1. Einleitung 2. Aufbau und Kenndaten des Zahnriemens 3. Produktfamilie 4. Anwendungsüberblick 5. Zusammenfassung 6. Literatur

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1 Dipl.-Ing. Wolfgang Körfer: Carbon Zahnriementechnologie (Seite 43) 15. Tagung Zahnriemengetriebe am Institut für Feinwerktechnik und Elektronik-Design der TU Dresden Dipl.-Ing. Wolfgang Körfer (Gates GmbH, Aachen) Carbon Zahnriementechnologie für den High End Bereich, 5 Jahre Anwendungserfahrungen 1. Einleitung 2. Aufbau und Kenndaten des Zahnriemens 3. Produktfamilie 4. Anwendungsüberblick 5. Zusammenfassung 6. Literatur

2 1. Einleitung 15. Tagung Zahnriemengetriebe Dipl.-Ing. Wolfgang Körfer: Carbon Zahnriementechnologie (Seite 44) In den Jahren 2006 / 2007 wurde von Gates der Poly Chain GT Carbon als erster Polyurethan-Zahnriemen mit Carbon-Zugstrang für generelle Anwendungen im Markt eingeführt. Diese neuartige Riemenkonstruktion erwies sich schon bald als ein Meilenstein in der Geschichte der modernen Zahnriementechnologie. Bei der ersten Poly Chain Generation wurde noch Aramid als Zugstrangmaterial verwendet. Diese hatte bereits eine deutlich höhere Leistungsfähigkeit im Vergleich zu Standard Polyurethan-Zahnriemen. Dieses Produkt ist heute unter dem Namen Poly Chain GT2 bekannt. Die Entwicklung des Poly Chain GT Carbon -Zahnriemens stellte jedoch nochmals einen weiteren deutlichen Entwicklungsschritt in Richtung ganz neuer Leistungsdimensionen für Riemenantriebe dar. Wo bislang Ketten oder Zahnradgetriebe zur Anwendung kamen, können seitdem Konstrukteure den Poly Chain GT Carbon einsetzen (Bild 1). Neben diesen offensichtlichen Anwendungsbereichen wird dieser Zahnriemen mittlerweile aber auch sehr oft genutzt, um im Rahmen der heutigen CO 2 Problematik den Wirkungsgrad von Riementrieben zu verbessern, indem er bei ursprünglich reibschlüssigen Antrieben mit hoher Leistungsdichte den bzw. die Keilriemen ersetzt. Bild 1: Poly Chain GT Carbon TM -Zahnriemen 2. Aufbau und Kenndaten des Zahnriemens Der Gates Poly Chain GT Carbon zeichnet sich vor allem durch höchste Übertragungsleistung sowohl bei hoher dynamischer Belastung als auch bei niedriger Geschwindigkeit und hohem Drehmoment aus (Bild 2). Als Folge davon ist eine deutlich kompaktere Riementriebsauslegung möglich geworden.

3 Dipl.-Ing. Wolfgang Körfer: Carbon Zahnriementechnologie (Seite 45) Leistungsdichte (kw/mm) Klassischer Synchronriemen Rollenkette Stirnradgetriebe Kegelradgetriebe Poly Chain GT Carbon Bild 2: Leistungsvergleich (Werte bezogen auf KW pro mm Systembreite bei 1000 U/min) /1/ Wichtigste Bestandteile dieses Zahnriemens sind der patentierte Carbonfaser-Zugstrang sowie der neu entwickelte, äußerst widerstandsfähige, leichte und chemiebeständige Polyurethanverbundwerkstoff. Die zahnseitige Oberfläche bildet ein verschleißfestes Nylongewebe (Bild 3). Ein spezielles, nichtlineares Zahnprofil sorgt für eine gleichmäßigere Spannungsverteilung und ermöglicht höhere Gesamtbelastungen. Bild 3: Aufbau des Poly Chain GT Carbon -Zahnriemens Der Hauptvorteil bei Verwendung eines Zugstranges aus Carbonfasern liegt in der hohen Zugfestigkeit bei extremer Längenstabilität. Hier lag ein Manko des früher verwendeten Aramid-Zugstranges, nämlich die starke Längung unter Last. Ein weiterer Pluspunkt bei Verwendung von Carbon ist die exzellente Biegewechselfestigkeit, die im Gegensatz zu Aramid auch Gegenbiegungen erlaubt. Des Weiteren sind die deutlich höhere Widerstandsfähigkeit gegenüber Stoßbelastungen sowie die äußerst geringe Feuchtigkeitsaufnahme im Vergleich zu A- ramid hervorzuheben. Dies alles führt dazu, dass die Riemenspannung, bei optimaler Auslegung des Antriebs, über die gesamte Lebensdauer weitestgehend konstant bleibt. Bei der Aus-

4 Dipl.-Ing. Wolfgang Körfer: Carbon Zahnriementechnologie (Seite 46) legung des Riementriebs ist allerdings ein leicht negativer Temperaturausdehnungskoeffizient zu berücksichtigen. Die speziell für den Poly Chain GT Carbon entwickelte sehr robuste Polyurethanmischung gewährleistet eine optimale Verbindung mit dem Kohlefaserzugstrang. Diese Polyurethanmischung wird für die Herstellung der Zähne, des Grundkörpers und des Riemenrückens eingesetzt. Die einzigartige Zusammensetzung dieses Polyurethanwerkstoffs macht den Riemen chemisch beständig sowie nahezu immun gegen mechanischen Verschleiß und die Aufnahme von Feuchtigkeit. Die verschleißfeste, zahnseitige Nylon-Schutzschicht fungiert als Verschleißschutz, reduziert die Reibungsverluste im Kontakt mit der Riemenscheibe und vermindert dadurch auch den Temperaturanstieg während des Betriebs. Aufgrund der verwendeten Materialkombination ist dieser Riemen nicht elektrisch leitfähig. 3. Die Produktfamilie Seit Einführung dieser neuen Riemengeneration wurde die Produktfamilie um den Standard -Poly Chain GT Carbon herum stetig erweitert: Poly Chain GT Carbon Standard : Siehe oben. Temperatureinsatzbereich von -54 C bis +85 C. Erhältlich in den Teilungen 8 mm und 14 mm. Einsatzbereiche: Industriemaschinen, land und forstwirtschaftliche Geräte, Hinterradantriebe von Motorrädern, Fahrradantriebe, Windanlagen Poly Chain GT Carbon Long Length : Nicht geschlossener, endlicher Riemen auf Basis des Poly Chain GT Carbon Standard. Erhältlich in den Teilungen 8 mm und 14 mm. Einsatzbereiche: Linearantriebe jeglicher Art. Mini Poly Chain GT Carbon : Dünner im Vergleich zur Standard Ausführung und somit biegewilliger. Geeignet für den Einsatz auf Antrieben mit besonders kleinen Riemenscheiben (min. 18 Zähne). Erhältlich in Teilung 8 mm. Einsatzbereiche: Rollenbahn Antriebe, kompakte Reversierantriebe Poly Chain GT Carbon Extended Length : Wie Standard Ausführung, allerdings erhältlich in Längen für Anwendungen mit sehr hohem Achsabstand. Maximale Kataloglänge 6860 mm. Ein neuartiger Produktionsprozess ermöglicht den Vorstoß in Riemenlängenkategorien, die bisher aufgrund der damit verbundenen hohen Investitionskosten als nicht realistisch angesehen wurden. Erhältlich in den Teilungen 8 mm und 14 mm. Einsatzbereiche: Pressen, Schredderantriebe Poly Chain GT Carbon Hot Oil : Materialmix optimiert hinsichtlich Beständigkeit in ölhaltiger Umgebung. Geeignet für den Einsatz bei hohen Temperaturen von bis zu +120 C. Erhältlich in den Teilungen 8 mm und 14 mm. Einsatzbereiche: Getriebe, Verteilgetriebe Poly Chain GT Carbon High Temperature : Speziell entwickeltes Polyurethan für den Hochtemperaturbereich bis max. 140 C (kurzzeitig). Einsatzbereiche: wie Standard, aber in heißer Umgebung.

5 Dipl.-Ing. Wolfgang Körfer: Carbon Zahnriementechnologie (Seite 47) Diese Auflistung der einzelnen Mitglieder der Poly Chain -Familie zeigt, dass es sich bei diesem Riementyp mittlerweile um ein Konstruktionselement handelt, dass für vielfältige Anwendungen im High End Bereich eingesetzt werden kann. Nicht zu vergessen ist, dass es für einfachere Anwendungen weiterhin noch die ursprüngliche Konstruktion mit Aramid Zugstrang, den Poly Chain GT2 gibt. 4. Anwendungsüberblick Aufgrund der zuvor bereits geschilderten wichtigsten Produkteigenschaften - Fähigkeit zur Übertragung von hohen statischen und dynamischen Lasten - Kompaktheit des Antriebs - Medienbeständigkeit - Temperaturbeständigkeit - Wartungsarmut / Wartungsfreiheit - keine Schmierung erforderlich eröffnen sich für den Poly Chain GT Carbon Anwendungsbereiche, die bisher von anderen Konstruktionselementen wie Keilriemen, Ketten und Zahnradgetrieben dominiert wurden. Dies gilt vor allem, wenn man auch den bauartbedingten Wirkungsgradvorteil berücksichtigt, den ein Zahnriemen bekannterweise im Vergleich zu den meisten formschlüssigen Kraftübertragungselementen systembedingt mit sich bringt. Im Verlauf der letzten Jahre haben sich deshalb die folgenden Haupteinsatzbereiche herauskristallisiert: A) Mobile Anwendungen B) Industrielle Anwendungen C) Anwendungen im Bereich der erneuerbaren Energien A) Mobile Anwendungen - Anwendungen im Motorradbau Der bekannteste Anwendungsbereich ist vermutlich der Sekundärantrieb bei Motorrädern. Als Wegbereiter auf diesem Gebiet gilt hier ein nordamerikanischer Motorradhersteller, der bereits im Jahr 1996 als erster mit einer Anwendung dieser Art, noch weit vor dem generellen Einsatz, in Serie ging. Diese Anwendung stellte auch den Initiator für die Entwicklung des Poly Chain GT Carbon dar. Schon Jahre vorher kamen hier Poly Chain GT2 Riemen (mit Aramid Zugstrang) zum Einsatz. Die Forderung nach einem schmaleren Riemen bei gleichbleibender bzw. sogar höherer Kraftübertragungsfähigkeit machte die Entwicklung eines neuen Zugstrangmaterials erforderlich. Dies ermöglichte den Verbau von breiteren Reifen im Vergleich zu Riemen mit Aramid Zugstrang (Bild 4).

6 Dipl.-Ing. Wolfgang Körfer: Carbon Zahnriementechnologie (Seite 48) Bild 4: Riemenbreitenreduzierung bei Motorradanwendungen Die Erfolgsstory nahm ihren Lauf. Mittlerweile sind weitere Anwendungen dieser Art von Sekundärantrieb weltweit erhältlich. Diese Anwendungen finden sich meistens, aber nicht ausschließlich, im Bereich der Cruiser Motorräder. Aufbauend darauf wurden weitere mobile Anwendungen im Freizeitbereich entwickelt. - Anwendungen im Bereich des Fahrradbaus Basierend auf den Attributen Sauber, Leise, Leicht, Stark entwickelte sich in den letzten drei Jahren ein ganz neuer Anwendungsbereich für Zahnriemen und zwar im Fahrradbau. Zum Produktstart im Jahr 2008 waren 4 Modelle mit Gates Carbon Drive TM erhältlich. Im Jahr 2011 werden es voraussichtlich über 80 Anwendungen sein. Schon vor 2008 waren Fahrradantriebe mit Zahnriemen erhältlich. Aufgrund des gummiartigen, elastischen Tretgefühls konnten die Gummiriemen mit Glasfaser- bzw. Aramid- Zugstrang sich jedoch nie großflächig durchsetzen. Erst mit Einführung der Polyurethan / Carbon Technologie gelang der Durchbruch. Zu berücksichtigen ist allerdings, dass der Einsatzbereich auf Anwendungen ohne Schaltung bzw. mit Nabenschaltung beschränkt ist. Interessant ist auch, dass es für diesen Anwendungsfall mittlerweile eine App gibt, um die Riemenspannung mit Hilfe seines Mobiltelefons jederzeit überprüfen zu können. Die Erfordernisse hinsichtlich der Reduzierung der Riementriebsbreite führten zur Entwicklung des sogenannten CenterTrack Systems (Bild 5), welches auf der Interbike in Las Vegas im Jahr 2010 vorgestellt wurde. Bei diesem System wird die seitliche Riemenführung durch eine mittige Riemenführung ersetzt.

7 Dipl.-Ing. Wolfgang Körfer: Carbon Zahnriementechnologie (Seite 49) Bild 5: CenterTrack -System für Fahrradanwendungen Auch der Bereich der Fahrräder mit elektrischer Motorunterstützung ( E Bikes, Pedelecs) wird in den nächsten Jahren an Bedeutung gewinnen. Ein interessantes Beispiel ist der Riementrieb des in Bild 6 dargestellten E Bikes. Bild 6: Riementrieb eines E-Bikes - Sonstige Anwendungen im Bereich des Fahrzeugbaus Nicht verschwiegen werden sollte, dass es im Bereich der mobilen Anwendungen auch Versuche gab, den Poly Chain GT Carbon -Riemen als Nockenwellenantrieb im PKW-Motorenbau einzusetzen. Aufgrund seines Verhaltens unter dynamischen Lasten und hinsichtlich der minimalen Längenausdehnung wäre dies auch ein hervorragender Anwendungsbereich. Als limitierender Faktor erwies sich aber die Tatsache, dass sich bei modernen Verbrennungsmotoren die Temperaturen in der Umgebung des Zahnriemen-

8 Dipl.-Ing. Wolfgang Körfer: Carbon Zahnriementechnologie (Seite 50) triebs schnell in Bereichen von deutlich über 150 C bewegen. Eine Ausnahme ist auch hier der Motorradbereich wo der Poly Chain GT Carbon -Riemen in einem V Motor als Nockenwellenantrieb eingesetzt wird (Bild 7). Die Temperaturen bewegen sich bei dieser Anwendung allerdings auf etwas niedrigerem Niveau, und auch die Lebensdaueranforderungen sind niedriger als beim PKW-Motor. Bild 7: Motorrad-Nockenwellenantrieb mit Poly Chain GT Carbon -Riemen Mit der weiteren Entwicklung auf dem Gebiet der Elektromobilität wird diese Antriebstechnologie zukünftig auch als Radantrieb bei kompakten Elektrofahrzeugen zunehmend an Bedeutung gewinnen. B) Anwendungen im industriellen Bereich - Anwendungsfälle bei hoch belasteten Antrieben Überall dort, wo sehr hohe dynamische Belastungen im Antrieb auftraten, war bis vor wenigen Jahren der Kettentrieb die bevorzugte Antriebsart. Den Vorteilen eines Kettentriebs, wie z.b. hohe Lastübertragungsfähigkeit, Robustheit, niedrige Kosten stehen in vielen Bereichen jedoch auch eindeutige Nachteile gegenüber. Da sind z. B. Verschleisslängung über der Zeit, Notwendigkeit der Schmierung, geringe Dämpfungseigenschaften. Typische Industrien sind hier die Produktion / Verarbeitung von Holz, Glas, Ziegeln oder auch die Recyclingwirtschaft. Ein Einsatz von Poly Chain GT Carbon -Riemen in diesem Umfeld führt sehr oft zu deutlich verlängerten Standzeiten und somit spürbar reduzierten Wartungsintervallen. Der Verzicht auf Schmiermittel ist in einigen Bereichen z.b. der Ziegel- und Glasproduktion auch vorteilhaft für die Qualität des Endproduktes. Ein weiterer positiver Nebeneffekt ist oftmals auch das geringere Betriebsgeräusch im direkten Vergleich zum Kettentrieb. - Anwendungen mit dem Ziel Wirkungsgradverbesserung Reibschlüssige Antriebselemente werden oftmals eingesetzt, um hohe Lastspitzen in Antrieben abzufangen. In vielen Anwendungen dieser Art wäre man beim Einsatz von kon-

9 Dipl.-Ing. Wolfgang Körfer: Carbon Zahnriementechnologie (Seite 51) ventionellen Zahnriemen oder auch Kettentrieben nicht in der Lage, die erforderlichen Standzeiten zu realisieren. Der Nachteil, den man hierbei allerdings in Kauf nimmt, ist die Tatsache, dass reibschlüssige Antriebe einen prinzipbedingten Wirkungsgradnachteil gegenüber der formschlüssigen Kraftübertragung aufweisen. Daneben spielt bei vielen elektrischen Antrieben auch die konstante Einhaltung der Motordrehzahl eine wesentliche Rolle. In /1/ wurde ein Energieeinsparpotential für solche Anwendungen von bis zu 8 % aufgezeigt. Die vielfältigen Erfahrungen mit solchen Antriebsumstellungen während der letzten Jahre haben gezeigt, dass diese Werte durchaus realistisch sind. Anwendungsfälle bei denen dies der Fall ist sind z.b. Pumpenantriebe im Bereich der Petrochemie, der Öl- und Gasförderung sowie Antriebe von Ventilatoren und Gebläsen aller Art (Bild 8). Bild 8: Ersatz von reibschlüssigen Antriebselementen - Anwendungen mit der Zielsetzung Sauberkeit Vor allem bei der Verarbeitung und Produktion von Lebensmitteln spielt Sauberkeit im Produktionsprozess eine entscheidende Rolle. Sehr oft werden in diesen Bereichen Standard Zahnriemen eingesetzt. Wo dies aufgrund der zu übertragenden hohen Leistung nicht möglich ist, kommen aber auch immer noch Kettentriebe zum Einsatz. Aufgrund der Kompaktheit (schmale, kleine Riemenscheiben) und der hohen Leistungsdichte des Poly Chain GT Carbon -Riemens ist es auch hier möglich, auf einen Kettentrieb und die dafür benötigte Schmierung zu verzichten. Der Haupteinsatzbereich ist hier der Aggregateantrieb. C) Anwendungen im Bereich der erneuerbaren Energien Mit der in den letzten Jahren weltweit zunehmenden Verbreitung der Stromerzeugung mit Hilfe erneuerbarer Energien haben Anwendungen in diesem Bereich auch an Bedeutung gewonnen. Beispielhaft sind Antriebe bei Wasserkraftwerken, die Flügelverstellung von Großwindanlagen (Bild 9), der Generatorantrieb bei kleinen Windrädern sowie der Einsatz im Bereich von Biomasseanlagen zu nennen. Ein Anwendungsbereich, der vermutlich in den nächsten Jahren zunehmend an Bedeutung gewinnen wird, ist die Stromerzeugung mit Hilfe von Wellenkraftwerken. Hier spielt naturgemäß die Feuchtigkeitsunempfindlichkeit eine entscheidende Rolle.

10 Dipl.-Ing. Wolfgang Körfer: Carbon Zahnriementechnologie (Seite 52) Bild 9: Flügelverstellung bei Großwindanlagen 5. Zusammenfassung Während der letzten Jahre hat sich der Poly Chain GT Carbon in vielen Bereichen der Antriebstechnik als das führende Konstruktionselement im High End Bereich durchgesetzt und etabliert. Auch wenn konventionelle Zahnriementechnologien aufgrund der natürlich auch dort stattfindenden Produktweiterentwicklung sowohl im Hause Gates als auch bei den Wettbewerbern mittlerweile in einige Bereiche, die bisher dem Poly Chain GT Carbon vorbehalten waren, vordringen können, ist die Erfolgsstory noch lange nicht an ihr Ende gekommen. Weitere Produktentwicklungen innerhalb der Poly Chain Familie werden dazu beitragen, dass auch zukünftig Anwendungsbereiche erschlossen werden, die aus heutiger Sicht für Zahnriemenantriebe noch als unerreichbar gelten. 6. Literatur /1/ Poly Chain GT Carbon Technologie, der Leistungssprung bei Zahnriementrieben M. Farrenkopf 12. Tagung Zahnriemengetriebe, Dresden 2007