am Institut für Feinwerktechnik und Elektronik-Design der TU Dresden Matthias Farrenkopf, Gates GmbH, Aachen Poly Chain GT Carbon Technologie Der Leistungssprung bei Zahnriementrieben 1. Einleitung 2. Aufbau des Zahnriemens 3. Leistungsdichte des Zahnriemens 4. Ein Antriebselement zur Kosteneinsparung 5. Zusammenfassung
Zahnriemengetrieben (Seite 1) 1. Einleitung Die Leistungsfähigkeit von konventionellen Polyurethanzahnriemen wurde bereits vor Jahren durch die Einführung von Aramidzugsträngen stark verbessert. Mit der Entwicklung des Poly Chain GT Carbon Zahnriemens ist nun nochmals ein deutlicher Entwicklungsschritt gelungen, der ganz neue Leistungsdimensionen für Riemenantriebe erschließt. Wo bislang Ketten oder Zahnradgetriebe zur Anwendung kamen, kann der Konstrukteur nun den Poly Chain GT Carbon einsetzen (Bild 1) - einen flexiblen Synchronriemen mit Karbonfaser- Zugstrang, der erhebliche Leistungssteigerungen ermöglicht und Einsparpotenziale erschließt. Bild 1: GT TM Carbon Zahnriemen 2. Aufbau des Zahnriemens Die einzigartige Konstruktion des Gates GT Carbon (Bild 2) gewährleistet optimale Leistung sowohl bei hoher dynamischer Belastung als auch bei niedriger Geschwindigkeit und hohem Drehmoment. Der Karbonfaser-Zugstrang sichert die Übertragung hoher Kräfte bei kompakter Bauweise. Die Biegewechselfestigkeit der Fasern ist exzellent, und ihre Schlagzähigkeit sorgt für eine Widerstandsfähigkeit gegenüber Stoßbelastungen, die deutlich höher ist, als die von Aramid. Diese Eigenschaft ist gepaart mit einer extrem geringen Längendehnung. Das heißt: die Riemenspannung bleibt bei optimaler Auslegung des Antriebs über die gesamte Lebensdauer konstant.
Zahnriemengetrieben (Seite 2) Zähne, Grundkörper und Rücken des Riemens werden aus einer sehr robusten Polyurethan- Mischung hergestellt, die speziell für den GT Carbon entwickelt wurde, eine optimale Verbindung mit dem Kohlefaser-Zugstrang gewährleistet und patentierte Lösungen darstellen. Die einzigartige Zusammensetzung der PU- Werkstoffe macht den Riemen chemisch beständig sowie nahezu immun gegen mechanischen Verschleiß und die Aufnahme von Feuchtigkeit. Der Einsatz ist in einem weiten Temperaturbereich von -54 C bis +85 C möglich. Die Nylon-Schutzschicht reduziert die Reibung gegenüber der Riemenscheibe und vermindert dadurch einen Temperaturanstieg während des Betriebs. Gerippte Rückseite Carbonfaser-Zugstrang Zähne und Rücken aus Polyurethan Spezielle Zahnform Verschleißfeste Nylon-Oberfläche Bild 2: Poly Chain GT Carbon Zahnriemen Der neue GT Carbon weist die höchste Resistenz gegenüber Stoβbelastung aller Riemen auf, die zurzeit im Markt verfügbar sind. Der Karbonfaser-Zugstrang ist sehr viel belastbarer als die bisher übliche Aramid-Einlage vor allem beim Einsatz an Riemenscheiben mit kleinerem Durchmesser. Der sehr gute Elastizitätsmodul von Karbonfasern sorgt dafür, dass die Längendehnung des Riemens im vernachlässigbaren Bereich bleibt. Dies hat u.a. zur Folge, dass sowohl die Riemenspannung als auch der Eingriff der Zähne in die Riemenscheibe bei den unterschiedlichsten Belastungsfällen stets konstant bleibt. Die hohe Biegefestigkeit der Karbonfasern erlaubt die Auswahl kleinerer Riemenscheiben. Außerdem können Rückenspannrollen eingesetzt werden, ohne das Leistungsvermögen zu beeinträchtigen. Das GT Carbon - System benötigt keinerlei Schmierung damit ist es umweltfreundlich und verursacht weniger Kosten und Serviceaufwand. 3. Leistungsdichte des Zahnriemens
Zahnriemengetrieben (Seite 3) Die Kombination von erhöhter Zugfestigkeit des Zugstrangs, größerer Scherfestigkeit der Zähne und der neuen Material-Mischung führt zu einer erheblich gestiegenen Leistungsfähigkeit des Riemens. Es können sehr viel höhere Kräfte übertragen werden. Bei gleicher Leistung kann ein schmalerer Riemen gewählt werden. Das reduziert sowohl die Baugröße als auch die Massenträgheit der Antriebskomponenten (Bild 3). Vergleich Lebensdauer Belastungstest mit Spannrolle 12 10 8 6 4 2 0 GT2 8mm GT Carbon 8mm GT2 mm GT Carbon mm Bild 3: Leistungsvergleich Um die gleiche Leistung zu übertragen, benötigt man Gummi-Zahnriemen von 85 mm (GT) bis 170 mm Breite (HTD), einen 37 mm breiten GT2 oder einen nur 20 mm breiten GT Carbon -Riemen. Das bietet den Konstrukteuren ein weites Entwicklungsspektrum bei der Auslegung kompakterer Antriebe (Bild 4). Antrieb Gummi HTD Gummi GT3 GT2 GT Carbon Teilung (mm) Riemenscheiben (Zähnezahl) Durchmesser (mm) Riemenbreite (mm) P32/P64 2/285 170 P32/P64 2/285 85 P32/P64 2/285 37 P32/P64 2/285 20 Bild 4: Bauraumvergleich
Zahnriemengetrieben (Seite 4) Der GT Carbon übertrifft Leistungsdaten der Rollenketten und bietet zusätzlich den Vorteil der sauberen Kraftübertragung (Bild 5). Das ist ein Vorteil sowohl in Einsatzbereichen, wo Hygiene verlangt wird, aber auch dort, wo die Umgebung sehr schmutzig ist und der Schmutz sich an der Kette anlagert. Darüber hinaus kann der Zahnriemen auch in feuchter Umgebung eingesetzt werden. Die Riementriebe können mit höherer Geschwindigkeit im Vergleich zu Rollenketten betrieben werden und sie laufen ruhiger und leiser. Leistungsdichte (kw/mm*) 2 1. 1. 1. 1. 1 0. 0. 0. 0. 0 Klassischer Synchronriemen Rollenkette Stirnradgetriebe Kegelradgetriebe GT Carbon Bild 5: Leistungsvergleich Die Einsatzgebiete für den GT Carbon Riemen sind sehr vielfältig (Bild 6). Er ist der ideale Riemenantrieb für die ganze Bandbreite der Antriebe stationärer Maschinen und Anlagen im Bergbau, in der Holz- und Papierverarbeitung bis zum Einsatz in Textil- und Nahrungsmittelmaschinen. Ebenso eignet er sich für den Einsatz in der Fahrzeugtechnik, d.h. in Motorrädern und Fahrrädern sowie als Nebenantrieb, z.b. in Land- und Forstmaschinen. Ein weiterer wichtiger Einsatzbereich ist die Förder- und Hebetechnik.
Zahnriemengetrieben (Seite 5) Landwirtschaftliche Schwerlastantriebe Motorräder Amphibienfahrzeuge Schwerlastmaschinen Bild 6: Anwendungen Fördertechnik Fahrräder 4. Ein Antriebselement zur Kosteneinsparung Die hohe Leistungsdichte des GT Carbon schafft die Voraussetzung für eine kompaktere Konstruktion mit Riemenscheiben und Lagern von geringerem Durchmesser. Die längere Lebensdauer bedeutet weniger Ausfall und das wiederum bedeutet höhere Zuverlässigkeit und Produktivität. Nachspannen ist ebenso wenig erforderlich, wie Schmierung. Alles in allem: Substantielle Kosteneinsparungen auf allen Ebenen. Seit den frühen 70er Jahren weiß man, dass das formschlüssige Prinzip der Synchronriemen die Antriebsleistung sehr viel effizienter übertragen kann, als die reibschlüssigen Keil- und Flachriemen. In den späten 70er und den 80er Jahren nutzten z.b. viele Ölraffinerien diese Erkenntnis und stellten fest, dass der erhöhte Wirkungsgrad überraschend hohe Auswirkungen auf den Energieverbrauch hat: Eine Umrüstung amortisierte sich häufig in weniger als sechs Monaten. Daraufhin wurden nahezu alle luftgekühlten Wärmetauscher entsprechend umgerüstet. Die formschlüssige Leistungsübertragung führt dazu, dass es keinen Schlupf zwischen Riemen und Riemenscheibe geben kann. Das gesamte Eingangsdrehmoment wird verlustfrei auf die angetriebene Riemenscheibe übertragen. Zahnriemen bauen im Vergleich zu Keilriemen schmal, dünn und sind deshalb sehr flexibel, vor allem im Vergleich zum konventionellen Keilriemen und haben alleine dadurch geringere Energieverluste (Bild 7). Dazu kommen noch systembedingte Verluste, wie z.b. Schlupf, die bei Zahnriemenantrieben gar nicht auftreten. Im Anschluss daran waren fast zwanzig Jahre lang die Energiekosten vergleichsweise niedrig, so dass der Anreiz, in Energieeinsparung zu investieren, eher gering war. Das hat sich in den letzten zwei bis drei Jahren rapide geändert. Hinzu kommt der Zwang, die CO 2 - Emissionen schnell zu reduzieren, um einen Klimawandel mit gravierenden Folgen noch abzuwenden.
Zahnriemengetrieben (Seite 6) 22 mm 22 mm 10 mm 2.5 mm 18 mm SPC-Profil Bild 7: Formschlüssige Getriebe sind kompakter und effizienter 8MGT GT Carbon Daher rückt das Einsparpotenzial, das Zahnriemen hier bieten, nun wieder stärker in den Vordergrund und die Entwicklung des GT Carbon beschleunigt diesen Trend. Denn der neue Gates Zahnriemen ist den konventionellen Gummi- und Polyurethan-Riemen deutlich überlegen. Zahnriemen ermöglichen eine exakte Synchronisation zwischen Motor und Verbraucher. Keilriemen hingegen erzeugen immer Schlupf und daher kann die Geschwindigkeit nicht exakt geregelt werden. Die Folge: Die Leistung der Maschine liegt nie im optimalen Bereich. Das ist z.b. bei Lüfter- und Pumpenantrieben ein wichtiger Faktor, weil bei ihnen eine geringe Geschwindigkeitsdifferenz eine deutlich höhere Leistungsaufnahme des Antriebs nach sich zieht. Das heißt: eine um 7% veränderte Geschwindigkeit hat eine um 20% veränderte Leistungsaufnahme zur Folge (Bild 8).
Zahnriemengetrieben (Seite 7) Energieverbrauch (%) 12 10 80 60 40 20 93% 0 4 50 60 7 8 9 10 11 120 Tatsächliche Abtriebsdrehzahl in % Bild 8: Vergleich Energieverbrauch Diese Effizienzgewinne und andere Betriebskosten beruhen auf den grundlegenden Konstruktionsprinzipien von Synchronriemen und sind in vielen Studien aus der Industrie und Forschungsinstituten belegt. Das umfassende Datenmaterial, das sowohl aus Laborversuchen wie auch aus Praxisversuchen zur Verfügung steht, wurde zusammengeführt, um eine eindeutige, zuverlässige Kalkulationsgrundlage zu besitzen. Diese gibt klare Auskunft über potenzielle Einspareffekte auf der Basis der individuellen Betriebsbedingungen, unter denen der Synchronriemen eingesetzt werden soll. Alle diese Faktoren sind in das Gates Berechnungsprogramm eingegangen, das hier beispielhaft vorgestellt wird. Die Daten stammen aus dem Praxisbeispiel eines englischen Wasserversorgungsunternehmens. Bei der Anwendung handelt es sich um ein Gebläse, deren 30 KW-Antriebe mit vier- 4SPA-Keilriemen ausgestattet sind. Die Anlage läuft 24 Stunden pro Tag, sieben Tage pro Woche und 50 Wochen pro Jahr. Der Motorwirkungsgrad liegt bei 94%. Bei Energiekosten von 6,65 Cent pro kwh und zweimal jährlichem Wechsel des Riemens ergeben sich Gesamtkosten von 18.165 Euro/ Jahr. Bei einem Kettenantrieb würde die Kalkulation auch die Servicekosten für Schmierung und Nachspannen beinhalten. Die erwarteten Verbesserungen durch den Einsatz eines GT Carbon - Zahnriemens: ein nur 12 mm breiter PC 8M-Riemen, den man nur noch alle drei Jahre austauschen muss, reicht aus. Im Ergebnis ist mit 3.720,00 niedrigeren Kosten zu rechnen, trotz der etwas höheren Investitionskosten. Im hier dargestellten Beispiel wurden 60 Antriebe dieser Art umgerüstet, was zu jährlichen Einsparungen von 196.200,00 führte.
Zahnriemengetrieben (Seite 8) 5. Zusammenfassung Der GT Carbon Zahnriemen ist nicht nur ein sehr hochbelastbares Antriebselement, sondern kann wie gezeigt, auch zu deutlichen Kosten- und Energieeinsparungen in weiten Teilen der Industrie eingesetzt werden. Wenn man davon ausgeht, dass rund 60% aller in der europäischen Industrie verbrauchten Energie von Elektromotoren und zwar mehrheitlich von Antrieben für Pumpen, Lüfter und Kompressoren verbraucht wird, dann ist das Potenzial für Energieeinsparungen relativ einfach zu errechnen. Alle diese Antriebe verbrauchen etwa 1000 TWh. Das Optimierungspotenzial liegt bei etwa 8%. Wenn man davon ausgeht, dass nur 10% der Antriebe umgerüstet werden, würde man 8 TWh einsparen. Das entspricht 4,4 Mio. t CO 2. Bei Stromkosten von 0,08 pro kwh könnte die europäische Industrie 640 Mio. pro Jahr sparen und man würde eine Forderung des Kyoto-Protokolls erfüllen.