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Forschungsgruppe Zugmittel und Tribologie
Forschung

Forschung

Förderketten aus Kunststoff

Für den Transport von Stückgütern werden zunehmend Stetigförderer mit zum Teil raumbeweglichen Kunststoff- ketten, insbesondere Gleitketten (Scharnierband- und Multiflexketten) und Mattenketten (Modulbander), eingesetzt.

Gleitkette
Mattenkette (Modulband)

Die Kunststoffteile der Ketten lassen sich im Spritzguss­verfahren in großen Stück­zahlen und komplexen Geometrien effizient fertigen und zeichnen sich (gegenüber Stahl) u. a. durch geringe Dichte, gutes Gerausch­dämpfungs­vermögen und hohe Korrosions-/ Medien­beständig­keit aus. Kunst­stoffe sind viel­faltig verfügbar und lassen sich hinsicht­lich der für die Ketten bzw. die Anwendungen interessanten Eigen­schaften gut modifizieren. Sie besitzen zum Teil hervor­ragende Gleit­eigenschaften, sodass derartige Förder­systeme in der Regel nicht geschmiert werden müssen, was für eine Viel­zahl von industriellen Anwendungen von hoher Bedeutung ist.

Materialbedingt weisen die Kunststoff­ketten insbesondere hinsicht­lich der zulassigen Zugkraft (Festig­keit/Dauer­festigkeit), der Steifig­keit (relativ hohe Dehnung) und der Temperatur­bestandigkeit oft Defizite auf. Dadurch müssen z. B. lange Förder­strecken haufig mehrfach geteilt werden, was zusätzliche Antriebe sowie konstruktiv aufwendige und förder­technisch nachteilige Übergabe­stellen erfordert.

Als Werkstoffe für Ketten, Gleit­schienen und Zusatz­elemente kommen thermo­plastische Kunst­stoffe, z. B. POM, PA, PE oder PP, in für verschiedene Einsatz- und Belastungs­falle unterschied­lichen Modifikationen zum Einsatz.

Gleitketten

Gleitketten­förderer sind meist einsträngige Transport­systeme für relativ leichte Stückgüter (bis ca. 20 kg) und mittlere Geschwindig­keiten (bis ca. 1 m/s). Das Führungs­system ist meist modular aufgebaut, sodass auch sehr komplexe Förder­strecken relativ einfach aus Geraden, horizontalen und vertikalen Umlenkungen, Antriebs- und Umlenk­modulen sowie Gestell- und Führungs­elementen projektiert und aufgebaut werden können.

Scharnierbandketten - Stahl oder Kunststoff (POM, PBT, PA)
Multiflexketten - Kunststoff
Bolzenverbindung,
geradgängig
Bolzenverbindung mit Spiel,
kurvengängig
Kardanisches Gelenk (Pin-Bolzen),
kurvengängig

Bei Gleitketten unterscheidet man grund­sätzlich zwei Arten. Die einteiligen Ketten­elemente der Scharnierband­ketten werden mit einem Stahl­bolzen gelenkig verbunden. Durch die Größe des Gelenk­spiels kann dabei eine horizontale Kurvengangigkeit mit minimalem Radius von ca. 500 mm erreicht werden. Scharnierband­ketten werden neben Kunst­stoffen auch aus Edel­stahl hergestellt. Multiflex­ketten (auch 3D-Gleitketten) besitzen mit dem sogenannten Pin ein zusätz­liches Horizontal­gelenk, welches minimale Umlenk­radien von ca. 150 mm sowie höhere Kettenzug­kräfte ermöglicht.

Gleitketten­förderer werden sehr vielfaltig angewendet. Der schmierungs­freie Betrieb ermöglicht z. B. den Einsatz in der Lebensmittel-, Verpackungs-, Elektronik- und Pharmai­ndustrie, die Widerstands­fähig­keit gegen verschiedenste Chemikalien sowie die hohe Verschleiß­festig­keit lasst jedoch auch Anwendungen in Verkettungs­einrichtungen der spanenden Fertigung oder Montage­straßen zu.

Mattenketten

Mattenketten bestehen aus Kunststoff­modulen, die durch Stahl- oder Kunststoff­stäbe gelenkig miteinander verbunden werden. Die Module lassen sich meist auch nebeneinander anordnen, sodass dadurch in Abstufungen verschiedenen Breiten bis ca. 4–5 m gefertigt werden können. Das Material und die Ausführung derartiger Ketten sind an die teil­weise sehr unterschied­lichen Anforderungen der Anwender angepasst und somit außerst viel­fältig. So gibt es in verschiedenen Baugrößen gerad- und kurven­gängige Matten­ketten mit geschlossener, halb­offener oder ggf. strukturierter Ober­fläche. Matten­ketten sind oftmals nicht nur Zug- und Tragmittel, sondern gestatten auch die Durch­führung von Verarbeitungs­prozessen, z. B. Trocknen, Waschen usw., während des Transports. Die Anwendungs­gebiete reichen von der Lebens­mittel­industrie mit Gütern relativ geringer Masse über Papier­verarbeitung, Verteil­zentren, Gepäck­transport usw. bis hin zu Schwer­last­anwendungen im Maschinen- und Fahrzeugbau.

Mattenketten können auf geraden Förder­strecken sehr hohe Zugkräfte übertragen. Die Haupt­probleme treten in horizontalen Kurven auf, in denen die radial gerichteten Stütz­kräfte zu hohen Reibungs­verlusten führen. Zusätzlich werden die Ketten­zugkräfte konstruktions­bedingt nur im außeren Rand­bereich der Kette übertragen, was die Gestaltungs­möglich­keiten solcher Anlagen sehr stark einschränkt und oftmals zu hohem Verschleiß oder gar Ketten­bruch führt.

Forschungsschwerpunkte

Die Professur Fördertechnik arbeitet seit vielen Jahren sehr eng mit verschiedenen Ketten- und System­herstellern sowie Kunststoff­herstellern und -verarbeitern zusammen. Schwerpunkte sind die gemeinsame Entwicklung von neuen Kunststoff-Förderketten bzw. kompletten Förder­anlagen. Das Spektrum reicht dabei von der konstruktiven Entwicklung der Ketten und des Systems, über Material­auswahl, Fertigung und mechanische bzw. tribologische Unter­suchungen bis hin zur Erstellung von Dimensionierungs­grund­lagen für das Gesamt­system. Die wesentliche Ziel­stellung ist dabei die Effizienz­steigerung des Förderprozesses, d. h. die Leistung und Flexibilitat der Förder­anlage wird erhöht und die benötigte Antriebs­energie verringert. Die Schwer­punkte der Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der Kunststoffketten sind:

  • Verbesserung der mechanischen Eigen­schaften der Ketten, insbesondere Dauer­festigkeit und Steifig­keit, durch konstruktive Gestaltung, Werkstoffe und Herstellungs­verfahren
  • Minimierung von Reibung und Verschleiß der relevanten Gleit­paarungen, insbesondere zwischen Kette und Führungs­schiene zur Reduktion von Ketten­zugkraft und Antriebs­leistung (siehe auch Forschungs­schwerpunkte Tribologie)
  • Ersetzen der Gleit­reibung durch Roll­reibung (siehe auch Projekt „Rollende Fördertechnik”)
  • Grundlagen­untersuchungen zum Kraft- und Bewegungs­verhalten der Ketten (Kräfte im Kettenglied bzw. im System, Schwingungs- und Geräusch­analysen usw.)
  • Werkstoffe und konstruktive Anforderungen für Sonder­anwendungen, z. B. Lebensmittel, Chemikalien, elektrostatische Aufladung usw.
  • Entwicklung von Testmethoden zur Ermittlung der Dimensionierungs­kennwerte
  • Erstellung von Berechnungs- und Dimensionierungs­grundlagen für Ketten und Gesamt­system

Förderketten aus Stahl

Obwohl sich Kunststoffketten zunehmend am Förder­technik­markt etablieren, sind diese in vielen Anwendungen (noch) keine Alternative für den Einsatz von Stahl­ketten. Vorrangig werden Stahl­ketten unter sehr rauen Last- und Umgebungs­bedingungen oder bei aggressiven Förder­gütern eingesetzt, bei denen Kunst­stoffe an ihre mechanischen oder thermischen Grenzen stoßen. Stahl­ketten sind jedoch auch z. B. in Trag- und Stauketten­förderern anzutreffen, da sie bei geringer Baugröße relativ hohe kräfte sicher und synchron übertragen können.

Stahlketten müssen in der Regel geschmiert werden, was zum einen die Anwendungs­gebiete aufgrund unschöner Verschmutzungen einschränkt und zum anderen eine regel­mäßige Wartung erfordert. Ziel ist es, die Schmier­wirkung durch die Verwendung spezieller Materialien und Schmier­stoffe oder durch konstruktive Maßnahmen dauerhaft an den benötigten Gelenk­stellen zu konzentrieren oder komplett und dadurch den Verschleiß bzw. die Wartungs­intervalle positiv zu beeinflussen.

Forschungs­schwer­punkte

In laufenden Forschungs­vorhaben werden Schmier­stoffe für Stahl­gelenk­ketten hinsicht­lich ihrer Funktionalitat und Lebens­dauer untersucht und Möglichkeiten zur Über­wachung (z. B. Aufforderung zu Nach­schmierung bzw. Ketten­wechsel) solcher Förder­systeme geschaffen. Gegen­stand der Forschungen sind auch die Kontakte der Kette zum Fördergut und zu den Stütz- bzw. Führungs­schienen (meist aus Kunststoff) sowie Zusatz­elemente aus Kunststoff.

  • Analyse und Dimensionierung von Stauketten­förderern bzw. entsprechender Ketten
  • überwachungs­systeme für Ketten­förderer
  • Untersuchung von Schmier­stoffen für Stahl­gelenk­ketten
  • Reibungs- und Verschleiß­verhalten zwischen Stahl­ketten und Fördergut bzw. Kunst­stoff-Führungs­schienen
  • Untersuchung von Stahl­ketten mit Kunststoff­elementen
  • Dimensionierung von Ketten­fördersystemen
  • Bruch- und Dauer­festigkeits­untersuchungen

Transportzahnriemen

In der Fördertechnik werden Zahnriemen für Transport­aufgaben (Gut liegt direkt auf dem als Zug- und Trag­mittel fungierenden Zahn­riemen auf) sowie indirekt in Linear­antrieben (z. B. Hub­vorrichtung für Regal­bedien­geräte) verwendet. Gegenüber antriebs­technischen Zahn­riemen sind die Geschwindig­keiten relativ gering und die Profil­geometrie und Breite der Riemen meist größer.

Der Hauptvorteil ist der form­schlüssige Antrieb, der (im Gegensatz zu Flachriemen) eine schlupf­freie übertragung des Drehmomentes und damit z. B. eine synchrone Bewegung mehrerer parallel laufender Bahnen ermöglicht – sie werden deshalb auch als Synchronriemen bezeichnet. Förder­technische Zahn­riemen werden meist aus thermo­plastischem Polyurethan gefertigt, so können sie z. B. kontinuier­lich gefertigt und in beliebiger Lange verbunden werden. Weiterhin ist dadurch die relativ einfache Veredlung möglich, z. B. das Anbringung von Zusatz­elementen (Mitnehmer, Befestigungs­elemente) und funktionellen Rücken­beschichtungen (Anpassung an das Fördergut) sowie spezielle Bearbeitungen des Zahn­riemens. Zahn­seitig werden diese Riemen oft mit einem speziellen Gewebe beschichtet, um die Reibung zu den Stütz­schienen sowie im Bereich der Zahn­scheiben zu reduzieren.

Forschungsschwerpunkte

Schwerpunkt der Forschung auf diesem Gebiet ist die Senkung des Bewegungs­widerstandes zwischen Zahn­riemen und Stütz­schiene, die häufig zu hoher Antriebs­leistung sowie temperatur­bedingten Verschleiß­erscheinungen führt. Weiterhin werden u. a. Lösungen zur Funktionalisierung von Zahnriemen, z. B. die Integration von Leitungs­trägern zur Energie- und Daten­übertragung, Verbindungs­technologien sowie förder­technische Anwendungen jeder Art untersucht und Dimensionierungs­grundlagen für Zahnriemen­förderer erstellt.

  • Reibungs- und Verschleiß­verhalten von Zahn­riemen und Führungs­schienen
  • Integration von Leitungs­trägern und berührungs­lose Energie- und Daten­übertragung
  • Untersuchung von Transport­zahnriemen und Fördersystemen
  • Analyse von Zahnriemen­verbindungen
  • Dimensionierung von Zahnriemen­förderern

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Handzettel (deutsch)

Vorspannung von Antriebszahnriemen

Antriebszahnriemen finden sich in meist schnell laufenden Getrieben und dienen der Drehzahl- und Drehmoment­übertragung, wobei dies aufgrund des schlupf­freien Betriebes mit hoher Leistung und äußerst prazise erfolgen kann.

Zahnriemen müssen immer vorgespannt werden, wobei die Größe der Vorspann­kraft entscheidenden Einfluss auf die Funktion und Lebens­dauer des gesamten Getriebes hat. Eine zu geringe Vorspannung kann zu starken Trum­schwingungen oder zum überspringen der Zahne an den Zahn­scheiben führen, zu hohe Kräfte verursachen dagegen eine starke Belastung der Lager und des Riemens und beeinflussen damit den Verschleiß und die Lebens­dauer der Getriebe­komponenten negativ.

Die gangigen Methoden zur Aufbringung der Vorspann­kraft nutzen einerseits die Elastizität des Zahn­riemens und des Getriebes durch Veranderung des Achs­abstandes der Zahnscheiben oder eine zusätzliche, gestell­feste Spannrolle. Weiterhin werden komplexe Spann­systeme angewendet, die die Spannkraft mittels Federn aufbringen und oft zusätzliche Dämpfungs­elemente enthalten.

Eine dritte, zusammen mit einem Industrie­partner an der Professur Fördertechnik entwickelte Methode nutzt ein elastisches, ringförmiges Spann- und Dämpfungs­element, welches platzsparend zwischen den Riemen­trumen eingesetzt wird. Durch die spezielle Spann­charakteristik dieses Elementes wird das Getriebe im Still­stand nahezu vollstandig entlastet, im Betriebs­zustand passt sich die Vorspannkraft automatisch an das wirkende Drehmoment an. Das Spannelement funktioniert dreh­richtungs­unabhängig, gleicht Achs­abstands- oder Rundlauf­fehler aus und dampft wirkungs­voll Drehmoment­stöße und Trum­schwingungen.

Riemendehnung,
Einstellung des Achsabstandes
Externe Spannkraft
ROLL-RING®
Spann- und Dampfungselement
  • keine Zusatzelemente nötig
  • Reversierfahigkeit
  • sehr empfindlich gegenüber Maßtoleranzen (exakte Kraft­einstellung schwierig)
  • Gefahr von Funktions­störungen oder Über­spannung
  • hohe Vorspannung im Ruhe­zustand notwendig
  • keine Schwingungs­dämpfung
  • relativ geringe Vorspannkraft
  • Integration von Schwingungs­dampfern möglich
  • komplexes Zusatz­bauteil
  • externe Montage­basis erforderlich (Platz­bedarf)
  • nicht reversier­fähig
  • einfache, platz­sparende Montage
  • nahezu komplette Getriebe­entlastung im Einbau­zustand
  • automatische Spannkraft­anpassung an die Last
  • Reversier­fähigkeit
  • effiziente Dämpfung von Trum- und Dreh­schwingungen
  • geringe Drehwinkel­differenz zwischen An- und Abtrieb

Forschungs­schwerpunkte

Die Professur Fördertechnik beschaftigt sich seit vielen Jahren mit der Untersuchung alternativer Spann­methoden für Zahnriemen­getriebe. Mit der Entwicklung des ring­förmigen Spann- und Dämpfungs­elementes entstand eine völlig neuartige, getriebe­schonende Spann­charakteristik. Die aktuellen Aufgaben dazu bestehen in der Ableitung weiterer Anwendungs­felder sowie der Erarbeitung von dynamischen Berechnungs­modellen. Weitere Forschungs­schwerpunkte sind u.a. Untersuchungen zum Übersprung­verhalten sowie Schwingungs- und Geräusch­analysen.

  • Spannsysteme für Zahnriemen­getriebe, insbesondere ringförmiges Spann- und Dämpfungs­element Roll-Ring® (Fa. Ebert Kettenspann­technik GmbH, Schkeuditz)
  • übersprung­verhalten von Zahnriemen
  • Alternative Seiten­führung von Zahnriemen
  • Schwingungs- und Geräusch­analysen
  • Analyse und Dimensionierung von Zahnriemen­getrieben, Wirkungsgrad­messungen

Tribologie in der Förder­technik

Tribologie ist die Wissenschaft von Reibung, Verschleiß und Schmierung. An den meisten tribologischen Systemen der Förder­technik sich Kunst­stoffe beteiligt. Neben den Vorteilen wie geringe Dichte, sehr gute Verarbeit­barkeit, Geräusch­dämpfungs­vermögen usw. besitzen viele Kunst­stoffe hervorragende Gleit­eigenschaften, sodass die Systeme normaler­weise nicht geschmiert werden müssen. Dies ermöglicht viele Anwendungs­gebiete auch in solch sensiblen Bereichen wie z. B. Lebens­mittel-, Pharma- oder Elektronik­industrie, in denen eine Schmierung unerwünscht ist.

Wichtige Gleitpaarungen in Stetigförderern sind z. B.

  • Zugmittel – Gleitschiene (meist aus Kunststoff)
  • Zugmittel – Fördergut (Metall, Kunststoff, Glas, Pappe, …)

Zugmittel können Stahl-/ Kunststoffketten, Zahnriemen, Bänder usw. sein.

In einigen fördertechnischen Anwendungen, z. B. wenn Güter auf ansteigenden Strecken transportiert werden sollen, werden hohe Reibwerte gefordert. Wie auch in anderen technischen Systemen ist jedoch die Reibung in Stetig­förderern meist unerwünscht, da sie in direkter Folge zu Erwärmung und Verschleiß an Zugmitteln und/oder Führungs­elementen, starker Zugmittel­belastung sowie hoher Antriebs­leistung fährt. Reibung verursacht demnach teilweise erhebliche Kosten durch Antriebs­energie, turnus­mäßige Wechsel­intervalle von Zugmitteln und Komponenten oder gar unplanmäßige Stillstand­zeiten beim Versagen des Fördersystems.

Einer Studie der Gesellschaft für Tribologie (www.gft-ev.de) zur Folge entstehen durch Reibung und Verschleiß allein in Deutschland jährliche Verluste in Höhe von ca. 35 Milliarden Euro. Durch Umsetzen des bereits vorhandenen tribologischen Wissens könnten davon 5 Milliarden EUR/Jahr eingespart werden. Durch weitere tribologische Forschung kann dieses Sparpotential noch gesteigert werden.

Unsere Forschungsgruppe stellt sich der Heraus­forderung, diesem Ziel ein Stück näher zu kommen.

Ursachen von Reibung und Verschleiß

Die Reibung basiert nach heutigem Kenntnis­stand auf zwei wesentlichen Ursachen

  • der Deformation (Verformung von Rauheits­spitzen, Furchung, …) und
  • der Adhäsion (atomare und molekulare Wechsel­wirkungen im Bereich der realen Kontakt­fläche)

Beide Phänomene treten immer gleichzeitig, jedoch in Abhängigkeit von den Material- und Oberflächen­eigenschaften in unterschied­lichen Verhältnissen auf. Insbesondere bei trocken laufenden Reib­paarungen mit Kunststoff­beteiligung sind die Reibwerte deshalb sehr stark von den Belastungs- und Umgebungs­bedingungen, z. B. Flächen­pressung (Gutmasse), Geschwindigkeit, Umgebungs- und Kontakt­flächen­temperatur usw. abhängig und ändern sich häufig auch während der Betriebs­dauer. In der Praxis fährt dies nach einiger Zeit trotz vermeintlich gleicher Rand­bedingungen oft zu steigenden System­reibwerten, die sich durch plötzlich auftretenden Leistungs­mangel der Antriebe, starke Erwärmung oder über­höhten Verschleiß und schlimmsten­falls durch den Ausfall des Förders­ystems äußern.

Forschungs­ansätze zur Reibungs- und Verschleiß­senkung

Bei Kenntnis der Reibungsursachen und der Wirkungen der äußeren Einflüsse auf das tribologische System können Reibung und Verschleiß gezielt beeinflusst werden. Dabei ist zu berück­sichtigen, dass der Reibwert ein System­parameter und keine Material­eigenschaft ist. So kann ein vermeintlich gleit­freudiges Material in Kombination mit einem anderen Werk­stoff durchaus ungünstige Werte aufweisen. Außerdem bedeutet ein niedriger Reibwert nicht gleich­zeitig einen geringen Verschleiß.

Die Untersuchung des tribologischen Verhaltens konzentriert sich schwerpunkt­mäßig auf schmierungs­freie Paarungen mit Kunststoff­beteiligung und Bezug zur Förder­technik. Reibung und Verschleiß werden in Abhängigkeit der Belastungs- und Umgebungs­bedingungen (u. a. in einer Klima­kammer) untersucht und die Ergebnisse in einer Tribo-Datenbank erfasst. Zur Reibungs- und Verschleiß­senkung werden folgende Haupt­ansätze verfolgt:

  • Untersuchung und Modifikation von Polymer­werkstoffen
  • Untersuchung und gezielte Beeinflussung von Oberflächen­strukturen
  • Beschichtung von Kunststoff­oberflächen
  • Untersuchung und Modifikation von textilen Gleitflächen
  • Konstruktive Maßnahmen zur Reibwert­senkung – z. B. Ablösung von Gleit­reibung durch Rollreibung

Für die Untersuchungen stehen spezielle Prüfstände aus eigener Entwicklung zur Verfügung, die eine möglichst realitätsnahe Belastung der Proben sowie die Erfassung und Analyse der Mess­werte auch über sehr lange Zeit­räume gestatten.