch einem technischen Laien nicht unbekanntem Maschinenelement.

 Nach den beiden Weltkriegen löste in vielen Fällen der klassische Keilriemen den Flachriemen ab,  in den sechziger Jahren eroberte der Schmalkeilriemen praktisch alle Zweige des Maschinenbaus. Heute ist dieses Maschinenelement an einer Vielzahl von stationären  Maschinen sowie im Kraftfahrzeug-, Land- und Baumaschinenbau  zu finden.  Vom Fachhandel angeboten werden die Bauformen Normal-, Schmal-, Breit-, Doppel-, Verbundkeilriemen, Keilrippenriemen. Hinzu kommen Sonderformen wie z.B.  Hochleistungs-Schmalkeilriemen - flankenoffen, formgezahnt. Sie sind im Hinblick auf  Riemengeschwindigkeit (bis 40 m/s) und  Biegefrequenz (bis 100 1/s) höher belastbar.

Anwendungsbeispiele nach optibelt

Funktion

Sowohl beim Flach- als auch beim Keilriemen geschieht die Kraftübertragung durch  Reibschluss (Kraftschluss). Im Gegensatz zum Flachriemen übertragen beim Keilriemen die seitlichen Begrenzungsflächen, kurz  „Flanken" genannt, die Kraft  auf die Seitenwände der Keilrillen der  Scheiben und umgekehrt.  Die hierfür erforderliche Anpresskraft d.h. die Normalkraft  wird durch Vorspannung des Riemens erzeugt. Sie richtet sich nach der Größe des zu übertragenden Drehmoments. Bei sachgemäßer Antriebsauslegung und einwandfrei gearbeiteten Scheiben kann mit einem Wirkungsgrad von mindestens 95% gerechnet werden. Die Anwendung von Riemenwachs etc., um die Haftreibung zu erhöhen, ist nicht nur überflüssig  sondern Verschleiß fördernd.

Keilriemenspannung

Das Dehnungsverhalten wird weitgehend vom Material des Zugstrangs und der Konstruktion bestimmt. In der Regel muss die Keilriemenspannung  das erste Mal nach einer kurzen Einlaufzeit  und bei nicht wartungsfreien Exemplaren danach in größeren Zeitabständen geprüft und gegebenenfalls korrigiert werden. Geschieht das nicht, so läuft man Gefahr, dass durch den erhöht auftretenden Schlupf der betreffende Keilriemen durch  Beschädigung der Gewebeumhüllung sowie übermäßige Wärmeeinwirkung frühzeitig ausfällt. Damit verbunden ist selbstredend eine erhebliche Verringerung des  Wirkungsgrades.  Als Faustregel gilt in Werkstattkreisen, dass die Vorspannkraft  beim Keilriemenantrieb mit festem Achsabstand  das 1,5fache der zu übertragenden Umfangskraft sein soll. Die Umfangskraft errechnet sich aus der  bekannten Formel.

Die Daumendruckmethode, um die  Keilriemenspannung  zu bestimmen (nicht zu messen), kennt jeder Monteur.  Bedeutend exakter kann die Spannung mit Hilfe von Spezialgeräten ermittelt  werden, die der Fachhandel anbietet.

Biegefrequenz-Spannrollen

Mit ausschlaggebend für die Lebenserwartung eines Keilriemens ist die Biegefrequenz,

 Wird eine von innen nach außen wirkende Spannrolle verwendet,  muss sich der Keilriemen  bei einem Umlauf dreimal krümmen und ebenso oft wieder strecken. Wird ein Keilriemen nun aber sogar durch eine Rückenspannrolle (von außen nach innen wirkend) gewissermaßen gegen seinen„natürlichen“ Aufbau gekrümmt, so wird die Lebenserwartung  herabgesetzt. Rückenspannrollen tragen nicht  zu Unrecht in Fachkreisen die Bezeichnung „Genickschussrolle". Für klassische Keilriemen DIN 2215 wird die Grenze der zulässigen Biegefrequenz zwischen 40 bis 60 1/s und für Schmalkeilriemen DIN 7753 zwischen 80 bis 100 1/s angegeben.

 Konstruktionsarten

Vorstehend ist bereits auf zwei verschiedene heute gebräuchliche Keilriemen-Bauarten hingewiesen worden, die sich durch ein unterschiedliches so genanntes Höhen- Breiten-Verhältnis unterscheiden. Um den Typenwirrwarr, der sich bei zunehmendem Bekannt werden des Antriebselementes durch die verschiedene Werksnormen ausbreitete, zu bereinigen, wurden die Keilriemen für den Maschinenbau, auch „Klassische Keilriemen" genannt, im Jahr 1940 genormt. Keilriemen nach DIN 2215 weisen ein Höhen-Breiten-Verhältnis von 1 : 1,6 auf.  Außer diesen Maßen sind im Normblatt für jedes Profil weitere Bestimmungsgrößen wie z. B. Nennlänge und Auslieferungstoleranz festgelegt. Die Nennlängen (Innenlängen) sind bei Keilriemen nach DIN 2215 nach Normzahlreihen gestaffelt. Normzahlen dienen zur Vereinheitlichung von Größen aller Art wie z.B. Abmessungen, Kräfte, Drehzahlen. Die Grundreihen sind gerundete Glieder dezimalgeometrischer Reihen.

Aus fertigungstechnischen Gründen ist ebenfalls  die Auslieferungstoleranz genormt.

Sie beträgt  +0,5% bis -1% von der Nennlänge. Will man in der Praxis z. B. einen Keilriemen vom Profil 32 mit einer Innenlänge von 3150 mm bestellen, so lautet die normgerechte Bezeichnung

            1 Stück Keilriemen 32 X 3150 DIN 2215.

Man kann dann einen Keilriemen erhalten, der entsprechend der genannten Auslieferungstoleranz eine effektive Innenlänge von 3150 - 32 = 3130 mm bis 3150+16 = 3166 mm aufweist.

Die effektive Innenlänge kann nur auf Spezialmessmaschinen, wie sie die Herstellerwerke oder Auslieferungslager besitzen, ermittelt werden. Die Messung mit dem Metermaß o. ä. liefert nur Anhaltswerte, gibt aber keinen genauen Aufschluss über die effektiv vorhandene Innenlänge.

Für Keilriemensätze besteht außer der genannten Auslieferungstoleranz eine Feintoleranz. Zusätzlich darf  der Keilriemen eines Satzes mit dem größten gemessenen Effektivmaß nicht mehr als 0,25% von dem Keilriemen mit dem kleinsten gemessenen Effektivmaß abweichen. Da aber jeder Keilriemen nur die Nennlänge, nicht aber die gemessene Effektivlänge als Bezeichnung trägt, erkennt man deutlich, wie wichtig es für die Lebenserwartung eines Keilriemens bzw. eines Keilriemensatzes ist, dass z. B. die Nachstellvorrichtung  richtig bemessen ist und nur ausgemessene gebündelte Keilriemensätze für mehrrillige Antriebe verwendet werden dürfen und nicht etwa nur der eine evtl. schadhafte Riemen ausgewechselt werden darf.

Ersatzbeschaffung

Um von einem stark verschlissenen und gerissenen Keilriemen die ursprüngliche Abmessung (nicht die effektive Länge) zu ermitteln, verfährt man am besten folgendermaßen: Mit dem Messschieber  werden Höhe und Breite des Profils an mehreren Stellen gemessen. Aus dem Normblatt oder der Ersatzteilliste  werden dann die Profilmaße ausgesucht, die den gemessenen Werten am nächsten liegen. Notfalls knn man sich auch, wenn keine Tabellenwerte vorhanden sind und man nur die  Breiten der Keilriemen kennt, die zugehörigen Höhen aus dem Höhen-Breiten-Verhältnis von 1: 1,6 (für  klassische Keilriemen  DIN 2215) errechnen. Die Nennlänge (Innenlänge) ermittelt man, indem man den gestreckten Keilriemen misst und von dem gemessenen Wert (es ist die Mittellänge) zwei Mal die Profil breite (ungefähr die Differenz von MitteI- und Innenlänge) sowie zusätzlich etwa 3% der gemessenen Länge (für vorhandene Dehnung) abzieht. Mit diesem Ergebnis sucht  man sich aus dem Normblatt 2215 oder aus der Angebots- bzw. Preisliste einer Herstellerfirma die nächstliegende Abmessung aus.

Benennungen

Übersicht 1

Bei optibelt  im Angebot:

Übersicht 1 - Riemenarten im Bild; vgl. auch Tabelle 1

Tabelle 2

Keilriemennormen

EIGENSCHAFTEN

 In den Prospektunterlagen sind u.a. folgende Stichworte zu finden:

Leistungsvermögen der Conti-Schmalkeilriemen

Obwohl das Maschinenelement Keilriemen auf allen Sektoren des Maschinen- und Fahrzeugbaus und darüber hinaus millionenfach im Einsatz ist, wird ihm in Fachbüchern wenig bis gar keine Beachtung gezollt. Sollte es daran liegen, dass das Informationsmaterial der Hersteller so informativ ist? Ich bedanke mich bei den Firmen Optibelt  und bei ContiTech für die  vorstehend verarbeiteten Informationen aus Prospekten und aus dem Internet. Dort sind ebenfalls vollständige Anleitungen zur Konstruktion von Keilriemenantrieben zu finden.

Hans-Dietrich Zeuschner

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Der Fachbeitrag wurde weder gekürzt noch inhaltlich verändert.

Wiesinger

30.11.2010