DE102005018724B4 - Verfahren zur Auslegung eines Riementriebs - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Auslegung eines Riementriebs mit einem Endlosriemen (5) und zumindest zwei Riemenscheiben (1), insbesondere für Nebenaggregate (9) von Verbrennungskraftmaschinen, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslegung unter Berücksichtigung der Betriebsbedingungen, insbesondere der Betriebstemperatur erfolgt, wobei die Wirklänge (Lw) des Endlosriemens (5) unter Berücksichtigung eines auf den Nennbetriebspunkt unter Betriebstemperatur abgestimmten Vorspannwertes (FTrum) auf eine Wirklänge ohne Vorspannung (Lw,o) umgerechnet wird, wobei nachfolgend die Umrechnung von der Wirklänge ohne Vorspannung (Lw,o) auf eine Bezugslänge ohne Vorspannung, jedoch weiterhin bei Betriebstemperatur (LB,0/70°C) durchgeführt wird, wobei aus der Bezugslänge ohne Vorspannung bei Betriebstemperatur die tatsächliche Bezugslänge (LB) unter genormten Prüfbedingungen berechnet wird.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auslegung eines Riementriebs mit einem Endlosriemen und zumindest zwei Riemenscheiben, insbesondere für die Nebenaggregate von Verbrennungskraftmaschinen, sowie einen Riementrieb, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgelegt ist.
• Die konstruktive Auslegung von Riementrieben ist allgemein bekannte Lehre des Maschinenbaus. So wird beispielsweise in der Druckschrift DE 195 31 281 C1 ein längselastischer Riemen für einen Riemenantrieb mit einer strangförmigen oder textilen Einlage als Zugträger offenbart, wobei der Riemen mit einer Vorspannung versehen wird. Ein weiterer Riementrieb ist aus DE 21 12105 A bekannt. Die Auslegung von Riementrieben wird in der 16. Auflage des Dubbel auf den Seiten G95 bis G100 erörtert.
• Die Anforderungen an Riementriebe, insbesondere für die Nebenaggregate von Verbrennungskraftmaschinen im Fahrzeugbau sind in den vergangenen Jahren stetig gestiegen. Die Leistungsaufnahme der Nebenaggregate steigt ebenso wie Ihre Anzahl.
• Bei Riementrieben mit langen Riemen und zahlreichen Umlenkstellen können Vibrationen zu Störungen im Betrieb führen, wie beispielsweise Schlupf und so Drehzahlschwankungen der Aggregate und unerwünschte Geräuschentwicklungen des Riementriebs auslösen.
• Um dem zu begegnen werden immer umfangreichere Systeme zum Nachspannen von Riementrieben während des Betriebs eingesetzt. Diese nehmen erheblichen Platz in Anspruch, der insbesondere im Fahrzeugbau kaum zur Verfügung steht. Des Weiteren sind größere Systeme auch schwerer und teurer.
• Es ist daher Aufgabe dieser Erfindung, das Verfahren zur Auslegung eines Riementriebs so zu verbessern, dass die Störungen im Betrieb des Riementriebs verringert werden.
• Dies gelingt mit dem Verfahren mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1. In dem untergeordneten Anspruch 2 ist eine vorteilhafte Ausführungsform des Verfahrens beschrieben.
• Es wurde festgestellt, dass ein Riementrieb, dessen Auslegung unter Berücksichtigung der Betriebsbedingungen, insbesondere der Betriebstemperaturen entsprechend diesem Verfahren erfolgt, störungsärmer läuft, insbesondere weniger zu Schlupf neigt und dementsprechend weniger nachgespannt werden muss.
• Im ersten Schritt des Auslegungsverfahrens werden die Aggregate positioniert und die Dimensionierung der Riemenscheiben entsprechend den erforderlichen Übersetzungsverhältnissen festgelegt. In axialer Richtung werden die Riemenscheiben möglichst fluchtend angeordnet.
• Vorzugsweise werden die axialen Positionen der Riemenscheiben so festgelegt, dass sich insbesondere unter Betriebsbedingungen eine möglichst fluchtende Anordnung einstellt. Insbesondere wird die temperaturbedingte Axialverschiebung der Riemenscheiben, die sich aus der summierten Längenänderung der Aggregate, Wellen und Scheiben ergibt, ausgeglichen, beispielsweise durch einen entsprechenden Vorhalt. In kaltem Zustand, beispielsweise bei stehendem Motor oder kurz nach Betriebsbeginn, weisen die Scheiben dann einen gewissen Versatz auf, der durch die Axialverschiebung bei Betriebstemperatur ausgeglichen wird.
• Dadurch stellt sich unter Betriebsbedingungen, insbesondere unter dem Einfluss der Betriebstemperatur, eine besser fluchtende Anordnung ein und damit ein störungs- und verschleißärmerer Lauf des Riementriebs.
• Besonders bevorzugt wird die Axialverschiebung an jedem Aggregat des Riementriebs individuell ermittelt um den jeweils unterschiedlichen Temperaturverhältnissen und/oder materialbedingten Ausdehnungsverhalten Rechnung zu tragen.
• Auf Basis der festgelegten Geometrie des Riementriebs wird die Wirklänge, also die Länge der biegeneutralen Faser des Riemens, ermittelt.
• Erfindungsgemäß wird die Wirklänge des Endlosriemens unter Berücksichtigung der Betriebsbedingungen ermittelt, insbesondere wird beispielsweise die Längendehnung des Riemens unter den Temperaturbedingungen im Betrieb und/oder der auf die Betriebsbedingungen abgestimmten Vorspannkraft berücksichtigt.
• Ein Riementrieb, dessen Endlosriemen eine Wirklänge aufweist, die auf die Betriebsbedingungen des Riementriebs abgestimmt ist, läuft störungsärmer. Es tritt beispielsweise weniger Schlupf, der durch zu lange Riemen begünstigt wird, auf. Ebenso wird die verschleißträchtige Überbeanspruchung aller Komponenten durch zu kurze Riemen vermieden.
• Dadurch können beispielsweise vorteilhaft die dynamischen Spannsysteme, die zur Kompensation solcher Störungen eingesetzt werden, kleiner ausgelegt werden, oder gegebenenfalls ganz entfallen.
• Weiterhin bevorzugt werden beispielweise die Verfahrensschritte der Positionierung und Dimensionierung der Riemenscheiben, sowie die Auswahl eines Endlosriemens von geeigneter Wirklänge, iterativ wiederholt, um einen auf die Riemenscheiben angepassten Endlosriemen mit einer bestmöglich auf den Betriebszustand abgestimmten Länge zu ermitteln.
• Abschließend erfolgt die Auswahl eines handelsüblichen Endlosriemens für den Riementrieb, bei dem in der Regel die sogenannte Bezugslänge als kennzeichnendes Maß angegeben ist. Dabei handelt es sich um eine Länge, die der Riemen unter genormten Prüfbedingungen einnimmt. Sie ist unabhängig von der biegeneutralen Faser des Riemens, die die Wirklänge bestimmt.
• Es ist weiterhin bevorzugt, aus der zuvor ermittelten Wirklänge unter Betriebsbedingungen des Endlosriemens eine Bezugslänge zu berechnen, wobei in der Berechnung die Materialeigenschaften des jeweiligen Riemens berücksichtigt werden, insbesondere unter Betriebsbedingungen und/oder unter den genormten Prüfbedingungen.
• Die zu berücksichtigenden Betriebsbedingungen sind insbesondere die Betriebstemperatur und der auf die Betriebsbedingungen abgestimmte Vorspannwert des Riementriebs. Bedingt durch die Materialeigenschaften des Riemens, beispielsweise die temperaturbedingte Längenänderung und/oder die ebenfalls temperaturabhängige Änderung der Elastizität, wird dieser unter den genormten Prüfbedingungen zur Ermittlung der Bezugslänge eine andere Länge aufweisen, als unter Betriebsbedingungen.
• Die Berechnung wird in den folgenden drei Schritten durchgeführt.
• Die Wirklänge Lw wird unter Berücksichtigung eines auf den Nennbetriebspunkt unter Betriebstemperatur abgestimmten Vorspannwertes F_Trum auf eine Wirklänge ohne Vorspannung L_W,0 nach folgender Beziehung umgerechnet: $$L_{W\mathrm{,0}}=\frac{L_W}{1+\frac{F_{Trum}}{E{A}_{70°C}}}$$

  
• Nachfolgend wird die Umrechnung von der Wirklänge ohne Vorspannung L_W,0 auf eine Bezugslänge ohne Vorspannung, jedoch weiterhin bei Betriebstemperatur L_B,0/70°C, durchgeführt. Die Betriebstemperatur beträgt beispielsweise 70 °C. In diesen Rechenschritt fließt ausschließlich der geometrische Unterschied zwischen Wirk- und Bezugslänge ein. $$L_{B\mathrm{,0}/70°C}=L_{W\mathrm{,0}}-2\cdot h_B\cdot \pi$$

  
• Aus der Bezugslänge ohne Vorspannung bei Betriebstemperatur, beispielsweise 70 °C L_B,0/70°C wird die tatsächliche Bezugslänge L_B unter genormten Prüfbedingungen, d.h. bei einer definierten Messkraft F_Prüf bei 20 °C berechnet. $$L_B=k_{Temp}\cdot L_{B\mathrm{,0}/70°C}\cdot \left(1+\frac{F_{pr\ddot{u}f}}{2\cdot E{A}_{70°C}}\right)$$

  
• Darin bedeuten:

Lw

Wirklänge des Riemens unter Betriebsbedingungen,

Lw,o

Wirklänge des Riemens ohne Vorspannung, bei Betriebstemperatur,

LB,0/70°C

Bezugslänge des Riemens ohne Vorspannung, bei Betriebstemperatur,

LB

Bezugslänge gemäß Norm,

FTrum

Trumkraft des Riemenspanners unter Betriebsbedingungen,

FPrüf

Prüfkraft gemäß Norm,

EA70°C

Riemensteifigkeit bei Betriebstemperatur, beispielsweise 70 °C, E: Elastizitätsmodul des Riemens, A: Riemenquerschnitt,

hB

Bezugsliniendifferenz von Wirk- und Bezugsdurchmesser einer Riemenscheibe laut Norm,

kTemp

Korrekturfaktor für die Temperaturdifferenz, hier zwischen Betriebstemperatur, z.B. 70 °C und Raumtemperatur, laut Norm 20 °C.

• Der Fachmann versteht, dass die Materialeigenschaften eines Endlosriemens unter bestimmten Betriebsbedingungen beispielsweise von der eingesetzten Gummimischung und/oder den in den Zugsträngen verarbeiteten Fasern abhängig sind. So weisen beispielsweise Endlosriemen verschiedener Hersteller unter Umständen eine unterschiedliche Temperaturabhängigkeit auf. Darüber hinaus legen die einschlägigen Normen die Geometrie des Riemenquerschnitts nicht vollständig fest. Diese hat jedoch ebenfalls Einfluss auf das Längendehnungsverhalten des Riemens unter Zugbeanspruchung.
• Aus den vorgenannten Gründen wird die Berechnung der Bezugslänge erfindungsgemäß auch für einen bereits bestehenden Riementrieb erneut durchgeführt, wenn beispielsweise eine Änderung der Qualität oder des Herstellers des Riemens vorgesehen ist.
• Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Riementrieb mit einem Endlosriemen zur Verfügung zu stellen, der weniger Störungen im Betrieb, wie beispielsweise Schlupf aufweist als Riementriebe nach dem Stand der Technik, bzw. bei dem kleinere oder keine dynamischen Spannsysteme eingesetzt werden.
• Dies gelingt mit einem Riementrieb der eingangs beschriebenen Art, der die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 3 aufweist. Eine bevorzugte Ausführungsform ist in Unteranspruch 4 formuliert.
• Der erfindungsgemäße Riementrieb weist einen Endlosriemen auf, dessen Wirklänge vorzugsweise auf die tatsächlichen Bedingungen bei laufendem Motor abgestimmt ist. Insbesondere ist der Riemen beispielsweise unter Betriebstemperatur und/oder unter einem auf die Betriebsbedingungen abgestimmten Vorspannwert gerade so längengedehnt, dass er vorzugsweise die vorgegebene Wirklänge aufweist und besonders bevorzugt eine Wirklänge aufweist, bei der der Riementrieb besonders störungsfrei läuft, also weder zu Schlupf neigt, noch zu stark gespannt ist.
• Durch einen Riementrieb mit verringerter Schlupfneigung, bzw. verringertem Lasteintrag durch zu hohe Spannung, bietet sich vorteilhaft die Möglichkeit, den Aufwand zum Nachspannen bzw. zum dynamischen Spannen des Endlosriemens zu verringern. Beispielsweise kann das dynamische Spannsystem einen kleineren Spannbereich aufweisen und damit auch eine verringerte Baugröße und geringeres Gewicht.
• In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Riementriebs entfällt das dynamische Spannsystem. Störungen, die im Betrieb eines Riementriebs von außen einwirken, wie beispielsweise Drehzahlschwankungen und/oder Vibrationen, können bei einem erfindungsgemäßen Riementrieb ganz besonders bevorzugt durch einen Riemen mit entsprechenden Eigenschaften selbst ausgeglichen werden.
• Sogenannte Elast-Riemen beispielsweise weisen eine Kraft-Dehnungs-Kennlinie auf, die in verschiedenen Teilbereichen unterschiedlich steil ist. Sie sind zugsteif im Bereich der vorgesehenen Riemenspannung und elastischer bei höheren Zugbeanspruchungen. Ein solcher Riemen ist in der deutschen Patentschrift DE 195 31 281 C1 beschrieben.
• In einem erfindungsgemäßen Riemenantrieb kann eine solcher Elastriemen äußerst vorteilhaft anstelle eines dynamischen Spannsystems verbaut sein oder dieses zumindest unterstützen, so dass sein Spannbereich erheblich kleiner auslegbar ist.
• Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren zusätzlich erläutert. Die Ausführungen gelten sowohl für das Auslegungsverfahren, wie auch für den erfindungsgemäßen Riementrieb.
• 1 zeigt einen skizzierten Riementrieb mit einer Spannrolle.
• 2 erläutert das genormte Messverfahren für die Bezugslänge von Endlosriemen.
• 3 zeigt den Schnitt eines Teils einer Keilrippenriemenscheibe im Eingriff mit einem Riemen.
• 4 stellt ein Beispiel für einen erfindungsgemäßen Verfahrensablauf im Diagramm dar.
• 5 zeigt schematisch einen Riementrieb mit axial fluchtenden Scheiben.
• In 1 ist ein schematischer Riementrieb mit drei Riemenscheiben 1, einer Rückenspannrolle 2 und einem Endlosriemen 5 zu sehen. Der Pfeil 3 stellt den Vektor der Vorspannkraft dar, die Pfeile 4 die Trumkräfte.
• Der auf die Betriebsbedingungen abgestimmte Vorspannwert hat Einfluss auf die Länge des Riemens 5, der bei der Bestimmung der Wirklänge erfindungsgemäß berücksichtigt wird.
• Bei der Bestimmung der Bezugslänge des Riemens 5 ist zu beachten, dass in der Regel diese Vorspannkraft verschieden von der laut Norm vorgeschriebenen Prüfkraft ist, unter der die Bezugslänge ermittelt wird.
• Die Ermittlung der Bezugslänge wird anhand von 2 erläutert. Zu sehen ist eine Messanordnung nach der entsprechenden Norm. Zwei gleich große Riemenscheiben 1 mit einem Bezugsumfang U_B sind im Abstand a voneinander entfernt angeordnet.
• Die Anordnung ist von einem Endlosriemen 5 umschlungen, der definitionsgemäß die Bezugslänge L_B = 2a + U_B aufweist, wenn eine Messkraft F_Prüf, wie durch den Pfeil 6 dargestellt, bei 20 °C auf diese wirkt.
• Die Größe der Prüfkraft ist abhängig vom Profiltyp (z.B. SPZ, PK) des Riemens 5, bei Keilrippenriemen zusätzlich von der Anzahl der Rippen. Für sogenannte Elastriemen, deren Kraft-Dehnungs-Kennlinie in verschiedenen Teilbereichen unterschiedlich steil ist gelten wiederum andere Prüfkräfte.
• Der Fachmann versteht, dass bei anderen Temperaturen als der bei der Prüfung vorgesehenen Temperatur von 20 °C, sich die Riemensteifigkeit in Abhängigkeit vom Material des Riemens ändert. Daher sind zwei Endlosriemen mit unterschiedlicher Spezifikation, die bei 20 °C unter Prüflast gleich lang sind und somit dieselbe Bezugslänge haben, nicht notwendigerweise auch bei anderen Temperaturen gleich lang. Darüber hinaus können zwei Riemen unterschiedliche Querschnittsgeometrien und aus diesem Grund unterschiedliches Längendehnungsverhalten aufweisen, obwohl die genormte Bezugslänge gleich ist.
• In 3 ist der Querschnitt einer Riemenscheibe 1 im Eingriff mit einem Keilrippenriemen 5 dargestellt. Der Bezugsdurchmesser d_B entspricht dem Rillenprofilkopf-Durchmesser d_Profil nur dann, wenn der Profilkopfradius 0,25 mm beträgt. Ist dies nicht der Fall, ist der Bezugsdurchmesser nicht an der Riemenscheibe abmessbar, aus dem sich der Bezugsumfang U_B aus 2 ergibt.
• Der Wirkdurchmesser dw der Scheibe, der für die Auslegung des Riementriebs relevant ist, verläuft mittig durch den Zugstrang 7 des Riemens 5. Die Bezugsliniendifferenz h_B, die in Formel (F2) verwendet wird, ist die Differenz zwischen dem halben Wirkdurchmesser dw/2 und halben Bezugsdurchmesser d_B/2. Sie wird in der Regel vom Riemenhersteller angegeben.
• In 4 ist ein Beispiel für einen erfindungsgemäßen Verfahrensablauf der Auslegung eines Riementriebs als Diagramm dargestellt. In einem ersten Verfahrensschritt 11 werden die Komponenten des Riementriebs entsprechend konstruktiver Vorgaben bei Betriebsnennpunkt, z.B. 70 °C, festgelegt. Im Ergebnis werden die Positionen und Größen aller Riemenscheiben und Umlenkrollen festgelegt. Ein geeigneter Riementyp wird ausgewählt, im Fahrzeugbau ist dies in der Regel ein Keilrippenriemen mit Profilkennzeichen PK und dessen Wirklänge anhand der geometrischen Daten der Scheiben und Rollen ermittelt.
• In einem zweiten Schritt 12 werden die Riemenspannkräfte ermittelt, die sich aus der Konfiguration ergeben. Durch Spannrollen sind die Trumkräfte variierbar, die für die nötige Haftreibung zwischen Riemen und Riemenscheibe sorgen. Bei unzureichender Reibung droht der Riemen durchzurutschen, bei zu hoher Spannung werden die Lager der Aggregate stark belastet und alle Komponenten verschleißen schneller. Es wird geprüft, ob die Ergebnisse den Anforderungen entsprechen, oder ob der erste Schritt 11 wiederholt werden muss.
• In einem dritten Schritt 13 wird, in der Regel durch den Riemenhersteller, aus den Vorgaben eine theoretische Lebensdauer des Riemens ermittelt. Entspricht das Ergebnis nicht den Vorgaben, dann ist die Antriebsanordnung in Schritt 11 wiederholt zu überarbeiten. Erst wenn die vorgegebenen Werte erfüllt sind, setzt das Verfahren mit dem vierten Verfahrensschritt 14 fort. Die Wirklänge des Riemens unter Betriebsbedingungen wird auf eine Bezugslänge unter Normprüfbedingungen umgerechnet.
• In einem abschließenden Verfahrensschritt 15 wird ein handelsüblicher Riemen ausgewählt, dessen Bezugslänge vorzugsweise dem Berechnungsergebnis aus Schritt 14 am nächsten kommt. Der Fachmann versteht, dass sich die Auswahl ausschließlich auf die Länge bezieht. Soll zu einem späteren Zeitpunkt, der durch Schritt 16 dargestellt ist, ein Riemen anderer Qualität oder von einem anderen Hersteller verwendet werden, so ist die Berechnung nach Schritt 14 mit den neuen Materialdaten, sowie die Auswahl in Schritt 15 zu wiederholen.
• Die 5 zeigt schematisch einen Riementrieb bzw. einen Teil davon, zur Erläuterung der Bedeutung der Axialflucht bei der Auslegung. Drei Riemenscheiben 1 sind jeweils mittels Wellen oder Achsen 8 an Aggregaten 9 angeordnet. Für einen möglichst störungsfreien Betrieb ist es von wesentlicher Bedeutung, dass die Riemenscheiben 1 sich fluchtend in einer Ebene 10 befinden.
• Durch die Unterschiede in der Bauart und Einbaulage der verschiedenen Aggregate 9 weisen diese individuelle Längendehnungen auf. Das selbe gilt für Achsen oder Wellen 8 und Riemenscheiben 1, die auch aus verschiedenen Materialien gefertigt sein können. Erfindungsgemäß ist der Riementrieb so ausgelegt, dass die dargestellte, in Ebene 10 fluchtende Anordnung der Riemenscheiben 1 sich unter Betriebsbedingungen, insbesondere bei Betriebstemperatur einstellt. Dazu ist beispielsweise ein auf jede Riemenscheibe 1 individuell abgestimmter Vorhalt in kaltem Zustand vorzusehen.

Claims (4)

1. Verfahren zur Auslegung eines Riementriebs mit einem Endlosriemen (5) und zumindest zwei Riemenscheiben (1), insbesondere für Nebenaggregate (9) von Verbrennungskraftmaschinen, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslegung unter Berücksichtigung der Betriebsbedingungen, insbesondere der Betriebstemperatur erfolgt, wobei die Wirklänge (Lw) des Endlosriemens (5) unter Berücksichtigung eines auf den Nennbetriebspunkt unter Betriebstemperatur abgestimmten Vorspannwertes (F_Trum) auf eine Wirklänge ohne Vorspannung (Lw,o) umgerechnet wird, wobei nachfolgend die Umrechnung von der Wirklänge ohne Vorspannung (Lw,o) auf eine Bezugslänge ohne Vorspannung, jedoch weiterhin bei Betriebstemperatur (L_B,0/70°C) durchgeführt wird, wobei aus der Bezugslänge ohne Vorspannung bei Betriebstemperatur die tatsächliche Bezugslänge (L_B) unter genormten Prüfbedingungen berechnet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Axiallage der Riemenscheiben (1) unter Berücksichtigung der wärmedehnungsbedingten axialen Verschiebung der Nebenaggregate (9) und der daran angeordneten Bauteile unter Betriebsbedingungen festgelegt wird.
3. Riementrieb mit einem Endlosriemen (5) und zumindest zwei Riemenscheiben (1), insbesondere für Nebenaggregate (9) von Verbrennungskraftmaschinen, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des Endlosriemens (5) mittels eines Verfahrens gemäß einem der voranstehenden Ansprüche berechnet ist.
4. Riementrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Elast-Riemens betriebsbedingte Trumkraft- und Drehmomentschwankungen der Aggregate (9) im Riementrieb dynamisch ausgleichbar sind.

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