Zahnriemen Warum Zugträgerspannung so wichtig für die Qualität eines Zahnriemens ist

Autor / Redakteur: Thomas Steinert / Ute Drescher

Viele aus der Praxis bekannte Probleme in Polyurethan-Zahnriementrieben wie Aufklettern des Riemens oder Seitenkantenverschleiß hängen mit einer ungenügenden Führung der Zugträgerspannung im Extrusionsprozess zusammen.

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Messung der seitlichen Ablaufkraft eines Brecoflex-Riemens im Prüffeld. Mit der Kenntnis des Zusammenhangs von Zugträgerspannungsverteilung und Ablaufkraft lassen sich korrekte Bremskraftvorgaben für den Prozess ableiten.
Messung der seitlichen Ablaufkraft eines Brecoflex-Riemens im Prüffeld. Mit der Kenntnis des Zusammenhangs von Zugträgerspannungsverteilung und Ablaufkraft lassen sich korrekte Bremskraftvorgaben für den Prozess ableiten.
(Bild: Breco)

Was haben ein Zahnriemen und eine Geige gemein? Nun, beide leben von der richtigen Saitenspannung – der Ton macht eben die Musik! Während aber bei der Geige die Saitenspannung mit den Tönen g – d1 – a1 – e2 variieren soll, strebt man bei der Herstellung von Zahnriemen in allen Saiten - den Zugträgern - in der Regel die gleiche Spannung an. Warum aber spannt man die Zugträger bei der Riemenherstellung überhaupt vor?

Für die meisten Anwendungen finden als Zugträger eines Zahnriemens verseilte Stahldrahtkonstruktionen, sog. „Fine-Steel-Cords“, Verwendung, die aus vielen feinen Einzeldrahtfilamenten bestehen (für Sonderanwendungen werden auch Rovings aus Aramid- und Kohlefaserfilamenten eingesetzt).

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Da produktionsbedingt nicht alle Filamente exakt dieselbe Schlaglänge haben und da durch die Verseilung nicht nur Zug-, sondern auch Querkräfte auf die Filamente wirken, ist zu Beginn eines Belastungsvorgangs die Last im Zugträger nicht gleich verteilt. Die Filamente dehnen sich ungleichförmig und setzen sich dabei in eine neue Lage. Erst oberhalb einer Dehnung von etwa 0,1 % geht die Last-Verformungskurve des Zugträgers in die Hooke’sche Gerade des Werkstoffs über.

Wir bezeichnen dieses Setzverhalten bei kleinen Kräften als Low-Load-Elongation, kurz LLE. Für den Riemenanwender ist die LLE unerwünscht. Eine große LLE führt im Betrieb schon bei kleinen Kräften zu vergleichsweise hohen Dehnungen. Die Riemenvorspannung wird abgebaut und die Längentoleranz des Riemens verschlechtert sich in den ersten Betriebsstunden. Die Passfähigkeit des Riemens auf der Scheibe sowie sein Laufverhalten leiden.

Aus diesem Grund spannt Breco die Zugträger während der Extrusion so vor, dass die resultierende Dehnung immer >0,1 % ist. Gleichzeitig prüft unser Drahtlieferant, die belgische NV Bekaert SA, für jede Charge die LLE und weist das Prüfergebnis in einem Messprotokoll nach. Grundvoraussetzung für alle nachstehend beschriebenen Anstrengungen, den Einfluss der LLE für den Anwender zu minimieren bzw. zu kompensieren, setzen voraus, dass der LLE-Wert des Zugträgers im Toleranzbereich bleibt und über einer Liefercharge nur geringen Schwankungen unterworfen ist.

Da in einem Zahnriemen immer viele Zugträger nebeneinander liegen, tritt neben die Forderung nach konstanten Zugträgereigenschaften und einer Mindestvorspannung im Prozess die Forderung nach einer hohen Gleichmäßigkeit der Zugträgerspannungen über der Riemenbreite. Ungleichmäßige Zugträgerspannungsverteilungen äußern sich bei endlichen Riemen in einer mangelhaften Riemengeradheit, bei endlosen Riemen in einer erhöhten Ablaufneigung.

Die richtige Zugträgerspannung bei endlichen Riemen

Die Gleichförmigkeit der Zugträgerspannung wird bei Meterware durch gleichmäßige Bremsung aller Zugträger erreicht – keine leichte Aufgabe, denn je nach Riemenbreite sind bis zu 132 Zugträger je Riemen im Zulauf. Wir wissen heute, dass aufgrund der unterschiedlich langen Wege dieser Zugträger in den Extrusionspunkt eine genaue Steuerung der Bremskraft der Zugträger nicht ausreicht. Vielmehr ist es erforderlich, jenseits aller Einflüsse von Zugträgerführung und Reibung unmittelbar vor dem Extrusionspunkt die Zugträgerkraft zu messen und regelnd einzugreifen. Bei Breco sind alle Produktionsanlagen zur Herstellung von Meterware mit dieser Messtechnik ausgestattet.

Die Abweichung von der idealen Riemengeradheit, die sog. Sichelbildung, wird im Produktionsprozess bei Breco einfach, aber effektiv durch Anlegen eines 3-m-Riemenstücks an ein Lineal geprüft. Da Sichelbildung bei schmalen Riemen stärker zu Tage tritt, als bei breiten, müssen wir diesen Nachweis der Geradheit nicht nur in Produktionsbreite, sondern auch in allen Zwischenbreiten prüfen, die beim Kunden möglicherweise durch Aufschneiden hergestellt werden. 100 mm breite R-Ware wird z. B. beim Kunden häufig bis 25 mm Riemenbreite aufgeschnitten – die Prüfung der Geradheit erfordert also die Kontrolle von vier 25-mm-Streifen, die in sich gerade sein müssen. Die Bewertung der Sichelbildung erfolgt an einem 3-m-Riemenstück: Unabhängig von Typ und Teilung akzeptieren wir auf dieser Prüflänge eine Geradheitsabweichung von max. 3 mm. Man muss bei diesen Abweichungswerten schon genau hinschauen, wie sie ermittelt wurden: Ein Riemen, der 3 mm Geradheitsabweichung, aber bei einer Prüflänge von 2 m gemessen, aufweist, hat aufgrund des quadratischen Einflusses bei einer Prüflänge von 3 m die 2,25-fache Geradheitsabweichung, also fast 7 mm.

Bei Breco erfolgt die Geradheitskontrolle bei jeder produzierten Rolle (unmittelbar zu Beginn am Rollenanfang, damit man bei Abweichungen sofort reagieren kann). Unser Wunsch nach Präzision hat seinen Preis: Neben der zeitlich aufwändigen Kontrolle – Ablängen, Aufschneiden und Prüfen der Einzelspuren – ist bei 100-m-Rollenlänge eine QS-Schrottquote von 3% prinzipbedingt nicht vermeidbar.

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Die richtige Zugträgerspannung bei endlosen Riemen

In einem endlos hergestellten Riemen, insbesondere also dem bifilar-helixförmig gespulten Brecoflex-Riemen, besteht das Problem nicht darin, die Kräfte einer Vielzahl von Zugträgern zu vergleichmäßigen – es handelt sich ja nur ja nur zwei Zugträger. Vielmehr gilt es, der kontinuierlich mit der Spulzeit steigenden Belastung der Wellen des Extruders durch den Drahtzug Herr zu werden. Die Wellenbiegung lässt die einmal erzielte Zugträgervorspannung wieder absinken. Zur Herstellung hochpräziser Zahnriemen reicht eine steife Wellenkonstruktion allein nicht aus. Vielmehr ist es erforderlich, das Last-Verformungs-Verhalten der Extrusionsmaschine zu kennen und bei der Bemessung der Zugträgerkraft entsprechend zu kompensieren. Die Bremskraft beim Spulen darf also über der Spulzeit nicht konstant bleiben.

Zwischen rechter und linker Riemenseite ungleichförmige Zugträgerspannungswerte in einem endlosen Zahnriemen äußern sich unter anderem in seitlichem Ablauf, also der Neigung des Riemens, sich beim Lauf axial zu einer Seite der Riemenscheibe zu versetzen. Hierbei entstehen Kontaktkräfte mit der Bordscheibe, die zu erhöhter Reibung und Verschleiß des Riemens führen. Im Extremfall klettert der Zahnriemen auf die Bordscheibe auf und wird durch Schnittbeschädigungen unbrauchbar. Aus produktionstechnischer Sicht besteht die Optimierungsaufgabe also darin, die Zugträgerspannung im Herstellprozess so zu beeinflussen, dass die seitlichen Ablaufkräfte im Riemen ein Minimum annehmen.

Anwendungsbeispiel: Der Schubert TLM-F4-Roboter

Besonders wichtig werden die vorstehend beschriebenen Zusammenhänge von Zugträgerspannung und Präzision bei Zahnriementrieben, in denen der Achsabstand prinzipbedingt nicht zur Einstellung einer Riemenvorspannung verändert werden kann und in denen aufgrund des Bauraumes oder der Minimierung der bewegten Masse keine Möglichkeit zur Anordnung einer Riemenspannrolle besteht. Die Gerhard Schubert GmbH in Crailsheim, Anbieter von Lösungen im Verpackungsmaschinen-Marktsegment, entwickelte den 4-Achs-Roboter TLM-F4 für Pick-and-Place-Aufgaben, der in der Lage ist, das Transportgut mit 15 g zu beschleunigen. Um dies zu erreichen, war es erforderlich, die Scherenkinematik am unteren Bildrand als CFK-Leichtbaukonstruktion mit starrem Achsabstand auszuführen. In den beiden CFK-Schwenkarmen laufen Brecoflex-Zahnriemen zur Übertragung der Antriebsbewegung. Ein Verlust der Vorspannkraft oder aber Schwankungen der Riemenlänge in einem Produktionslos würden die Funktion des kinematischen Prinzips in Frage stellen. Gerade in diesem Anwendungsbeispiel war es von großer Wichtigkeit, bei der Riemenherstellung die erforderliche Zugträgervorspannung in jedem Produktionslos reproduzierbar exakt zu treffen und über der Lebensdauer des Riemens konstant zu halten.

Die Zugträgerspannung ist bei der Extrusion von Polyurethan-Zahnriemen ein zentraler Prozessparameter, den man als Riemenhersteller kennen und sehr genau führen muss, um dem Anwender ein Höchstmaß an Präzision und an Sicherheit gegen Überspringen und Verschleiß zu bieten. Ebenfalls lassen sich über die Zugträgerspannung Sondertoleranzen für Spezialanwendungen einstellen. (ud)

* Dr.-Ing. Thomas Steinert ist Geschäftsführer der Breco Antriebstechnik Breher GmbH & Co. KG in Porta Westfalica.

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