Der Riementrieb mit Belastungsspannung. (Spannrollentrieb.) Von Dipl.-Ing. Kurt Graffstädt, Strelitz (Meckl). GRAFFSTÄDT, Der Riementrieb mit Belastungsspannung. Die Erfindung der Spannrolle wird dem französischen Artillerieoffizier Leneveu zugeschrieben, der Betriebsleiter der Artilleriewerkstätten in Puteaux bei Paris war. Sie war jedoch schon vor der Zeit Leneveus in Frankreich patentrechtlich geschützt. In Deutschland wurde sie im Jahre 1907 von der Berlin-Anhalt. Maschinenbau-A.-G., Dessau, (Bamag) eingeführt, die sie unter dem Namen „Lenix-Spannrolle“ auf den Markt brachte. Der Name Lenix, der wohl auf Leneveu zurückzuführen ist, ist heute ungültig. Lange Zeit dauerte es, bis die Spannrolle allgemeine Verbreitung fand. Man hat sie zuerst als Riemenzerstörer bekämpft, weil das Riemenmaterial für den Spannrollentrieb ungeeignet war. Heute jedoch wird sie von allen größeren und maßgebenden Firmen der Triebwerkindustrie gebaut. Der Vorläufer der Spannrolle war die Druckrolle, die starr am gezogenen Trum gelagert war. Da diese wegen ihrer Lagerung nicht nachgab, schlug das schlaffe Riementrum stets auf sie und zerstörte dadurch in verhältnismäßig kurzer Zeit den Riemen. Erst durch Einführung der schwingbar gelagerten Druckrolle – eben der Spannrolle – wurde dieser Übelstand beseitigt. Ein anderer Vorläufer der Spannrolle war der Spannwagen, der in Abb. 1 schematisch dargestellt ist. Durch diese Anordnung sollen größere Kräfte bei kleinstem Achsenabstand übertragen werden. Der Riemen läuft von der treibenden Scheibe über eine Leitrolle, dann über die getriebene Scheibe und zurück über die Spannrolle nach der treibenden Scheibe. Durch Änderung des an der Spannrolle hängenden Gewichtes und durch den damit verbundenen Spannschlitten kann der Riemen jederzeit in der Spannung gehalten werden, die der zu übertragenden Umfangskraft entspricht. Abb. 2 stellt einen Winkelriementrieb mit Belastungsspannung dar. Die Spannrolle, welche das Gewicht trägt, muß natürlich auch geführt werden. Die zuerst beschriebene Anordnung mit Spannwagen kann als Ersatz für ein Stirnräderpaar, die zweite als Ersatz für ein Kegelräderpaar aufgefaßt werden. Der Riementrieb kann also an Stelle der Zahnräder treten. Gegenüber dem einfachen Riementrieb hat der Spannrollentrieb manche Vorteile. Zunächst fällt das Vorspannen des Riemens beim Auflegen und das Nachspannen während des Betriebes weg. Der offene Riemen muß stets mit einer verhältnismäßig großen Vorspannung aufgelegt werden. Je größer diese Vorspannung ist, um so geringer wird der Schlupf während des Betriebes ausfallen. Außerdem treten Längenänderungen im Riemen auf, die von Zeit zu Zeit ein Nachspannen erforderlich machen. Durch die große Vorspannung wird ein großer Lagerdruck erzeugt, infolgedessen müssen Lager und Wellen unter Berücksichtigung dieses Druckes stärker dimensoniert werden. Beim Spannrollentrieb ist keine Vorspannung erforderlich, es ist also nur ein geringer Lagerdruck vorhanden. Die Folgen davon sind: um ungefähr 10% kleinere Wellen- und Lagerabmessungen, Ersparnis an Schmiermitteln und Verminderung der Reibungsarbeit. Ein Nachspannen während des Betriebes ist unnötig, da die Spannrolle selbsttätig die der Umfangskraft entsprechende Riemenspannung erhält, reguliert und die Riemenlängungen ausgleicht. Der Riemenschlupf wird zu einem reinen Dehnungsschlupf. Textabbildung Bd. 341, S. 201 Abb. 1. Das Schlupfen des Riemens auf der Scheibe kann einerseits durch elastische Einwirkungen, andererseits dadurch hervorgerufen werden, daß die Umfangskraft größer als die vorhandene Reibung ist. Die letztere Erscheinung kann nur bei übermäßig belasteten oder zu schlaffen Riemen eintreten, während die erstere natürlich und unvermeidlich ist. Bei Beginn der Drehung der treibenden Scheibe wird der Riemen durch die Reibung des Leders auf der Scheibe mitgenommen, wandert lose zur getriebenen Scheibe und verläßt sie wieder gespannt. Beim Übergang vom gezogenen ins ziehende Trum dehnt sich der Riemen, gleitet auf der Scheibe und nimmt sie gleichzeitig mit. Von der Auflaufstelle der getriebenen Scheibe aus hat der Riemen zu ihr eine Relativgeschwindigkeit, die sich bei jedem Umlauf wiederholt, mit der Spannung und Riemengeschwindigkeit wächst und mit der Elastizitätszahl abnimmt. Es ist die Relativgeschwindigkeit, die man als scheinbaren Schlupf bezeichnen kann, v_r=\frac{k\,.\,v}{E} k = Nutzspannung in kg/cm2, E – Dehnungsziffer in kg/cm2, v = Geschwindigkeit des Riemens in m/sec. Die in vielen Betrieben verbreitete Ansicht, daß das Gleiten des Riemens durch ein Aufrauhen der Scheiben beseitigt werden könne, ist demnach vollkommen falsch. Dadurch wird nichts als eine Zerstörung des Riemens bewirkt, weil die aufgerauhte Scheibe den Riemen wie eine Feile anfaßt. Es sei deshalb auch hier auf eine Mitteilung des Ausschusses für wirtschaftliche Fertigung (A. W. F.), Unterausschuß für Riemenprüfung, Z. d. V. D. I. 1925, Seite 678, hingewiesen, die besagt, daß rauhe Gußeisenscheiben und insbesondere auch rauhe Holzscheiben ein Verderb für jeden Riementrieb sind. Textabbildung Bd. 341, S. 202 Abb. 2. Die verschiedenen Spannungen S1 und S2 des Riemens (Abb. 3) haben verschiedene Dehnungen \epsilon_1=\frac{S_1}{f}\,.\,\alpha und \epsilon_2=\frac{S_2}{f}\,.\,\alpha zur Folge, und es wird daher die Geschwindigkeit v2 der getriebenen Scheibe kleiner als v1 sein. Man kann \frac{v_1}{v_2}=\frac{1+\epsilon_1}{1+\epsilon_2} und den Geschwindigkeitsverlust für die getriebene Scheibe nach der von BachBach, Die Maschinen-Elemente I, 13. Auflage, Alfred Kröner, Leipzig, 1922. aufgestellten Gleichung bestimmen. Nach dieser Gleichung ist der Gleitverlust durch die verschiedene Riemendehnung \rho=\frac{k}{E\,.\,s} wenn hierbei \alpha=\frac{1}{E} den Dehnungskoeffizienten und k die nutzbare Spannung bezeichnet. Es wird hierbei E = 1500 kg/cm2 für normale Lederriemen, k in kg/cm2 und die Riemendicke s in cm gerechnet. Nach den Feststellungen Kammerers erhöht sich dieser scheinbare Schlupf erst wesentlich, wenn der Reibungskoeffizient μ = 0,6 bis 0,8 wird. Da dies aber unter normalen Verhältnissen nie vorkommen wird, weil mit μ = 0,25 bis 0,28 gerechnet zu werden pflegt, so ist der elastische Schlupf viel geringer als man früher anzunehmen pflegte. Man wird demnach unter normalen Verhältnissen nur mit einem Gleitverlust von ρ ≈ 1% zu rechnen haben. Im Gegensatz zum elastischen Schlupf steht der Gleitschlupf, der dadurch eintritt, daß die Umfangskraft größer als die vorhandene Reibung ist. Er soll im allgemeinen 0,5 ÷ 1% betragen und 2% nicht übersteigen. Bei dem offenen Riementriebe läßt sich das allerdings schwer erreichen. Er beträgt dort meistens 3 ÷ 5%, bei ungenügender Vorspannung sogar bis 20%. Textabbildung Bd. 341, S. 202 Abb. 3. Der Wirkungsgrad stellt das Verhältnis der an der treibenden Scheibe vorhandenen Arbeit zu der an die getriebene Scheibe abgegebenen Arbeit dar. Nach Kammerer steigt er mit zunehmender Nutzspannung zunächst schnell, dann langsamer auf hohe Werte und nimmt bei weiterer Spannungszunahme langsam ab. Im allgemeinen beträgt er ohne Berücksichtigung der Zapfenreibung und des Luftwiderstandes der Scheiben η = 97 ÷ 98% Durch großen Umhüllungswinkel wird der Wirkungsgrad bedeutend verbessert, weil der Gleitschlupf vermindert wird. Aus diesem Grunde haben Spannrollentriebe einen besseren Wirkungsgrad, weil, wie oben bereits gesagt wurde, der Gleitschlupf hier zu einem reinen Dehnungsschlupf wird. Bei der Dehnung ist zwischen bleibender und elastischer zu unterscheiden. Bei fortwährender Zunahme der bleibenden Dehnung würde der Riemen zerreißen. Die mit dem Vor- und Nachspannen verbundenen Betriebsstörungen fallen beim Spannrollentrieb vollkommen weg. Es können daher auch hierbei die Spannschienen, die bei der Aufstellung elektrischer Maschinen in Anwendung kommen, fortbleiben. Die Spannrolle soll in der Nähe der kleinen Scheibe am gezogenen Trum angebracht werden. Es ist gleichgültig, ob dabei die kleine Scheibe die treibende oder die getriebene ist. Aus der Anordnung in Abb. 4 sieht man, daß die Spannrolle C in unmittelbarer Nähe der kleinen Scheibe A auf das gezogene Riementrum gelegt ist. Man erkennt sofort, daß der umspannte Bogen von α1 auf α vergrößert worden ist. Der Bogen auf der kleinen Scheibe ist gleichfalls wesentlich vergrößert worden. Textabbildung Bd. 341, S. 203 Abb. 4. Auf die Gleichförmigkeit des Ganges bei Belastungsschwankungen ist die Spannrolle von allergrößtem Einfluß. Alle Stöße werden von ihr elastisch aufgefangen. Ein Stoß entsteht dadurch, daß die getriebene Scheibe durch einen größeren Widerstand plötzlich aus ihrem Beharrungszustand gebracht wird. Sie bleibt infolge dieses Widerstandes hinter der Geschwindigkeit der treibenden Scheibe zurück. Beim offenen Riementriebe würde das unbedingt zu einer Verkleinerung des umspannten Bogens führen. Beim Spannrollentrieb sorgt die Spannrolle dafür, daß die Größe des umspannten Bogens beibehalten und die Belastungsschwankung elastisch ausgeglichen wird. Aus diesem Grunde werden auch in allerletzter Zeit Hanfseiltriebe mit Spannrollen ausgeführt. Da aber bei Hanfseiltrieben ein großer Kraftverbrauch vorhanden ist, der durch die Relativbewegung der Seile zueinander entsteht und zudem jedes Seil gesondert durch den Stoß beansprucht wird, was häufig zum Abreißen des Seiles führte, hat man nur mit solchen Rollen Erfolg gehabt, die jedes einzelne Seil für sich spannen. Weil aber der Riemen bedeutend elastischer als das Hanfseil ist, hat man sich in mehreren Fällen, wo Stöße im Hanfseiltrieb zu befürchten waren (z.B. beim Anlassen eines Explosionsmotors, bei dem Betrieb van Walzenstraßen, usw.), für den Umbau in einen Spannrollentrieb entschieden. Die Hanfseilscheiben sind in diesen Fällen durch Ummantelung mit schmiedeeisernen Bandagen (D. R. P.) in Riemenscheiben umgewandelt. Die häufigen Betriebsstörungen und die Zeitverluste, die durch das Kürzen und Verspleißen der Seile eintraten, fallen auf diese Weise weg. Bei solchen Umbauten erzielte man in den meisten Fällen eine Leistungserhöhung um 10%. Es wäre vielleicht richtiger, für „Spannrolle“ „Entspannungsrolle“ zu sagen. Denn durch die Spannrolle werden die Schwingungen und Belastungsschwankungen im schlaffen Trum so ausgeglichen, daß die übertragbare Nutzleistung ein Maximum wird. Die Spannung, die dem Leertrum durch die Rolle mitgeteilt wird, beträgt ungefähr 0,1 bis 0,75 der zu übertragenden Umfangskraft.Nach W. Patzke, Spannrollentriebe, Hannover. Letztere ist gleich der Differenz der Trumspannungen, nämlich P = S1 – S2. Je geringer also die Spannung S2 im Leertrum gehalten wird, um so größer ist die übertragbare Nutzleistung P. Die Folge davon ist, daß Riemen und Riemenscheiben schmaler ausgeführt werden können. Die Fliehkraft schleudert den Riemen bei einem offenen Trieb nicht von der Scheibe fort, sondern beansprucht ihn nur auf Zug. Hierdurch wird eine Längung des Riemens hervorgerufen, die sich beim Spannrollentrieb nicht ganz vermeiden läßt. Die Spannrolle hebt aber den Einfluß der Fliehkraft bei der Längung des Riemens ziemlich auf und zwar um so mehr, je elastischer das Riemenmaterial ist. Die Nachteile beim Spannrollentrieb sollen nicht unerwähnt bleiben. Die Rolle bewirkt nämlich eine wechselnde Zug- und Druckbeanspruchung im Riemen, die ohne Frage schädlich ist, aber im Leertrum erfolgt. Hier können nur durch Anwendung eines elastischen, besonders für Spannrollentriebe angefertigten Riemens nachteilige Folgen ferngehalten werden. Ferner wird auch wohl mit Recht eingewendet, daß der Einbau einer Spannrolle den Transmissionsbetrieb komplizierter gestaltet. Aber die Vorteile überwiegen die Nachteile, und die Ersparnisse, die sich durch die Rolle erst später in vermindertem Verbrauch von Kohle, Schmiermittel usw. bemerkbar machen, sind so groß, daß man ohne weiteres Prof. Kutzbach zustimmen muß, wenn er sagt: „Erst durch die Spannrolle beherrschen wir den Riemen- und Seiltrieb.“Kutzbach, Probleme der mech. Energieübertragung. Z. d. V. D. I. 1922.