DE19531281C1 - Riemen für einen Riemenantrieb - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen längselastischen Riemen für einen Riemenantrieb, mit einer strangförmigen oder textilen Einlage als Zugträger, insbesondere für Hilfseinrichtungen für Brennkraftmaschinen, vorzugsweise verstärkt und/oder mit besonderer Oberflächenausbildung.

Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung solcher Riemen.

Durch Drehungleichförmigkeiten beim Betrieb von Brennkraftmaschinen werden in einem Riemen, der Nebenaggregate antreibt, Schwingungen erzeugt. Diese Schwingungen sind im Resonanzfall so groß, daß der Riemen anfängt zu schlagen und die Anpreßkraft an die Scheibe verringert wird. Dies führt zu Schlupf und zu Geräuschen (Schlag- und Schlupfgeräusche).

Durch eine Veränderung in der Steigung der Kraft-Dehnungs- Kurve des Riemens läßt sich die Resonanzfrequenz verschieben. Dies ist möglich, indem man den in der Antriebstechnik geläufigen Polyester-(PES)-Zugstrang durch einen Zugstrang aus p-Aramid ersetzt.

In Antriebsriemen werden heute schon Zugstränge aus Aramid eingesetzt, wo eine hohe Reißfestigkeit des Riemens erforderlich ist (Landmaschinen). Für den Antrieb von Nebenaggregaten an Motoren ist die Reißfestigkeit von PES- Zugsträngen völlig ausreichend. Während der Leistungsübertragung liegt die Belastung im Riemen bei < 10% der Reißfestigkeit.

Ein Antriebsriemen wird mit ca. 250 N Trumkraft montiert. Durch die Leistungsübertragung steigt die Trumkraft bis auf ca. 1.000 N an. Durch solche während des Umlaufs auftretenden Schwankungen wird der Riemen elastisch gedehnt und wieder entspannt. Durch die Drehungleichförmigkeit der Brennkraftmaschine treten zusätzlich hochfrequente wechselnde Veränderungen hinzu (bezogen auf die relative Bewegung des Riemens während des Umlaufs). Diese führen zu Transversalschwingungen, die sich im Resonanzfall aufschaukeln. Dadurch entstehen Geräusche, wie z. B. Schlagen des Riemens gegen ein Gehäuse oder Schlupfgeräusche durch verringerte Riemenanpreßkraft an der Scheibe.

Man hat versucht, derartige Probleme mit Hilfe von Beruhigungs-Anbauteilen, wie z. B. Anlaufschienen in verschiedenen Formen und zusätzliche Metallrollen, zu überwinden.

Auch hat man vergeblich versucht, durch Änderung der Riemenmasse, durch Änderung der Federsteifigkeit, durch Auswahl der Mischung für das Riemenmaterial einen Fortschritt zur Überwindung der genannten Probleme zu erzielen.

Die deutsche Auslegeschrift 12 94 755 beschreibt einen Riemen mit aus verschiedenen Längsgarnen bestehender Textilverstärkung, die außer unterschiedlicher Reißfestigkeit auch unterschiedliche Elastizität aufweist. Hierdurch soll erreicht werden, daß im Arbeitsbereich eine geringe Dehnung auftritt, und daß der Riemen bei Überlastung beträchtlich gedehnt werden kann. D. h.: der Riemen weist im Arbeitsbereich eine geringe Elastizität auf, während die Elastizität jenseits des Arbeitsbereichs stark ansteigt. Auf diese Weise ist im Arbeitsbereich eine mehr oder weniger lineare Kraft-Dehnungs-Charakteristik und über alles eine degressive Charakteristik gegeben. Das Problem der Transversalschwingungen ist durch solche Riemen ebenfalls nicht zu lösen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Amplitude von Resonanzschwingungen bei der Leistungsübertragung zu vermindern.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mittels eines längselastischen Riemens für einen Riemenantrieb, der in seinem Arbeitsbereich ein progressives oder mehrstufiges (zumindest zweistufiges) Kraft-Dehnungs-Verhalten aufweist. Solch eine Kraft-Dehnungs-Kennlinie ist dann gegeben, wenn die Kennlinie im unteren Dehnungsbereich flach und im oberen Dehnungsbereich steiler verläuft.

Bei herkömmlichen Riementrieben ist das Aufschaukeln im Resonanzfall durch eine quasilineare Kraft- Dehnungskennlinie des Zugstrangs zu erklären: bei Erregung der Eigenfrequenz erfolgt eine Verstärkung.

Die Kraft-Dehnungslinie (Federkonstante) beeinflußt die Eigenschwingung. Ist diese nicht konstant, so ändert sich die Eigenfrequenz mit (dem Nullpunkt) der Dehnungsamplitude.

Ein Aufschaukeln kann nur bei differentiell-kleinen Anregungsamplituden erfolgen. Beim größeren Anregungsamplituden und damit größeren Dehnungsamplituden ändert sich während des gesamten Schwingungsverlaufs permanent die Eigenfrequenz des angeregten Riemens. Dies hat zur Folge, daß die Resonanzkurve insgesamt breiter und flacher wird. Ein übermäßiges Aufschaukeln (Resonanzkatastrophe) wird bei jeder Anregungsfrequenz vermieden.

Eine vergleichbar vorteilhafte Wirkung ergibt sich, wenn das zum Einsatz gelangende Riemenmaterial anstelle einer progressiven Kraft-Dehnungs-Kennlinie eine zwei- oder mehrstufige Kennlinie aufweist. Hierbei erhält man eine zwei- oder mehrhöckrige Resonanzkurve. Ein übermäßiges Aufschaukeln wird auch hier vermieden.

Auch für Antriebe, bei denen mehrere Riemen nebeneinander laufen, ist die Erfindung vorteilhaft anzuwenden, weil hier ein Gegeneinanderschwingen der Riemen vermindert wird. Auf ein zusätzliches Gewebe (Verbundgewebe) zum Verbinden der Riemen (Verbundkeilriemen) kann verzichtet werden.

Bei einem mit einer strangförmigen oder textilen Einlage als Zugträger versehenen längselastischen Riemen wird die progressive Kraft-Dehnungs-Kennlinie vorzugsweise mittels der strangförmigen Zugträger oder der Längsgarne der textilen Einlage realisiert, die nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung aus Fäden verschiedener Materialien bestehen, die unterschiedlich elastisch und/oder wobei die Fäden der Längsgarne unterschiedlich gezwirnt und/oder gekräuselt sind.

In Antriebsriemen eingearbeitete Hybridzwirne aus Polyester und p-Aramid sind bekannt. Ihr Kraft-Dehnungs-Verhalten entspricht dem eines reinen Aramid-verstärkten Riemens. (Das Aramid hat die steilere Kraft-Dehnungs-Kennlinie, die die des Polyesters überdeckt. Das Polyester ist nur Füllmaterial.)

Ein progressives bzw. mehrstufiges Kraft-Dehnungs-Verhalten im Arbeitsbereich eines Riemens erhält man, wenn man bei der Herstellung des aus Polyester und para-Aramid bestehenden Hybridzwirns für einen Zugstrang so verfährt, daß das Aramids gestaucht eingearbeitet wird.

Allgemein wird zur Erzielung einer progressiven Kraft- Dehnungs-Kennlinie jeweils das aus Material mit der steileren Kennlinie bestehende Garn vorzugsweise gestaucht in den Zugträger eingearbeitet.

Eine steilere Kraft-Dehnungs-Kennlinie weisen auch die Stoffe Glas und Polyvinylacetat (PVAL) auf und eine flachere Kennlinie sind für Polyamid und Polyurethan charakteristisch.

Wird die textile Einlage "quer" in den Riemen eingearbeitet, so dienen statt der Kettfäden die Schußfäden als Zugträger.

Im Hinblick auf ein Verfahren zur Herstellung eines Arbeitsriemens, der einen gezwirnten, aus Polyester und Aramid bestehenden Zugstrang aufweist, wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß das Aramid während des Zwirnens mit einer - verglichen mit der Vorlaufgeschwindigkeit des Polyesters - höheren Vorlaufgeschwindigkeit zuläuft und dabei gestaucht in den Zugstrang eingearbeitet wird.

Ein nach diesem Verfahren hergestellter Riemen dehnt sich bei Belastung zunächst mit den Eigenschaften des Polyesters aus bis das Aramid seine Stauchung verloren hat.

Anschließend entfaltet das weniger nachgiebige Aramid seine Wirkung. D. h.: Das Dehnungsverhalten folgt zunächst der flacheren Kraft-Dehnungs-Kennlinie des Polyesters, um anschließend allmählich in die steilere Kennlinie des Aramids überzugehen.

Bei Verwendung eines Antriebsriemens mit der erfindungsgemäß progressiven Kraft-Dehnungs-Kennlinie ist weder ein zusätzliches Spannungssystem noch sind Beruhigungsrollen oder dergleichen Hilfsmittel zur Schwingungsberuhigung erforderlich. Die Nachspannung des Riemens erfolgt in dem Kennlinien-Bereich, der durch die Polyester-Beigabe charakterisiert ist. Wird der Riemen während der Kraftübertragung zu Schwingungen angeregt, so schwankt die Ausdehnung von der "Polyester-" zu der "Aramid-Charakteristik", was zur Folge hat, daß sich keine Resonanzüberhöhung ausprägen kann.

Durch die damit verbundene insgesamt geringere Dehnung des Riemens kann der Riemen eine höhere Leistung übertragen. Aufgrund der erfindungsgemäßen progressiven Kennlinie ist erstmals der Einsatz von Aramidzugsträngen in starr gespannten Trieben möglich.

Der Riemen wird dabei mit einer Vorspannung versehen, die im flachen Bereich der Kennlinie liegt. Der Riemen hält somit seine Spannung bei Achsabstandsschwankungen durch z. B. Temperaturschwankungen nahezu konstant. Durch die bei der Leistungsübertragung zusätzlich auftretenden Kräfte, die sich zu der Vorspannungskraft addieren, kommt man in den Bereich der steilen Kennlinie. Der Riemen wird hier nur noch wenig gedehnt, daß große Schwingungsamplituden verhindert werden. Obwohl der Riemen in der Grunddehnung relativ nachgiebig ist, weist er über alles eine höhere Leistungsübertragung auf.

Ebenso ist es möglich, den Riemen im steilen Bereich der Kraft-Dehnungs-Kennlinie vorzuspannen. Dies ist z. B. für einen Zahnriemen erforderlich, bei dem die Zahnteilung auch bei dem die Kraftübertragung konstant bleiben muß. Treten hier bei der Leistungsübertragung Schwingungen auf, so daß der Riemen im Leertrum gestaucht wird, so verkürzt sich der Riemen überproportional (Durchlaufen des flachen Bereichs der Kraft-Dehnungs-Kennlinie) und verhindert somit ein Schlagen.

Die bei bisherigen Antriebsriemen durch Schwingungen auftretenden Geräuschprobleme sind mit Hilfe des progressiv arbeitenden Riemens beträchtlich vermindert.

Der technische Hintergrund der Erfindung soll anhand der beigefügten Diagramme verdeutlicht werden.

Die Fig. 1 zeigt Kraft-Dehnungs-Diagramme, und zwar:

• (A) für einen Polyester-verstärkten Riemen,
• (B) für einen Aramid-verstärkten Riemen und
• (C) für einen Riemen, dessen Zugstrang aus einem Hybridzwirn besteht, bei dem der Aramidteil gestaucht eingearbeitet wurde.

Die Fig. 2 zeigt Anregungskurven für verschieden starke Anregungskräfte (I), (II) und (III).

Daraus ist ersichtlich, daß bei kleinsten Amplituden (I) zwar eine schmale, relativ spitze Resonanz gegeben ist. Eine Resonanzkatastrophe wird aber aus zwei Gründen verhindert: Erstens sind lediglich kleinste Anregungsamplituden gegeben. Zweitens wäre eine Resonanzkatastrophe schon deshalb unmöglich, weil bei Übersteigen einer gewissen Dehnung die Charakteristik des Aramids zusätzlich zum Tragen käme, wodurch sich die Resonanzkurve verbreitern und abflachen würde, wie es bei größeren Anregungsamplituden der Fall ist. Wie die Kurven (II) und (III) zeigen, wird die Resonanzkurve um so breiter und flacher je größer die Anregungsamplitude (und damit die Dehnung) wird.

Claims (3)

1. Längselastischer Riemen für einen Riemenantrieb, mit einer strangförmigen oder textilen Einlage als Zugträger,
dadurch gekennzeichnet,
daß die strangförmigen Zugträger oder die Längsgarne der textilen Einlage aus Materialien mit einer flacheren und einer steileren Kraft-Dehnungskennlinie bestehen, wobei das Material mit der steileren Kennlinie gestaucht in den Zugträger eingearbeitet ist.

2. Riemen nach Antrieb 1, dadurch gekennzeichnet, daß die strangförmigen Zugträger oder die Längsgarne der textilen Einlage aus Polyester und Aramid bestehen, wobei das Aramid gestaucht in den Zugstrang eingearbeitet ist.

3. Verfahren zur Herstellung eines Antriebsriemens, der einen gezwirnten, aus Polyester und Aramid bestehenden Zugstrang aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Aramid während des Zwirnens mit einer - verglichen mit der Vorlaufgeschwindigkeit des Polyesters - höheren Vorlaufgeschwindigkeit zuläuft und dabei gestaucht in den Zugstrang eingearbeitet wird.