CH622323A5 - Driving device with a metal driving belt - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung mit einem Treibriemen aus Metall, insbesondere für die Kraftübertragung mit regelbarem Übersetzungsverhältnis mittels eines Treibriemens, welcher Treibriemen im Querschnitt trapezförmig ausgebildete Querelemente besitzt und zwischen Paaren von konischen Riemenscheiben aus Metall läuft, wobei der Abstand zwischen den Scheiben jedes Paares einstellbar ist. Bei derartigen bekannten Antriebsvorrichtungen wird das trapezförmige Querschnittsprofil des ganzmetallenen Treibriemens, der aus mehreren umeinander gelegten Bänder zusammengesetzt sein kann, z.B. durch eine ununterbrochene Reihe auf einem solchen in sich geschlossenen Tragriemen angeordnete Querelemente aus Metall bestimmt.

Nachstehend werden die bekannten Antriebsvorrichtungen mit Bezug auf einen Treibriemen der letzteren Art beschrieben. Wo also z.B. von «Trapezseiten» gesprochen wird, sind damit die seitlichen Endflächen der Querelemente des Treibriemens gemeint.

Die trapezförmig ausgebildeten Querelemente des Treibriemens werden im Betrieb zwischen die konischen Riemenscheiben geklemmt. Die Andrückkraft der Riemenscheiben jedes Paares gegen die Seiten dès Treibriemenprofils soll genügend gross sein, um einen Schlupf des Treibriemens in Bezug auf die Kegelscheibenoberfläche in jedem Betriebszustand, in dem ein solcher Schlupf unerwünscht ist, zu verhüten, namentlich während des Antriebs in einem bestimmten, eingestellten Übersetzungsverhältnis. Die Kontaktzone zwischen den seitlichen Endflächen der Querelemente und den Kegelflächen der Riemenscheiben verläuft grundsätzlich gemäss einer Linie, die für jedes einzelne Querelement nach der Kegelspitze gerichtet ist. Auf beiden Seiten dieser Linie sind die Querelemente über den Teil der Seitenoberfläche, wo sie die Riemenscheibe nicht direkt berühren, von der Kegeloberfläche durch keilförmige Spalten getrennt, welche bei guter Schmierung mit Öl gefüllt sind. Dadurch wird beim Schlupf leicht ein Ölfilm mit einem hydrodynamischen Druckaufbau darin zwischen den Seitenendflächen der Querelemente und Oberflächenbereiche der Riemenscheiben gebildet, welcher diese Metalloberflächen mehr oder weniger trennt. Demzufolge wird der Reibungskoeffizient herabgesetzt und die erforderliche Andruckkraft erhöht. Um einem fortwährenden Rutschen vorzubeugen, soll also dem durch die obengenannte Ursache entstandenen niedrigen Wert des Reibungskoeffizients Rechnung getragen werden. Dies bedeutet, dass die auftretenden Kräfte und Flächendrücke erhöht werden, was den Nutzeffekt und die Lebensdauer senkt.

Auch wenn kein Ölfilm durch eine relative Gleitgeschwindigkeit in der Bewegungsrichtung des Riemens auftritt, kann dieser dennoch durch den sogenannten «Puffereffekt», der im Nachstehenden noch erläutert wird, entstehen.

Es ist nun Aufgabe der Erfindung, diese Nachteile wenigstens grösstenteils zu beseitigen. Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung dadurch gelöst, dass die Seitenendflächen der Querelemente und/oder diejenigen Oberflächenbereiche der Riemenscheiben, welche mit den Querelementen im Betriebszustand in Berührung treten, eine poröse Struktur haben.

Durch diese Ausbildung wird erreicht, dass das unter Druck stehende Öl durch die oben angedeutete Keilwirkung und den Puffereffekt in die Oberfläche aufgenommen wird, so dass an erster Stelle der Puffereffekt verringert wird und direkter metallischer Kontakt entstehen kann, und dass beim eventuell entstandenen Rutschen der direkte Metallkontakt zwischen den aussenliegenden Teilen der porösen Oberfläche, gleich-mässig über die Berührungsoberfläche verteilt, aufrechterhalten bleibt und der Reibungskoeffizient nahezu nicht verringert wird.

Bei Reibungskupplungen ist es bekannt, die Oberflächen der Platten, die aufeinander ruhen, porös auszubilden. Auch hat man für die Kraftübertragung von einem Kegel auf einen ringförmigen Kegelteil die letztgenannte Oberfläche schon mit einer porösen Struktur versehen. Bei der vorliegenden Erfindung handelt es sich jedoch darum, dass bei einem Treibriemen mit durch Querelemente gebildetem trapezförmigem Profil die mit den schmalen Seiten der Querelemente in Berührung kommende Oberfläche von Kegelscheiben und/oder die Oberfläche dieser schmalen Seiten selbst porös ausgebildet wird. Zweckmässig weisen die konischen Oberflächenabschnitte der Riemenscheiben eine aufgesinterte oder aufgespritzte Körnerschicht aus Metall oder keramischem Material auf, wie z.B. Karbiden oder Oxyden. Nachstehend wird noch erläutert, dass das beabsichtigte Ergebnis hiermit besser erhalten wird, als wenn man z.B. eine mechanisch aufgerauhte oder durch Anordnung von kleinen Rillen aufgerauhte Oberfläche anwenden würde.

Bei einer guten Ausbildung des Treibriemens ist es gegebenenfalls möglich und erwünscht, die Flächendrücke auf den s

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Riemenscheiben so niedrig zu halten, dass bei Schlupf des Treibriemens kein Anfressen auftritt. Unter gewissen Umständen kann dann, mindestens während kurzer Zeit, Rutschen zugelassen werden, wie dies bei Änderung des Übersetzungsverhältnisses mit hydraulisch betriebenen und angedrückten Riemenscheiben vorkommen kann.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Kontaktes zwischen einem Riemenscheibenpaar und einem Querelement des Treibriemens, gesehen in einem vertikalen Schnitt durch die Achse der Scheiben;

Fig. 2 ein Querschnitt nach der Linie II-II der Fig. 1 in grösserem Masstab durch ein Querelement und die Riemenscheibenoberfläche;

Fig. 3 eine schematische Wiedergabe des Verlaufs des Reibungskoeffizienten als Funktion der Gleitgeschwindigkeit bei nicht porösen Oberflächen;

Fig. 4 eine schematische Wiedergabe des Verlaufs des Reibungskoeffizienten als Funktion der Gleitgeschwindigkeit bei porösen Oberflächen;

Fig. 5 eine Skizze zur Erläuterung des Auftretens des oben genannten Puffereffektes im allgemeinen, und

Fig. 6 eine Skizze zur Erläuterung des Puffereffekts bei einem zwischen kegelförmigen Riemenscheiben laufenden Treibriemen.

Die Fig. 1 zeigt im Querschnitt eine Riemenscheibe mit den beiden konischen Scheiben 1 und 2 und den dazwischen laufenden Treibriemen von trapezförmigem Querschnitt 3.

Dieses Profil 3 wird durch auf einem in sich geschlossenen metallenen Tragband oder Tragbandpaket (nicht abgebildet) angeordnete Querelemente aus Metall gebildet, wovon eines in Fig. 2 im Schnitt ersichtlich und mit 4 angedeutet ist. Ferner sind in Fig. 2 an beiden Seiten der Berührungslinie die schon genannten keilförmigen Rillen 6 und 7 zwischen den Seiten 8 der Querelemente und der Kegeloberfläche 9 ersichtlich.

In Fig. 3 ist auf der Y-Achse der Reibungskoeffizient als Funktion der auf der X-Achse eingesetzten Gleitgeschwindigkeit in m/sek bei Rutschen zwischen den einander berührenden Oberflächen bei konstanter Viskosität des Öls eingesetzt. Die ausgezogene Linie h zeigt die Funktion für hohe Belastung, die Strichpunktlinie m für mittelschwere und die Strichlinie 1 für niedrige Belastung.

Die Zone a gilt beim Auftreten eines vollständigen Kontaktes von Metall auf Metall, die Zone b für gemischte Schmierung und die Zone c für vollständige hydrodynamische Schmierung.

Aus Beobachtungen in der Praxis ist es bekannt, dass bei sogenannten V-Riemen aus Metall der Wanderschlupf sich abhängig von der Belastung auf 0,1 % bis 1 % belaufen kann; bei Riemengeschwindigkeiten von 10 bis 30 m/sek kann dann die Wandergeschwindigkeit 0,01 bis 0,3 m/sek betragen und der Reibungskoeffizient kann dabei von 0,12 bis 0,03 variieren.

Die Fig. 5 erläutert das Entstehen des in der Einleitung genannten Puffereffekts, wenn ein Körper 4 sich einem anderen Körper 2 mit einer ausgebauchten Oberfläche senkrecht nähert (gemäss Pfeil P). Das Öl in der Rille 6, 7 (vgl. Fig. 2) zwischen den Körpern muss dann weggedrückt werden. Durch den Widerstand, den das Öl hierzu leistet, entsteht in dem Ölfilm ein Druckaufbau, der zur Folge hat, dass es eine gewisse Zeit dauert, bis die zwei Körper einander berühren. Solange die Körper einander nicht berühren, ist der Reibungskoeffizient derselbe des Ölfilms, der von der Viskosität und dem Druck abhängig ist. Dieser Reibungskoeffizient beträgt etwa 0,005 bis 0,05.

Je nachdem der Keilverlauf schwächer und länger ist, die Näherungsgeschwindigkeit der Körper und die Viskosität des Öls grösser, wird der Druck im Ölfilm grösser und es dauert länger, bis die Körper einander berühren und der Reibungskoeffizient dem der beiden Körper gleich wird.

Fig. 6 zeigt eine Ansicht gegen die kegelförmige Seite einer Riemenscheibe 1, zwecks Erläuterung, dass bei einem Treibriemen derselbe Effekt auftritt. Der Treibriemen bewegt sich in Richtung des Pfeils PI und die Scheibe rotiert in Richtung des Pfeils P2.

Ein Element C des Riemens und ein Element D der Riemenscheibe 1 werden sich bei E berühren. Zufolge der V-Form haben diese beiden Teile eine relative senkrechte Näherungsgeschwindigkeit, wodurch oben genannter Puffereffekt entsteht.

Je nachdem der Keilwinkel ß des Riemens (s. Fig. 1) kleiner wird, wird der Keil schlanker und je nachdem die Dicke des Stützelements 4 grösser wird, wird der Keil länger; in beiden Fällen wird der Puffereffekt gesteigert.

Es stellt sich nun heraus, dass durch die oben genannte Keilwirkung und durch den Puffereffekt das unter Druck gebrachte Öl in die gemäss der Erfindung poröse Oberfläche aufgenommen wird, so dass an erster Stelle der Puffereffekt sich verringert und ein direkter metallischer Kontakt entstehen kann, der bei etwaigem Schlüpfen mit einem sich nahezu nicht verringernden Reibungskoeffizient aufrechterhalten bleibt, wie in Fig. 4 wiedergegeben ist.

Die poröse aufgesinterte oder aufgespritzte Metallkörnerschicht soll vorzugsweise eine Stärke von mindestens V2 mm haben. Man könnte hier auch eine durch «Aufrauhen» oder durch Anordnung kleiner Rillen aufgerauhte Oberflächenstruktur in Betracht ziehen, jedoch kann das öl hierbei nicht in der Oberfläche verschwinden, so dass sich als Resultat nur ergeben würde, dass der hydrodynamische Druckaufbau etwas niedriger wird. Bei Anwendung der Erfindung hingegen lassen sich bei guter Wahl der porösen Struktur die Keil- und Puffereffekte jedoch praktisch gänzlich beseitigen.

Günstig ist eine Porosität von 15% bis 40%, d. h., dass das Volumen der porösen Schicht für 15% bis 40% nicht aus Metall besteht. Die Korngrösse der porösen Schicht soll vorzugsweise zwischen 0,07 und 0,5 mm liegen.

Zum Erreichen der wünschenswertesten Resultate sind Härte, Verschleissfestigkeit und Glätte der porösen Struktur der Oberflächen wichtig.

In der Praxis wird eine Härte angewandt, welche mindestens übereinstimmt mit derjenigen von gehärtetem, legiertem Stahl, ausgedrückt in Rockwell-Einheiten, und zwar vorzugsweise eine Härte grösser als HRE 53.

Weil der Riemen das leichtest ersetzbare Element der Vorrichtung bildet und deshalb insbesondere Anfressen der Kegel-scheibenoberflächenbereiche vermieden werden muss, wird für die miteinander in Berührung kommenden Oberflächenbereiche die Härte der Oberflächenbereiche auf dem Riemen ein Wert gewählt, der vorzugsweise 3 bis 10 Einheiten niedriger liegt.

Weiter ist die Verschleissfestigkeit der porösen Oberflächenbereiche von besonderer Wichtigkeit für die Riemenscheiben, während für die Arbeitsflächen der Querelemente die Glätte der porösen Oberfläche von ausschlaggebender Bedeutung ist.

Der Verschleiss von zwei Metallen, die aneinander gleiten, ist von dem Schmierungszustand und der Oberflächenbeschaffenheit, dem Flächendruck und der Gleitgeschwindigkeit zwischen den Kontaktflächen, sowie von der Materialkombination abhängig.

Mit verschleissfest wird hier gemeint, dass nach tausenden Betriebsstunden die Verringerung der Dicke der einander berührenden gehärteten Oberflächen unter Mischschmierungs-

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Verhältnisse einige Hundertstel bis höchstens 0,1 mm beträgt.

Wo obenstehend von einer glatten Oberflächenschicht die Rede ist, wird gedacht an Höchstrauhheiten ( = Distanz zwischen den höchsten und tiefsten Teilen der Oberfläche) von 0,25 bis 1,5 Mikrometer.

Je nachdem man für die Bildung eines porösen Oberflächenbereiches ein Metallkorn mit niedrigerem E-Modul wählt, entsteht in gesintertem oder aufgespritztem Zustand eine grössere Kontaktflächenbreite. Dies führt zu Ermässigung der s Druckspannung auf der Oberfläche der Riemenscheiben.

1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

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1. Antriebsvorrichtung mit einem Treibriemen aus Metall, insbesondere für die Kraftübertragung mit regelbarem Übersetzungsverhältnis mittels eines Treibriemens, welcher Treibriemen im Querschnitt trapezförmig ausgebildete Querelemente besitzt und zwischen Paaren von konischen Riemenscheiben aus Metall läuft, wobei der Abstand zwischen den Scheiben jedes Paares einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenendflächen der Querelemente (3) und/oder diejenigen Oberflächenbereiche der Riemenscheiben (1, 2), welche mit den Querelementen im Betriebszustand in Berührung treten, eine poröse Struktur haben.

2. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die konischen Oberflächenabschnitte der Riemenscheiben (1,2) eine aufgesinterte oder aufgespritzte Körnerschicht von Metall oder keramischem Material, wie z.B. Karbiden oder Oxyden, aufweisen.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese Oberflächenbereiche eine poröse Struktur mit einer Dicke von mindestens V2 mm aufweisen.

4. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese Oberflächenbereiche eine poröse Struktur mit einer Porosität von 15 bis 40% aufweisen.

5. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese Oberflächenbereiche eine poröse Struktur mit einer Härte von über HRE 53 besitzen.

6. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, bei welcher die Seitenendflächen und die Oberflächenbereiche eine poröse Struktur aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass von den im Betriebszustand miteinander in Berührung tretenden porösen Strukturen diejenige der genannten Oberflächenbereiche der Riemenscheiben (1, 2) eine grössere Verschleissfestigkeit und eine geringere Glätte besitzt als diejenige der Seitenendflächen der Querelemente (3).

7. Vorrichtung nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die die Härte der porösen Struktur der Seitenendflächen der Querelemente (3) des Treibriemens bestimmende HRE-Härtezahl 3 bis 10 Einheiten niedriger ist als diejenige der porösen Struktur der genannten Oberflächenbereiche der Riemenscheiben (1, 2).

8. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rauheit der mit den Riemenscheiben (1,2) im Betriebszustand in Berührung tretenden Oberflächenschicht des Treibriemens höchstens 0,25 bis 1,5 Mikrometer beträgt.