Riemaandrijving

Honderden meters flapperend leer

Koppel je twee evenwijdige assen met een riem, dan heb je een heel flexibele transmissie gemaakt. Niet alleen flexibel omdat een riem soepel is; OOK omdat je de overbrenging heel flexibel kunt inzetten. De te overbruggen afstand tussen de assen kun je vrij van redelijk klein tot heel groot kiezen. Dat is een bijzonder voordeel van een riemoverbrenging.

Principe en berekening van een riemtransmissie

Wanneer een as van diameter d  (cm) bij toerental n  (omw/min) een vermogen van P  (kW) moet overbrengen, kun je die as als volgt op sterkte berekenen:

hoeksnelheid  ω = 2 π . n / 60  (rad/s)
koppel M = 100 . P / ω  (kNcm)  
weerstandsmoment tegen wringing: W_w = ( π/16 ) . d ³  (cm³)
wringspanning  τ = M / W_w  (kN/cm²)
τ_{toelaatbaar voor staal} = 6  (kN/cm²)

Bij deze berekening laat ik de dwarskrachten op de as (door riemtrek en het gewicht van de riemschijven) en de daardoor veroorzaakte buiging buiten beschouwing.

Zou je een riem zo maar, direct, op de assen laten lopen, dan werkt het systeem totaal niet. De asdiameter is bepaald door de sterkteberekening en als je het volle koppel M  met een riem op die kleine diameter zou willen overbrengen, dan wordt de trekkracht in de riem veel te groot en breekt hij. Bovendien is de buiging van de riem op die kleine diameter veel te sterk, daar kan het leer niet goed tegen. Daarom zet je riemschijven met grotere diameters op de as en legt de riem over die riemschijven. Hoe groter de diameter van de riemschijf, hoe kleiner (bij gelijkblijvend koppel) de trekkracht in de riem.

Deze riemaandrijving is in OpenSCAD gemaakt. Je vindt de code hier: Riemaandrijving.scad.

Wanneer een leren riem, dik δ  (cm) en breed b  (cm) een koppel M  (kNcm) moet overbrengen op een riemschijf met diameter D  (cm), kan je de riem als volgt op sterkte berekenen:

trekkracht F = M / ( D / 2 )  (kN)
trekspanning in de riem σ = F / ( δ . b )  (kN/cm²)
σ_{toelaatbaar voor leder} = 0,6  (kN/cm²)

Bij deze berekening is de voorspanning in de riem niet meegenomen.

Praktische uitvoering

Rechttoe-rechtaan

Bij een riemoverbrenging kun je - binnen grenzen - de diameters van de riemschijven vrij kiezen. Dat is gunstig, want zodoende kun je de overbrengverhouding i = D1 / D2  naar wens kiezen.

Binnen grenzen? Jawel, een i  groter dan 4 à 5 kun je beter vermijden. De omspannen boog van de kleinste riemschijf wordt bij grote i  wel erg klein. Dat vergroot de kans op slippen van de riem.

Ik beschrijf op DEZE pagina uitgebreid allerlei uitvoeringsvormen van riemschijven en de bijbehorende 3D-modellen.

De riem in de video is eveneens in 3D in OpenSCAD gebouwd. Je vindt de code hier:
Riem.scad

Met een twist

Je ziet in bovenstaande video, dat de riemschijven in dezelfde richting draaien. Dat is ook zo bij een snaar, een tandriem en een ketting. Bij tandwielen zijn de draairichtingen juist tegengesteld. Het is mogelijk (maar niet werkelijk aan te bevelen) om ook bij een riemaandrijving de riemschijven tegen elkaar in te laten draaien.

Je doet dat, door de riem getwist op de riemschijven te plaatsen. Je legt de riem eerst om de ene schijf. Dan draai je er een slag van 180° in en legt het zo getwiste deel om de tweede schijf. Deze methode heeft als nadeel, dat in het midden de riemparten over elkaar schuiven en dat geeft veel slijtage en leerstof en -vezels waar je van moet niesen. Bij opgebouwde (uit stukken samengelijmde) riemen veroorzaakt de twist vaak openkrullende plaknaden.

Heb je gezien dat beide riemschijven dezelfde diameter hebben? Dat is niet voor niets. Alleen wanneer de diameters gelijk zijn, ligt het wrijf- en contactvlak OOK in het midden, even ver van elk van de assen. Alleen op die plaats staan de riemparten precies evenwijdig (elk is daar 90° gedraaid).

Bij ongelijke riemschijven kruisen de parten elkaa op een plaats waar dat NIET het geval is. Dat vergroot de wrijving en de slijtage en versnelt de aftakeling van de riem dramatisch. Je kunt de riem natuurlijk wel dwingen, met twee rollen, zodat op de contactplaats de parten plat over elkaar schuiven. Maar dan tordeer je het korte part meer (en het lange part minder) dan bij gelijke riemschijven het geval is. Dan slijt de riem NOG sneller.

Ondanks de geopperde bezwaren, geef ik toch ook het 3D model van de getwiste riemaandrijving (met i  = -1) dat ik in OpenSCAD heb gebouwd. Je vindt de code hier:
Riem_Getwist.scad
Als je de link aanklikt, opent zich OpenSCAD met de code in de Editor. Dit is opnieuw een parametrisch model.

Problemen

De overbrenging met vlakke riem is niet geheel vrij van praktische problemen.

Het eerste probleem is slip. De gladde leren riem kan, als hij te zwaar belast wordt, op de gladde riemschijf gaan slippen (achterblijven). Dan gaat er vermogen verloren. Dat wordt omgezet in warmte - de riem wordt ook warm. Je zou denken, dat het (dus) beter zou zijn om de riem en de riemschijf juist ruwe oppervlakken te geven. Maar dat is niet waar. Een riem slipt namelijk altijd (een klein beetje). Met ruwe oppervlakken zou die onvermijdelijke (minieme) slip juist meer warmte genereren.

Een tweede probleem geven sterke wisselingen in de belasting. Bij te hoge trekspanning scheurt of breekt de riem en staat de aangedreven machine stil. Bij plotselinge, stootvormige zware belasting (in één klap inschakelen van een grote machine) kan de riem spontaan van de riemschijven afspringen en als een gevaaarlijk projectiel door de ruimte vliegen. Geen prettig gevoel als je er door geraakt wordt. Er zijn genoeg slachtoffers aan de toegebrachte wonden overleden.

Een derde probleem is het (deels) scheef lopen van de riem. Als de riemschijven niet goed (genoeg) uitgericht zijn, wil de riem er niet netjes op blijven lopen. In erge gevallen beweegt hij zich langzaam of sneller opzij en floep, schiet van de riemschijven af. In minder erge gevallen loopt hij naar buiten tot hij ongeveer de halve riembreedte buiten de schijven uitsteekt. En daar blijft hij dan draaien. Dat is niet de bedoeling, omdat je zo natuurlijk geen vermogen kunt overbrengen.

Een vierde probleem is de vocht- en weder-gevoeligheid van leder. In natte omgeving gaat leer na verloop van tijd zwellen en schimmelen. In droge omgeving verliest het met zijn vocht zijn soepelheid en begint het te barsten bij het buigen op de riemschijven. Dit probleem kun je grotendeels voorkomen door de riem goed ingevet te houden. Erg goed werkt runderreuzel (geen varkens-, die is te zuur). Je smeert de reuzel aan binnen- en buitenzijde van de riem en wrijft de laag bij draaiende riem (ZEER) voorzichtig uit. Ga daarbij niet op de hartlijn van de aandrijving staan, want het vet spat je helemaal onder.

Riemspanners

Soms is een kleine omspannen boog niet (makkelijk) te vermijden. Dat kan samenhangen met de maximaal inpasbare bouwlengte van een installatie; of met de toerentallen van drijvende en gedreven machines. Wanneer je in zo'n geval het slappe part van de riem (dus NIET het trekkende part) op de rug aanduwt, zodat de omspannen bogen groter worden, is het slipgevaar verminderd.

Het lijkt een eenvoudige oplossing van je probleem, maar er zijn enkele haken en ogen. Het eerste is de buigrichting van de riem. Normaal buigt deze alleen op de riemschijven, en steeds maar in één richting. Zet je nu een aandrukrol op de rug van de riem, dan wordt deze elke omwenteling weer, in twee richtingen gebogen. Leder is daar niet goed tegen bestand omdat de vezels in de 3D-lederstructuur loswerken.

Een volgende moeilijkheid ontstaat bij flinke belastingswisselingen. Als de rol wordt aangedrukt door veren of gewichten, zie je hem op en neer dansen met belastingsvariaties. Plotselinge (zeer) ernstige stoten in de riembelasting zijn ronduit gevaarlijk. Staat de aandrukrol vast (niet verend) dan is het spannen een hoogst onzekere zaak.

Een model van een veerbelaste riemspanner

Vlakke riem