Effiziente Transmissionssysteme

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1 Topmotors Summit 2014, Zürich Effiziente Transmissionssysteme Heinrich Huber, FHNW, IEBau, Muttenz Bildquelle: Projektarbeit «Wirkungsgrad von Riemenantrieben», FHNW, Studiengang EUT, Windisch, 2013

2 Inhalt Riemenantriebe - allgemeiner Vergleich und Verluste - Wirkungsgrade aus der Literatur und neue Messungen - Spannkraft Hinwiese auf Getriebe Resümee 2

3 1. Riemenantriebe Bildquellen: Bauart Keilriemen a) Flachriemen Zahnriemen Bild Montage Nachspannen einfach, je nach Produkt anspruchsvoll kein Nachspannen mittel anspruchsvoll kein Nachspannen Betrieb Laufruhe Lebensdauer Abrieb/Verschmutzung unruhig kurz - lang hoch - gering ruhig lang sehr gering Geräuschbildung lang Gering Einkaufspreis Betriebskosten tief - mittel je nach Lebensdauer und Abrieb mittel gering hoch gering a) Schmalkeilriemen. Bessere Werte in der Spalte «Keilriemen» gemäss Angaben eines Herstellers von ummantelten Keilriemen mit Polyesterzugstrang 3

4 Verluste von Riemenantrieben Quelle: Bernd Künne: Einführung in die Maschinenelemente. Teubner, Stuttgart 2001 h h Dehnschlupf: Abhängig von der Kraft-, bzw. Dehnungsdifferenz zwischen Last- und Leertrum sowie vom Elastizitätsmodul des Riemens Biegeverluste: Abhängig von Biegequerschnitt, Scheibendurchmesser und Material (innere Reibung, Walkarbeit) Klemmverluste: Bei Keilriemen. Verursachen Abrieb und Schwingungen Luftreibungsverluste: Abhängig von Oberfläche, Riemenlänge und Pulley- Geometrie (relevant ab 10 m und Riemengeschwindigkeit 40 m/s) 4

5 Wirkungsgrade von Keil- und Flachriemen gemäss Literatur (topmotors.ch Merkblatt 24) 100% 95% Wirkungsgrad 90% 85% 80% Keilriemen, Teillast % Keilriemen, Teillast 20% Flachriemen, Teillast % Flachriemen, Teillast 20% 75% Nennleistung in kw Fotos: Habasit AG 5

6 Neue Messungen bei einer Projektarbeit an der FHNW 2013: Temperaturen am Motorpulley und an der Motorwelle Keilriemen Flachriemen Bildquelle: Projektarbeit «Wirkungsgrad von Riemenantrieben», FHNW, Studiengang EUT

7 Temperaturen beim Ventilatorpulley Keilriemen Flachriemen Bildquelle: Projektarbeit «Wirkungsgrad von Riemenantrieben», FHNW, Studiengang EUT

8 Messungen Habasit AG, 2012/13 ~ 35 C ~ 50 C Bildquelle: Habasit AG 8

9 Wirkungsgrad von Flach- und Keilriemen auf dem Prüfstand (Quelle: Messungen Habsit AG, 2012) Flachriemen: Maximum von ca. 99.5% bei 40 bis 60% Last bis zu einer Nennleistung von 17 kw - liegt die Wirkungsgraddifferenz bei Nennlast bei ca. 1 bis 2% - bei Teillast nimmt der Wirkungsgrad von Keilriemen deutlich ab - die Anzahl Rillen wirkt sich vermutlich auf den Wirkungsgrad aus (ca % Verlust pro Rille, je nach Last) 9

10 Wirkungsgrad von Flach- und Keilriemen auf dem Prüfstand (Quelle: Messungen Habsit AG, 2012) Flachriemen: ca. 99,0 bis 99.7% Keilriemen kw: - bei 60 bis 100% Last liegt der Wirkungsgrad bei 98,5 bis 99.0% - unter 60% Last sinkt der Wirkungsgrad deutlich ab - (in diesem Lastbereich ev. geringer Einfluss der Rillenzahl) 10

11 Spannkraft Verhältnis der Spannkraft von Flachriemen (F F ) zur Spannkraft von Keilriemen (F V ) bei einer Dimensionierung gemäss Lieferantenangaben. Verhältnis der Spannkraft F F /F V Berechnungen R. Seiler, Habasit AG, 2013 Keilriemen: ContiTech Power Transmission Designer 5.0, Servicefaktor c 2 = 1.0 Flachriemen: Habasit POWER-SeleCalc, Servicefaktor c 2 =

12 2. Hinweise zu Getrieben Neue und gut gewartete - Stirnradgetriebe - Flachgetriebe - Kegelrad-Getriebe erreichen typischerweise Wirkungsgrade von 96 bis 98%. Bei Schneckenradgetrieben ist der Wirkungsgrad oft deutlich geringer (ca. 90%) Quellen: - M. Mandel, SPS intec AG: Topmotors Workshop "Transmissionen- effiziente Riemen und Getriebe«, Zürich, Tanner R., Riesen H.-J.: Energiesparpotential bei Ersatz von Getriebemotoren durch FU- Antriebe. Semafor AG, Basel, Studie im Auftrag des Bundesamt für Energie 12

13 Gesamtwirkungsgrad bei ein- oder zweistufigen Antrieben mit Normmotoren Variante Transmission Reduktionfaktor System Motor Transmission Fördereinrichtung Gesamtwirkungsgrad 59,2% 95% 90% 99% 70% Variante FU Reduktionfaktor System Motor Frequenzumformer Fördereinrichtung Gesamtwirkungsgrad 56,9% 95% 95% 90% 70% 13

14 Resümee (1) Heutige Flachriemen erreichen im Lastbereich von 20% bis 100% Wirkungsgrade von 99% bis 99,5%. Heutige Keilriemenantriebe erreichen im Lastbereich von 60% bis 100% Wirkungsgrade von 97% bis 99%. Bei mehrrilligen Pulleys und bei Teillast kann der Wirkungsgrad von Keilriemenantrieben deutlich sinken. Die genannten Wirkungsgrade setzen einen fachgerechte Montage voraus (Ausrichtung, Spannkraft). Aussagen über den Einfluss der Alterung und von realen Einbausituationen auf Riemen-Wirkungsgrade fehlen. («Reduktionsfaktor Gesamtsystem») 14

15 Resümee (2) Bei Messungen wurden bei Keilriemenantrieben 10 bis 15 K höhere Wellentemperaturen beobachtet als bei Flachriemen. (Höhere Lagerbelastung wegen Schwingungen?) Effiziente Riemen haben nicht nur bessere Wirkungsgrade, sondern auch weniger Abrieb (weniger Verschmutzung, Filterbelastung) und eine wesentlich längere Standzeit (geringere Wartungskosten). Riemenantriebe haben im Retrofitbereich, wie auch bei ein- und zweistufigen Anlagen mit Normmotoren weiterhin ihre Berechtigung. 15

16 Quelle: Habasit AG 16