Antriebsriemen mit einer profilierten Riemenrückseite

Die Erfindung betrifft einen Antriebsriemen mit einer zum Antrieb von Nebenaggregaten vorgesehenen Riemenrückseite, insbesondere Keilrippenriemen, wobei die

Riemenrückseite profiliert ist, vorzugsweise mit einem geprägten Profil versehen ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Formverfahren zur Herstellung eines solchen

Antriebsriemens mit Rückenprofil.

Riementriebe finden sich heute bei einer Vielzahl von Antriebskonstellationen und stellen eine einfache und effektive Möglichkeit der Kraftübertragung dar. Insbesondere bei Kraftfahrzeugmotoren sind Riementriebe seit langem bekannt und werden beispielsweise zum Antrieb von Steuerungen, Nockenwellen und Wasserpumpen eingesetzt. Hier werden häufig Keilrippenriemen genutzt (poly-V-belt type), die auf ihrer Profilseite, d.h. ihrer Rippenseite, besonders hohe Drehmomente durch hoher Reibwerte bei der

Umschlingungsreibung übertragen können.

Riementriebe müssen aber heute zunehmend in der Lage sein, auch mit ihrer Rückseite weitere Aggregate anzutreiben. So ist der Antrieb einer Wasserpumpe in einem

Kraftfahrzeugmotor ein typisches Beispiel für einen Antrieb über die Riemenrückseite.

Wichtig dabei ist es, dass nicht nur die Riemenvorderseite, also die Profilseite, einen ausreichend hohen Reibwert zur Übertragung hoher Drehmomente besitzt, sondern dass dies auch bei der Riemenrückseite und der rückseitigen Biegung und Umschlingung einer Rückenrolle der Fall ist. Die EP 1 787 045 Bl offenbart einen Riementrieb mit einem als Keilrippenriemen ausgebildeten Antriebsriemen, dessen Rückseite geprägt ist, um eine höhere Reibung zu erreichen. Zusätzlich ist die zugehörige Rückenrolle bzw. das Reibrad mit mehr oder weniger umlaufenden Nuten versehen, um einen Wasserablauf zu ermöglichen.

Die Prägung der Riemenrückseite soll als ein hier ein nicht näher bestimmtes Relief ausgebildet sein oder - ebenfalls nicht näher beschriebene - Nuten auf dem Riemenrücken ausbilden, deren Größenordnung bzw. Tiefe etwa im Bereich von 1 mm liegt. Diese Prägung kann entweder durch abtragende Bearbeitung hergestellt werden, was aufwendig und umweltbelastend ist, oder durch eine Prägung während der Vulkanisation. Die Prägung während der Vulkanisation wird dabei mit einem Innenwerkzeug durchgeführt, welches auf seiner Außenseite mit einer Gewebebeschichtung versehen ist. Diese

Gewebebeschichtung wird dann in den Vulkanisationsrohling eingedrückt und erscheint später, d.h. nach Vulkanisation, Vereinzelung und Umkrempeln auf dem Riemenrücken.

Als Nachteil erscheint hierbei, dass nicht nur die abtragende Bearbeitung, sondern auch die Prägung während der Vulkanisation durch ein besonderes Werkzeug durchgeführt werden müssen. Darüber hinaus entsteht durch eine Gewebebeschichtung als Negativ ein eher zufälliges Muster einer Prägung, welches im Hinblick auf seinen Reibwert sicher noch nicht optimiert ist.

Als Keilrippenriemen ausgebildete Antriebsriemen werden üblicherweise als Ringe von einem zylindrischen bzw. schlauchförmigen Keilrippenrohling abgeschnitten, dessen Länge einem Vielfachen der Riemenbreite entspricht. Nachdem die einzelnen Ringe vom Keilrippenrohling abgeschnitten sind, werden die Ringe„umgekrempelt" so dass ihre „gerippt" profilierte Seite auf der Innenseite liegt. Man erhält so den landläufig als Keilrippenriemen oder Vielkeilriemen bezeichneten Antriebsriemen, der mit seiner profilierten Innenseite komplementär gestaltete Riemenscheiben antreibt und auf dessen Rückseite gegebenenfalls Spannrollen oder weitere Antriebe kraftschlüssig angeschlossen werden Man unterscheidet bei der Herstellung des Keilrippenrohlings im Wesentlichen wiederum zwei Verfahren, nämlich das abtragende Schleifverfahren und das nicht abtragende Formverfahren.

Beim Schleifverfahren wird ein Keilrippenrohling mit glatter Oberfläche nach der vollständigen Vulkanisation und vor dem Abschneiden der Ringe einer

materialabtragenden Bearbeitung (Schleifen) unterzogen, wodurch auf seiner Außenseite, nämlich in den so genannten Unterbau, das Rippenprofil eingebracht/eingeschliffen wird.

Beim Formverfahren wird das Rippenprofil des Keilrippenrohlings bereits während der Vulkanisation erzeugt, nämlich durch eine zylindrische Vulkanisationsform, in welches der Keilrippenrohling vor bzw. während der Vulkanisation eingepresst wird und die auf ihrer Innenseite das Negativ des Rippenprofils aufweist.

Beim Formverfahren zur Herstellung von Keilrippenriemen erfolgt üblicherweise der Aufbau des Keilrippenrohlings zunächst auf einer so genannten Riemenaufbautrommel. Mit Blick auf das weitere Fertigungsverfahren und das„Umkrempeln" nach dem

Schneiden/V ereinzeln muss auf dieser Trommel natürlich zuerst die Rückseite des

Riemens aufgebaut werden, nämlich die so genannte Decklage. Letztere kann ein- oder zweischichtig aufgebaut sein und mit verschiedenen Zuschlagstoffen oder Beschichtungen versehen sein.

Auf diese Decklage wird dann der so genannte„Zugstrang" aus einem oder mehreren Festigkeitsträgern aufgebracht. Die Festigkeitsträger bestehen üblicherweise aus einem oder mehreren umeinander geschlagenen oder gedrehten Fasern, Fäden oder Corden und werden über die gesamte Breite der Riemen- Aufbautrommel in mehr oder weniger engen Windungen ein oder mehrlagig aufgespult. Im fertigen Riemen sind die Festigkeitsträger für die Zugkraftübertragung maßgeblich und befinden sich dann in den Bereichen zwischen Decklage und dem Unterbau, der nachfolgend beschrieben ist. Der so genannte„Unterbau" oder Grundkörper des Keilrippenriemens, d.h. der Bereich, der später das Rippenprofil und gegebenenfalls noch eine geringe weitere Schichtdicke aufweist, wird auf den Zugstrang aufgetragen. Der Auftrag des Unterbaus erfolgt dabei in Form einer dünnen Platte aus elastomeren Material/Gummi, deren Breite der Länge der Riemen- Aufbautrommel und deren Länge in etwa dem Umfang der Riemen- Aufbautrommel entspricht. Die Enden dieser Platte können in dem noch klebrigen Zustand leicht zusammengefügt werden.

Als letztes wird ggf. noch eine Gewebelage aufgetragen, die für den fertigen

Keilrippenriemen besonderer Eigenschaften im Profilbereich bereitstellt, beispielsweise zur Geräusch- oder Reibungsminderung beiträgt. Die Gewebelage komplettiert so den Keilrippenrohling.

Der so entstandene unvulkanisierte Keilrippenrohling, also der Verbund aus Decklage, Zugstrang und Unterbau und ggf. Gewebelage wird dann in die im Durchmesser etwas größere zylindrische Vulkanisationsform so eingebracht, dass der Unterbau bzw. die Gewebelage der mit einem Negativ des Rippenprofils versehenen Innenseite der

Vulkanisationsform zugewandt ist. In den inneren Hohlraum der Vulkanisationsform und des Keilrippenrohlings werden sodann eine aus Gummi bestehende Manschette/Heizmanschette und entsprechende Einrichtungen zur Dehnung der Manschette und zu ihrer Erwärmung eingeführt, üblicherweise Zuführungen und Einrichtungen zur Beaufschlagung der Manschette mit Druckluft und zur Beaufschlagung der üblicherweise doppelwandigen Vulkanisationsform mit heißem Dampf.

Die Manschette wird dann mit dem heißen Dampf ausgedehnt, legt sich an die Decklage an und presst den gesamten Keilrippenrohling in das umgebende Negativ der

Vulkanisationsform, wodurch die äußeren Schichten des Keilrippenrohlings, nämlich der Unterbau, in das Negativ gedrückt und somit mit einem„geformten" Rippenprofil versehen wird. Es wurde bereits oben erwähnt, dass die Rückseite eines solchen Vielkeilriemens ebenfalls zum Antrieb von Riemenscheiben genutzt wird, beispielsweise für den Antrieb einer Wasserpumpe eines Kraftfahrzeugmotors. Demzufolge werden an die Ausbildung der Riemenrückseite und an den dort erreichbaren Reibungskoeffizienten auch höhere

Anforderungen gestellt.

Betrachtet man nun weiter die Herstellung eines Keilrippenriemens im Formverfahren, so wird deutlich dass die Oberfläche und die Ausbildung des Riemenrückens durch die Außenoberfiäche der im Hohlraum der Vulkanisationsform eingesetzten Manschette bestimmt werden kann, wenn keine weiteren abtragenden Bearbeitungen vorgesehen sind. In diesem Fall formt bzw. prägt allein diese Manschette, die den Keilrippenrohling mit seiner Außenseite in das umgebende Negativ der Vulkanisationsform presst, über Ihre Außenoberfiäche die Innenoberfiäche des Keilrippenrohlings und damit die

Riemenrückseite der nach dem später folgenden Schneiden und Umkrempeln vereinzelten Riemen.

Die Manschette als solche wird üblicherweise auf einen Dorn hergestellt, dort vulkanisiert, dann ihrerseits ebenfalls umgekrempelt und als Heizmanschette in dem oben genannten Herstellprozess für den Keilrippenrohling verwandt. Nachdem Krempelvorgang bildet also die innere und auf dem Dorn vulkanisierte Oberfläche der Manschette ihre Außenseite.

Die EP 0 232 575 Bl offenbart eine Lösung zur Bereitstellung eines hohen Reibwerts sowohl auf der Riemenvorderseite als auch auf der Riemenrückseite, bei welcher ein auf beiden Seiten mit einem Rippenprofil versehenen Antriebsriemen vorgeschlagen wird. Die Rippen auf der Rückseite weisen dabei Quernuten auf, die die Rückwärtsbiegung um eine Rückenrolle ermöglichen und in solchen Grenzen halten soll, dass ein sicherer Betrieb ermöglicht und trotzdem ein sehr hoher Reibwert für den Rückenantrieb erreicht wird. Eine solche Ausbildung erfordert jedoch eine relativ komplizierte Herstellung und erhöht den Materialverbrauch und das Gewicht des Riemens. Da also der Riemenrücken zunehmend eine Antriebsfunktion übernimmt, ist der

Reibungsbeiwert (CoF = Coefficient of Friction, gemessen etwa nach SAE J2432) entscheidend. Die Kraft- und Momentenübertragung des Riemenrückens ist durch die Umschlingung und die Anpresskraft am Abtriebsrad, d.h. in diesem Fall an der

Rückenrolle bestimmt. Der Reibungsbeiwert ist zudem über die Materialpaarung von Rollen und Riemen gekennzeichnet. Heutzutage ist es zur Energieeinsparung bzw. C02- Einsparung üblich, dass die Vorspannkraft im Trieb abgesenkt wird. Eine Kraftübertragung über den Riemenrücken ist somit nicht mehr so sehr durch die Anpresskraft/Normalkraft, sondern vielmehr nur noch durch den Reibungsbeiwert beeinflussbar.

Für die Erfindung bestand also die Aufgabe, einen Antriebsriemen bereitzustellen der in üblicher Konstruktion und in leichter Bauweise die Möglichkeit bietet, über Rückenrollen weitere Aggregate sicher anzutreiben, der von Anfang an hoher Reibwerte realisieren lässt und demzufolge über seine gesamte Lebensdauer hohe Antriebsmomente übertragen kann.

Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Antriebsriemen mit den Merkmalen des

Hauptanspruchs. Die Erfindung betrifft auch ein besonders geeignetes Formverfahren zur Herstellung von Antriebsriemen, insbesondere Keilrippenriemen, gemäß dem

unabhängigen Verfahrensanspruch.

Weitere vorteilhafte Ausbildungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen offenbart.

Dabei ist der Antriebsriemen auf seiner rückseitigen Oberfläche mit einem Profil versehen, das eine Vielzahl pyramidenstumpf- förmiger Vorsprüngen beinhaltet, deren Höhe h weniger als 1 mm beträgt, vorzugsweise in makroskopischen Größenordnungen mit h < 0,2 mm ausgebildet ist, wobei die Grundflächen AG der pyramidenstumpf- förmigen

Vorsprünge eine Fläche von < 1,0 mm ² und die Dachflächen AD eine Fläche von < 0,8 mm ² aufweisen. Durch eine solche Ausbildung der rückseitigen Oberfläche eines Antriebsriemens erreicht man eine unerwartete Verbesserung des Reibungskoeffizienten CoF beim Antrieb über die Riemenrückseite, d.h. eine deutlich verbesserte Momenten-und Kraftübertragung während der Umschlingung von Rückenrollen. Die Vorspannkraft kann also abgesenkt werden, ohne die Antriebsleistung zu verringern.

Dies geht einher mit einem weiteren außerordentlich vorteilhaften Effekt, der darin besteht das der Reibungskoeffizient in Bezug auf die Verbindung zwischen Riemenrückseite und Rückenrolle bereits von Anfang an, das heißt vom Aufziehen bzw. Auflegen des neuen Riemens an, sehr hoch ist und dazu über die gesamte Lebensdauer des Riemens gleich bleibt. Dies führt vorteilhafterweise dazu, dass die bisher üblichen„Einlaufeffekte" nicht auftreten und von vornherein mit einer gleich bleibenden Leistungsübertragung beim Antrieb einer Rückenrolle gerechnet und geplant werden kann.

Eine vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, dass die pyramidenstumpf- förmigen

Vorsprünge als gerade, vierseitige Pyramidenstümpfe mit im Wesentlichen parallel angeordneten Grundflächen und Dachflächen ausgebildet sind. Dies erzielt die bereits oben genannten positiven Wirkungen und vereinfacht zudem die Herstellung. Natürlich kann auch jede andere Form von Pyramidenstumpf als Profil auf den Riemenrücken aufgebracht werden, jedoch ist es für das Ausbilden eines erhöhten Reibungskoeffizienten wichtig, dass Grundflächen und Dachflächen im Wesentlichen parallel ausgebildet sind.

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass die pyramidenstumpf- förmigen Vorsprünge auf der Riemenrückseite unter Berücksichtigung üblicher Fertigungstoleranzen eine Höhe von 0,15 mm aufweisen. Diese Maßgabe, insbesondere im Zusammenwirken mit einer weiteren vorteilhafte Ausbildung, die darin besteht, dass die pyramidenstumpf- förmigen Vorsprünge unter Berücksichtigung üblicher Fertigungstoleranzen eine

Grundfläche AG von 0,8 mm x 0,8 mm und eine Dachfläche AD von 0,6 mm x 0,6 mm aufweisen, führen dazu, dass eine Verbesserung des Reibungskoeffizienten im Vergleich zu Profilierungen aus dem Stand der Technik oder zu nicht profilierten Riemenrücken von bis zu 25 % erreicht wird. Zur Herstellung eines solchen Antriebsriemens mit einer zum Antrieb von Nebenaggregaten vorgesehenen Riemenrückseite ist ein Formverfahren besonders geeignet, bei dem die Profilierung der Riemenrückseite bereits während der Vulkanisation des Riemens hergestellt wird. Bei einem solchen Herstellungsverfahren wird zunächst ein Antriebsriemenrohling als Verbund aus Decklage, Zugstrang und Unterbau und ggf. Gewebelage auf einer Riemenaufbautrommel hergestellt und danach in eine im

Durchmesser etwas größere zylindrische Vulkanisationsform so eingebracht, dass der Unterbau der mit einem Negativ des antriebsseitigen Profils versehenen Innenseite der Vulkanisationsform zugewandt ist, wie oben bereits beschrieben.

Sodann wird in den inneren Hohlraum der Vulkanisationsform und des noch nicht vulkanisierten Antriebsriemenrohlings eine aus Gummi bestehende

Manschette/Heizmanschette eingeführt und unter Zufuhr von Druckluft und/oder Heizmedium so ausgedehnt, dass sie sich an den Antriebsriemenrohling innen anlegt und letzteren in das umgebende Negativ der Vulkanisationsform presst, wodurch die äußere Schicht des Antriebsriemenrohlings, nämlich der Unterbau in das Negativ gedrückt und somit seinem Profil versehen wird.

Die Außenoberfläche der Manschette bildet aber dann das prägende Negativ für die Oberfläche des Riemenrückens bzw. der späteren Riemenrückseite. Demzufolge muss bereits bei der Herstellung der Manschette deren Außenoberfläche so gestaltet werden, dass die Riemenrückseite während der Vulkanisation die Profilierung erhält, welche den Riemen zum Antrieb auch rückseitig umlaufener bzw. umschlungener Antriebsrollen befähigt.

Die besondere erfinderische Ausbildung des insoweit bekannten Verfahrens besteht nun darin, dass die Manschette zuvor auf einem vorzugsweise metallischen Dorn hergestellt wird, dessen Außenseite das Profil der rückseitigen Oberfläche des Antriebsriemens in Form einer Vielzahl pyramidenstumpf- förmiger Vorsprünge aufweist. Dabei wird das Material zur Herstellung der Manschette, in aller Regel ein Elastomer, vorzugsweise Gummi, in mehreren überlappenden Lagen auf den Dorn gewickelt und anschließend untere Außendruck auf dem Dorn vulkanisiert, wodurch die schlauchförmige Manschette entsteht, die auf ihrer Innenseite das Rückseitenprofil des Riemenrückens erhält.

Nach Abschluss der Vulkanisation wird die Manschette schließlich vom Dorn

abgenommen, dann umgekrempelt und in oben genannter Art in den inneren Hohlraum der Vulkanisationsform und des noch nicht vulkanisierten Antriebsriemenrohlings eingesetzt wird.

Das Profil der Außenoberfiäche des Dorns entspricht also in seinen geometrischen Ausbildungen und Abmessungen dem auf der Riemenrückseite letztlich vorhandenen Profil, beinhaltet nämlich eine Vielzahl pyramidenstumpf- förmiger Vorsprüngen, deren Höhe h weniger als 1 mm beträgt, vorzugsweise in makroskopischen Größenordnungen mit h < 0,2 mm ausgebildet ist, wobei die Grundflächen AG der pyramidenstumpf- förmigen Vorsprünge eine Fläche von < 1,0 mm ² und die Dachflächen AD eine Fläche von < 0,8 mm ² aufweisen.

Bei einem solche Verfahren zur Riemenherstellung durch Formverfahren ist also kein zusätzliches Innenwerkzeug erforderlich, sondern es wird die sowieso erforderliche Manschette zum Anpressen des Antriebsriemenrohlings in das umgebende Negativ der Vulkanisationsform genutzt, um im selben Arbeitsgang auch das Riemenrückenprofil des Antriebsriemenrohlings einzuformen.

Besonders einfach und damit vorteilhaft lässt sich ein solches Profil dadurch herstellen, dass die Dornoberfläche zunächst gerändelt und dann geschliffen wird. Dies sind übliche und gut beherrschbare Verarbeitungsverfahren für metallische Oberflächen. Durch die Veränderung entstehen zunächst Pyramiden bzw. relativ spitze Pyramidenkörper / Pyramidenstümpfe, welche danach durch das Schleifverfahren auf die gewünschten Maße gebracht werden. Anhand eines Ausführungsbeispieles soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen Fig. 1 einen vergrößerten Ausschnitt aus dem Rückenprofil erfindungsgemäßen Antriebsriemens,

Fig. 2 einen vergrößerte zeichnerische Darstellung eines Ausschnitts aus dem Rückenprofil nach Fig.1 ,

Fig. 3 ein Foto eines realen, vergrößerte Oberflächenauschnitts der

erfindungsgemäßen Riemenrückseite,

Fig. 4 Ein Diagramm zum Vergleich der Reibungsbeiwerte CoF von

herkömmlichen Riemenrücken mit erfindungsgemäßen

Riemenrücken.

Die Fig. 1 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus dem Profil 1 des Riemenrückens eines erfindungsgemäßen Antriebsriemens. In der Zusammenschau mit der Fig. 2, die einer Fertigungszeichnung der Rückenfiäche mit Aufsicht und Schnitt entspricht, erkennt man, dass das Profil der rückseitigen Oberfläche des erfindungsgemäßen Antriebsriemens eine Vielzahl pyramidenstumpf- förmiger Vorsprünge 2 mit einer Höhe h von 0,15 mm aufweist. Es handelt sich hier um gerade, vierseitige Pyramidenstümpfe mit im Wesentlichen parallel angeordneten Grundflächen AG und Dachflächen AD.

Die Höhe h von 0,15 mm ist mit bloßem Auge noch erkennbar, so dass hier eine makroskopische Größenordnung betroffen ist. Auch wenn der Begriff„makroskopisch" an sich natürlich relativ ist, gelten in vielen technischen Bereichen mit diesem Begriff solche Größenordnungen als umfasst (klein, aber noch mit bloßem Auge sichtbarer Bereich).

Die Grundflächen AG der jeweiligen pyramidenstumpf- förmigen Vorsprünge weisen hier eine Fläche von 0,8 mm x 0,8 mm auf, also etwa 0,64 mm ² , während die Dachflächen AD eine Fläche von 0,6 mm x 0,6 mm aufweisen, also etwa 0,36 mm ² aufweisen. Fig. 3 zeigt ein Foto, welches das reale, allerdings ca. 3,5-fachvergrößerte Erscheinungsbild eines Oberflächenauschnitts der Rückseite eines erfindungsgemäßen Riemens darstellt. Auch hier erkennt man das Profil der rückseitigen Oberfläche des erfindungsgemäßen Antriebsriemens als eine Vielzahl pyramidenstumpf- förmiger Vorsprünge.

Fig. 4 zeigt ein Diagramm, welches den Vergleich der Reibungsbeiwerte CoF nach SAE J2432 von herkömmlichen Riemenrücken mit denen der erfindungsgemäßen Profilierung zeigt, gemessen direkt nach Auflegen eines neuen Riemens. Es wurden jeweils die Mittelwerte aus 20 gemessenen Riemen eines Typs ausgewertet und eingetragen. Man erkennt hier deutlich, dass die auf der linken Seite dargestellten Reibungsbeiwerte von Rückseiten herkömmlicher Riemen aus dem Stand der Technik erheblich unter denen der Riemen mit der erfindungsgemäßen Profilierung liegen.

Bezugszeichenliste

(Teil der Beschreibung)

1 Ausschnitt aus dem Profil eines Riemenrückens 2 pyramidenstumpf- förmiger Vorsprung

AG Grundfläche

AD Dachfläche

h Höhe des pyramidenstumpf- förmigen Vorsprungs