Riemenarten
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Ein Riemen ist (in der Technik) ein länglicher Streifen aus einem flexiblen Material, dessen beide Enden verbunden sind und der zur Übertragung von Kräften oder Dreh-/Momenten (Transmission) eingesetzt wird. Es gibt verschiedene Riemenarten:
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[Bearbeiten] Keilriemen
Da die Reibung in einer keilförmigen Rille wesentlich höher ist als bei einer flachen Auflage, entstanden die Keilriemen. Diese bestehen aus Gummi mit einer Textil- oder Stahlseileinlage und werden endlos gefertigt. 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 es aufgrund der Ausdehnung jedoch wichtig, dass alle Riemen zugleich getauscht werden.
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. Aber ebenso wird er im Haushalt in Waschmaschinen zum Drehen der Trommel verwendet.
Normalerweise werden Keilriemen auf Riemenscheiben mit einem fixen Durchmesser verwendet. Man kann jedoch auch zwei konische Scheiben weiter zusammen oder auseinander schieben, so dass der Riemen weiter innen oder außen läuft. Es entsteht so ein verstellbares Getriebe. Eine dieser Bauformen, die sich drehzahlabhängig selbst nachstellt, ist auch unter der Bezeichnung Variomatic bekannt und wird bei Motorrollern eingesetzt.
Während Flachriemen nicht genormt sind, sind 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 [1] 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 nun 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 Weiterentwicklung des Keilriemens. Der Riemen besitzt Rippen, die in Längsrichtung verlaufen. Die Riemenscheibe weist entsprechende Rillen auf. Keilrippenriemen werden heute in sog. Serpentinentrieben zum Antrieb mehrerer Nebenaggregate (vgl. Nebenaggregat) (z.B. Kühlwasserpumpe, Klimakompressor, Lichtmaschine, Lenkhilfepumpe, usw.) verwendet, im Gegensatz zum Keilriemen können alle Aggregate mit einem Riemen angetrieben werden. Moderne Keilrippenriementriebe werden inzwischen auf eine Lebensdauer von 160.000 km ausgelegt, benötigen hierfür aber, im Gegensatz zum Keilriemen, der zumeist über bewegliche Aggregate gespannt wurde, automatische Spannsysteme, um unter allen Betriebsbedingungen eine möglichst konstante Riemenkraft gewährleisten zu können.
[Bearbeiten] Flachriemen
Flachriemen erreichen einen sehr hohen Wirkungsgrad, sind jedoch nur noch relativ selten anzutreffen.
Waren Flachriemen früher vorwiegend aus Leder hergestellt, sind sie heute aus Textilgeweben (Polyamid, Polyester oder Aramid), die zur Erhöhung der Reibungskoeffzienten beschichtet sein können. Die Lederriemen waren meistens an den Enden verschraubt (bei schwereren Riemen) oder die Enden wurden mit speziellen Klammern miteinander verbunden. Dies hatte den Vorteil, dass man sie auch an unzugänglichen Stellen auflegen konnte. Nur in seltenen Fällen wurden sie wie heutige Riemen geklebt.
Um zu verhindern, dass der Riemen von den Scheiben läuft, wird die Lauffläche der Scheibe nach außen gewölbt (ballig) ausgeführt; der Riemen zentriert sich so von selbst (später genormt in DIN 111).
siehe auch: Transmission (Maschinenbau)
[Bearbeiten] Zahnriemen
Eine Sonderform des Riemens, der für eine formschlüssige Kraftübertragung sorgt, ist der Zahnriemen (auch Synchronriemen). Dabei 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 oft geringere Lebensdauer zu nennen.
Die Kraftübertragung erfolgt dabei durch den im Zahnriemen vorhandenen Zugstrang, welcher meist aus Glasfasern oder Aramidfasern (seltener aus Stahlseilen) besteht. Auf der Innenseite des Zahnriemens ist ein abriebfestes Gewebe angebracht, um die aus Elastomer bestehenden Zähne vor Verschleiß zu schützen. Durch die Geometrie des Riemens und der Riemenscheibe kommt es zum Polygoneffekt.
Bei Sonderformen sind sowohl innen als auch außen auf dem Zahnriemen Zähne aufgebracht. Diese können jeweils unterschiedliche Abstände haben. Durch geeignete Umlenkungen und Zahnformen ist sehr unterschiedliches Verhalten des Getriebes möglich. Kombinationen mit Schnecken und Zahnstangen sind möglich.
[Bearbeiten] Ventilsteuerung
Eine typische Anwendung für Gummizahnriemen ist der Einsatz als Alternative zur Steuerkette für den Antrieb der Nockenwelle von der Kurbelwelle in Viertaktmotoren, vor allem in Kraftfahrzeugen. Da die Nockenwelle die Ventile steuert, ist es notwendig, dass sie genau die halbe Drehzahl der Kurbelwelle aufweist und sich die Phase nicht durch Schlupf verschieben kann.
Das Wechselintervall eines KFZ-Zahnriemens liegt typisch zwischen 40.000 und 120.000 km. Manchmal werden moderne Zahnriemen auf Motorlebensdauer ausgelegt und getestet, so dass bei diesen Fahrzeugen entweder kein Wechsel des Zahnriemens mehr vorgeschrieben ist, oder dieser erst bei hohen Laufleistungen (>160.000 km) erfolgen muss. Für die Haltbarkeit des Riemens ist auch die korrekte Spannung wesentlich, weshalb häufig die Spannmechanik (Rollen, Federn) mit gewechselt und die Spannung anschließend neu justiert werden muss. Aufwändig ist dies vor allem bei V-Motoren mit zwei Nockenwellen je Zylinderreihe (Alfa Romeo, Ferrari und Spitzenmodelle anderer Hersteller), da hier eine Vielzahl von Umlenkrollen zum Einsatz kommen.
Mit Kosten zwischen 250 und 1.000 € je Wechsel bildet der Zahnriemen ggf. einen nennenswerten Posten bei den Wartungskosten eines KFZ. Ein gerissener oder versetzt montierter Zahnriemen führt bei vielen Motoren zu starken Beschädigungen bis hin zum wirtschaftlichen Totalschaden, da Ventile und Kolben kollidieren können; dabei werden meist auch weitere Motorteile beschädigt. Davon nicht betroffen sind sogenannte Freiläufer, bei denen sich die Bewegungsräume von Kolben und Ventilen konstruktiv nicht überschneiden; dieses Bauprinzip ist jedoch vor allem bei älteren Motoren zu finden und findet kaum noch Anwendung.
Aus diesen Gründen sind einige Hersteller nach zwischenzeitlicher Umstellung auf Zahnriemenantrieb wieder auf die wartungsarme und durch Ölbad geschmierte Zahnkette zurück gegangen, so BMW bei den 6-Zylinder-Motoren.
[Bearbeiten] Weitere Verwendungen
Auch in Positioniersystemen mit Servomotoren wie Verpackungsmaschinen oder Industrierobotern kommen Zahnriemen zum Einsatz. Sie können ebenfalls (zweckentfremdet) als Raupen für kleine Fahrzeuge verwendet werden.
Ein weiteres Anwendungsgebiet findet sich bei Motorrädern, wo Zahnriemen zum Antrieb des Hinterrades verwendet werden, so bei Harley-Davidson, Kawasaki, Buell sowie der BMW F- und G-Reihe. Der Vorteil gegenüber den herkömmlichen Stahlketten besteht im Wegfall der Schmierung, was weniger Wartungsaufwand und längere Lebensdauer bedeutet. Weiterhin kann der Antrieb wegen der Elastizität des Riemens spielfrei konstruiert werden. Die höhere Baubreite und der geringe Leistungsverlust gegenüber einer Stahlkette fällt bei hubraumstarken Motoren wiederum kaum ins Gewicht.
[Bearbeiten] Keilflach-/Zahnflachriemen
Keilflach-/Zahnflachriemen sind eine Mischform aus Keil- beziehungsweise Zahnriemen und Flachriemen. Die Kraftübertragung funktioniert bei kleinen Riemenscheiben wie ein Keil- beziehungsweise Zahnriemen, bei großen Riemenscheiben wie bei Flachriemen.
[Bearbeiten] Rundriemen
Für kleine Kräfte werden häufig auch Rundriemen verwendet. Früher aus Lederstreifen hergestellt (zum Beispiel bei Nähmaschinen), kommen heute runde Kunststoffriemen zur Anwendung. Sie haben den Vorteil, dass sie sehr flexibel anwendbar sind. Sie werden beispielsweise bei Textilmaschinen oder in Mechaniken von Kassetten- und Videorekordern verwendet. Rundriemen ertragen hohe Geschwindigkeiten, haben eine ähnlich hohe Reibung wie Keilriemen, sind aber leichter zu kreuzen. Die Riemenscheiben müssen nicht unbedingt fluchten.
