LORENZ, Falk (Hüttenstrasse 27, Hannover, 30165, DE)
FISS, Tim (Grazer Strasse 28, Hannover, 30519, DE)
KANZOW, Henning (Schützenallee 9, Hannover, 30519, DE)
LORENZ, Falk (Hüttenstrasse 27, Hannover, 30165, DE)
FISS, Tim (Grazer Strasse 28, Hannover, 30519, DE)
| Patentansprüche
1. Endloser elastischer Antriebsriemen (1 , 11), umfassend wenigstens:
— einen Unterbau (5, 16)aus elastomerem Werkstoff, der gegebenenfalls mit einer
Beflockung (9) oder Textilauflage (10, 23) versehen ist und/oder Fasern enthält, wobei der Unterbau die Kraftübertragungszone (8, 22) umfasst;
— eine Decklage (2, 12) aus elastomerem und/oder textilem Werkstoff, der gegebenenfalls Fasern enthält; sowie
— einen die Zugkraft aufnehmenden Festigkeitsträger, der zwischen Unterbau (5, 16) und Decklage (2, 12) eingebettet ist;
dadurch gekennzeichnet, dass der Festigkeitsträger ganz oder teilweise aus einem
Polyetheretherketon (PEEK) besteht.
2. Endloser elastischer Antriebsriemen (1, 11) in Form eines Keilriemens oder Keilrippenriemens, umfassend wenigstens:
— einen Unterbau (5, 16) aus elastomerem Werkstoff, der gegebenenfalls mit einer Beflockung (9) oder Textilauflage (10, 23) versehen ist und/oder Fasern enthält, wobei der Unterbau mit seiner Keil- bzw. Keilrippenstruktur die Kraftübertragungszone (8, 22) umfasst;
— eine Decklage (2, 12) aus elastomerem und/oder textilem Werkstoff, der gegebenenfalls Fasern enthält; sowie
— einen die Zugkraft aufnehmenden Festigkeitsträger, der zwischen Unterbau (5, 16) und Decklage (2, 12) eingebettet ist; dadurch gekennzeichnet, dass der Festigkeitsträger ganz oder teilweise aus einem Polyetheretherketon (PEEK) besteht.
3. Antriebsriemen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Festigkeitsträger aus wenigstens einem Zugstrang (4, 14) besteht.
4. Antriebsriemen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der
Festigkeitsträger aus zwei oder mehreren Zugsträngen (4, 14) besteht, die nebeneinander angeordnet eine Festigkeitsträgerlage (3, 13) bilden.
5. Antriebsriemen nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der
Zugstrang (4, 14) aus einem oder mehreren Multifϊlamentgarnen besteht.
6. Antriebsriemen nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zugstrang (4, 14) aus einem Zwirn gebildet ist.
7. Antriebsriemen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Zugstrang (4, 14) aus einem mehrstufigen Zwirn gebildet ist.
8. Antriebsriemen nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine äußere Zwirndrehung zwischen 50 und 300 tpm vorliegt.
9. Antriebsriemen nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Zugstrang (4, 14) ein Gesamtlängengewicht von 1000 bis 20000 dtex aufweist.
10. Antriebsriemen nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Zugstrang (4, 14) ein Gesamtlängengewicht von 2000 bis 10000 dtex aufweist.
11. Antriebsriemen nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Zugstrang (4, 14) ein Gesamtlängengewicht von 3000 bis 6000 dtex aufweist.
12. Antriebsriemen nach einem der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Zugstrang (4, 14) ganz aus PEEK besteht, und zwar in Bezug auf den textilen Anteil des Zugstranges.
13. Antriebsriemen nach einem der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Zugstrang (4, 14) neben PEEK wenigstens einen weiteren Werkstoff umfasst.
14. Antriebsriemen nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Werkstoff ein textiler Werkstoff, beispielsweise Polyamid, ist.
15. Antriebsriemen nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der
Mengenanteil an PEEK die Majorität besitzt.
16. Antriebsriemen nach einem der Ansprüche 13 bis 15 in Verbindung mit einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Zugstrang (4, 14) als
Mischzwirn ausgebildet ist.
17. Antriebsriemen nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Festigkeitsträger, insbesondere der Zugstrang (4, 14), mit einer Haftschicht ausgerüstet ist.
18. Antriebsriemen nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftschicht ein Resorcin-Formaldeyd-Latex (RFL) ist.
19. Antriebsriemen nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftschicht mit einer zusätzlichen überschicht ausgerüstet ist.
20. Antriebsriemen nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die überschicht ein chlorsulfoniertes Polyethylen (CSM), ein chlorierter Kohlenwasserstoff, ein Isocyanat, insbesondere ein Di- oder Tri-Isocyanat, ein Silan sowie Dinitrosobenzol oder Bismaleinimid enthält.
21. Antriebsriemen nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die überschicht ein Haftzement ist.
22. Antriebsriemen nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Unterbau (16) und der Decklage (12) eine Einbettmischung (15) aus elastomerem Werkstoff für den Festigkeitsträger, insbesondere für den Zugstrang (14) angeordnet ist.
23. Antriebsriemen nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der
Festigkeitsträger, insbesondere der Zugstrang (14), ganz oder teilweise in die Einbettmischung (15) eingebettet ist.
24. Antriebsriemen nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterbau (5, 16) und/oder die Decklage (2, 12) und/oder die Einbettmischung (15) ein elastomerer Werkstoff auf Basis einer Kautschukmischung ist, wobei die Kautschukkomponente ein Ethylen-Propylen-Mischpolymerisat (EPM), Ethylen- Propylen-Dien-Mischpolymerisat (EPDM) oder Polychlopren (CR) ist. |
Beschreibung
Endloser elastischer Antriebsriemen, insbesondere Keilriemen oder Keilrippenriemen, mit vermindertem Spannungsverlust
Die Erfindung betrifft einen endlosen elastischen Antriebsriemen, insbesondere Keilriemen oder Keilrippenriemen, umfassend wenigstens:
— einen Unterbau aus elastomerem Werkstoff, der gegebenenfalls mit einer Beflockung oder Textilauflage versehen ist und/oder Fasern enthält, wobei der Unterbau die Kraftübertragungszone umfasst;
— eine Decklage aus elastomerem und/oder textilem Werkstoff, der gegebenenfalls Fasern enthält; sowie
— einen die Zugkraft aufnehmenden Festigkeitsträger, der zwischen Unterbau und Decklage eingebettet ist.
Der eingangs erwähnte Begriff der Elastizität umfasst die Längs- und Biegeelastizität, wobei die Längselastizität bei dem erfindungsgemäßen Antriebsriemen von besonderer Bedeutung ist.
Hinsichtlich des Standes der Technik von Antriebsriemen, die auch als Kraftübertragungsriemen bezeichnet werden und dabei als Flachriemen, Keilriemen, Keilrippenriemen und Zahnriemen ausgebildet sein können, wird insbesondere auf folgende Patentliteratur verwiesen:
Flachriemen
DE 103 54 093 Al
Keilriemen EP 0 662 571 Bl
Keilrippenriemen
DE 38 23 157 Al
DE 100 16 351 Al DE 10 2006 007 509 Al
EP 0 590 423 A2
EP 0 737 228 Bl
EP 0 831 247 Bl
EP 0 866 834 Bl EP 1 108 750 Al
EP 1 129 308 Bl
US 3 981 206
Zahnriemen EP 0 599 145 Bl
EP 0 737 228 Bl
EP 0 866 834 Bl
EP 1 088 177 Bl
EP 1 129 308 Bl WO 2005/080821 Al
WO 2006/066669 Al
US 5 417 618
Als Festigkeitsträger (Zugträger) dieser Antriebsriemen kommen bislang folgende Werkstoffe zur Anwendung:
— Stahl
— Polyamid
— Aramid
— Polyester — Glasfasern
— Kohlefasern
Sie treten dabei im Rahmen einer Festigkeitsträgerlage insbesondere als pararallel verlaufende Zugstränge, insbesondere wiederum in Form von Einzelcorden oder Einzelfilamentgarnen auf.
Im folgenden werden die Festigkeitsträgerprobleme bei Antriebsriemen, insbesondere am Beispiel des Keilrippenriemens, näher dargelegt.
In einem normalen Keilrippentrieb wird die Spannung durch einen automatischen Spanner aufrecht erhalten. Solange der Arbeitsbereich des Spanners nicht verlassen wird, führt eine Riemenlängung nicht zu einem Absinken der Riemenspannung unter die Schlupfgrenze.
Bei Riementrieben, bei denen aus Kostengründen auf den Spanner verzichtet wird, wird der Riemen stärker vorgedehnt. Bei der Montage des Riemens wird dieser über die
Scheiben gezogen. Solche Riemen werden als „Snap-on-Riemen" bezeichnet. Der Riemen muss dann im Betrieb einem Gummiband gleich die Spannung selbst aufrecht erhalten.
Dies gelingt mit längselastischen Keilrippenriemen, die sich durch einen deutlich niedrigeren Modul auszeichnen als normale Keilrippenriemen mit Polyesterzugstrang. Sie enthalten in der Regel Polyamid-zugstränge. Bei Automobilanwendungen werden dabei in
Verbindung mit der Polyamidkurzbezeichnung PA insbesondere PA66- und PA46-
Zugstränge verwendet.
Riemen mit Polyamidzugsträngen verlieren in Riementrieben ohne Spannsystem mit einer hohen Zahl von Rollen und bei einer hohen Leistungsübertragung relativ schnell die nötige Spannung. Mit einer deutlichen Erhöhung der Vorspannung kann man hier Abhilfe
schaffen. Aber die hiermit verbundenen Lagerbelastungen sind in der Praxis meistens nicht akzeptabel.
Auch können die Riemen im Regelfall nicht beliebig breit gestaltet werden. Um die Leistungsübertragung pro Riemenbreite zu erhöhen, ist also eine Verbesserung der
Leistungsübertragungsfähigkeit der Zugstränge selbst erforderlich. Eine einfache Erhöhung des Durchmessers der Corde führt nicht zum Ziel, da solche Riemen im Betrieb zu einer schnelleren Ausspülung der Corde an den Schnittkanten neigen, was man auch als „cord pop-out" bezeichnet.
Ein weiteres Problem bei Polyamidzugsträngen ist ein zu hoher Lagerschrumpf. Diesen versucht man durch eine möglichst spannungsfreie Konfektionierung der Riemen zu verringern (EP 0 831 247 Bl). In der Praxis gibt es immer wieder Probleme mit der Montierbarkeit von elastischen Keilrippenriemen, da sich die Riemen während längerer Lagerung, wie sie insbesondere beim Ersatzmarkt vorkommt, zu stark verkürzen.
Niedrigmodule Riemen werden manchmal auch mit Spanner betrieben, da so bei einigen Motoren eine Verminderung des Geräuschniveaus erzielt werden kann. Im Betrieb mit Spanner sind ebenfalls ein geringes Längungsverhalten und möglichst geringer Lagerschrumpf wünschenswert.
Im Hintergrund der oben genannten Problematik besteht die Aufgabe darin, einen endlosen elastischen Antriebsriemen, insbesondere Keilriemen oder Keilrippenriemen, bereitzustellen, der im Vergleich zu den bisher bekannten Antriebsriemen, insbesondere auf Basis von Polyamidzugsträngen, sich durch einen sehr geringen Lagerschrumpfund einen deutlich geringeren Spannungsabfall nach Laufzeit auf einem Motor auszeichnet.
Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, dass der Festigkeitsträger ganz oder teilweise aus einem Polyetheretherketon (PEEK) besteht.
Im Hinblick auf den Festigkeitsträger sind folgende Gestaltungsmöglichkeiten von Vorteil:
— Der Festigkeitsträger besteht aus wenigstens einem Zugstrang, insbesondere jedoch aus zwei oder mehreren Zugsträngen, die nebeneinander angeordnet eine Festigkeitsträgerlage bilden. Die Zugstränge weisen dabei im Wesentlichen den gleichen Abstand zueinander auf.
— Der Zugstrang besteht aus einem oder mehreren Multifilamentgarnen.
— Der Zugstrang kann auch aus einem Zwirn gebildet sein, insbesondere in Form eines mehrstufigen Zwirns. Die Zwirndrehung beträgt vorzugsweise zwischen 50 und 300 tpm (turns per meter).
— Der Zugstrang weist ein Gesamtlängengewicht von 1000 bis 20000 dtex, insbesondere von 2000 bis 10000 dtex, optimalerweise von 3000 bis 6000 dtex, auf. Diese Daten beziehen sich auf den einzelnen Zugstrang.
— Der Zugstrang besteht ganz aus PEEK, und zwar in Bezug auf seinen textilen Anteil. Im Rahmen einer Alternative kann der Zugstrang neben PEEK wenigstens einen weiteren Werkstoff, insbesondere einen weiteren textilen Werkstoff, beispielsweise Polyamid (PA), umfassen. Bei einer derartigen Mischkonstellation besitzt der
Mengenanteil an PEEK die Majorität. Die Ausbildung erfolgt hier insbesondere als Mischzwirn, beispielsweise als PEEK/PA-Mischzwirn.
Weitere vorteilhafte Gestaltungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Antriebsriemens werden im Rahmen der Figurenbeschreibungen vorgestellt.
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf schematische Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt eines Keilrippenriemens in zwei Ausführungen (Abschnitte A und B);
Fig. 2 eine weitere Ausführung eines Keilrippenriemens in dreidimensionaler Detaildarstellung.
Fig. 1 zeigt einen Antriebsriemen 1 in Form eines Keilrippenriemens mit einer Decklage 2, einer Festigkeitsträgerlage 3 mit in Längsrichtung verlaufenden parallel angeordneten Zugsträngen 4 sowie mit einem Unterbau 5.
Die Zugstränge 4 können eine Cordkonstruktion aufweisen. Vorteilhafterweise liegen die Zugstränge jedoch in einer Multifϊlamentgarnkonstruktion vor. Eine vorteilhafte Alternative ist auch die Zugstrangausbildung als Zwirn, insbesondere in Form eines mehrstufigen Zwirns, und zwar vorzugsweise bei einer Zwirndrehung zwischen 50 und 300 tpm. Jeder Zugstrang kann dabei ganz aus PEEK bestehen oder mit wenigstens einem weiteren Werkstoff vermischt sein, beispielsweise in Form eines PEEK/PA-Mischzwirnes.
Jeder Zugstrang 4 kann zusätzlich mit einer Haftschicht ausgerüstet sein, die insbesondere ein Resorcin-Formaldehyd-Latex (RFL) ist.
Neben der Haftschicht kann auch noch eine zusätzliche überschicht vorhanden sein. Als überschicht werden insbesondere folgende Substanzen bzw. Substanzgruppen eingesetzt:
— ein chlorsulfoniertes Polyethylen (CSM)
— ein chlorierter Kohlenwasserstoff, beispielsweise Chlorparaffin
— ein Isocyanat, beispielsweise Hexamethylendiisocyanat (HDI) — ein Silan, beispielsweise ein Alkoxyaminosilan
— Dinitrosobenzol
— Bismaleinimid
Das Isocyanat liegt dabei insbesondere als Di- oder Tri-Isocyanat vor.
Alternativ hierzu kann die überschicht auch ein Haftzement sein.
Die Biegeelastizität des Antriebsriemens 1 bzw. Keilrippenriemens wird durch einen elastomeren Werkstoff für die Decklage 2 und den Unterbau 5 bewirkt. Die Basis der elastomeren Werkstoffe bilden dabei insbesondere ein Ethylen-Propylen-Mischpolymerisat (EPM), ein Ethylen-Propylen-Dien-Mischpolymerisat (EPDM) oder Polychloropren. In Verbindung mit diesen elastomeren Werkstoffen ist der Einsatz des oben vorgestellten Systems aus Haftschicht und überschicht besonders optimal, und zwar unter dem Aspekt einer äußerst wirkungsvollen Haftanbindung des Zugstrangwerkstoffes PEEK an die Decklage bzw. an den Unterbau.
Der Unterbau 5 weist eine Keilrippenstruktur auf, gebildet aus Rippen 6 und Rillen 7. Auf seiner verschleißanfälligen Arbeitsseite 8, die auch als Kraftübertragungszone bezeichnet wird, ist der Antriebsriemen 1 bzw. Keilrippenriemen mit einer schichtförmigen Beflockung 9 (Abschnitt A), beispielsweise mit einem Baumwoll- oder Aramidflock nach DE 38 23 157 Al, oder mit einer Textilauflage 10 (Abschnitt B), beispielsweise mit einem Werkstoffkonzept nach DE 10 2006 007 509 Al, versehen. Mit einer derartigen Beflockung bzw. Textilauflage wird eine Kombination aus Verschleißschutz und Geräuschdämmung erzielt.
Fig. 2 zeigt nun einen weiteren Antriebsriemen 11, und zwar ebenfalls in Form eines
Keilrippenriemens, der eine Decklage 12, eine Festigkeitsträgerlage 13 und einen Unterbau 16 umfasst. Die Festigkeitsträgerlage ist auch hier aus einzelnen Zugsträngen 14 gebildet, die ganz oder teilweise aus PEEK bestehen. Diesbezüglich wird auf die bereits oben näher vorgestellte PEEK-Textiltechnologie verwiesen.
Die Festigkeitsträgerlage 13 bzw. die Zugstränge 14 sind hier vollständig von einer Einbettmischung 15 umgeben, so dass auch auf diese Weise ein wirkungsvoller Gesamthaftverbund von Decklage 12, Festigkeitsträgerlage 13 und Unterbau 16 gebildet wird.
Der Unterbau 16 selbst umfasst hier noch eine elastische Zwischenlage 17, die mit Fasern 18, insbesondere Textilfasern, beispielsweise Aramid- oder Baumwollfasern, verstärkt ist, sowie eine Keilrippenzone 19, gebildet aus Rippen 20 und Rillen 21.
Die Einbettmischung 15 und die Zwischenlage 17 können wie die Decklage 12 und der Unterbau 16 aus einem elastomeren Werkstoff auf Basis EPM, EPDM oder CR bestehen.
Der Antriebsriemen 11 bzw. Keilrippenriemen ist auf seiner verschleißanfälligen Arbeitsseite 22 ebenfalls mit einer Textilauflage 23 versehen, beispielsweise nach einem Werkstoffkonzept nach DE 10 2006 007 509 Al . Die Textilauflage kann unbeschichtet oder beschichtet sein. Die Beschichtung basiert insbesondere auf einer dünnen Versiegelungsmasse (WO 2005/080821 Al). Dadurch kann beispielsweise die ölbeständigkeit des Antriebsriemens bzw. Keilrippenriemens erhöht werden.
Die Decklage 12 ist bei dem Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 2 noch mit einem Rückengewebe 24 ausgestattet. Das Rückengewebe kann textiltechno logisch beispielsweise wie die Textilauflage 23 konzipiert sein. Diesbezüglich wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen.
Bislang ist der Werkstoff PEEK bei Antriebsriemen nur als Zahnauflage für Zahnriemen bekannt (WO 2006/066669 Al). Mit einer derartigen Zahnauflage wird die Temperaturbeständigkeit des Zahnriemens erhöht und Ausfallerscheinungen verhindert. Die Zahnauflage ist dabei als Gewebe, umfassend Kett- und Schussfäden, ausgebildet. Bei Einsatz des PEEK- Werkstoffes als Festigkeitsträger bzw. Zugstrang hat sich in überraschender Weise herausgestellt, das im Hintergrund der eingangs erwähnten
Problemstellung mit diesem Werkstoffkonzept ein sehr geringer Lagerschrumpf und ein verminderter Spannungsverlust bei längselastischen Antriebsriemen realisierbar ist.
In diesem Zusammenhang wird im folgenden ein Vergleichsversuch beschrieben, der ein Ergebnis lieferte, das im Hintergrund der bislang bekannten PEEK-Textiltechnologie nicht zu erwarten war.
Zwei Typen A und B eines Keilrippenriemens auf Basis einer gleichen EPDM-Mischung wurden auf die gleiche Weise mit der gleichen Form im Formverfahren hergestellt. Auch die Anzahl der Zugstränge waren gleich Die Unterschiede waren lediglich:
Typ A: Zugstränge ausschließlich auf Basis PA66 Typ B: Zugstränge ausschließlich auf Basis PEEK
Die Riemen wurden auf einem Zweischeibenprüfstand (Scheibendurchmesser 120 mm) getestet. Die Riemen wurden bei Raumtemperatur auf eine Trumspannung von 500 N vorgespannt. Der etwa 200 Stunden dauernde Test wurde bei einer Umgebungstemperatur von 120°C und einer Drehzahl von 5000 min-1 und einem Drehmoment von 20 Nm durchgeführt. Riemen mit PA66-Zugstrang haben in den ersten 160 Stunden wegen der temperaturbedingten Schrumpfkraft eine höhere Spannung, die schnell linear abfällt und im weiteren Verlauf zum Absinken der Trumspannung unter die Schlupfgrenze führen wird. Riemen mit PEEK-Zugstrang halten die Spannung nach dem Einlaufen nahezu konstant. Ihre potentielle Laufzeit ist deshalb deutlich größer.
Die Riemen der beiden Typen A und B wurden bei Raumtemperatur 270 Tage gelagert. Dabei wurden bei den Riemen mit PA66-Zugstrang ein Lagerschrumpf von 0,9 %, bei den Riemen mit PEEK-Zugstrang nur ein Schrumpf von 0,2 % beobachtet.
Weitere Versuche hatten ergeben, dass bei einem PEEK-Zugstrang gemäß Ausführungen nach einem der Ansprüche 5 bis 11 die optimalsten Ergebnisse im Hinblick auf die Aufgabenstellung erzielt werden.
Darüber hinaus zeichnen sich Zugstränge auf PEEK-Basis im Vergleich zu Polyester- und Polyamid-Strängen durch eine wesentlich höhere Hitze- und Chemikalienbeständigkeit aus.
Bezugszeichenliste
(Teil der Beschreibung)
I Antriebsriemen bzw. Keilrippenriemen 2 Decklage
3 Festigkeitsträgerlage (Zugträgerlage)
4 Zugstrang
5 Unterbau
6 Rippen 7 Rillen
8 verschleiß anfällige Arbeitsseite (Kraftübertragungszone)
9 Beflockung (Abschnitt A)
10 Textilauflage (Abschnitt B)
I 1 Antriebsriemen bzw. Keilrippenriemen 12 Decklage
13 Festigkeitsträgerlage (Zugträgerlage)
14 Zugstrang
15 Einbettmischung
16 Unterbau 17 Zwischenlage
18 Faserverstärkung
19 Keilrippenzone
20 Rippen
21 Rillen 22 verschleiß anfällige Arbeitsseite (Kraftübertragungszone)
23 Textilauflage
24 Rückengewebe
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