-
Die Erfindung betrifft einen Antriebsriemen mit einem Grundkörper aus einem polymeren Werkstoff mit elastischen Eigenschaften, umfassend eine Decklage als Riemenrücken sowie einen Unterbau mit einer Kraftübertragungszone, wobei in dem Grundkörper wenigstens ein Zugstrang in Kordkonstruktion eingebettet ist oder zwischen der Decklage und dem Unterbau eine Zwischenlage aus einem polymeren Werkstoff mit elastischen Eigenschaften angeordnet ist, wobei in der Zwischenlage wenigstens ein Zugstrang in Kordkonstruktion eingebettet ist oder wenigstens ein Zugstrang in Kordkonstruktion eine Kordlage bildet, wobei zwischen der Kordlage und der Decklage und/oder zwischen der Kordlage und dem Unterbau eine Zwischenlage aus einem polymeren Werkstoff mit elastischen Eigenschaften angeordnet ist.
-
Antriebsriemen, die auch als Kraftübertragungsriemen bezeichnet werden und im Funktionszustand endlos geschlossen sind, können als Flachriemen, Keilriemen, Keilrippenriemen, Zahnriemen und Kupplungsriemen ausgebildet sein. Von besonderer Bedeutung ist der hierbei der Keilrippenriemen.
-
Die Antriebsriemen kommen unter anderem in einem Riemengetriebe, welches auch als Riementrieb, Hülltrieb oder Riemenantrieb bezeichnet wird, zum Einsatz. Riementriebe finden vielfältige Anwendung im Maschinenbau, zum Beispiel im KFZ-Bereich zum Antrieb der Lichtmaschine, aber auch in Waschmaschinen oder Werkzeugmaschinen.
-
Der Riementrieb soll dabei mit möglichst geringem Energieverlust und möglichst wenig Wartungsaufwand durch Nachspannen ein relativ großes Drehmoment von der Kurbelwelle auf immer mehr Nebenaggregate (Verbraucher) übertragen.
-
Keilrippenriemenantriebe mit automatischen Spannersystemen arbeiten im KFZ-Bereich meist im Vorspannungsberreich (Trumkraft) von etwa 40 bis 65 N pro Rippe und Trum. Nachteilig ist hierbei, dass sich Keilrippenriemen (KRR) mit den üblichen Polyesterzugsträngen (siehe beispielsweise
WO2009/005617A1 ,
WO2011/000637A1 ,
JP11159580A ,
JP2006266494A ,
JP09273607A ,
DE 10 2006 048 755 A1 und
DE19750347A1 ) über die Laufzeit im Trieb längen. Zum Teil kommen bei langen Serpentinentrieben für vier oder mehr Verbraucher die Spannsysteme an die Grenzen des Nachspannpotentials. Auf der anderen Seite schrumpfen die Riemen bei hohen Betriebstemperaturen (über 70°C).
-
Der automatische Spanner in dem Keilrippenriemenantrieb hält den KRR auf der korrekten Spannung, solange er sich in seinem Arbeitsbereich bewegt und nicht auf Grund der Längung oder Schrumpfung diesen verläßt.
-
Die modernen Antriebe sollen immer effizienter arbeiten, weniger Reibungsverluste aufweisen und damit den CO2- bzw. Kraftstoff-Verbrauch des Motors senken. Ein wichtiger Weg ist die Absenkung der Spannerkräfte in einen Bereich von etwa 20 bis 37 N pro Rippe und Trum. Leider schrumpft unter diesen Bedingungen der bisher bekannte Riemen stärker als bei höheren Gegenkräften, wodurch der Spanner seinen Arbeitsbereich verlässt und die vorgegebene Spannung nicht mehr einhalten kann. Dies kann je nach Bauart der Spannrolle und der Geometrie des Keilrippenriemenantrieb zu zu niedrigen Vorspannungen führen, die wiederum unerwünschte Laufgeräusche, eine mangelnde Leistungsübertragung oder auch zu hohe Reibungsverluste an den Rollenlagern verursachen können. Außerdem kann es sein, dass der Spanner im Betrieb an seinen Anschlag läuft und damit ebenfalls ein Geräusch verursacht.
-
Alternative Materialien für den Zugstrang, wie Polyamid (PA) oder Polyetheretherketon (PEEK) sind für Riementriebe mit automatischen Spannsystem nicht oder nur bedingt geeignet. Zugstränge aus PA, insbesondere in Form von PA6.6 und PA4.6, zeichnen sich durch einen niedrigeren Modul aus und haben einen zu hohen Lagerschrumpf, welcher durch eine möglichst spannungsfreie Konfektionierung der Riemen verringert werden soll (siehe zum Beispiel
EP0831247B1 ).
-
Zugstränge aus PEEK zeigen einen verminderten Spannungsverlust bei deutlich verringertem Lagerschrumpf, wodurch die Laufzeit und damit die Lebensdauer eines Antriebsriemens mit PEEK-Zugstrang erhöht werden. Nachteilig ist hier jedoch, dass der textile Werkstoff PEEK deutlich teuerer ist als Polyamid oder Polyester, so dass hier die Grenzen der Wirtschaftlichkeit aufgezeigt werden.
-
Die anderen sonst noch bekannten Werkstoffalternativen, nämlich Stahl, Aramid, Glasfasern und Kohlefasern lassen sich entweder schlecht verarbeiten oder sind deutlich teurer als PET-Korde.
-
Daher besteht die Aufgabe der Erfindung darin, einen Antriebsriemen, insbesondere einen Keilrippenriemen, bereitzustellen, der sich durch ein verringertes Schrumpfungsverhalten, bevorzugt bei hohen Temperaturen, bevorzugt über 70°C, auszeichnet und im industriellen Maßstab wirtschaftlich ist.
-
Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, dass der Zugstrang vollständig oder teilweise aus einem Polyethylentherephthalat (PET) besteht, wobei das PET einen Kordtiter zwischen 4000 und 7500 dtex und ein Verhältnis von Heißschrumpfkraft (HSK) zu Kordtiter zwischen 0,0015 und 0,00215 N/dtex besitzt.
-
Ein derartiger Zugstrang weist eine geringere Heißschrumpfkraft als normal auf, wodurch der Riemen bei hohen Temperaturen nicht schrumpfen kann. Dies führt zu einer vergleichsweise niedrigen Längung des Antriebsriemens, insbesondere des Keilrippenriemens, im dynamischen Betrieb. Der erfindungsgemäße Zugstrang aus PET führt zu einer besseren Dimensionsstabilität des Riemens, wodurch der begrenzte Arbeitsbereich der Spannrolle eingehalten werden kann.
-
Die deutlich optimierten Schrumpfeigenschaften bei gleichzeitig geringer dynamischer Längung des neuen Zugstrangs im Antriebsriemen, insbesondere im Keilrippenriemen ermöglichen einen Verbleib des Spanners im Arbeitsbereich bei erheblich kleineren Spannerkräften.
-
Die höhere Dimensionsstabilität kann zwar auch mit Zugsträngen aus Aramid erreicht werden, die aber sehr teuer und knickempfindlich sind und eine geringere Biegeelastizität besitzen.
-
Die angegebenen Kord-Parameter beziehen sich sowohl auf einen Zugstrang, der ausschließlich aus PET gebildet ist, als auch auf einen Zugstrang in Form eines Hybridsystems, das weiter unten beschrieben wird.
-
Bei der Kordkonstruktion ist das Längengewicht der Litzen wie in der Textiltechnologie üblich als Nennfeinheit angegeben. Dies ist das nominelle Längengewicht (Herstellerangabe) des für die Herstellung des Kordes verwendeten Rohgarns (vergleiche DIN 53830-3). Wegen der Drehungen, des Verstreckens und der Präparation kann das tatsächliche Längengewicht (Istfeinheit) davon abweichen. Das Kordlängengewicht (= Kordtiter) ist die Istfeinheit (vergleiche DIN 53830-3) des textilen Anteils des Kordes (Haftschichten).
-
Die Heißschrumpfkraft (HSK) und der Heißschrumpf (HS) werden in Öl bestimmt. Hierzu wird ein Kord auf 500mm Länge in ein Temperierbad von 150°C für 3 min eingetaucht und dabei der Schrumpf, bzw. die aufgebaute Schrumpfkraft an festen Klemmen ermittelt. Als Vorlast werden 0,02 cN/dtex des Gesamttiters vorgegeben. Dadurch ergeben sich für 1100 × 2 × 3 dtex 140 cN, bzw. 1,4 N, und für 1100 × 3 × 3 dtex 200 cN, oder 2N. Die Vorlast wird gewählt, um den Kord in den horizontal angeordneten Klemmen gerade gespannt zu halten, aber keine nennenswerten zusätzlichen Kräfte aufzubringen.
-
Zweckmäßig ist es, wenn die Heißschrumpfkraft (HSK) des PET-Kordes zwischen 10 bis 14 N, bevorzugt zwischen 11 bis 13 N, beträgt.
-
Es hat sich weiterhin als vorteilhaft erwiesen, wenn der Kordtiter 5500 bis 7000 dtex beträgt.
-
Wichtig hierbei ist, dass das Verhältnis von Heißschrumpfkraft zu Kordtiter erfindungsgemäß immer zwischen 0,0015 und 0,00215 N/dtex betragen muss, da bei niedrigen Werten die Längung der Riemen über Laufzeit (Kriechneigung) deutlich größer ist und bei größeren Werten die Schrumpfkraft zu hoch ist, wodurch der Riemen sich bei hohen T zu stark verkürzt.
-
Von besonderer Bedeutung ist, wenn der Zugstrang vollständig aus einem PET besteht, da hiermit die besten Ergebnisse erzielt werden.
-
Es ist jedoch auch möglich, dass der Zugstrang teilweise aus PET besteht, und zwar bei einer Mengenmajorität an PET. Das PET kann hier mit einem Polyamid (PA), Polyimid (PI), Aramid, Polyvinylacetal (PVA), Polyetheretherketon (PEEK) oder einem Polyethylen-2,6-naphthalat (PEN) oder in einer Kombination der vorgenannten Werkstoffe vermischt sein. Mit derartigen textilen Hybridwerkstoffen kann beispielsweise die Haftung des PET zum umgebenden polymeren Werkstoff verbessert werden, wobei insbesondere ein PET/PA-Hybridsystem zu nennen ist, da PA besonders gut haftaktivierbar ist. Der PET-Anteil innerhalb eines Zugstranges beträgt 55 Gew.-% bis 95 Gew.-%, insbesondere 75 Gew.-% bis 95 Gew.-%. Wichtig ist bei Einsatz derartiger Hybridkonzepte, dass im Vergleich zu einem Zugstrang, der ausschließlich aus PET gebildet ist, keine Verschlechterung der oben erwähnten Kord-Parameter auftritt.
-
Der Antriebsriemen ist, wie bereits weiter oben erwähnt, vorzugsweise als Keilrippenriemen, insbesondere mit einem PK-Profil oder einem DPK-Profil ausgebildet. Die PK-Profile kombinieren eine befriedigende Biegewilligkeit mit einer guten Robustheit (z.B. gegen kleine Steine und andere Verschmutzungen). Die Riemenhöhe beträgt bevorzugt zwischen 3 und 5,5 mm, wodurch ein genügender Zusammenhalt gegen Riemenspaltung im Betrieb gewährleistet ist und gleichzeitig eine ausreichende Biegeflexibilität garantiert wird.
-
Weiterhin ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen Riementrieb mit wenigstens einer Antriebsrolle und wenigstens einer automatischen Spannrolle bereitzustellen, wobei sich der Antriebsriemen durch ein verringertes Schrumpfungsverhalten, bevorzugt bei hohen Temperaturen (über 70°C) auszeichnet und im industriellen Maßstab wirtschaftlich ist.
-
Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Riementrieb enthaltend wenigstens eine Antriebsrolle und wenigstens eine automatische Spannrolle, der wenigstens einen Antriebsriemen mit wenigstens einem Zugstrang enthält, wobei der Zugstrang vollständig oder teilweise aus einem Polyethylentherephthalat (PET) besteht und wobei das PET einen Kordtiter zwischen 4000 und 7500 dtex und ein Verhältnis von Heißschrumpfkraft zu Kordtiter zwischen 0,0015 und 0,00215 N/dtex besitzt.
-
In einem Riementrieb mit automatischen Spannsystem ist der Antriebsriemen, mit Zugstrang aus PET wie oben beschrieben, in einer bevorzugten Ausführungsform bei einer Vorspannung von 29,2 N/Rippe·Trum bei 120°C nach 16 Stunden weniger als 0,25 % kürzer geworden im Vergleich zu einer Vorspannung von 3,3 N/Rippe·Trum bei 20°C. Hierzu wird der Riemen (z.B. ein KRR mit 6PK1335) auf zwei Rollen bei 20°C gelegt und eine Vorspannung von 3,3 N/Rippe·Trum (bei 6PK entspricht das 40N) angelegt. Die ermittelte Länge des Riemens ist Lo. Anschließend wird die Spannerkraft von 29,2 N/Rippe·Trum (für 6PK: 175N) angelegt und die Umgebung innerhalb von 30 Minuten auf 120°C aufgeheizt. Nach 16 Stunden wird die Endlänge des Riemens (Le) bei der Spannerkraft von 29,2 N/Rippe·Trum ermittelt. Der Schrumpf S in Prozent wird dann wie folgt berechnet: S = (Le – Lo)/Lo.
-
Die Erfindung wird an den Versuchsergebnissen, welche in Tabelle 1 zu finden sind, dargestellt. Bei den mit „V“ gekennzeichneten Ergebnissen handelt es sich um Vergleichsversuche, während die mit „E“ gekennzeichneten Ergebnisse erfindungsgemäße Riemen sind. Das in der Tabelle angegebene Verhältnis ist das erfindungsgemäße Verhältnis von Heißschrumpfkraft zu Kordtiter. Tabelle 1
| KRR | Material | HSK [N] | Kordtiter [dtex] | Verhältnis [N/dtex] | Schrumpf S [%] |
| 6PK1335 (V1) | PET | 20 | 6600 | 0,00303 | 0,52 |
| 6PK1335 (V2) | PET | 15 | 6600 | 0,00227 | 0,29 |
| 6PK1335 (E1) | PET | 12 | 6600 | 0,00182 | 0,15 |
-
Weitere vorteilhafte Gestaltungsvarianten des erfindungsgemäßen Antriebsriemens werden im Rahmen der Figurenbeschreibung noch näher vorgestellt.
-
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf schematische Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
-
1 einen Querschnitt eines Keilrippenriemens in zwei Ausführungen (Abschnitte A und B);
-
2 eine weitere Ausführung eines Keilrippenriemens in dreidimensionaler Detaildarstellung;
-
1 zeigt einen Antriebsriemen 1 in Form eines Keilrippenriemens mit einer Decklage 2 als Riemenrücken, einer einlagigen Festigkeitsträgerlage 3 mit in Längsrichtung verlaufenden parallel angeordneten Zugsträngen 4 sowie mit einem Unterbau 5. Der Unterbau weist eine Keilrippenstruktur auf, gebildet aus Rippen 6 und Rillen 7. Der Unterbau umfasst dabei die Kraftübertragungszone 8.
-
Die Elastizität unter Einbezug der Biegeelastizität eines Antriebsriemens wird dadurch erreicht, dass der Grundkörper und somit die Decklage 2 und der Unterbau 5 aus einem polymeren Werkstoff mit elastischen Eigenschaften bestehen, wobei hier insbesondere die beiden Werkstoffgruppen Elastomere und thermoplastische Elastomere zu nennen sind.
-
Von besonderer Bedeutung sind Elastomere auf der Basis einer vulkanisierten Kautschukmischung, enthaltend wenigstens eine Kautschukkomponente und Mischungsingredienzien.
-
Als Kautschukkomponente wird insbesondere ein Ethylen-Propylen-Kautschuk (EPM), ein Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM), (teil)hydrierter Nitrilkautschuk (HNBR), Chloropren-Kautschuk (CR), Fluor-Kautschuk (FKM), Naturkautschuk (NR), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR) oder Butadien-Kautschuk (BR) eingesetzt, die unverschnitten oder mit wenigstens einer weiteren Kautschukkomponente, insbesondere mit einem der vorgenannten Kautschuktypen, verschnitten sind, beispielsweise in Form eines EPM/EPDM- oder SBR/BR-Verschnittes. Von besonderer Bedeutung ist dabei EPM oder EPDM oder ein EPM/EPDM-Verschnitt. Die Mischungsingredienzien umfassen dabei wenigstens einen Vernetzer oder ein Vernetzersystem (Vernetzungsmittel und Beschleuniger). Weitere Mischungsingredienzien sind zumeist noch ein Füllstoff und/oder ein Verarbeitungshilfsmittel und/oder ein Weichmacher und/oder ein Alterungsschutzmittel sowie gegebenenfalls weitere Zusatzstoffe, beispielsweise Fasern und Farbpigmente.
-
Die Zugstränge 4 sind hier ohne Zwischenlage im Grundkörper eingebettet. Jeder Zugstrang in Kordkonstruktion besteht vorrangig ausschließlich aus einem Polyethylentherephthalat (PET). Nach einer weiteren Variante kann das PET auch mit wenigstens einem weiteren Werkstoff, beispielsweise mit einem Polyamid (PA), vermischt sein, wobei bei einem derartigen Hybridkonzept das PET die Mengenmajorität besitzt.
-
Jeder Zugstrang
4 kann zusätzlich mit einer Haftschicht ausgerüstet sein, die beispielsweise ein Resorzin-Formaldehyd-Latex (RFL) ist, wie unter anderem in
DE 10 2007 044 436 A1 im Zusammenhang mit PEEK beschrieben.
-
Der Antriebsriemen
1 ist innerhalb seiner Kraftübertragungszone
8 mit einer Beschichtung
9 bzw.
10 versehen, und zwar in Form einer Beflockung (Abschnitt A), beispielsweise mit einem Baumwoll- oder Aramidflock nach
DE3823157A1 und
DE10016351A1 , oder in Form einer Textilauflage nach
DE 10 2006 007 509 A1 . Von besonderer Bedeutung sind Textilauflagen, insbesondere wiederum in Form eines Gewebes, Gewirkes oder Gestricks. Bei einem Keilrippenriemen ist die Textilauflage vorzugsweise ein Gewirke oder Gestrick. Mit einer derartigen Beschichtung wird eine Kombination aus Verschleißschutz und Geräuschdämmung erzielt.
-
Die Beschichtung kann zur Optimierung der Medienbeständigkeit, insbesondere zur Verbesserung der Ölbeständigkeit, bei gleichzeitig guter Gleitfähigkeit ein Fluorkunststoff sein, insbesondere Polytetrafluorethylen (PTFE) und/oder Polyvinylfluorid (PVF) und/oder Polyvinylidenfluorid (PVDF) sind besonders gut geeignet. Von besonderer Beutung ist PTFE. Der Fluorkunststoff kann nach einer neueren Entwicklung aus einer Folie, insbesondere einer PTFE-Folie, oder aus einem Folienverbund, insbesondere einer PTFE/PA-Folie bestehen, wobei bei einem Folienverbund das PTFE die unmittelbare Oberschicht bildet (siehe bspw.
WO2009109434A1 ). Eine bevorzugte Alternative hierzu besteht darin, eine Textilauflage mit einem Fluorkunststoff zu tränken bzw. zu versiegeln. Die zusätzliche Maßnahme der Beschichtung, die auch für die Decklage
2 angewandt werden kann (Ausführungsbeispiel gemäß
2), führt in Verbindung mit der neuartigen Zugstrangkonzeption zu einer hohen Lebensdauer des Antriebsriemens.
-
2 zeigt nun einen weiteren Antriebsriemen 11, und zwar ebenfalls in Form eines Keilrippenriemens, der eine Decklage 12, eine einlagige Festigkeitsträgerlage 13 und einen Unterbau 16 mit einer Keilrippenzone 19, gebildet aus Rippen 20 und Rillen 21, umfasst. Die Festigkeitsträgerlage ist auch hier aus einzelnen Zugsträngen 14 gebildet, die erfindungsgemäß vollständig oder teilweise aus PET bestehen.
-
Die Festigkeitsträgerlage 13 bzw. die Zugstränge 14 sind hier vollständig von einer Einbettmischung umgeben, die die Zwischenlage 15 bildet, so dass auch auf diese Weise ein wirkungsvoller Gesamtverbund von Decklage 12, Festigkeitsträgerlage 13 und Unterbau 16 gebildet wird. Die Zwischenlage 15 besteht aus einem polymeren Werkstoff mit elastischen Eigenschaften, vorzugsweise wiederum in Form einer vulkanisierten Kautschukmischung. Diesbezüglich gilt die gleiche Kautschuktechnologie, wie sie im Zusammenhang mit der Decklage und des Unterbaus des Ausführungsbeispiels gemäß 1 bereits dargelegt wurde.
-
Der Unterbau 16 selbst umfasst hier noch eine weitere elastische Zwischenlage 17, insbesondere auf der Basis der oben erwähnten Kautschukmischung, die mit Fasern 18, insbesondere mit Textilfasern, verstärkt ist. Die Fasern bestehen aus Baumwolle, Zellulose, einem Aramid, insbesondere p-Aramid, einem Polyamid (PA), insbesondere PA6 oder PA6.6, einem Polyvinylacetal (PVA) oder einem Polyethylentherephthalat (PET). Die Fasern können in Form einer Pulpe (Faserbrei) oder in Kurzfasern vorliegen. Bei Kurzfasern beträgt die Länge ≤ 8 mm, insbesondere ≤ 5 mm.
-
Auch der gesamte Unterbau 16 sowie die Decklage 12 und die beiden Zwischenlagen 15 und 17 können mit Fasern der oben genannten Art verstärkt sein.
-
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist sowohl die Decklage 12 wie auch die Kraftübertragungszone 22 des Unterbaus 16 mit einer Beschichtung 23 bzw. 24 in Form einer Textilauflage versehen. Hinsichtlich der Beschichtung wird auf die Ausführungen zu 1 verwiesen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Antriebsriemen bzw. Keilrippenriemen (KRR)
- 2
- Decklage als Riemenrücken
- 3
- Festigkeitsträgerlage
- 4
- Zugstrang
- 5
- Unterbau
- 6
- Rippen
- 7
- Rillen
- 8
- Kraftübertragungszone
- 9
- Beschichtung in Form einer Beflockung (Abschnitt A)
- 10
- Beschichtung in Form einer Textilauflage (Abschnitt B)
- 11
- Antriebsriemen bzw. Keilrippenriemen
- 12
- Decklage als Riemenrücken
- 13
- Festigkeitsträgerlage
- 14
- Zugstrang
- 15
- Zwischenlage in Form einer Einbettmischung
- 16
- Unterbau
- 17
- Zwischenlage
- 18
- Fasern
- 19
- Keilrippenzone
- 20
- Rippen
- 21
- Rillen
- 22
- Kraftübertragungszone
- 23
- Beschichtung in Form einer Textilauflage
- 24
- Beschichtung in Form einer Textilauflage
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- WO 2009/005617 A1 [0005]
- WO 2011/000637 A1 [0005]
- JP 11159580 A [0005]
- JP 2006266494 A [0005]
- JP 09273607 A [0005]
- DE 102006048755 A1 [0005]
- DE 19750347 A1 [0005]
- EP 0831247 B1 [0008]
- DE 102007044436 A1 [0038]
- DE 3823157 A1 [0039]
- DE 10016351 A1 [0039]
- DE 102006007509 A1 [0039]
- WO 2009109434 A1 [0040]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- DIN 53830-3 [0017]
- DIN 53830-3 [0017]
