Zahnriemenausfälle und Bruchanalyse

 

 

 

 

 

Wenn Sie Ihre Riemen mindestens einmal im Jahr wechseln, ist es an der Zeit, Ihren Antrieb zu untersuchen.
Von Beschädigungen bei der Bandcrimpung über wichtige Belastungen bei der Bandinstallation bis hin zu Fehlausrichtungen des Scheiben und widrigen Umgebungsbedingungen - dieser Leitfaden hilft Ihnen, die Ursachen für einen frühzeitigen Ausfall zu identifizieren und gibt Empfehlungen für Korrektur- und Schutzmaßnahmen.

Zahnriemenausfälle sind die Folge von immer schlechteren Leistungen und oft teurem Riemenwechsel. Eine sorgfältige Analyse der verborgenen Probleme Ihrer Festplatte wird Ihnen letztendlich Zeit und Geld für die Wartung sparen.

Teil 1: Häufige Ursachen für Riemenausfälle

Die Ursache für den Verschleiß des Riemen zu erkennen, könnte eine Herausforderung sein. In diesem Abschnitt werden wir einige der beliebtesten Schuldigen ermitteln, demonstrieren und diagnostizieren, damit Sie bereit sind, das Problem zu beheben und ein präventives Protokoll für die Zukunft zu erstellen.​

 

Normaler Riemenverschleiß und -ausfall

Ein Fehler, der auftritt, wenn ein Riemen seine letzte Lebensdauer nach 2 oder 3 Jahren Bewegung erreicht hat, könnte als Standard angesehen werden. Als exemplarisch gilt das Versagen der Bandzugfestigkeit durch Schnurermüdung nach langer Nutzungszeit.

Timing belt fatigue breakAbbildung 1 zeigt einen zerklüfteten 45-Grad-Gurtbruch, der für Traktionsseile am Ende ihrer Lebensdauer charakteristisch ist.
Zahnriemenzähne könnten auch brechen, aber es wird angenommen, dass es sich um einen unvollkommenen Typ von gebrochenem Riemen handelt. Nach einer gewissen Laufzeit konnten Riemenzähne verwendet werden, die jedoch ihre ursprüngliche Größe und Form behalten sollten.

Timing belt fuzzy tooth appearance

Vorstehende Fasern aus der Jacke könnten den Riemenzähnen ein unscharfes Aussehen verleihen, wie in Abbildung 2 dargestellt. Bei Riemen, die über einen längeren Zeitraum verwendet werden, sind keine Abhilfemaßnahmen erforderlich. Die Lebensdauer des Riemens kann je nach Anwendung stark variieren, verursacht durch mehrere Faktoren, darunter die Umgebung, den Zustand des Scheiben, die übertragene Leistung, die Spannung der Riemenmontage, die Wellenausrichtung und sogar die Handhabung des Riemens vor und während der Montage.

Band-Knickenfehler

Ein Riemenbruch vom Typ "Knicken" sieht meist wie ein gerader Zugbruch aus, wie in Abbildung 3 dargestellt. Diese Art von Bruch kann auftreten, wenn Riemenzugstränge um einen sehr kleinen Durchmesser herum verlegt werden. Ein kurzer Drehwinkel bringt hohe Druckkräfte auf die Zugseile, so dass einzelne Fasern die Zugfestigkeit des Riemens reduzieren.
Beschädigungen bei der Bandcrimpung sind oft die Folge von Fehlbedienung des Riemens, unzureichender Spannung bei der Riemenmontage, minimalen Ritzeldurchmessern und/oder dem Eindringen von Fremdkörpern in den Riementrieb. Bandknickungen aufgrund von Fehlbedienung können nach unsachgemäßer Lagerung, schlechter Verpackung und Bandbehandlung vor und während der Installation auftreten.

Bei Verwendung von Riemen in einem unter Spannung stehenden Zustand können die Riemenzähne aus die Scheiben herausfahren, bis eine nominelle Riemenspannung erreicht ist. Das nennt man "selbstspannend".

Die Selbstspannung kann am Punkt der niedrigsten dynamischen Spannweite oder dort erfolgen, wo die Zähne in die getriebenen Scheibennuten eindringen. Wenn ein Riemen selbstspannend ist, gehen die Zähne aus den Scheibennuten heraus. Die Spannkraft drückt dann die Riemenzähne wieder nach unten in die Ritzelnuten. Der Moment, in dem die Riemenzähne wieder in die Scheibennuten eindringen, führt häufig zu einer scharfen, kurzzeitigen Biegestelle, die zu Ausfällen der Riemenzugschnur führen kann. Dieser Punkt der Traktionskabelvorgabe sieht aus wie eine Knickung. Wenn die feste Seitenspannung die Zähne nicht wieder in die Scheiben drückt, rastet der Riemen ein. Die Ratsche kann auch durch Traktionskabelcrimpung und Zahnausfall des Riemens verursacht werden.

Das Unterwerfen von Riemen mit unterminimalen Biegungsdurchmessern kann auch zu einem Ausfall der Traktionsschnur führen, oder zu Knickungen (Scheiben oder flache rückseitige Umlenkrollen in unterminimalen Größen), bei denen ein Riemen zu stark von Hand gebogen wird.
Fremdkörper, die zwischen dem Riemen und die Scheiben erkannt werden, können den Riemen vor Scheiben wegheben, wodurch ein spitzer Winkel entsteht und ein Punkt der Traktionskabelquetschung entsteht. Dasselbe kann mit Werkzeugen geschehen, mit denen Riemen auf Scheiben (Schraubendreher oder Schienen) gepresst werden. Riemen, die Fremdkörpern oder unsachgemäßem Gebrauch von Werkzeugen während der Montage ausgesetzt sind, konnten nicht sofort nach der Beschädigung ausfallen; die Gesamtlebensdauer des Riemens nimmt jedoch ab.

Stoßbelastung

Diese Stoßbelastungen sind die Reaktion bei hohen Riemenspannungen und können als Katalysator für Riemenschäden wirken. Während herkömmliche Keilriemenantriebe unter Spitzenmomentenbelastung unregelmäßigen Schlupf aufweisen können, sollten Synchronriemenantriebe die globale Größe der Spitzenlasten übertragen.

Timing belt shock load breakWichtige Stoßbelastungen können zu Zugbrüchen des Riemens mit einem zerklüfteten und seltsamen Aussehen führen, wie in Abbildung 4 dargestellt. Die im Moment der Stoßbelastung in die Scheiben eingreifenden Riemenzähne können ebenfalls Wurzelrisse entwickeln und/oder Zahnscheren aufweisen. Wenn die Stoßbelastung nur einmal auftritt oder an einem bestimmten Bereich um den Riemen herum periodisch und redundant war, können die verbleibenden Riemenzähne normal erscheinen.

Timing belt root crack

Abbildung 5 zeigt, wie sich Wurzelrisse durch Stoßbelastung durch die Zähne ausbreiten können.

Risse an den Zahnwurzeln können sich zu den Zahnspitzen hin verschieben. Zähne mit mehreren Rissen könnten dann scheren und nur einen Teil des Zahnes zurücklassen.
Die Stoßbelastungen können durch den Betrieb der angetriebenen Anlage verursacht werden oder durch gelegentliche Zustände wie z.B. Blockieren entstehen. Wenn die Stoßbelastungen des Antriebs nicht beseitigt werden können, muss möglicherweise die Riemenspannungsfestigkeit erhöht oder der Synchronriemenantrieb durch ein fehlerverzeihendes Keilriemenantriebssystem mit intermittierendem Schlupf ausgetauscht werden.

Teil 2: Unsachgemäße Riemenmontage Spannung

In diesem Teil konzentrieren wir uns auf die Auswirkungen unsachgemäßer Riemenspannung - von überhöhter Installationsspannung bis hin zu unzureichender Spannung -, um einen vorzeitigen Riemenausfall zu vermeiden.

Hohe Riemenspannung bei der Installation

Das Aufbringen einer zu hohen Installationsspannung auf einen Synchronriemen kann zu einer Zahnschere des Riemens oder manchmal zu einem Spannungsbruch führen. Viele riemen, die übermäßig gespannt sind, zeigen deutliche Anzeichen dafür, dass Scheiben die Landflächen des Riemen verschlissen haben.

Timing belt crushed land areasAbbildung 6 zeigt zerquetschte Landflächen und einen Riss, der sich an der Zahnwurzel gebildet hat. Ein Wurzelriss breitet sich entlang des Zugglieds bis zum nächsten Wurzelriss aus. Einzelne Riemenzähne lösen sich dann vom Riemenkörper und fallen häufig ab.

Timing belt land area wearAbbildung 7 zeigt einen Riemen, der bei großen Kettenrädern stark gespannt war. Übermäßiger Verschleiß der Riemenlandfläche kann durch hohe Riemenlanddrücke verursacht werden, was letztendlich zu einzelnen Zugstrümpfen führt. Um solche Verschleißprobleme des Riemens zu vermeiden, muss eine korrekte Spannung der Riemenmontage gefunden und genau eingestellt werden.

Nieder Riemen Installationsspannung

Ordnen Sie den Riemen, die auf mäßig bis hoch belasteten Antriebssystemen betrieben werden, eine niedrige Installationsspannung zu, da dies ebenfalls zu vorzeitigen Schäden führen kann. Eine zu geringe Spannung bei der Riemenmontage kann zu einer "Zahndrehung" führen. Wenn die Riemenzähne aus ihren jeweiligen Scheibennuten herausklettern (selbstspannend), werden die Antriebskräfte nicht an ihren Wurzeln aufgebracht. Wenn Sie Lasten antreiben, die weiter nach unten auf die Zahnflanken des Riemens drücken, werden die Riemenzähne gekrümmt (wie ein Sprungbrett) und "gedreht". Die Drehung der Zahnriemenzähne kann zu Gummirissen an der Basis der Riemenzähne entlang des Zuggliedes führen.

Tooth separation failureWährend sich Gummirisse ausbreiten, beginnen sich die Zähne des Riemens derzeit in Streifen vom Riemenkörper zu spalten, wie in Abbildung 8 dargestellt. Schäden durch wichtige Zahndrehung können Ausfällen ähneln, die durch eine geringe Gummihaftung an den Traktionsschnüren verursacht werden. Bei ordnungsgemäßer Verlegung der Kabel gibt es keine Gummiartikel, die sich ablösen könnten.

Wenn die Riemenzähne aus ihren Scheibennuten herauskommen und sich selbst spannen, kann es zu einer Ratsche oder einem Zahnsprung kommen, dann kann es zu einem Gummiriss und einer Trennung der Riemenzähne kommen. Der Ausfall der Riemenzugleine durch Ratschenauslösung kann zu unzeitgemäßen Zugfestigkeitsschäden führen. Diese Zugbrüche können sowohl Crimpbrüche (sauber und gerade) als auch Stoßlastbrüche (abgewinkelt und gezackt) aufweisen. Wenn die Ratsche des Riemens nicht erfolgt und sich die Riemen während der Selbstspannung weiter drehen, kommt es oft zu einem wichtigen Verschleiß der Riemenzähne.
Timing belt tooth wearDieser Zahnabrieb wird als "Hakenabrieb" bezeichnet und resultiert aus einer schlechten Verzahnung der Riemenzähne mit der Scheiben, wie in Abbildung 9 dargestellt. Beschädigungen des Hakenverschleißriemens resultieren aus einer geringen Riemeneinbauspannung oder aus empfindlichen Antriebsstrukturen. Wenn sich der Achsabstand unter Last des Antriebssystems verbiegt, nimmt die Spannung ab. Steigende Spannungen in der Riemenmontage führen oft zu unzeitgemäßen Riemenschäden durch Zahndrehung und Hakenverschleiß. Wenn die Verbesserung des Spannungsniveaus der Riemenmontage diese Art von Schäden nicht vermeidet, kann die Antriebsstruktur nicht starr genug sein, um die Durchbiegung zu verhindern. Zusätzliche strukturelle Unterstützung könnte notwendig sein, um die Leistung des Riemens zu verbessern. Wenn es nicht praktikabel ist, die Spannung der Riemenmontage zu erhöhen, ermöglicht die Verbesserung der Ritzeldurchmesser die Übertragung höherer Antriebslasten bei geringerer Riemenspannung.

Teil 3: Hardwareprobleme beim Riemenantrieb

In diesem Teil werden wir die negativen Auswirkungen von Problemen mit der Hardware des Riemenantriebs auf den Betrieb und die Lebensdauer Ihrer Riemen analysieren.

 

Fehlausrichtung der Scheiben

Riemen, die auf Antrieben mit schräger Wellenversatz laufen, oder kegelförmige Scheiben weisen im Allgemeinen ein unregelmäßiges Verschleißmuster an den Zahnflanken des Riemens auf und verursachen eine unregelmäßige Verdichtung in den Stegbereichen (zwischen den Riemenzähnen) durch unregelmäßige Belastung des Riemens. Gurtschäden entstehen oft durch Zahnwurzelrisse oder Rissbildungen, die auf der Seite der Riemen entstehen, die die meiste Spannung trägt und sich bis zur Riemenbreite ausdehnt, was schließlich zu einer Zahnteilung führt. Eine Kante des Riemens kann auch einen erheblichen Verschleiß aufweisen, der durch eine hohe Traktionskraft verursacht wird, und kann sogar aufrollen oder versuchen, den Scheiebenflansch zu erklimmen.

Timing belt extreme belt wearAbbildung 10 veranschaulicht den wichtigen Verschleiß der Bandkante durch eine gravierende Traktionskraft.

Riemen, die auf geflanschten Scheiben mit parallelem Versatz laufen (versetzte Scheiben ), können an beiden Kanten einen übermäßigen Verschleiß der Bandkante aufweisen, wenn der Riemen zwischen gegenüberliegenden Flanschen eingeklemmt wird. Riemenausfälle können dann durch Zahnfußrisse oder Risse an beiden Riemenkanten entstehen. Diese Risswunden können sich wahrscheinlich über die gesamte Breite der riemen erstrecken, was zu einer Zahnschere führt.

Riemen, die auf einer Zuordnung von geflanschten und nicht geflanschten Scheiben mit paralleler Fehlausrichtung arbeiten, können teilweise von den nicht geflanschten Scheiben weglaufen oder laufen. Der Teil des Riemens, der mit dem/den nicht angeflanschten Scheiben in Eingriff bleibt, trägt die gesamte Betriebslast und könnte nach einem solchen Lauf über einen bestimmten Zeitraum einen konzentrierten Verschleißbereich entwickeln.

Timing belt uneven belt wearAbbildung 11 veranschaulicht den konzentrierten Verschleiß über den größten Teil der Zahnflanke des Riemens mit einem relativ ungetragenen Abschnitt.
Auch unterhalb der abgenutzten Stelle hat sich ein Wurzelriss entwickelt. Dies kann letztendlich zu vorzeitigen Riemenschäden führen, die entweder durch Stress oder Zahnmüdigkeit verursacht werden.

Scheiben Außerhalb der Spezifikation

Unzuzeitige Riemenausfälle, die durch Scheiben verursacht werden, die außerhalb der Auslegungsbedingungen gebaut oder abgenutzt sind, sind schwer zu erkennen. Dies liegt zum Teil daran, dass Scheiben bei einem Riemenbruch fast nie genau überprüft werden. Unzureichende Riemenschäden sind fast ausschließlich auf die Schuld des Riemens zurückzuführen.

Timing belt tooth wear wom sprocketsRiemen, die auf Scheiben laufen, die nicht den Maßanforderungen entsprechen, weisen häufig einen hohen Verschleiß der Zahnseite auf, wobei die Mantelflanke ein unscharfes oder schuppiges Aussehen aufweist, wie in Abbildung 12 dargestellt.

Timing belt land desintegrationKurvenriemen (HTD und GT), die auf subminimalen Scheibendurchmessern laufen, versagen grundsätzlich durch Landauflösung, wie in Abbildung 13 dargestellt, und Zugbrüche. Keilriemen (XL, L, H) versagen hauptsächlich an Zahnwurzelrissen und Zahnscheren, Zugbrüche sind jedoch nicht selten.
Bei Riemen, die mit hoher Einbauspannung montiert wurden, kann ein höherer Verschleiß der Scheiben auftreten. Nach langer Zeit kann es vorkommen, dass laufende Riemen eine Zahnjacke oder ein abgenutztes Gesicht haben. Riemen in diesem Zustand zeigen, dass auch ein erheblicher Verschleiß der Scheiben hätte auftreten können. Bis zu diesem Punkt getragene Riemen ermöglichen es auch gelegentlich, dass die Zugglieder des Riemens mit den Kettenrädern in Kontakt kommen, was zu einem gerillten Verschleiß am äußeren Scheibenumfang führen kann.

Excessive sprocket wear

Ein Grat entlang der Spitze der Scheiben könnte erscheinen, wie in Abbildung 14 dargestellt. Seien Sie vorsichtig: Wichtige verschlissene Oberflächen auf den Ritzelflächen können sehr scharf werden. Es ist besser, einen Schraubendreher oder ein anderes Werkzeug zu verwenden, um den Grat zu spüren, um Fingerschnitte zu vermeiden. Wenn ein Grat auf der Stirnseite der Scheiben gefunden wird, sollten die Scheiben ausgetauscht werden.

Die am schnellsten und stärksten verschlissenen Scheiben sind meist in abrasiver Atmosphäre zu finden. Wichtige verschlissene Scheiben zeigen in der Regel eine Verringerung des Außenendurchmessers sowie des Nutverschleißes. Ein üblicher Riemenausfall an abgenutzten Scheiben zeigt einen polierten Landverschleiß und könnte dazu führen, dass die Zähne bis zu einer starken Maßverformung (Hakenverschleiß) abgenutzt werden.

Um die Lebensdauer der Scheiben in abrasiven Atmosphären zu verlängern, kann es mit einer Hartchromoberfläche beschichtet werden.

Ein weiteres Zeichen für einen starken Verschleiß der Scheiben ist, wenn die Lebensdauer des neuen Riemens im Vergleich zu früheren Riemen deutlich reduziert ist. In diesem Fall müssen die Scheiben gründlich auf starken Verschleiß überprüft werden.

 

Übermäßiger Scheibenauslauf

Riemen, die auf Kettenrädern mit Rundlauf laufen, sind einem zyklischen Anstieg und Abfall der Riemenspannung beim Drehen der Scheiben ausgesetzt. Zyklische Spitzenspannungen erzeugen Landflächen mit einem zerquetschten Erscheinungsbild. Zahnschere und zerquetschte Landflächen sind in Abbildung 15 sichtbar. Ein Zustand der zerquetschten Landfläche könnte ähnlich aussehen wie Bänder, die auf Scheiben mittlerer Größe unter starken Hochspannungen laufen.

Riemen unter wichtigen zyklischen Riemenspannungsschwankungen versagen in der Regel entweder durch Zahnschere oder Zugbruch.

Ein starker Rundlauf der Scheiben tritt in der Regel auf, wenn die Scheiben unsachgemäß auf Buchsen montiert werden oder wenn Scheiben mit minimaler Gleitbohrung unsachgemäß nachgebohrt und montiert werden.

Teil 4: Negative Auswirkungen von Umgebungsbedingungen

In diesem Teil konzentrieren wir uns auf die Umgebungsbedingungen - Fremdkörper, Hitzeschäden, abrasive Atmosphäre und chemische Zersetzung -, die Ihre Bänder negativ beeinflussen können.

 

Abrasive Atmosphäre

Bänder, die in abrasiven Atmosphären bei Anwendungen wie Gießereischüttlern, Takonitverarbeitungsanlagen und Phosphatabbaumaschinen laufen, weisen im Allgemeinen einen hohen Verschleiß des Bandes auf. Abgenutzte Stellen haben in der Regel ein poliertes Aussehen.

Timing belt wear fromp abrasionAbbildung 16 zeigt einen wichtigen abgenutzten Gates Poly Chain® GT®2 Riemen, der in einer stark abrasiven Umgebung funktioniert. Der Verschleiß die Scheiben ist in abrasiven Umgebungen grundsätzlich schnell, daher müssen die Scheiben zusammen mit den Riemen gewechselt werden. Um die Lebensdauer von Riemen und Scheiben zu erhöhen, kann ein abgedichtetes Schutzgitter montiert werden, das mit sauberer Luft beaufschlagt wird, um die Ableitung von Schleifpartikeln und Verunreinigungen zu unterstützen.

Hitzeschäden

Wenn Gummiriemen zur Verbesserung der Zeiträume bei hohen Temperaturen (über 185°F) laufen, härtet der Gummi aus, was zu Rückenrissen durch Biegen führt. Diese Risse bleiben normalerweise parallel zu den Riemenzähnen und treten im Wesentlichen über Landflächen (zwischen den Riemenzähnen) auf, wie in Abbildung 17 dargestellt. Timing belt cracking from high temperatureRiemen versagen grundsätzlich an der Zahnschere, was oft zu einem Bruch der Traktionsschnur führt.

Hochtemperatur-Gummigurtkonstruktionen sind verfügbar. Diese spezielle Riemenkonzeption hilft, die Bandarbeit zu verbessern. Um zu definieren, ob eine spezielle Hochtemperatur-Riemenkonzeption die Leistung des Riemens verbessert, wenden Sie sich an einen Vertreter von Gates.

Das in Riemen wie Poly Chain® GT® Carbon® Riemen verwendete Urethanmaterial ist thermoplastisch und hat einen Schmelzpunkt. Bei Umgebungstemperaturen von mehr als 185°F können sich die Zähne verformen und schmelzen. Darüber hinaus verliert die Traktionsschnur zur Urethanhaftung ihre Integrität.
Timing belt melting from high temperature

Abbildung 18 zeigt einen Poly Chain® GT®2 Riemen, der einer hohen Umgebungstemperatur ausgesetzt war.

 

 

Chemischer Abbau

Gummibänder, die entweder mit organischen Lösungsmitteldämpfen oder Ozon beaufschlagt werden, sind ähnlich wie Bänder, die hohen Umgebungstemperaturen ausgesetzt sind. Der Gummi verhärtet sich und die Bänder zeigen Rückenrisse. Das Rissmuster unterscheidet sich jedoch dadurch, dass die Verbundhärtung in der Regel auf einer Oberflächenebene stattfindet, so dass sich Risse sowohl in Quer- als auch in Längsrichtung bilden können. Es könnte ein "kariertes" Aussehen entstehen.

Fremdobjekte

Timing belt cord failure from debrisTiming belt crimp failure due to debrisDas Einbringen von Fremdkörpern zwischen Riemen und Scheiben beschädigt oft sowohl die Riemenzähne als auch die Zugschnüre. Traktionskabel brechen oft innen (siehe Abbildung 19) oder versagen Zahnriemen-Knickversagen aufgrund von Schmutz, der zum Kinicken führt, wie in Abbildung 20 dargestellt.

Sobald ein Teil der Traktionsseile gebrochen ist, wurde die verbleibende Zugfestigkeit des Riemens stark reduziert. Dies führt in der Regel zu einer deutlichen Reduzierung der Riemenlebensdauer. Wenn eine Beschädigung des Riemens durch Fremdkörper erkennbar ist, muss der Riemen gewechselt und die Scheiben auf Beschädigungen überprüft werden. Beschädigte Scheiben müssen ebenfalls ausgetauscht werden.