Haben Sie sich jemals gefragt, wie Kraft zwischen Maschinen übertragen wird? Riemenantriebe sind eine einfache, aber geniale Lösung, die den Maschinenbau revolutioniert hat. In diesem Blogbeitrag erkunden wir die faszinierende Welt der Riemenantriebe, von ihren Grundprinzipien bis hin zu ihren vielfältigen Anwendungen. Entschlüsseln Sie mit uns die Geheimnisse, die sich hinter dieser wesentlichen Komponente moderner Maschinen verbergen, und entdecken Sie, wie sie unsere Welt bis heute prägen.
Ein Riemenantrieb ist ein mechanisches Kraftübertragungssystem, das Drehbewegung und Drehmoment von einer Antriebswelle auf eine oder mehrere angetriebene Wellen mit Hilfe eines endlosen, flexiblen Riemens überträgt. Dieses System ist besonders effektiv, wenn die antreibenden und angetriebenen Komponenten räumlich voneinander getrennt sind, was eine effiziente Kraftübertragung über große Entfernungen ermöglicht.
Riemenantriebe bestehen aus mehreren Schlüsselkomponenten:
Im Vergleich zu anderen mechanischen Getrieben bieten Riemenantriebe mehrere Vorteile:
Allerdings haben auch Riemenantriebe ihre Grenzen:
Das Riemenantriebssystem ist ein grundlegender Kraftübertragungsmechanismus, der aus mehreren Hauptkomponenten besteht: einer Antriebsscheibe, einer angetriebenen Scheibe, einem über beide Scheiben gespannten Treibriemen und einem tragenden Maschinenrahmen, wie in Abbildung 8-1 dargestellt. Diese Anordnung ermöglicht die Übertragung von mechanischer Energie von einer rotierenden Welle auf eine andere durch Reibungskräfte.
Die Antriebsscheibe, die in der Regel an eine Stromquelle wie einen Elektromotor oder einen Verbrennungsmotor angeschlossen ist, setzt das System in Bewegung. Bei ihrer Drehung greift die Oberflächenreibung der Riemenscheibe in den Treibriemen ein, wodurch dieser in Bewegung gerät. Diese Bewegung wird dann auf die angetriebene Riemenscheibe übertragen, die auf der Welle der Maschine oder des Geräts montiert ist, die bzw. das Energie benötigt.
Die Effizienz und Leistung eines Riemenantriebssystems hängt von mehreren Faktoren ab:
Riemenantriebe bieten Vorteile wie Stoßdämpfung, Geräuschreduzierung und die Möglichkeit, Leistung über große Entfernungen zu übertragen. Sie müssen jedoch regelmäßig gewartet und ausgetauscht werden, da sie sich mit der Zeit abnutzen und dehnen.
1- Antriebsriemenscheibe
2- Angetriebene Riemenscheibe
3- Antriebsriemen
Riemenantriebe lassen sich je nach Antriebsprinzip in Reibungs- und Eingriffsantriebe unterteilen. In diesem Artikel werden in erster Linie Fragen im Zusammenhang mit reibschlüssigen Riemenantrieben erörtert.
2.1. Bei Reibriemenantrieben erfolgt die Übertragung von Bewegung und Leistung durch die Reibungskraft zwischen dem Antriebsriemen, der fest auf der Riemenscheibe sitzt, und der Kontaktfläche der Riemenscheibe. Anhand der Querschnittsform des Antriebsriemens lassen sie sich weiter in Flachriemen, Keilriemen, Keilrippenriemen und Rundriemen unterteilen.
2.1.1 Der Querschnitt eines Flachriemens ist rechteckig, und seine Innenfläche, die mit der Riemenscheibe in Berührung kommt, ist die Lauffläche. Er wird hauptsächlich für die Übertragung über große Entfernungen zwischen zwei parallelen, sich in die gleiche Richtung drehenden Wellen verwendet.
2.1.2 Der Querschnitt eines Keilriemens ist trapezförmig, wobei die beiden Seiten, die mit der Scheibenrille in Berührung kommen, als Arbeitsflächen dienen. Die Scheibenrille ist ebenfalls trapezförmig. Die Kraftanalyse an der Keilfläche zeigt, dass bei gleicher Spannung und gleichem Reibungskoeffizienten die vom Keilriemen erzeugte Reibungskraft größer ist als die des Flachriemens.
Daher hat der Keilriemen eine höhere Übertragungskapazität und eine kompaktere Struktur, wodurch er in der mechanischen Übertragung weit verbreitet ist. Je nach ihrer relativen Breite und Höhe können Keilriemen in verschiedene Typen unterteilt werden, z. B. normale Keilriemen, Schmalkeilriemen, Breitkeilriemen, Automobilkeilriemen, Keilriemen mit Verzahnung und Keilriemen mit hohem Winkel. Derzeit sind normale Keilriemen am weitesten verbreitet.
2.1.3 Der Keilrippenriemen, eine Mischung aus Flachriemen und Keilrippenriemen, vereint die Vorteile beider und wird häufig in großen Kraftübertragungssystemen eingesetzt, wo eine kompakte Struktur erforderlich ist.
2.1.4 Der Querschnitt eines Rundriemens ist kreisförmig und wird nur in Getrieben mit geringer Geschwindigkeit und Leistung verwendet, z. B. bei Nähmaschinen und Instrumenten.
2.2 Der Riemenantrieb mit Zahneingriff überträgt Bewegung und Leistung, indem die Zähne des Riemens mit denen der Riemenscheibe ineinandergreifen. Die Synchronriemen Antrieb, wie in Abbildung 8-3 gezeigt, ist ein typisches Beispiel.
Neben den Vorteilen der Reibriemenübertragung bieten Synchronriemen auch eine hohe Leistungsübertragung und präzise Übersetzungsverhältnisse und werden häufig in Situationen eingesetzt, die eine reibungslose Übertragung und hohe Präzision erfordern, wie z. B. in Tonbandgeräten, Lebensmittelmischern, CNC-Werkzeugmaschinen und Textilmaschinen. Der Querschnitt eines Synchronriemens ist rechteckig, wobei die Innenfläche des Riemens gezahnt ist.
Im Gegensatz zum Aufbau eines Riemens im Reibungsantrieb besteht die Festigkeitsschicht eines Synchronriemens zumeist aus Stahlseilen, was zu einer geringeren Verformung unter Belastung führt. Die Kante der Synchronscheibe ist ebenfalls mit einer Evolventenverzahnung gefertigt, die der Innenfläche des Riemens entspricht und in einem Wälzverfahren durch Evolventenverzahnung hergestellt wird Schneidewerkzeuge. Daher hängen die Abmessungen der Zähne der Riemenscheibe von der Größe der verwendeten Schneidwerkzeuge ab.
Riemenantriebe verfügen über eine ausgezeichnete Elastizität, die es ihnen ermöglicht, Schwingungen effektiv zu dämpfen und zu absorbieren, was eine reibungslose Kraftübertragung bei minimaler Geräuschentwicklung gewährleistet. Bei Überlast dient der kontrollierte Schlupf zwischen Riemen und Riemenscheibe als Schutzmechanismus, der mögliche Schäden an anderen Komponenten des Antriebsstrangs verhindert. Die Einfachheit von Riemenübertragungssystemen erleichtert die Herstellung, Installation und Wartung, was zu kosteneffizienten Lösungen für die Kraftübertragung führt.
Im Betrieb kann es zu einem elastischen Schlupf der Antriebsriemen kommen, was zu leichten Schwankungen des Übersetzungsverhältnisses führen kann. Dieses Phänomen ist zwar im Allgemeinen beherrschbar, verhindert aber die Einhaltung eines streng konstanten Übersetzungsverhältnisses. Riemenantriebe weisen im Vergleich zu anderen Kraftübertragungsmethoden in der Regel größere Gesamtabmessungen auf, was zu einem etwas geringeren Übertragungswirkungsgrad führen kann. Daher werden Riemenantriebe in der Regel für Leistungsübertragungen ≤ 50 kW eingesetzt, wobei die optimale Riemengeschwindigkeit zwischen 5 und 25 m/s liegt. Das empfohlene Übersetzungsverhältnis für einen effizienten Betrieb sollte 5:1 nicht überschreiten. Bei ordnungsgemäßer Auslegung und Wartung können Riemenantriebssysteme Wirkungsgrade zwischen 92% und 97% erreichen.
Riemenantriebe arbeiten unter dynamischen Bedingungen, bei denen die elastische Verformung eine entscheidende Rolle für die Kraftübertragung und die Zuverlässigkeit des Systems spielt. Der Antriebsriemen, der aus elastomeren Materialien und Verstärkungsfasern besteht, zeigt unter Belastung ein viskoelastisches Verhalten. Wenn Spannung angelegt wird, wird der Riemen elastisch gedehnt, wobei die Größe der Verformung direkt proportional zur angelegten Spannkraft ist.
Während des Betriebs besteht eine Spannungsdifferenz zwischen der straffen Seite (F1) und der schlaffen Seite (F2) des Riemens, wobei F1 > F2 ist. Dieses Spannungsungleichgewicht führt zu einer ungleichmäßigen elastischen Dehnung über die Länge des Riemens. Die straffe Seite erfährt aufgrund der höheren Zugspannung eine größere Dehnung, während die schlaffe Seite eine vergleichsweise geringere Dehnung aufweist. Diese unterschiedliche Dehnung ist entscheidend für die Fähigkeit des Riemens, die Leistung effizient zu übertragen.
Die elastische Beschaffenheit des Gurtes trägt auch zu zwei kritischen Phänomenen bei:
Elastischer Schlupf ist ein inhärentes Phänomen bei Riemenantrieben, das während des Arbeitszyklus des Antriebsriemens zwangsläufig auftritt. Dieses komplexe Verhalten ergibt sich aus den elastischen Eigenschaften des Riemenmaterials und den unterschiedlichen Zugkräften entlang des Riemenverlaufs.
Wenn die straffe Seite des Antriebsriemens an Punkt A in die Antriebsscheibe eingreift, entspricht die Riemengeschwindigkeit (v) zunächst der Umfangsgeschwindigkeit (v1) der Scheibe 1. Während sich die Riemenscheibe 1 jedoch von Punkt A nach Punkt B dreht, nimmt die Spannkraft des Riemens allmählich von F1 auf F2 ab, was zu einer entsprechenden Verringerung der elastischen Dehnung führt. Diese fortschreitende Verkürzung des Riemens führt zu einem geringfügigen relativen Schlupf nach hinten entlang der Riemenscheibe, was zu einer Riemengeschwindigkeit (v) führt, die etwas geringer ist als die Umfangsgeschwindigkeit (v1) der Riemenscheibe 1.
Umgekehrt steigt die Spannung des Riemens an der Schnittstelle mit der angetriebenen Scheibe 2 vom Eintrittspunkt C bis zum Austrittspunkt D durch die Reibungskräfte von F2 zurück auf F1. Dieser Spannungsanstieg führt zu einer allmählichen Längung des Riemens. Infolgedessen tritt auf der Oberfläche der Riemenscheibe 2 ein geringer relativer Vorwärtsschlupf auf, der zu einer Riemengeschwindigkeit (v) führt, die geringfügig über der Winkelgeschwindigkeit (v2) der Riemenscheibe 2 liegt. Dieser unterschiedliche Schlupf aufgrund der elastischen Verformung des Antriebsriemens wird als elastischer Schlupf bezeichnet.
Die Auswirkungen des elastischen Schlupfes sind erheblich:
Um die Auswirkungen des elastischen Schlupfes abzuschwächen, können Ingenieure Strategien wie die Optimierung der Riemenspannung, die Auswahl geeigneter Riemenmaterialien mit geringerer Elastizität oder die Implementierung aktiver Spannsysteme in kritischen Anwendungen anwenden. Das Verständnis und die Berücksichtigung des elastischen Schlupfes sind entscheidend für die Konstruktion und Wartung effizienter und zuverlässiger Riemenantriebssysteme in verschiedenen industriellen Anwendungen.
Die wichtigsten Ausfallarten während des Betriebs eines Riemenantriebssystems sind Riemenschlupf auf der Riemenscheibe, beschleunigter Riemenverschleiß und ermüdungsbedingter Ausfall. Jede dieser Arten kann die Leistung und Zuverlässigkeit des Systems erheblich beeinträchtigen:
Zu den weniger häufigen, aber ebenso kritischen Fehlerarten gehören:
2.1 Schlüpfrigkeit
Riemenantriebe arbeiten mit Reibung. Wenn bei konstanter Vorspannkraft F₀ die wirksame Umfangskraft F die Grenzreibungskraft zwischen dem Riemen und der Radoberfläche übersteigt, kommt es zu einem deutlichen Gleiten des Riemens auf der Radoberfläche, was als Schlupf bezeichnet wird.
Wenn der Riemen durchrutscht, dreht sich zwar die treibende Scheibe weiter, aber sowohl die getriebene Scheibe als auch der Riemen verlieren erheblich an Geschwindigkeit oder kommen sogar ganz zum Stillstand. Schlupf ist ein nachteiliges Phänomen, da es zum Ausfall des Antriebs führt und den Riemenverschleiß verschlimmert. Bei normalem Betrieb sollte Schlupf vermieden werden.
Elastisches Gleiten und Schlupf sind zwei völlig unterschiedliche Konzepte. Ihre Unterschiede sind in Tabelle 8-1 dargestellt.
Tabelle 8-1 Unterschiede zwischen elastischem Gleiten und RutschenArtikel Elastisches Gleiten Abrutschen Phänomen Das Gleiten des lokalen Riemens auf der lokalen Radoberfläche Relatives Gleiten zwischen dem Riemen und der Radoberfläche über den gesamten Kontaktbogen Ursachen für das Auftreten Spannungsunterschied auf beiden Seiten des Bandes Die effektive Zugkraft erreicht oder übersteigt die Endreibungskraft zwischen dem Riemen und der Radoberfläche Schlussfolgerung Unvermeidlich Kann vermeiden
2.2 Ermüdungsversagen des Gürtels
Die Belastung des Transmissionsriemens variiert während des Betriebs und bildet eine Wechselspannung. Je höher die Drehzahl und je kürzer der Riemen, desto häufiger wickelt sich der Riemen pro Zeiteinheit um die Riemenscheibe, was zu häufigeren Spannungsänderungen führt. Im Laufe der Zeit kann die wiederholte Wirkung der Wechselbeanspruchung dazu führen, dass sich der Riemen ablöst und reißt, was schließlich zu einem Ermüdungsbruch und damit zu einem Ausfall des Getriebes führt.
Der auf die Riemenscheibe aufgelegte Transmissionsriemen sollte eine bestimmte Spannung aufweisen, um den normalen Betrieb des Riemenantriebs zu gewährleisten. Nach einer gewissen Betriebszeit kann die plastische Verformung des Riemens jedoch zu einem Durchhängen führen, wodurch sich die ursprüngliche Spannung allmählich verringert und die Tragfähigkeit des Riemens nachlässt.
Um die Vorspannung des Antriebsriemens zu kontrollieren und die Betriebsfähigkeit des Riementriebs zu gewährleisten, muss eine geeignete Spannvorrichtung verwendet werden. In Abbildung 8-11 sind einige häufig verwendete Spannvorrichtungen dargestellt.
Bei horizontal angeordneten oder mäßig geneigten Riemenantrieben kann eine Spannvorrichtung wie in Abbildung 8-11(a) gezeigt verwendet werden. Die Position des mit einer Riemenscheibe ausgestatteten Motors wird mit einer Schraube eingestellt, um die AchsabstandDadurch wird das Spannen erreicht. Die Einstellmethode besteht darin, den Motor auf einer Gleitschiene zu montieren, und beim ersten Spannen des Riemens wird der Motor mit der Einstellschraube in die gewünschte Position geschoben.
Bei vertikalen oder nahezu vertikalen Riemenantrieben kann eine Spannvorrichtung, wie in Abbildung 8-11(b) dargestellt, verwendet werden. Durch Einstellen der Position des Schwenkrahmens (Motorwellenmitte) wird der Achsabstand vergrößert, um eine Spannung zu erreichen. Bei der Einstellmethode wird die Mutter an der Schraube verstellt, so dass das Maschinengestell um die feste Stützwelle schwingt, um die Vorspannung einzustellen. Sobald die Position eingestellt ist, muss die Mutter gesichert werden.
Abbildung 8-11(c) zeigt eine automatische Spannvorrichtung, bei der der mit einer Riemenscheibe versehene Motor auf einem schwimmenden Schwenkrahmen montiert ist. Unter Ausnutzung des Gewichts des Motors und des Schwenkrahmens schwingen die Riemenscheibe und der Motor um die feststehende Trägerwelle und passen den Achsabstand automatisch an, um die Spannung zu erreichen. Diese Methode wird üblicherweise für Riemenantriebe mit geringer Leistungsübertragung und nahezu vertikaler Anordnung verwendet.
Abbildung 8-11(e) zeigt ein Spannrad, das durch ein Gewicht automatisch auf den Riemen drückt und so eine Spannung erreicht. Diese Methode wird häufig in Flachriemenantrieben mit großem Übersetzungsverhältnis und kleinem Achsabstand eingesetzt und hat einen erheblichen Einfluss auf die Lebensdauer des Riemens.
Wenn der Achsabstand des Riementriebs nicht eingestellt werden kann, kann eine Spannrolle zum Spannen des Riemens verwendet werden, wie in Abbildung 8-11(d) gezeigt. Die Spannrolle wird in der Regel auf der Innenseite der schlaffen Seite installiert, damit der Riemen eine unidirektionale Biegung erfahren kann. Um zu verhindern, dass sich der Umschlingungswinkel der kleinen Riemenscheibe zu stark verringert, sollte die Spannrolle so nah wie möglich an der großen Riemenscheibe installiert werden.
1. Die lineare Geschwindigkeit des Keilriemens sollte 25 Meter pro Sekunde nicht überschreiten, und die lineare Geschwindigkeit des Flachriemens beträgt im Allgemeinen 10-20 Meter pro Sekunde. In besonderen Fällen kann sie reduziert werden. Die lineare Riemengeschwindigkeit kann mit der folgenden Formel berechnet werden:
V = πDn / 60 x 1000 (Meter/Sekunde)
Wo
2. Der Flachriemen sollte pro Sekunde nicht öfter als 3 bis 5 Mal an der kleinen Riemenscheibe vorbeigeführt werden (C), der Keilriemen nicht öfter als 20 Mal.
C = V / L (Zeiten / Sekunde)
Wobei L- Länge des Riemens (m)
3. Der Umschlingungswinkel der kleinen Keilriemenscheibe sollte nicht weniger als 120° (150° beim Flachriemen) betragen, andernfalls sollte der Durchmesserunterschied zwischen den beiden Riemenscheiben verringert, der Achsabstand vergrößert oder eine Druckscheibe eingebaut werden.
4. Der Durchmesser der kleinen Riemenscheibe sollte nicht zu klein sein, um eine übermäßige Biegung des Riemens zu vermeiden, die seine Lebensdauer verkürzt.
Bei Flachriemenantrieben sollte der Durchmesser der kleinen Riemenscheibe in der Regel mehr als das 25-30fache der Dicke des Gewebebandes betragen.
Der Mindestdurchmesser der kleinen Flachriemenscheibe, D_min, lässt sich nach folgender Formel berechnen:
Dmin = C³√N / n1 (mm)
Wo
Bei Keilriemenantrieben sollte der Durchmesser der kleinen Keilriemenscheibe nicht kleiner als die folgenden Werte sein. Andernfalls ist der Umschlingungswinkel nicht ausreichend, und der Riemen neigt zu Schlupf und Beschädigung.Keilriemen Modell O A B C D E F Mindestdurchmesser der kleinen Riemenscheibe (mm) 70 100 148 200 315 500 800
5. Der Achsabstand von Flachriemenscheiben sollte mehr als das Doppelte der Summe der beiden Raddurchmesser betragen; der Achsabstand von Keilriemenscheiben sollte mehr als die Hälfte der Summe der beiden Raddurchmesser betragen, jedoch nicht mehr als das Doppelte der Summe.
6. Die Riemenlänge L kann nach der folgenden Formel berechnet werden:
L=2A + π/2(D1+D2) + (D2-D1)²/4A [mm (offene Übertragung)]
In der Formel steht A für den Achsabstand zwischen den beiden Riemenscheiben (mm), und D2 und D1 bezeichnen die Durchmesser der großen bzw. kleinen Riemenscheibe (mm).
7. Die Vorspannung des Riemens sollte mit einer Kraft von ca. 16-18 kg pro Quadratzentimeter Riemenquerschnittsfläche angezogen werden.
1. Bei Flachriemenantrieben kann die Querschnittsfläche des Riemens auf der Grundlage der für die Übertragung verwendeten Leistung und der linearen Geschwindigkeit des Riemens berechnet werden.
F=P/K (cm²)
In dieser Formel,
K steht für die tatsächliche effektive Spannung, kg/cm². Für Gummigurte kann K im Bereich von 10-25 kg/cm² gewählt werden. Wenn die lineare Geschwindigkeit hoch ist, die Lasteinwirkung groß ist, die Startlast groß ist, die kontinuierliche Arbeitszeit lang ist und der Umschlingungswinkel klein ist, kann ein kleinerer Wert gewählt werden; ansonsten kann ein größerer Wert gewählt werden.
Anhand der berechneten Querschnittsfläche lassen sich die Breite und Dicke des Gurtes bestimmen. Da jede Lage des Gurtes etwa 1,2 mm dick ist, kann die Anzahl der Lagen in einem Flachriemen näherungsweise bestimmt werden.
2. Bei Keilriemenübertragungen können Sie anhand der folgenden Tabelle den Keilriementyp anhand der übertragenen Leistung bestimmen.
Der Leistungsbereich, der für verschiedene Keilriementypen gilt.Leistungsübertragung (kW) 0.4-0.75 0.75-2.2 2.2-3.7 3.7-7.5 7.5-20 20-40 40-75 75-150 über 150 Empfohlenes Modell O O、A O,A,B A,B B,C C,D D,E E,F F
Die Anzahl der Keilriemen, Z, kann nach folgender Formel berechnet werden:
Z = N / (Z0 * C1 * C2) ^ 0,5
Wo:
Bandumschlingungswinkel a° | 180 | 170 | 160 | 150 | 140 | 130 | 120 | 110 | 100 |
C1 | 1.0 | 0.97 | 0.94 | 0.91 | 0.88 | 0.85 | 0.82 | 0.79 | 0.76 |
C2 - Arbeitsbedingungskoeffizient; 0,6-0,7.
Die Abmessungen der Rille der Keilriemenscheibe (siehe Abbildung) sind der nachstehenden Tabelle zu entnehmen.
Leistung (in kW), die von einem einzelnen Keilriemen übertragen wird.Modell Kleiner Riemenscheibendurchmesser D1 (mm) Bandgeschwindigkeit (m/s) 5 10 15 20 O 50~63 0.31 0.59 0.88 1.07 80 0.38 0.74 1.04 1.29 >90 0.42 0.82 1.14 1.40 A 80~90 0.59 1.04 1.32 1.33 100 0.66 1.18 1.51 1.64 >125 0.81 1.47 1.87 2.21 B 125 1.02 1.84 2.43 2.58 140 1.12 2.06 2.80 3.10 >180 1.32 2.41 3.28 3.94 C 2OO 1.98 3.60 4.80 5.52 250 2.41 4.45 6.14 7.00 >280 2.67 4.95 6.77 7.72 D 315 3.98 7.00 9.20 9.95 400 5.07 9.10 12.30 14.40 >450 5.45 9.95 13.30 15.40
Abmessungsdiagramm der Rillen der Keilriemenscheibe
Bei der Berechnung des Übersetzungsverhältnisses bezieht sich der Durchmesser der Riemenscheibe auf die Position D im Diagramm, nicht auf den äußeren Rand der Scheibe. Außerdem ist zu berücksichtigen, dass der Riemen einen Schlupf von 1% hat.
Abmessungen der Rille der Keilriemenscheibe:Abmessungen der Rille (mm) Modell O A B C D E F a 10 13 17 22 32 38 50 ι 10 13 17 22 30 36 48 c 3 4 5 7 9 12 16 t 12 16 21 27 38 44 58 s 9 12 15 18 23 26 32 Entsprechender Schlitzwinkel φ Mindestdurchmesser der Keilriemenscheibe (in Millimetern) 34° 70 100 148 200 315 500 800 36° 90 125 180 250 400 710 1000 38° ≥112 ≥160 ≥225 ≥315 ≥500 ≥800 ≥1250