Table Of ContentKonstruktions 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
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vergiitungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des
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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1995
Urspriinglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1995
Softcover reprint of the hardcover lst edition 1995
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Es empfiehlt sich, gegebenenfalls fiir die eigenen Arbeiten die vollstiindigen Vorschrif
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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
