Projekt 34814/01

Wirkungsgradoptimierte Keilriemenantriebe

Projektdurchführung

Arntz Beteiligungs GmbH & Co. KG Produktentwicklung
Corveyer Allee 15
37671 Höxter

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die Reduzierung von Verlusten um bereits wenige Zehntelprozentpunkte des Gesamtantriebs kann in Summe zu einer enormen Einsparung von eingesetzter Energie führen.
Gesamtprojektziel ist die Optimierung der Verluste von Musterriemen um 0,5% bezogen auf die Voll-lastkapazität. Über die Anzahl an installierten Riemen lassen sich mit wirkungsgradoptimierten Antrie-ben enorme Energiemengen einsparen.
Teilprojektziele auf dem Weg sind:
- Die Entwicklung von Keilriemen mit geringen inneren Verlusten
- Durch geeignete Zusatzelemente den Teillastwirkungsgrad zu erhöhen
- Anwendern mit Energierechnern zur verlustarmen Riemenantriebsauslegung zu verhelfen


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDas Projekt ist in vier Arbeitspakete aufgeteilt. Im ersten Paket „Material“ sollen die aktuell verwende-ten Materialien hinsichtlich ihrer dynamischen Eigenschaften charakterisiert werden. Unter Laborbedin-gungen soll für jedes Material ein Kennfeld erstellt werden. Darauf aufbauend erfolgt die Entwicklung verlustoptimierter Halbzeuge.
Das Arbeitspaket „Wirkmechanismen“ behandelt das Verständnis der grundlegenden Wirkzusammen-hänge im Riementrieb und die Wechselwirkung der Einflussgrößen untereinander. Weiterhin sollen nu-merische und analytische Rechenmethoden entwickelt werden, um die Verluste einer beliebigen An-triebskonfiguration zu berechnen. Weiterhin soll in diesem Teil der Einsatz innovativer Spannsysteme eruiert werden, da gerade im Teillastbereich ein hoher Verlust aufgrund der Vorspannkraft vermutet wird.
In dem Arbeitspaket „Versuch“ werden gemäß den Vorgaben aus dem Teilprojekt „Wirkmechanismen“ Verlust- und Temperaturmessungen auf einem dynamischen Prüfstand durchgeführt. Ebenfalls soll nachgeprüft werden, ob die verlustoptimierten Riemen die geforderten Randbedingungen erfüllen.
Im letzten Teilprojekt „Energierechner“ sollen Berechnungsalgorithmen entwickelt werden, die eine Vorhersage der Verluste des Gesamtantriebs ermöglicht. Über die Integration in einen Produktkonfigu-rator wird es dem Anwender direkt ermöglicht das Antriebslayout hinsichtlich der Effizienz zu bewerten.



Ergebnisse und Diskussion

Auf Basis der erkannten Material- und Wirkzusammenhänge werden bei Optibelt nun die Keilriemen auch hinsichtlich Wirkungsgradoptimierung entwickelt.
Als erster in dieser Reihe wurde ein flankenoffener Hochleistungskeilriemen in den Markt gebracht, der zum Vorgänger einen 0,7% höheren Maximalwirkungsgrad hat.
Als nächstes wurde dieses Jahr ein ummantelter Hochleistungskeilriemen in den Markt mit 0,8% höhe-rem Maximalwirkungsgrad – zum Vorgänger– eingeführt.
Erste Funktionsmuster eines neuen ummantelten Optibelt-Basis-Keilriemens zeigen einen 0,8% höhe-ren Maximalwirkungsgrad als die Serienriemen.
Bei entsprechendem Markterfolg werden ca. 10 Mio. solcher wirkungsgradoptimierten Keilriemen 0,8% x 4 kW konservativ angesetzter Nennleistung x 5.000 h konservativ angesetzter Laufzeit
= 1,6 TWh oder 0,3% vom 2021er Nettostromverbrauch in Deutschland einsparen.
Das ist konservativ für ein Minimal-Getriebe mit zwei Scheiben angesetzt. Bei einer Vielzahl der Keil-riemengetriebe gibt es drei und mehr Scheiben, damit höhere Verluste und somit höhere Einsparungen.
Die Wirkzusammenhänge beim Durchlaufen der Riemenscheibe sind in analytischer Form beschrieben worden. Dies ist allerdings nicht ausreichend um alle Einflüsse hinreichend genau abzubilden. Die durchgeführten numerischen Berechnungen zeigten in erster Näherung gute Übereinstimmungen hin-sichtlich der qualitativen Verlustleistungskurve. Jedoch konnten auch hier im Projektverlauf nicht alle Effekte hinreichend genau abgebildet werden, sodass weiterhin quantitative Differenzen zwischen Mess- und berechnetem Wert auftreten.
Es ist ein mathematischer Rechenweg entwickelt worden, der sich auf die Daten der dynamischen Ver-suche stützt. Mit Anwendung dieses Energierechners können die Verlustleistungen in beliebigen Be-triebspunkten approximiert werden. Dem Anwender wird ermöglicht eine erste Abschätzung des ent-worfenen Antriebslayouts hinsichtlich des Wirkungsgrads zu treffen. Zusätzlich wird der Einfluss von Parametern des Antriebes direkt aufgezeigt und der Anwender hinsichtlich einer verlustarmen Ausle-gung sensibilisiert, was enorme Einsparpotenziale mit sich bringt.
Verbindet man die Einspareffekte von verlustarmen Keilriemen und dem direkten Visualisieren mögli-cher Einsparungen des Energierechners entsteht ein Multiplikatoreffekt hinsichtlich der Einsparung von Energie und somit CO2.



Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Der Energierechner soll in die Optibelt CAP Software integriert werden. Mit dieser Software werden An-triebe von der Anwendungstechnik und Riemennutzern ausgelegt. Mit der Verknüpfung der Antriebs-auslegung kann direkt eine Berechnung der Verluste des erstellten Antriebslayouts erfolgen. Die CAP Software ist kostenlos und somit einem breiten Publikum von Anwendern verfügbar.
Der Projektablauf, sowie die Ergebnisse, sind auf Fachtagungen, bspw. des VDI, vorgestellt und disku-tiert worden.



Fazit

Generell ist das vorliegende Forschungsvorhaben als positiv zu bewerten. Denn aus diesem Projekt sind konstruktiv und mischungsseitig optimierte Keilriemen entstanden, denen eine minimierte Verlust-leistung nachgewiesen worden ist.
Weiterhin ist die versuchsbasierte Grundlage zur Berechnung von Verlusten in Form eines Energier-echners erstellt worden. Damit werden Anwender von Riemenantrieben bereits bei der Auslegung hin-sichtlich eines effizienten Layouts sensibilisiert.
Mit dem Betrachten des Materialverhaltens konnte eine Vielzahl an Zusammenhängen herausgeprüft werden. Daraus konnte ein numerisches Modell entwickelt werden, mit welchem sich tendenziell Ver-lustleistungen berechnen lassen, sodass die Einflüsse der Änderung bestimmter Parameter direkt auf-gezeigt werden können. Allerdings bedarf es einer Einbindung weiterer Einflussgrößen, um auch eine quantitative Voraussage zu treffen.