Konstruktions bticher Herausgegeben von Professor Dr.-lng. G. Pahi Band 39 Wolfram Funk Zugmittelgetriebe Grundlagen, Aufbau, Funktion Mit 140 Abbildungen Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH Professor Dr.-Ing. Wolfram Funk Universitat der Bundeswehr Hamburg Fachgebiet Maschinenelemente und Getriebetechnik Holstenhofweg 85 22043 Hamburg ISBN 978-3-642-77757-8 ISBN 978-3-642-77756-1 (eBook) DOI 10.1007/978-3-642-77756-1 Cip-Eintrag beantragt Dieses Werk ist urheberrechtlich geschiitzt. Die dadurch begriindeten Rechte, insbeson dere die der Dbersetzung, des Nachdrucks, desVortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder Vervielfăltigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfiiltigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. Sep tember 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulăssig. Sie ist grundsiitzlich vergiitungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1995 Urspriinglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1995 Softcover reprint of the hardcover lst edition 1995 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Buch berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daB solche Namen im Sinne der Warenzeichen-und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten waren und daher von jedermann benutzt werden diirften. Sollte in diesem Werk direkt oder indirekt auf Gesetze, Vorschriften oder Richtlinien (z.B. DIN, VDI, VDE) Bezug genommen oder aus ihnen zitiert worden sein, so kann der Verlag keine Gewahr fiir die Richtigkeit, Vollstandigkeit oder Aktualitat iibernehmen. Es empfiehlt sich, gegebenenfalls fiir die eigenen Arbeiten die vollstiindigen Vorschrif ten oder Richtlinien in der jeweils giiltigen Fassung hinzuzuziehen. Satz: Reproduktionsfertige Vorlage des Autors SPIN: 10059001 68/3020-5 4 3 2 1 O- Gedruckt aufsiiurefreiem Papier Vorwort Zugmittel gehăren zu den ăltesten Maschinenelementen und sind seit mehreren Jahrtausenden bekannt. Ihnen fehlt die Faszination des Besonderen. Zugmittelge triebe werden daher heute oft-zu Unrecht-als veraltet und wenig innovativ ange sehen. Mit diesem Buch wird dem Leser erstmals ein Werk vorgelegt, das alle Zugmit telgetriebe nach einer auf deren physikalischen Grundprinzipien aufbauenden Sy stematik behandelt. Der Aufbau des Buches ist so gewăhlt, daB die einzelnen Bauar ten entsprechend ihren physikalischen Grundlagen in kraftschliissige (Flachriemen getriebe, Keilriemengetriebe und Sonderbauformen) und formschliissige Zugmittel getriebe (Kettengetriebe, Zahnriemengetriebe) gegliedert werden. Fiir die jeweilige Bauart werden Aufbau und Funktion der Einzelelemente sowie das Betriebsver halten beschrieben. Die Grundlagen fiir Berechnung und Konstruktion sind in sepa raten Kapiteln dargestellt, so daB der Konstrukteur in der Praxis sehr schnell alle fiir die Auslegung von Zugmittelgetrieben erforderlichen Daten und Hinweise er hălt. Bei weiterfiihrendem Interesse kann er in den anderen Kapiteln sein Wissen vertiefen. Der praktischen Anwendung von Zugmittelgetrieben beim Bau stufenlos einstellbarer Getriebe wurde besondere Aufmerksamkeit gewidmet. Hier wird ins besondere auf die CVT-Getriebe, die zunehmend in der Antriebstechnik fiir Kraft fahrzeuge Verwendung finden und dort zu ăkonomisch und ăkologisch sinnvollen Lăsungen fiihren, eingegangen. Dem Titei des Buches entsprechend werden nur Zugmittelgetriebe, die der Leistungsiibertragung dienen, nicht jedoch Positionier antriebe und Anwendungen von Zugmitteln in der Fărdertechnik behandelt. Mein Dank gilt allen Firmen, die durch die Bereitstellung von technischen Un terlagen und Anwendungsbeispielen zum Gelingen des Buches beigetragen haben. Weiterhin gebiihrt mein Dank Frau Karin Blume, die fiir die Textverarbeitung ver antwortlich zeichnet, sowie Frau Andrea Jacob, Frau Martina Laboga und Frau Bianca Sander fiir die Erstellung der Zeichnungen, Tabellen und Diagramme. Mein besonderer Dank gilt Herrn Dipl.-Ing. Frank Schăfer fiir die redaktionelle Mitarbeit, die Erstellung des Umbruchs und die Anfertigung der druckfertigen Vorlagen. Dem Springer-Verlag danke ich fiir die angenehme Zusammenarbeit. Hamburg, im Friihjahr 1995 Wolfram Funk Inhaltsverzeichnis Haufig verwendete Formelzeichen und Indizes ....................................................... IX 1 Einleitung ......................................................................................................................... l 2 Kraftschliissige Zugmittelgetriebe. ............................................................................ 4 2.1 Grundlagen ................................................................................................................ 4 2.1.1 Geometrische Verhăltnisse ........................................................................... 4 2.1.2 Mechanismus der Drehmomentiibertragung ........................................... 7 2.2 Flachriemengetriebe ............................................................................................... 12 2.2.1 Aufbau und Funktion ................................................................................. 12 2.2.2 Flachriemen ................................................................................................... 13 2.2.3 Riemenscheiben ............................................................................................ 15 2.2.4 Spann-und Fiihrungseinrichtungen ......................................................... 17 2.2.5 Betriebsverhalten .......................................................................................... 21 2.2.5.1 Schlupf ........................................................................................... 21 2.2.5.2 Krafte ............................................................................................. 23 2.2.5.3 Schwingungen .............................................................................. 26 2.2.5.4 Gerausche ...................................................................................... 26 2.2.5.5 Einsatzgrenzen ............................................................................. 27 2.2.6 Wartung und Pflege .................................................................................... 28 2.2.7 Berechnung und Konstruktion .................................................................. 29 2.3 Keilriemengetriebe ................................................................................................. 35 2.3.1 Aufbau und Funktion ................................................................................. 35 2.3.2 Riemen ........................................................................................................... 36 2.3.3 Riemenscheiben ............................................................................................ 40 2.3.4 Spann-und Fiihrungseinrichtungen ......................................................... 41 2.3.5 Betriebsverhalten .......................................................................................... 41 2.3.6 Wartung und Pflege .................................................................................... 42 2.3.7 Berechnung und Konstruktion .................................................................. 43 2.4 Sonderbauformen ................................................................................................... 53 2.5 Dynamisches Verhalten ......................................................................................... 54 2.6 Vergleichende Bewertung ..................................................................................... 58 VIII lnhaltsverzeichnis 3 Formschliissige Zugmittelgetriebe ........................................................................... 61 3.1 Kettengetriebe ......................................................................................................... 61 3.1.1 Aufbau und Funktion ................................................................................. 61 3.1.2 Stahlgelenkketten ......................................................................................... 62 3.1.3 Kettenrăder ................................................................................................... 68 3.1.4 Spann-und Fiihrungseinrichtungen ......................................................... 72 3.1.5 Betriebsverhalten .......................................................................................... 73 3.1.5.1 Polygoneffekt ................................................................................ 73 3.1.5.2 Krăfte .............................................................................................. 78 3.1.5.3 Schwingungen .............................................................................. 85 3.1.5.4 Gerăusche ...................................................................................... 89 3.1.5.5 Einsatzgrenzen .............................................................................. 90 3.1.6 Schmierung und Wartung ......................................................................... 97 3.1.7 Berechnung und Konstruktion ................................................................ 100 3.2 Zahnriemengetriebe ............................................................................................. 115 3.2.1 Aufbau und Funktion ............................................................................... 115 3.2.2 Zahnriemen ................................................................................................ 117 3.2.3 Zahn(riemen)scheiben ............................................................................... 120 3.2.4 Spann-und Fiihrungseinrichtungen ....................................................... 122 3.2.5 Betriebsverhalten ........................................................................................ 124 3.2.5.1 Polygoneffekt .............................................................................. 125 3.2.5.2 Eingriffsverhalten ...................................................................... 125 3.2.5.3 Krăfte ........................................................................................... 127 3.2.5.4 Schwingungen ............................................................................ 132 3.2.5.5 Gerăusche .................................................................................... 132 3.2.5.6 Einsatzgrenzen ........................................................................... 140 3.2.6 Wartung und Pflege .................................................................................. 142 3.2.7 Berechnung und Konstruktion ................................................................ 142 4 Stufenlos einstellbare Getriebe ............................................................................... 151 4.1 Riemengetriebe ..................................................................................................... 151 4.2 Kettengetriebe ....................................................................................................... 153 4.3 Stellkoppelgetriebe ............................................................................................... 157 4.4 CVT-Getriebe ......................................................................................................... 158 5 Literaturverzeichnis ................................................................................................... 162 5.1 Schrifttum .............................................................................................................. 162 5.2 Normen .................................................................................................................. 164 Sachverzeichnis ................................................................................................................ 168 verwendete Formelzeichen und Indizes Hăufig Kleine lateinische Buchstaben a Abstand der neutralen Faser b = Breite c Federsteiftgkeit d Durchmesser e = Wellenabstand f Frequenz h Hohe, Dicke i Ubersetzungsverhaltnis k Ausbeute k Dampfungsbeiwert 1 = Lange m Trumkraftverhaltnis n Drehzahl p Teilung q = bezogene Masse r Radius s Weg t Lebensdauer Teilung, veranderlich V Geschwindigkeit z Zahl, Zahnezahl Grape lateinische Buc}tstaben A Flache c Faktor E Elastizitatsmodul F Kraft J = Massentragheitsmoment K Faktor p Leistung T = Drehmoment X Anzahl der Kettenglieder z = Anzahl Kleine griechische Buchstaben Trumneigungswinkel Umschlingungswinkel X Hăufig verwendete Formelzeichen und Indizes o U ngleichformigkeitsgrad E Dehnung 'Y Keilwinkel 11 Wirkungsgrad <jl Winket Offnungswinkel A. Ordnungszahl Il Reibungsbeiwert V Ordnungszahl p Dichte (J Spannung 't" Teilungswinkel (1) Kreisfrequenz ţ spezifische Stiitzzugkraft 'V Schlupf Grof3e griechische Buchstaben Ll Differenz, Abweichung <l> Durchzugsgrad lndizes o vorlăufig; Grundzustand 1 kleine Scheibe 2 groBe Scheibe B Berechnungs-; Betriebs- B Biege- b Biege- D Diagramm- e ei gen f Flieh- K Kette N Normal- n Nutz- R Reib- R Riemen R Ruhe- r relativ St Standard st Stiitz- t Trum u Umfangs- V Vorspann- w Wellen- w Wirk- z Zahn 1 Einleitung Zugmittel (Ketten, Seile, Riemen) gehoren zu den ăltesten bekannten Maschinen elementen. Bereits aus der Bronzezeit sind Ketten bekannt, die jedoch nur als Schmuck verwendet wurden. Bei Ausgrabungen in La-Tene (Neuenburger See) fand man Kesselketten, die keltischen Ursprungs sind. In der Grabkammer des Kammerherm Ti zu Sakarah in Ăgypten ist um 2600 v. Chr. ein Seiler bei der Arbeit dargestellt. Die Babylonier und Assyrer verwendeten Ketten erstmals als Trans missionselemente fiir Schopfwerke. Erste Hinweise auf derartige Anwendungsfălle findet man bei dem griechischen Mechaniker Philon von Byzanz in seinen Biichem "Mechanike Syntaxis" 225 v. Chr. Der romische Architekt und Ingenieur Markus Vitruvius Pollio baute 16 v. Chr. ein Schopfwerk mit einer Gliederkette. Bine Wei terentwicklung der Transmissionselemente fand aufgrund der steigenden Bevolke rungszahlen mit der friihen industriellen Revolution der Renaissance in Italien statt. Im Jahr 1338 gab es in Florenz ca. zweihundert Textilwerkstătten. Schon um 1430 wurden endlose Seilumschlingungstriebe zum Antrieb von Schleifbănken einge setzt. 1438 entwarf Jacopo Mariano ein Kettenrad, und Leonardo da Vinei (1452 bis 1519) zeigt in seinen iiber zweitausend Zeichnungen und Skizzen auch Gelenkket ten ăhnlich den heute bekannten Block- und Flyerketten. Erst im 17. Jahrhundert holten die mitteleuropăischen Lănder den durch die Pest und den Hundertjăhrigen Krieg verlorenen wirtschaftlichen und technischen Riickstand auf. Der Brite Ph. White erhielt im Jahr 1634 ein Patent fiir die erste eiseme Ankerkette, eine Glieder kette. Durch die Erfindung der Dampfmaschine kam es im 18. Jahrhundert ausgehend von England zu einer industriellen Revolution, die dazu fiihrte, daB fiir die vielfăl­ tigen Antriebe in einer Fabrik neue Obertragungsmechanismen entwickelt wurden. 1750 erfand Jacques de Vocanson die Haken-oder Bandketten aus Draht zum An trieb von Maschinen und konstruierte eine Maschine zu deren Fertigung. Riemen triebe mit Flachriemen aus Chromleder waren fiir lange Zeit die wesentliche an triebstechnische Grundlage fiir den Ausbau und die Weiterentwicklung der indu striellen Produktion. Die durch die Dampfmaschine zentral erzeugte Antriebslei stung wurde iiber lange, unterhalb der Decke der Fabrikhallen laufende Transmis sionswellen (Bild 1.1) an die einzelnen Produktionsmaschinen abgegeben. Die er sten theoretischen Betrachtungen iiber Zugmitteltriebe begann Euler im Jahr 1775. Auf der Grundlage der Euler'schen Betrachtungsweise iiber Seile, die um einen Zy linder gewickelt sind und tangentiale Reibungskrăfte iibertragen, stellte Eytelwein 1808 in seinem Werk "Statik fester Korper" seine beriihmte Eytelwein'sche Seilrei bungsgleichung auf. Gleichzeitig erfolgte eine rasche Weiterentwicklung der Zug mittelgetriebe. Im Jahr 1813 konstruierte Th. Brunten eine Gliederkette mit Steg gliedem, und 1822 war es James Gladstone, der eine geschweifSte Kette mit doppel ten Gliedem auf den Markt brachte. Der franzosische Miinzstecher und Medailleur