Steuer- und Nebenaggregate: Riemen hat Reibungsvorteil von 30 Prozent im Vergleich zur Kette

Jedes Gramm zählt

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Konstrukteure müssen die CO2-Vorgaben der EU-Kommission einhalten, dürfen dabei den Fahrkomfort jedoch nicht außer Acht lassen. Mit Antriebsriemen im Steuer- und Nebenaggregatetrieb gelingt beides: An einem 1,6-l-Reihenvierzylinder-Ottomotor konnte nachgewiesen werden, dass der Reibungsvorteil von einem Riementrieb gegenüber dem Kettentrieb bei 30 % liegt.

Der Autor Hermann Schulte ist Leiter Forschung & Entwicklung bei der Contitech Power Transmission Group, Hannover

Es gibt viele Stellschrauben, um die klimaschädlichen Emissionen von Verbrennungsmotoren zu reduzieren. Dazu gehören auch zwei Antriebsriemen von Contitech. Der Zahnriemen „Contigreen Runner“ ersetzt Steuerketten im Motor, verringert den Kraftstoffverbrauch und spart Kohlendioxid ein. Diese Vorteile von Riemen- gegenüber Kettentrieben bestätigt auch eine Studie des Motorenentwicklungsdienstleisters FEV GmbH.
Im Nebenaggregatetrieb verringert der biegeflexible Keilrippenriemen „Conti Unipower ECO2-Flex“ die Verlustleistung. Der Zahnriemen wird für die Synchronisation von Nockenwelle und Kurbelwelle eingesetzt. Gegenüber dem Kettentrieb weist er 30 % weniger Reibungsverluste auf. Das vermindert den Kraftstoffverbrauch um bis zu 0,2 l auf 100 km und reduziert somit den CO2-Ausstoß um 2 g/km.
Nicht Stahl, sondern Gummi trifft auf Metall
Ein weiterer Vorzug des Riemens ist die gegenüber Kettenantrieben verminderte Geräuschentwicklung. Statt Stahl trifft Gummi auf Metall. Dadurch entstehen weniger Geräusche. Zudem ermöglicht der Zahnriemen durch den Einsatz von Ovalrad-Kurbelwellenrädern kleinere, gegenüber herkömmlichen Zahnriementrieben um 30 % reduzierte Baubreiten. Der ursprüngliche Vorteil der Kette, die schmalere Baubreite, wird dadurch aufgehoben. Darüber hinaus wird – für einfache Antriebe – die bisher für Kettentriebe benötigte Spannschiene überflüssig.
Der Zahnriemen hat bereits in diversen Fahrzeugtests jeweils mehr als 24 000 km zurückgelegt und damit seine Tauglichkeit für eine ausreichende Motorlebensdauer bewiesen. Damit weisen Ketten im Gesamtbild keine Vorteile mehr gegenüber Riemen auf. Im Gegenteil, es spricht deutlich mehr für den Einsatz von Riemen. Eine Spezialausführung des Riemens mit einer ölresistenten Imprägnierung kann auch in Ölumgebung eingesetzt werden. Sie ist eine gute Alternative für die Substitution bestehender Kettentriebe.
Entwicklungsdienstleister belegt Riemen-Vorteile
Zur objektiven Quantifizierung der geringeren Reibverluste des Zahnriementriebes haben die Riementriebssystemlieferanten Dayco, Contitech und Gates die FEV GmbH in Aachen beauftragt, eine unabhängige Studie durchzuführen. Ziel der Studie war, die Reibungsunterschiede zwischen einem Ketten- und Riementrieb sowie akustikrelevante Anregungen anhand von Prüfstandsuntersuchungen mit einem modernen europäischen Verbrennungsmotor zu verifizieren und den damit verbundenen Verbrauchsvorteil sowie den Einfluss auf Motorakustik abzuschätzen. Die FEV hat an einem 1,6-l-Reihenvierzylinder-Ottomotor nachgewiesen, dass der Riementrieb die Motorreibung gegenüber dem Kettentrieb um 0,04 bar reduziert. Dies entspricht einem Reibungsvorteil von 30 %. Aus den Reibungsmessungen wurden die Kraftstoffverbrauchsunterschiede für verschiedene Lastpunkte und für den NEFZ (Neuer Europäischer Fahrzyklus) hochgerechnet: Im stationären Motorbetrieb wird bei maximaler Belastung durch die Reibungsminderung bei riemengetriebenen Steuertrieben 1 % Treibstoff eingespart. Für Fahrten im Bereich von 30 bis 50 km/h, wie sie im städtischen Bereich vorkommen, liegt der Verbrauchsvorteil bei über 1 %.
Generell erhöht sich die Treibstoffersparnis mit sinkendem Fahrzeuggewicht. Der verminderte Kraftstoffverbrauch reduziert laut den Ergebnissen der FEV den CO2-Ausstoß eines Fahrzeugs der mittleren Gewichtsklasse von 1150 kg um bis zu 1,5 g/km. Bei einem Gewicht von 1650 kg sinkt die CO2-Emission um 1,3 g/km.
Sparpotenzial im Nebenaggregatetrieb
Nicht nur im Steuertrieb können Antriebsriemen zu einer besseren Klimabilanz beitragen. Der Antrieb der Nebenaggregate, wie Lichtmaschine, Wasserpumpe oder Klimakompressor, hat an den mechanischen Verlusten im Motor derzeit noch einen Anteil von rund 13 % – beispielsweise durch Reibungsverluste. Der Keilrippenriemen ist – neben dem Spannsystem und den Entkoppelungselementen – ein Ansatzpunkt, um die Verluste im Nebenaggregatetrieb zu verringern. Er hat besonders durch die vielen Biegewechsel im Riementrieb Verlustleistungen. Diese können durch Veränderungen der Parameter, zum Beispiel der Riemengeometrie, reduziert werden.
Contitech hat – um die Verlustleistung zu senken – auf Basis seines Standardkeilrippenriemens „Conti Unipower 4“ einen Riemen mit erhöhter Biegeflexibilität entwickelt. Denn je flexibler der Riemen ist, umso weniger Verluste hat er bei seinen vielen Biegewechseln im Nebenaggregatetrieb. Für den Conti Unipower ECO2-Flex wurde ein faserfreies EPDM-Compound eingesetzt. Diese Materialmischung kombinieren die Entwickler mit einer verringerten Profilhöhe des Riemens, einem so genannten Flex-Profil. Dadurch reduzieren sich die Biegesteifigkeit und die damit verbundenen Biegeverluste des Riemens.
Das Ergebnis: 10 % weniger Verlustleistung als der bislang eingesetzte Standardriemen von Contitech. Dies ergaben die Untersuchungen des Riemens auf dem hauseigenen Prüfstand. Gegenüber Wettbewerbsriemen kann der Vorteil sogar größer sein, weil bereits Contitech-Standardriemen aufgrund ihrer faserfreien Profil-Mischung geringe Biegeverluste aufweisen. Der Riemen leistet so einen Beitrag zur Verbrauchsoptimierung und damit auch zur Reduzierung der CO2-Emissionen von Verbrennungsmotoren. Ein weiterer positiver Effekt durch diese Modifikation ist eine verlängerte Riemenlebensdauer. Das trägt zur Ressourcenschonung bei. Zurzeit wird der Riemen von verschiedenen Kunden erprobt. Der erste serienmäßige Einsatz ist ab 2012 geplant.
Contitech;
Telefon: 0511 938-1304;
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