Riemschijven

Constructievormen en materialen

Foto: Niek Tijsse Klasen, bewerking: Marianne den Ouden

Kleine schijven: diameter 15-45 cm

Werden vrijwel altijd uit hout samengesteld. Hout is licht (in vergelijking met gietijzer) en je kon daarom de schijf massief uitvoeren, door uit geschaafde planken gezaagde schijven (onder druk) samen te lijmen tot de gewenste schijfbreedte was bereikt. De schijven werden uit sterkteoverwegingen steeds een stukje ten opzichte van elkaar gedraaid. Na het samenlijmen werden asgat en loopvlak (de buitendiameter) op maat en glad gedraaid.

Voor de wat lichter belaste kleine riemschijven volstond men ermee, de velg uit steeds verspringende segmenten op te bouwen. De segmenten overlapten elkaar en ook hier werd gestapeld tot de vereiste breedte verkregen was. In de zo gemaakte velg werden een losse naaf en spaken ingelijmd. Deze vertoonden veel overeenkomst met kruiwagen- en karrewielen.

Omdat hout licht is, blijft het traagheidsmoment van de dergelijke schijven beperkt. Dat is gunstig bij het aanlopen van het drijfassen-systeem. De wrijvingscoëfficiënt tussen hout en een leren riem is hoog, zodat de spankracht in de riem laag gehouden kan worden. Bovendien is het gewicht van de schijf laag, dus de asbelasting door spankracht en gewicht is klein.

Grotere schijven: diameter vanaf 45 cm

Voor grotere schijven is hout niet sterk genoeg en kom je automatisch bij gietijzer of staal uit.

Gemengde bouwwijze

Voor licht belaste, dus smalle schijven; voor schijven van zeer grote diameter (boven 2.5 meter) en voor de zogenaamde vrijloopschijven koos men vaak de samengestelde bouwwijze. Een gietijzeren naaf, met ingegoten stalen of smeedijzeren spaken, die aan een rondgewalste plaatstalen of -ijzeren velg werden vastgeklonken. Bij voorkeur werd, vanwege de zijdelingse stijfheid, de rij spaken dubbel uitgevoerd.

Een dergelijk samenbouwsel moet beslist gebalanceerd worden, omdat het vrijwel onvermijdelijk aanzienlijke slingering zal vertonen. Voor het balanceren gebruikte men halfbolvormige gietijzeren gewichten die aan de velg vastgebout werden.

Zowel houten als samengestelde ijzeren schijven werden overwegend gedeeld uitgevoerd. Hierbij zijn naaf en velg in 2 delen te scheiden. Dit maakt het mogelijk, een riemschijf aan te brengen of te vervangen zonder daarvoor een complete drijfas uit z'n lagers te hoeven lichten.

Hieronder zie je een 3D-model van een samengestelde riemschijf van 3 meter diameter. In het model kunnen alle relevante parameters separaat ingesteld worden. De code vind je hier: Riemschijf_Samengesteld.scad.

Details van naaf en velg

Gietijzer-constructie

Voor zwaarder belaste schijven boven 45 cm diameter kende men uitsluitend gietijzer als constructiemateriaal. Onderstaande tekening toont de typische bouwwijze.

Het uitgekristalliseerd "standaard" ontwerp voor een gietijzeren riemschijf, diameter ca 1 meter, ongedeeld

Het gieten van dit soort werk is niet eenvoudig. De krimp van ijzer bij het afkoelen gaf regelmatig aanleiding tot het knappen van een der spaken. Vooral wielen met 4 spaken waren hier gevoelig voor. Met toenemende krimp steeg de trekspanning in de spaken - en daar kan gietijzer, als bros materiaal, slecht tegen.

De oorspronkelijke oplossing die men vond voor dit probleem was om de spaken in het vlak van de schijf C-vormig te buigen. Hieronder een (zeer) oud gietmodel voor een vliegwiel (geen riemschijf) met dergelijke spaken. De naaf is opvallend licht gehouden. Dat hielp om de gietspanningen te verminderen.

Houten gietmodel voor een vliegwiel met C-spaken, vermoedelijk circa 1880

De C-spaken raakten rond 1880-1890 buiten gebruik, omdat toen door een betere beheersing van het gietproces en, vooral, gietijzer-homogeniteit dit euvel minder vaak voorkwam. Nu we het toch over de spaken hebben .... De theoretisch optimale riemschijf, daar waren de theoretici het over eens, had een oneven aantal spaken, 3, 5 of 7 afhankelijk van de diameter. Het is opvallend hoe weinig je dergelijke optimale riemschijven in de praktijk tegen komt. Integendeel, als "vuistregel" werd overal en altijd gehanteerd: 4 spaken voor schijven tot 0,5 m diameter; 6 voor schijven tot 2 m; en 8 voor schijven groter dan 2 m.

Normaliter kregen de gietijzeren riemschijven een enkele rij spaken. Moest er veel vermogen overgebracht worden, er dus een brede riem nodig was, dan werd de riemschijf beter uitgevoerd met een dubbele rij spaken.

Hieronder zie je 3D-modellen van een gietijzeren riemschijf, diameter 1,20 meter, met enkele spaken en een dito met dubbele spaken. In deze modellen kunnen alle relevante parameters separaat ingesteld worden. De code vind je hier: Riemschijf_Enkel.scad
en hier: Riemschijf_Dubbel.scad.

Gedeelde gietijzeren riemschijven

Zware gietijzeren riemschijf, diameter 1,7 meter, breedte 0,58 meter. Met dubbele spaken vanwege de grote breedte.

Deze tekening toont in de onderste helft van de doorsnede, bij de naaf de aantekeningen "Sprengleiste" en "Ansicht d. Sprengstelle". Wat betekenen die bijschriften? Gietijzeren riemschijven werden alleen op speciale wens gedeeld gemaakt. Het apart gieten van halve wielen en schijven was namelijk uiterst lastig. Er kon werkelijk van alles bij misgaan. Dus vermeed men gedeelde schijven, zo veel als mogelijk was.

Maar dat was niet altijd mogelijk, vooral bij later in een bestaande installatie in te voegen schijven was delen soms onvermijdelijk. In zo'n geval was de makkelijke - maar primitieve - methode om de te maken deelnaad tussen de spaken te leggen, zoals bij de hierbovrn getekende wiel. Dan hoefden alleen naden aangebracht te worden in naaf en velg.

De deling van naaf en velg verkreeg men door vóór het gieten speciaal gevormde kernplaten (de zogenaamde "Sprengleisten") in de vorm te leggen. Ter plaatse van de deling liep dan maar een klein deel van het materiaal door. In de door de kernplaat gevormde sleuf sloeg men later ijzeren wiggen tot de smalle overblijvende randen braken.

Het hielp daarbij, dat de spaken door de krimpspanning naar buiten werden getrokken. In de velg heerste drukspanning, die goed werd opgenomen door de zeer drukstijve gebogen vorm. Het was gebruikelijk dat de deelnaden na het openbreken van de Sprengstellen meerdere mm open stonden. Voor het bewerken op de draai- of carousselbank en bij de montage op de as klemde men de gebroken randen weer op elkaar met de bijbehorende trekbouten.

Op de grote stelplaats van Gebr. Stork in 1918 - dit gigantisch gietstuk staat niet voor niets op de foto. Het was een bijzondere gieterij-prestatie, met een zo dunne gegoten velg en gedeelde naaf, spaken en velg.

Een betere wijze van deling van een gietijzeren riemschijf is over de spaken, zoals hieronder getekend. Om de deling te bewerkstelligen gebruikt men ook hier kernplaten, nu zowel in naaf, velg als spaken.

Plaatsing van de "Sprengleisten" bij het gieten van een zeer zware riemschijf, diameter 1,8 meter, met gedeelde naaf, spaken en velg. Om het karwei nog wat riskanter te maken, draagt deze riemschijf ook nog een (vrij dunwandige) sleepring op de spaken. Deze schijf was bestemd voor een generator-installatie.

Dimensionering van gietijzeren riemschijven

Voor de gegoten ijzeren riemschijven bestonden allerlei ervaringsformules voor het dimensioneren. Men ging uit van de schijfdiameter D en de riembreedte B (alles in cm):

riemschijfbreedte  b	1,1 . B + 1
welving *	(0,08 - 0,10) . √ b
velgdikte	0,005 . D + 0,3
aantal spaken  i	0,45 √ D
spaakdoorsnede	ellips met lange as in het vlak van de schijf
bij de naaf	lange as = 2 . korte as = √ ( D . B . riemdikte / i )
spaakdoorsnede	lange as = 0,8 . lange as bij de naaf
bij de velg	korte as = 0,8 . korte as bij de naaf
asdiameter  d	0,1 . D + 2 N.B. meestal is een reguliere berekening van de as op grond van de belasting nodig
naafbuitendiameter	1,8 . d + 2
naaflengte	0,3 . b + d

* Om een riem netjes in het midden van de riemschijven te houden draait men het loopvlak van alleen de aangedreven schijf enigszins bolvormig. De "welving" is gedefinieerd als het verschil in straal tussen het midden en de buitenrand van de schijf. In bovenstaande tekeningen vind je de welving terug als "ballig".

Gietijzeren riemschijven met volle wanden

De gestage verbeteringen in de zandvormerij en in het gietproces maakten, zo rond 1930-1940, nieuwe vormen van riemschijven mogelijk. Deze hadden geen dikke zware spaken, maar vrij dunne volle wanden met grote (meest cirkelvormige) gaten. Vanwege de geringe wanddikte werden de wanden dubbel uitgevoerd.

Een 3D-model van een gietijzeren riemschijf, diameter 1,40 meter, met dubbele open volle wanden. In dit model kunnen alle relevante parameters separaat ingesteld worden. De code vind je hier: Riemschijf_Wand.scad