Keilriemen

Die große Lagerbelastung bei der Verwendung von Flachriemen kann durch den Einsatz von Keilriemen deutlich verringert werden. So führt der keilförmige Riemenquerschnitt durch den "Keileffekt" zu großen Reibungskräften an den Flanken. Um die nötigen Reibungskräfte zur Kraftübertragung zu erzeugen, genügen deshalb bereits geringere Vorspannkräfte. Dementsprechend fällt auch die Lagerbelastung deutlich geringer aus. Umgekehrt können bei gleichen Vorspannkräften bei Keilriemen wesentlich größere Drehmomente übertragen werden. Zur weiteren Steigerung der Leistungsübertragung können auch zwei oder mehr Keilriemen parallel zueinander angeordnet werden.

Bandgenerator, Keilriemen

Abbildung: Keilriemenantrieb eines Bandgenerators

Vakuumpumpe, mehrere, Keilriemen, parallel

Abbildung: Parallele Keilriemen zum Antrieb einer Vakuumpumpe 

Der sogenannte Rillenwinkel \(\alpha\) beträgt je nach Scheibendurchmesser 38° oder 32°, wobei der Riemen nur auf diesen geneigten Flanken an der Riemenscheibe anliegt. Der Keilriemen darf den Rillengrund also nicht berühren, da die Anpresskraft nur über die Flanken zustande kommen muss (Unterlagskraft). Ansonsten wäre keine Keilwirkung vorhanden. Bei gleicher Radialkraft (Lagerbelastung) ist die Gesamtreibungskraft bei Keilriemen deutlich größer. 

Keilriemen, Keil-Wirkung, Kräfte, Herleitung, Formel, Reibung, Normalkraft, Unterlagskraft, Reibungskraft, Rillenwinkel

Abbildung: Querschnitt eines Keilriemens

So wird aus der Abbildung ersichtlich, dass die Radialkraft \(F_L\) mit den beiden resultierenden Unterlagskräften \(F_U\) an den kraftübertragenden Flanken im Gleichgewicht stehen muss. Auf diese Weise lässt sich über den Rillenwinkel \(\alpha\) eine bestimmte Beziehung zwischen der Radialkraft und den Unterlagskräften ableiten: 

\begin{align}\;\;\;\;\;
\sin\left(\tfrac{\alpha}{2} \right)&= \frac{\tfrac{F_L}{2}}{F_U} = \frac{F_R}{2 \cdot F_U}     \\[5px]
F_U &= \frac{F_L}{2 \cdot \sin\left(\tfrac{\alpha}{2} \right)}      \\[5px]
\end{align}

Da die Reibungskraft \(F_R\) gemäß des Coulomb'schen Reibungsansatzes proportional zur Unterlagskraft \(F_U\) ist, folgt für die wirkenden Reibungskräften an den Flanken:

\begin{align}\;\;\;\;\;
F_{R} & \sim F_U  \\[5px]
F_R & \sim \frac{F_L}{2 \cdot \sin\left(\tfrac{\alpha}{2} \right)}    \\[5px]
\end{align}

Beachtet werden muss an dieser Stelle, dass diese Reibungskraft an beiden Flanken gleichermaßen wirkt, sodass insgesamt die 2-fache Reibungskraft vorhanden ist. Damit gilt nun für die Gesamtreibungskraft:

\begin{align}\;\;\;\;\;
&F_{R,ges}  = 2 \cdot F_R  \sim F_L \cdot \frac{1}{\sin\left(\tfrac{\alpha}{2} \right)}    \\[5px]
&\boxed {F_{R,ges} \sim F_L \cdot \frac{1}{\sin\left(\tfrac{\alpha}{2} \right)}} ~~~\text{für Keilriemen}    \\[5px]
\end{align}

Im Vergleich hierzu ist die Reibungskraft bei Flachriemen lediglich proportional zur Radialkraft \(F_L\):

\begin{align}\;\;\;\;\;
&\boxed {F_{R,ges} \sim F_L } ~~~\text{für Flachriemen} \\[5px]
\end{align}

Keilriemen weisen folglich bei gleicher Lagerbelastung \(F_L\) eine um den Faktor \(\frac{1}{\sin\left(\frac{\alpha}{2} \right)}\) höhere Kraftübertragbarkeit aufgrund der gesteigerten Reibungskraft auf. Dies entspricht für die angegebenen Rillenwinkel von 38° bzw. 32° einem Zahlenwert von 3,1 bzw. 3,6.

Da die Keilriemen nur auf den Flanken aufliegen, sind diese speziell für bestimmte Scheibendurchmesserbereiche ausgelegt. Ansonsten käme es bspw. bei Riemen die für größere Scheiben ausgelegt sind zu einer zu starken Krümmung und die Flanken würden sich verziehen und dann nicht mehr plan aufliegen. Bedingt durch die im Allgemeinen stärkere Riemendicke bei Keilriemen im Vergleich zu Flachriemen ist die Walkarbeit beim Umlauf um die Riemenscheiben größer. Deshalb weisen Keilriemen einen etwas geringeren Wirkungsgrad als Flachriemen auf (ca. 95 %). 

Während bei Flachriemen das Übersetzungsverhältnis über die Außendurchmesser der Riemenscheiben ermittelt wird, muss aufgrund der besonderen Riemengeometrie bei Keilriemen der sogenannte Wirkdurchmesser (auch Richtdurchmesser genannt) zugrunde gelegt werden. Der Wirkdurchmesser \(d\) wird über die sogenannte Wirkbreite \(b_w\) (auch Richtbreite genannt) definiert. Die Wirkbreite entspricht letztlich der Riemenbreite auf Höhe der neutralen Faser. Somit bleibt gemäß der Definition der neutralen Faser die Wirkbreite auch bei unterschiedlich starker Krümmung des Riemens (d.h. beim Umlauf um unterschiedliche Scheibendurchmesser) stets konstant. 

Keilriemen, Wirkbreite, Richtbreite, Wirkdurchmesser, neutrale Faser

Abbildung: Wirkbreite eines Keilriemens

Beachtet werden muss bei Keilriemen, dass sich diese nach der Erstmontage erst noch einlaufen müssen, bevor sie in Betrieb genommen werden können. Dies erfordert eine entsprechend um ca. 30 % erhöhte Vorspannung beim Erstlauf.

Im Lauf der Zeit haben sich je nach Einsatzzweck verschiedene Keilriemenarten entwickelt. Auf die wichtigsten wird in den folgenden Abschnitten näher eingegangen.

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