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Dazu gehört auch die im Oberbegriff definierte Getriebeart, bei welcher
zwischen zwei Kegelscheibenpaaren einKraftübertragungsglied - ein endloses Treibband
- verwendet wird.
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Die einfachste Ausführungsart eines solchen stufenlos regelbaren
Riemengetriebes kann mit handelsüblichen Keilriemen hergestellt werden.
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2. Das Maschinenelement »Treibriemen« allgemein, dazu gehören auch
die Keilriemen-Bauarten, muß folgende Eigenschaften aufweisen: a) Oberfläche mit
hohem Reibwert für den Kraftschluß-Kontakt in Verbindung mit hohem Verschleißwiderstand;
b) hohe Zugfestigkeit für die Übertragung der Treibkraft zusätzlich zu der für den
Reibkraftschluß erforderlichen Vorspannkraft; c) hohe Biege-Elastizität für Anschmiegbarkeit
an möglichst kleine Scheibendurchmesser.
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Diese Eigenschaften können aber nicht gleichzeitig mit einem Werkstoff
bzw. mit einer Riemenstruktur erreicht werden; denn die Eigenschaften unter a) stehen
zueinander in Widerspruch; die Eigenschaften b) und c) stehen auch zueinander in
Widerspruch. Es kann entweder eine Eigenschaft bevorzugt ausgebildet werden auf
Kosten der anderen. In der Regel aber wird eine Kompromißlösung gesucht.
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3. Aus der Theorie der Riemengetriebe (allgemeiner: Umschlingungsgetriebe)
sind folgende Zusammenhänge bekannt: Mit den Benennungen Fr 1 = Kraft im Lasttrum,
2 2 = Kraft im Leertrum, F, = F,I - -Fr2 = effektive Treibkraft (wobei dann F, v
= Leistung P), E = Elastizitätsmodul des Riemenwerkstoffes, r = Krümmungsradius
über der Scheibe, h = radiale Höhe des Riemenquerschnittes, b = Breite des Riemenquerschnittes
wird Beanspruchung im Lasttrum: F,I (1) -'='6lI Biegebeanspruchung über der Scheibe:
hE 2 (2) r (ohne Berücksichtigung der Fliehkraft).
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Die maximale Beanspruchung 0aber = 1 + b ist maßgebend für die Festigkeits-Lebensdauer.
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Längs der Umschlingungsstrecke a - r über der treibenden und über
getriebenen Scheibe ändert sich im Riemen (Treibband) die Längsbeanspruchung a woraus
sich eine Dehnungsänderung ergibt. Diese verursacht den sogenannten Dehnungs- oder
Gleitschlupf, welcher den dimensionslosen Wert hat:
Als Folge von »sz« läuft die treibende Scheibe schneller als die getriebene.
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Es entsteht eine Verlustleistung von der Größe Pos = st V Fr (4)
(v = Umlaufgeschwindigkeit).
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Diese Verlustleistung wird längs der Umschlingungsstrecken in Reibungsarbeit
= Wärme umgesetzt, d. h.
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das Treibband gleitet kontinuierlich auf den Scheiben, woraus ein
Verschleiß entsteht.
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Um den Dehnungsschlupf und damit der Verlustleistung und vor allem
den Verschleiß möglichst gering zu halten, muß angestrebt werden, daß die Zugbeanspruchung
aus F, möglichst klein und der E-Modul möglichst groß sind.
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Ein großer E-Modul ist aber mit Rücksicht auf die Biegebeanspruchung
nach (2) wieder nachteilig.
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In der Beziehung (3) für den Dehnungsschlupf ist aber nur die Längsdehnung
berücksichtigt. Eine gleichartige nachteilige Auswirkung ergibt sich zusätzlich
aus der Schubverformung innerhalb des Riemenquerschnittes (= Querverforrnung).
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Bei Flachriemen ist diese Schubverformung in der Regel sehr klein,
weil die Zugfasern über den Umschlingungsstrecken unmittelbar radial gestützt sind
und der Abstand zwischen Krafteinleitung (= Reibkontakt) und Zugfasern relativ klein
ist.
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Bei Keilriemen, ganz besonders bei Breitkeilriemen, wie sie für stufenlos
regelbare Getriebe erforderlich sind, ist der Einfluß der Schubverformung weitaus
ungünstiger; dies ist in der Regel die Ursache für starken Verschleiß (Erklärung
in Beschreibung zu Fig. 10).
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4. Zur Erhöhung der übertragbaren Leistung und der Lebensdauer, vor
allem auch zur Vergrößerung des Regelverhältnisses, wurden besondere Bauarten von
Keilriemen oder Keil-Treibriemen entwickelt. Im Gegensatz zum Flachriemen erfolgt
beim Keilriemen die Reibkraftübertragung und die radiale Stützung nur an den seitlichen
Keilfianken; daraus ergibt sich cine Wölbverformung des Riemenquerschnittes längs
der Umschlingungsstrecke, die mittleren Zugfasern werden geometrisch kürzer, übernehmen
nur noch einen kleinen Zugkraftanteil, wogegen die in Flankennähe liegen-.
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den Fasern um so höher beansprucht werden.
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Um diese ungünstige Wirkung zu verhindern, werden Keilriemen oder
Keilbänder mit Querversteifungen, Wulsten oder zahnähnlichen Verdickungen ausgeführt.
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In der DE-OS 24 41 569 und DE-OS 30 48 098 sind Vorschläge dieser
Art bekanntgemacht.
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In der DE-OS 28 21 698 ist eine Bauart vorgeschlagen mit einem Keilband
aus biegesteifen Keilelementen und elastischen Zwischenelementen, und zur Treibkraftübertragung
sind Cord- oder Drahtstränge vorgesehen.
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Diese Vorschläge weisen aber folgende Mängel auf: a) Das Zugband
bzw. die Zugfasern werden nur örtlich im Teilungsabstand der Querversteifungen radial
gestützt; sie erhalten dadurch nicht eine gleichförmige Kreiskrümmung, sondern eher
eine Vieleckverformung. Der Krümmungsradius der Zugfasern ist dann über der radialen
Stützung wesentlich kleiner als der mittlere Bandradius, woraus nach Formel (2),
Abschnitt 3, eine örtlich überhöhte Biegebeanspruchung resultiert.
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b) Insbesondere Konstruktionen nach DE-OS 28 21 698 und DE-OS 30 48
098 berücksichtigen nicht, daß an den Krafteinleitungsstellen
Spannungskonzentrationen
sowohl an der Querversteifung als auch an den Längssträngen auftreten, welche technisch
nicht beherrschbar und Ursache für frühzeitige Mateialermüdung sind.
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Nicht berücksichtigt wird dabei auch die Schubverformung, deren Einfluß
den in Abschnitt 3 beschriebenen Längs-Dehnungsschlupf um ein Vielfaches verstärkt.
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Um die längs der Umschlingungskrümmung auftretende ungünstige Beanspruchung
von Endlosbändern zu vermeiden, sind Vorschläge gemacht worden mit kettenähnlich
aus einzelnen Gliedern zusammengesetzten Keil-Treibändern.
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Die Druckschriften DD-PS 104 608, DE-OS 25 05 228 und auch DE-OS
30 48 098 enthalten solche Vorschläge. Hierbei wird aber der Nachteil der Biegebeanspruchung
lediglich durch den Nachteil einer ungünstigen Gelenkreibung ersetzt. Solche Ausführungen
benötigen eine Schmierung der Gliedergelenke. Dies ist aber mit Rücksicht auf den
trockenen Reibkraftschluß an den Keilflanken ohne besondere Vorkehrungen nicht zulässig.
Die angeführten Schriften enthalten keine Vorschläge für eine funktionssichere Gelenkschmierung.
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In der CH-PS 3 42 430 wird die Kombination eines flexiblen Bandes
mit einer Gliederkette ohne Haftverbindung vorgeschlagen. Hierzu ist innerhalb des
Bandes ein abdichtbarer Hohlraum vorgesehen, welcher mit Schmiermittel zur Minderung
des Kettenverschleißes gefüllt ist. Diese Konstruktion ist jedoch für Förderbänder
und Raupenfahrwerke ausgelegt und enthält keine Merkmale bezüglich der Funktionsanforderungen
von stufenlosen Regelgetrieben hoher spezifischer Leistungsdichte.
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Mit der US-PS 24 30 328 ist eine Ausführung bekannt. worin für die
Funktionen der Reibkraft- und U mfangskraftüb ertragung getrennte Bandelemente verwendet
werden, und zwar ein radial nach außen offenes Keilband aus weichem Gummi-Gewebematerial
und eine Zugkerneinlage aus vulkanisierten Textilfasern; beide Elemente sind formschlüssig
gekoppelt.
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Zweck dieser Erfindung istjedoch die Herstellung eines teilbaren Keilriemens.
Im Hinblick auf eine Verbesserung der Übertragungsleistung sind die bei bekannten
endlosen Keilriemen vorhandenen Nachteile, wie Biegebeanspruchung und zu hohe Elastizität
des Faserkerns, mangelhafte Ausbildung der Schubverbindung und dadurch verursachte
Reibbewegung zwischen Faserkern und Keilband, nicht beseitigt.
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Mit Druckschrift GB-PS 1 68 116 ist bereits vorgeschlagen, eine Art
Laschenkette zur Übertragung der Umfangskräfte in ein keilförmiges endloses Gummiband
einzuvulkanisieren. Bei diesem Vorschlag ist zu beanstanden, daß die Laschenteile
bevorzugt elastisch ausgebildet sind, daß im Bereich der Gelenke unkontrollierbare
Scherbeanspruchungen zwischen Gummi und Metall auftreten und verfahrenstechnisch
eine Schmierung der Gelenke kaum ausführbar wäre. Insgesamt sind darin die für eine
hohe Übertragungsleistung maßgebenden Einflüsse von Dehnungs- und Schubschlupf in
keiner Form berücksichtigt.
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Es sind aber auch solche Ausführungen von stufenlosen Getrieben vorgeschlagen
worden, wo das Treibband kettenartig aus Stahl hergestellt und eine dauernde Schmierung
in einem geschlossenen Getriebegehäuse vorgesehen ist. Der Reibungs-Kraftschluß
ist hier als »geschmiert« vorausgesetzt und die Kräfteverhältnisse sind entsprechend
berücksichtigt. Das »Kraftübertragungsband« (anstelle des Keilriemens) besteht in
der Regel aus Längsgliedern und Quergliedem, wobei die Längsglieder mittels Gelenkbolzen
verbunden sind und zwischen Längs- und Quergliedern eine Formschlußverbindung vorgesehen
ist.
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Derartige Konstruktionen sind z. B. beschrieben in DE-OS 23 56 289,
DE-OS 28 48 167 oder als vorteilhafte Variante in DE-OS 30 32 148. Der Vorteil dieser
Konstruktionen liegt darin, daß das Kraftübertragungsglied wesentlich höher belastbar
ist und daß die ungünstige Auswirkung der Bandbiegung eliminiert ist, die Leistungsbelastung
ist größer und die Verschleißerscheinungen sind geringer.
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Jedoch sind beim »geschmierten Reibkraftschluß« mit der Werkstoffpaarung
»hart/hart« markante Nachteile festzustellen: Der Reibwert liegt sehr niedrig mit
t* - 0,05, weshalb wesentlich größere Anpreßkräfte in Verbindung mit einer steiferen
Scheiben- und Wellenbauweise notwendig sind. Der kettenähnliche Aufbau des Treibbandes,
der metallische, ungedämpfte Kontakt der Querelemente mit den Kegelscheiben in Verbindung
mit den hohen Anpreßdrücken sind Erregerquellen für Getriebegeräusche.
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Der Umstand aber, daß bei Eintreten einer Gleitbewegung zwischen
Treibband und Scheiben (= Überschreiten des kritischen Reibwertes) der Reibwert
sehr stark abfällt, ist als schwerwiegender und funktionsstörender Nachteil zu werten.
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Diese Reibpaarung »hart/hart geschmiert« ist instabil, und ein auf
diesem Konzept aufgebautes Getriebe ist fur die meisten Bedarfsfälle ungeeignet.
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Demgegenüber zeigt die Bauart mit der Reibpaarung >)hart/weich
trocken« eine für einen Drehmomentwandler wesentlich vorteilhaftere Charakteristik:
Bei einer Reibpaarung, z. B. Stahl/Gummi oder ähnliche, ergibt sich die Eigenschaft,
daß bei kleinen Schlupfwerten von einigen Prozent der Reibwert erst etwas größer
wird und der Reibwertabfall bei zunehmendem Schlupf nicht so ausgeprägt ist wie
bei »geschmierter Reibung«.
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Die Drehmomentübertragung zeigt eine stabile Charakteristik, was insbesondere
für eine Verwendung als Fahrzeuggetriebe ein wesentlicher Vorteil ist.
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Ein weiterer Vorteil der trockenen Reibpaarung ist darin zu sehen,
daß z. B. für ortsfeste Antriebe keine Kapselung erforderlich ist und deshalb auch
größere Achsabstände ausgeführt werden können.
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Aus diesem Grunde ist die Erfindung gemäß Wortlaut des Oberbegriffes
auf diese Ausführungsart von stufenlosen Getrieben abgegrenzt, welche auf der Reibpaarung
»hart/weich« mit »trockenem Reibkraftschluß« aufgebaut sind.
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Der Erfindung ist deshalb die Aufgabe zugrunde gelegt, eine Bauart
für einen endlosen Keilriemen zu entwickeln, bei welcher die Vorzüge des trockenen
Reibkraftschlusses mit den Vorzügen eines Ketten-Treibbandes vereinigt sind, jedoch
unter Ausschaltung der jeweiligen Nachteile, welche der technische Stand aufzeigt.
In dieser Aufgabenstellung eingeschlossen ist die Forderung nach solchen Eigenschaften,
welche eine Steigerung der bisher zulässigen Leistungsübertragung bei gleichzeitiger
Verbesserung der Lebensdauer ermöglichen.
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Die Lösung der Aufgabe geht aus den Patentansptüchen hervor.
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Beschreibung Die Beschreibung bezieht sich auf folgende zeichne-
rischen
Darstellungen: Fig. 1: Querschnitt durch den Kettenkeilriemen; Fig. 2: Ansicht auf
die Flankenseite des Kettenkeilriemens mit radialem Teilschnitt; Fig.3: Tangentialschnitt
durch die Keilflanke mit Radial-Ansicht auf ein Kettengelenk; Fig. 4: Metallkern
zum Keilelement; Fig. 5: Schema zur Formschluß-Verpressung Kettenlaschen/Keilelement;
Fig. 6 und 7: Variante für Ketten-Keilelement; Fi g. 8: Verklammerung Keilelement/Kette;
Fig. 9a und Fig. 9b: Variante zur Elastikelement-Verbindung; Fig. 10(a-c): Mechanik
der Keilelement-Verformung.
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Aus Fig. 1 bis Fig. 4 ist das Strukturprinzip des Kettenkeilriemens
zu ersehen.
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Die Keilelemente mit Quersteg 10 und Flankenschenkel 11 haben die
Form eines an der großen Basis offenen Trapezes (= schrägschenkeliges U), sie sind
in der Querschnittsebene Fig. 1 und senkrecht dazu (= Tangentialebene) biegesteif
ausgebildet und sind im Hinblick auf größtmögliche Biegesteifigkeit aus Stahl hergestellt.
Die funktionsbedingte Form eines Keilelements ist in Fig. 4 dargestellt. In Umfangsrichtung
weisen die Keilelemente an Steg 10 und Schenkel 11 beidseitig Planflächen auf.
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Die Elastikelemente 20 sind der offenen Trapezform der Keilelemente
angepaßt, ihre Außenkontur ist aber gegenüber den Außenkanten der Keilelemente an
Steg und Flankenschenkeln zurückgesetzt. Sie sind aus hochelastischem Weichgummi
hergestellt und haben an den Flanken keinen Reibkontakt. Die Schenkelenden 12 der
Keilelemente sind halbkreisförmig gerundet und werden von den Elastikelementen so
umschlossen, daß über den Flankenschenkeln in Umfangsrichtung eine fugenfreie, ununterbrochene
Weichgummischicht mit einer ebenen Bundfläche 13 gebildet wird.
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Die Verbindung von Elastik- und Keilemenenten, welche ringsum hermetisch
dicht sein muß, kann in bekannter Weise durch Vulkanisation erfolgen.
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Die Elastikelemente 20 haben zwischen den Keilelementen 10, 11 die
Funktion von hermetisch dichten Gelenken und geben dem endlosen Keilband die in
der Umschlingungsebene erforderliche Biegeelastizität.
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Die Flankenseiten der Keilelemente sind mit einem Reibbelag 14 (Fig.
3) ausgestattet, welcher einvulkanisiert oder formfertig eingeklebt sein kann. Diese
Reibbacken 14 bestehen aus einem sehr zähen Werkstoff, Hartgummi oder ähnlichem,
mit optimaler Verschleißfestigkeit.
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Das komplette Keilband allein kann aber infolge der ausgeprägten
Zugelastizität der Gummi-Elemente in Umfangsrichtung keine Zugkräfte übertragen.
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Die zur Übertragung von Umfangskräften erforderliche Längssteifigkeit
wird durch die Laschenkette bewirkt, welche innerhalb der Kettenrille 30 liegt,
welche durch die radial nach außen offene U-Form der Keil- und Elastikelemente gebildet
wird.
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Die Laschenkette ist endlos aus flachen Kettenlaschen 50 und Gelenkbolzen
60 hergestellt. Es sind zwei Kettenstränge vorgesehen, jeder möglichst nahe an einem
Flankenschenkel angeordnet und aus mehreren Laschenreihen bestehend. Die Gelenkbolzen
können für beide Kettenstränge gemeinsam mit einer Distanzhülse 61 oder für beide
Kettenstränge getrennt ausgeführt sein. Die Anordnung der Laschenkette bezüglich
Keilband ist derart, daß jeweils Mitte Gelenkbolzen genau in der Mitte zwischen
zwei Keilelementen liegt, bzw. Mitte Laschenpaket liegt auf Mitte Keilelement.
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Die Kettenlaschen sind formschlüssig mit dem Querelement verbunden.
Hierzu Mitnehmernut 51 in den Kettenlaschen und Mitnehmerzahn 15 auf dem Quersteg
10 des Keilelements. Die Verbindung muß spielfrei sein, sie muß Kräfte in Umfangsrichtung
und in Radialrichtung übertragen können.
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Ein wesentliches Unterscheidungsmerkmal gegenüber dem technischen
Stand besteht darin, daß das endlose Keilband für sich betriebsfertig herstellbar
ist (fertig vulkanisiert), wobei die Querschnittsform und die Quersteifigkeit durch
die Keilelemente 10, 11 gegeben ist; die Laschenkette wird unabhängig vom Keilband
in der betriebsfertigen endlosen Form fertiggestellt. Der nachträgliche Zusammenbau
von Keilband und Kette wird dadurch ermöglicht, daß das Keilband biege- und druckelastisch
ist.
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Für Funktion und Dauerhaltbarkeit des Keilbandes ist wichtig, daß
die Teilung »tb« der Keilelemente am Keilband ohne Kette größer ist als die Teilung
»tk« der Laschenkette (tb ca. 1,1- tk). Durch diese Maßnahme ergibt sich beim Zusammenbau
eine Druckvorspannung in den Gummiteilen. Diese Druckvorspannung bewirkt, daß bei
der Umschlingungskrümmung des Keilbandes auch in den äußeren Randschichten, vor
allem aber in den Nahtstellen, keine Zugspannung auftritt.
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Nach Einbau der Laschenkette wird die offene Kettenrille 30 mit dem
Deckband 70 geschlossen. Dieses hat bei der Leistungsübertragung selbst keine Funktion,
es dient nur als Verschlußelement. Es muß in Umfangsrichtung biege- und zugelastisch
sein. Die Umfangslänge des Deckbandes wird kleiner bemessen als der äußere Keilbandumfang.
Dadurch liegt das Deckband unter einer Zugvorspannung auf den Bundflächen 13 auf.
Zur Gewährleistung einer dauerhaften Abdichtung wird eine Verklebung oder Kaltvulkanisation
vorgesehen. Zur radialen Stützung des Deckbandes sind Querstege 71 am Deckband ausgebildet.
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Die Laschenkette wird trocken - also ohne Schmiermittelfüllung -
in das Keilband eingesetzt. Das Ausfüllen des freien Hohlraumes in der Kettenrille
30 erfolgt erst nach dem Aufziehen des Deckbandes. Zum Einbringen der Schmiermittelfüllung
werden einige Keilelemente mit Bohrungen versehen, welche nach dem Füllvorgang verschlossen
werden. Es wird vorgeschlagen, das Schmiermittel unter Vakuum, also möglichst luftfrei
einzufüllen.
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Entweder durch Auswahl einer speziellen Gummiqualität oder durch
Verwendung einer besonderen Schmiermittelqualität muß Vorsorge getroffen werden,
daß die Gummiteile nicht vom Schmiermittel angegriffen werden.
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Die Höhe der Flankenschenkel 11 ist bezüglich der Kettenteillinie
so bemessen, daß der Angriffspunkt der Normalkraft FN (etwa Mitte Keilflanke) mit
dem radialen Abstand (0,2 bis 0,4) tk innerhalb der Kettenteillinie liegt.
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In Fig. 5 ist dargestellt, wie eine sichere Formschlußverbindung
zwischen Keilelement 10, 11 und Kettenlaschen 50 durch Einpressen einer sogenannten
Schwalbenschwanzfeder hergestellt werden kann. Linienzug »ar< = Form des Keilelementsteges
vor, Linienzug »b« = nach dem Verpressen mittels Stempel »c«.
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Gegendruck wirkt auf die Kettenlaschen.
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Fig. 6 und Fig. 7 zeigen eine alternative Ausführung für Keilelement
und Kettenlaschen. Zur Umgehung des
Verbindungsproblemes wird hier
vorgeschlagen, Keilelement mit Laschenaugen 55 in einem Teil herzustellen. Mit dieser
Form der Keilelemente kann gleichzeitig eine Verbesserung der Biegesteifigkeit erreicht
werden.
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Diese Keilelemente werden zunächst ohne Gelenkbolzen mit den Elastikelementen
20 wie bereits beschrieben zu einem endlosen Keilband verbunden, wobei aber die
Gelenkbohrungen der Laschenaugen 55 nicht fluchten, da die Keilelementteilung tb
größer ist als die Kettenteilung tk. Die Gelenkbolzen, welche dann für jeden Kettenstrang
geteilt sein müssen, werden nach Fertigstellung des Keilbandes von der Kettenrillenmitte
nach außen eingesetzt, wobei die Keilelemente jeweils um das Maß »tb - tk« zusammengedrückt
werden müssen. Das Distanzmaß »B« muß entsprechend der Bolzenlänge berücksichtigt
werden.
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Beim Vulkanisierverfahren ist darauf zu achten, daß die Gummielemente
20 keinen Kontakt zu den Laschenaugen erhalten.
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Fig. 8 zeigt eine Alternativ-Ausführung zu Fig. 5 für eine Verbindung
von Kettenlaschen und Keilelementen. Die Mitnehmerflanken von Nut 51 und Zahn 15
sind hier parallel ausgeführt und sind nur in der Ketten-Umfangsrichtung belastbar.
Zur radialen Fixierung sind Kettenklammern 56 vorgesehen, welche am Keilelementsteg
10 vernietet oder verschraubt sind.
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In Fi g. 9a und Fig. 9b wird eine Alternativ-Ausführung für Elastikelemente
20 und Deckband 70 dargestellt. Diese Ausführung ist vorteilhaft, wenn die Elastikelemente
20 vorgefertigt (= vorvulkanisiert) sind und die Verbindung mit den Keilelementen
durch Kleben oder Kaltvulkanisation durchgeführt wird. Die Bundfläche 13 ist näher
zur Kettenteillinie verlegt, um Quer-Klebefugen in den äußeren Randzonen zu vermeiden.
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Das Deckband 70 ist mit Bundwulsten 72 (aus Weichgummi) versehen,
in welchen halbkreisförmige Aussparungen 73 für die Flankenschenkel 11 der Keilelemente
eingearbeitet sind.
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Eine Weiterbildung in der Kettenkonstruktion besteht darin, daß als
Gelenkbolzen sogenannte »Wiegengelenke« verwendet werden, wie sie bei Zahnketten
gebräuchlich sind (keine Darstellung).
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Einflußgrößen, welche für die Funktion von Bedeutung sind: Die Treibkraftübertragung
zwischen den Riemenscheiben und dem Zugelement »Kette« erfolgt über die Keilelemente.
Diese müssen dernentsprechend biegesteif ausgelegt sein.
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Beim Umlauf um die Scheibe erzeugen die Keilelemente Fliehkräfte,
woraus eine zusätzliche Beanspruchung der Zugelemente entsteht. Außerdem erfahren
die Keilelemente beim Durchlaufen der Kreisbahn eine Drehbeschleunigung um ihre
Querachse, welche Ursache für Schwingungserscheinungen an den freien Riementrums
sind. Die Konstruktion der Keilelemente muß demnach berücksichtigen, daß ein Maximum
an Biegesteifigkeit bei minimalem Gewichtsaufwand erreicht wird und daß das Massenträgheitsmoment
um die Querachse ebenfalls auf einen Minimalwert reduziert wird.
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Auf den nachteiligen Einfluß, welchen Längsdehnung und Schubverformung
auf Leistungsverlust und Verschleiß haben, wurde in der Darlegung des technischen
Standes (Abschnitt 3) hingewiesen. Mit der dort angegebenen Formel (3) ist aber
nur die Längs-Elastizität berücksichtigt.
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In Fig. lO(a-c) wird in vereinfachter Form die Mechanik der Querelementverformung
und deren Auswirkung dargestellt, wobei die in der Erfindung bezeich-
neten »Keilelemente«
nur als besondere Form von Querelementen zu betrachten sind. Diese Darstellung ist
erforderlich zur deutlicheren Begründung der Erfindungsmerkmale.
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Nach Fig. 10a wird die Umschlingungsfunktion an der »treibenden Scheibe«
betrachtet. Die Umschlingungsstrecke a r, r3 (hier für « = 1800) ist abgewickelt
und das Treibband (Keilriemen) ist durch eine Ersatzstruktur dargestellt aus Zugband
Zb und Querelementen Qe, abgewickelt gedachter Scheibenumfang Sc Die in Zusammenhang
stehenden Größen sind: F1 = Zugkraft im Lasttrum, F2 = Zugkraft im Leertrum, Fr
= eff. Umfangskraft = Treibkraft(aufMitte Band bezogen), Fp = Anpreßkraft der Querelemente
auf die Scheibe, v = Umfangsgeschwindigkeit (auf Mitte Band bezogen), Reibbeiwert,
welcher längs der gesamten Umschlingungsstrecke als konstant angenommen ist, l/Cq
[m/N] = Verformungskonstante eines Querelements, welche alle Verformungseinflüsse
(Biegung und Schub) berücksichtigt.
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Die Längsdehnung des Zugbandes Zb wird gegenüber der Querelementverformung
als sehr klein und vernachlässigbar angenommen.
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Es ergeben sich folgende Beziehungen: Am Querelement »n« wirkt die
Anpreßkraft Fp!, und der Treibkraftanteil Fern = - Fpn; daraus entsteht am Querelement
die Schubverformung dn= ia = Fr, - l/Cq. (5) Während das Zugband Zb die Umfangsstrecke
Sb = a -zurücklegt, macht die Scheibe den Umfangsweg s5 = a rS+sq, (6) wobei »s"«
die Schlupfstrecke ist, welche sich aus der Querelementverformung ergibt, und zwar
zu Sq = 1/Cq . Ft . α . et [m], (7) worin der Faktor
Die mittlere Schlupfgeschwindigkeit wird damit vq = l/Cq - Fr - bis zwei e1 [m/s]
(9) und die Schlupfleistung, welche als Verlustleistung in Reibungswärme umgesetzt
werden muß, wird = = - Fr = l/Cq - F,2 .V/Ts [Watt]. (10) In Fig. 10b sind die Werte
für den Ausdruck »e,« in Abhängigkeit von den Variablen p und « als Diagramm aufgetragen.
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Der Vorgang an der getriebenen Scheibe ist nicht dargestellt.
Es
gelten dafür die Beziehungen (6), (7), (9) und (10) mit den gleichen Einflußgrößen
wie an der treibenden Scheibe, jedoch erhält der Ausdruck »ep dafür die Form
Werte für »e5« in Diagramm Fig. l0c.
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Diskussion zu den Diagrammen Fig. 10b und Fig. 10c: a) An der treibenden
Scheibe wird der »Schubschlupf« mit größerem Reibbeiwert 11 größer; an der getriebenen
Scheibe wird der Schubschlupfmit größerem Reibbeiwert kleiner. Mit sehr kleinem
Reibbeiwert (p < 0) strebt der Schubschlupf treibend und getrieben gegen den
gleichen Wert; der Gesamt-Schubschlupf erreicht hier sein Minimum.
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b) Mit realistischen Reibbeiwerten ist bei gleichem Umschlingungswinkel
und gleichem Reibbeiwert der Schubschlupf an der treibenden Scheibe wesentlich größer
als an der getriebenen Scheibe.
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c) Der Schubschlupf wird an der treibenden und an der getriebenen
Scheibe mit größerem Umschlingungswinkel a kleiner.
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Für die Auslegung eines Kettenkeilriemens nach den Erfindungsmerkmalen
ist demnach folgendes zu berücksichtigen: Bei gegebener Scheibengeometrie und Leistung
stellt die Verformungskonstante l/Cq die Haupteinflußgröße bezüglich Verschleiß
und Verlustleistung dar; sie muß durch entsprechende Gestaltung der Keilelemente
so klein wie möglich gehalten werden. Bei einer realistischen Auslegung (etwa 50
KW mit ca. 30 m/s Bandgeschwindigkeit) hat die Schlupfgeschwindigkeit v,l an der
treibenden Scheibe eine Größenordnung von einigen »cm/s«. Die Verlustleistung ergibt
sich dabei zu einem Wert von weniger als 1%. Zu beachten ist auf jeden Fall der
Verschleiß, welcher an den Keilflanken durch den Schubschlupf verursacht wird und
die Nutzungsdauer maßgebend beeinflußt.
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Es erscheint im Hinblick auf möglichst geringen Verschleiß vorteilhaft,
wenn für die trockene Reibpaarung solche Materialien ausgewählt werden, welche einen
relativ niedrigen Reibbeiwert (t£ 0,3), dafür aber einen optimalen Verschleißwiderstand
aufweisen.
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Zusätzlich sollte die Eigenschaft vorhanden sein, daß der Reibbeiwert
bei kleinen Schlupfgeschwindigkeiten ansteigt.
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Außerdem wäre es von Vorteil, wenn der Keilwinkel y abweichend von
der für übliche Keilriemen geltenden Norm wesentlich größer gewählt wird, etwa 45-60°,
weil sich daraus günstigere Abrollverhältnisse für die Keilflanken ergeben.
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Technischer Fortschritt Der Kettenkeilriemen gemäß der Erfindung
hat die Funktion als Kraftübertragungsglied zwischen zwei Kegelscheibenpaaren unter
Ausnutzung des »trockenem Reibkraftschlusses«. Der Vorteil der trockenen Reibpaarung
gegenüber der »geschmierten« ist in der Darlegung des technischen Standes (Abschnitt
4) herausgestellt.
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Im Vergleich zum technischen Stand sind mit der Erfindung wesentliche
Vorteile erzielbar: 1. Wie durch die Bezeichnung schon ausgedrückt wird, besteht
das Hauptmerkmal der Erfindung in der Art der Kombination von zwei an sich bekannter
Maschinenelemente: nämlich Getriebekette und Keilriemen.
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Der Kettenkeilriemen in dieser Form ist aber nicht nur Kraftübertragungsglied
zwischen zwei Kegelscheibenpaaren, er stellt im Prinzip eine zusätzliche Getriebestufe
dar: Die äußeren Flanken des Keilbandes übernehmen dabei die Funktion eines Reibungsgetriebes
mit der Eigenschaft einer stufenlosen Drehmomentwandlung; Die Keilband-Innenseite
bildet mit der Laschenkette dem Prinzip nach ein Zahnkettengetriebe mit dem Übersetzungsverhältnis
1:1, wobei der Laschenkette die Funktion der Kraftübertragung zwischen den Getriebescheiben
zukommt.
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2. Durch die Verwendung einer Stahl-Laschenkette als Zugglied wird
der Vorteil der hohen Zugfestigkeit und geringen Zugdehnung ausgenutzt, und die
Biegebeanspruchung, welche z. B. bei Endlos-Stahlbändern oder Drähten ein Anwendungsproblem
darstellt, grundsätzlich vermieden. Das bei Gliederbändern oder Ketten auftretende
Problem der Gelenkreibung mit der erforderlichen Schmierung wird dadurch umgangen,
daß die Laschenkette in das koaxial mitlaufende Keilband eingebaut und mit einer
Dauerschmierung versehen ist.
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Als Merkmal hervorzuheben: Die Laschenkette ist gekapselt und das
Kapselgehäuse (= Keilband) läuft mit der Kette um.
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3. Der erfindungsgemäße Aufbau des Keilbandes aus Einzelelementen
gestattet eine Funktionsteilung: a) Die Keilelemente, welche quer- und biegesteif
sind, erfüllen die Funktion der Reibkraftübertragung; b) Die Elastikelemente sind
von der Treibkraft vollkommen entlastet und haben die Funktion von reibungs- und
wartungsfreien Gelenken und wirken zugleich als flexible Dichtung zwischen den Keilelementen.
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Beide Elemente können bezüglich ihrer speziellen Funktion optimal
ausgelegt werden.
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Dieses Keilband ist deshalb im Vergleich zu ähnlichen bekannten Konstruktionen
mit wesentlich höherer Reibkraft belastbar bei gleichzeitiger Steigerung der Materiallebensdauer.
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Gegenüber dem technischen Stand ist zu berücksichtigen, daß das Keilband
selbst nicht an der Treibkraftübertragung (in Umfangsrichtung) beteiligt ist.
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4. Die Koppelung von Längs- und Querelementen bei bekannten ähnlichen
Konstruktionen mit funktionellen Problemen behaftet - wird mit den Erfindungsmerkmalen
so gestaltet, daß sie nach den Regeln der Elastizitäts- und Festigkeitslehre einwandfrei
berechenbar ist. Sicherheit in der Auslegung erlaubt optimale Werkstoffausnutzung,
ermöglicht höhere Leistungsbelastung und Betriebssicherheit.
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Der Verschleiß der Reibflächen, ein für die Lebensdauer maßgebender
Faktor, wird nicht allein durch die Materialeigenschaft, sondern auch durch die
Umschlingungs- und Verformungsmechanik der Keilbandelemente beeinflußt. Die vorgeschlagene
Konstruktion gestattet in Verbindung
mit dem Berechnungsverfahren
Fig. 10 eine rechnerische Erfassung dieser Einflußgrößen und damit eine Optimierung
der Auslegung in bezug auf Verschleiß.
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5. Alle Einzelteile sind maschinell herstellbar; auch
die Komplettierung
ist weitgehend mit automatischen Einrichtungen durchführbar. Es ist demnach zu erwarten,
daß die Herstellkosten, gemessen an der erzielbaren Wirkung, annehmbar sein werden.