Festigkeitseigenschaften einiger Treibriemenmaterialien. Von Professor P. Stephan in Altona. STEPHAN: Festigkeitseigenschaften einiger Treibriemenmaterialien. 1. Allgemeines. In den Heften 19 ff. des Jahrganges 1913 hatte Verfasser eine Anzahl Angaben über die Festigkeitseigenschaften des Treibriemenleders gemacht. An die damals mitgeteilten Versuche schlössen sich weitere über Treibriemenleder und die gebräuchlichen anderen Riemenmaterialien an, die zu einigen allgemein gültigen Gesetzen führten. Da immer noch angegeben wird, daß Treibriemenleder eine Zerreißfestigkeit von 500 und bisweilen 800 kg/qcm besitzt, und für die anderen Materialien ähnliche Zahlen genannt werden, während man bei der landläufigen Berechnung die Beanspruchung kaum auf den 20. Teil dieser Werte ansetzt, wenn der Riemen auch nur verhältnismäßig kurze Zeit halten soll, so besteht hier offensichtlich ein Wiederspruch, zu dessen Aufklärung die folgenden Darlegungen beitragen sollen. Ehe Ergebnisse mitgeteilt werden können, seien hier einige für alle Festigkeitsuntersuchungen maßgebende Punkte kurz wiederholt: Es ist seit langem bekannt, daß besonders bei sehr nachgiebigen Materialien, aber auch bei harten Eisen- und Stahlsorten ein richtiger Wert der Zerreißfestigkeit nur festgestellt werden kann, wenn eine hinreichend lange Zeit für den Versuch aufgewendet wird, die von der Art des zu untersuchenden Materials abhängig ist. Werden mehrere gleichartige Versuche mit demselben Material angestellt, so macht sich der Fehler besonders dadurch kenntlich, daß die kurz vor dem Zerreißen des Probestückes bestimmte Dehnung verschiedene, meist garnicht in Einklang zu bringende Werte zeigt, die jedoch immer unterhalb des bei langsamem Zerreißen gemessenen Betrages liegen. Z.B. liefern die in der industriellen Praxis meist recht schnell ausgeführten Untersuchungen von Kesselblechproben fast immer etwas höhere Werte der Festigkeit und geringere der Dehnung, als von amtlichen Prüfstellen bei langsamem. Arbeiten an demselben Material gefunden werden. Der Unterschied steigert sich bei nachgiebigen Materialien wie den hier in Frage kommenden sehr bedeutend. Verfasser führte deshalb seine Zugversuche in zum Teil recht langen Zeiträumen durch, und zwar derart, daß auf der Zerreißmaschine eine bestimmte Verlängerung eingestellt und nun die Veränderung der dazugehörigen Zugkraft beobachtet wurde. Textabbildung Bd. 331, S. 17 Abb. 1.Spannungsabfall von Leder bei unveränderter Dehnung Es ergab sich, daß die zur Erhaltung der eingestellten Verlängerung nötige Kraft mit der Zeit immer kleiner wird, und zwar wurde diese Abnahme regelmäßig und für Zeiten bis zu einer Woche festgestellt, wenn sie auch zu Anfang am größten ist. Ein Beispiel einer solchen an Leder gemachten Aufnahme gibt die nachstehende Tabelle wieder, deren Werte in Abb. 1 zeichnerisch dargestellt sind. Aehnliche Abhängigkeiten von der Zeit finden sich auch bei anderen physikalischen Vorgängen, z.B. hat Zschimmer eine fast gleiche Kurve für die Abhängigkeit des Schmelzpunktes von Glas von der Erhitzungszeit gefunden („Die Naturwissenschaften“ 1914 S. 962). Zeit: 0 1/4 ½ ¾ 1 2 3 4 72 114 169 Min. Kraft: 452 344 338 332 330 319 314 311 282 273 267 kg Für derartige Abklingungen gilt durchweg das Gesetz Pt = P0 · e–c•t; wenn bezeichnet: P0 die Kraft zur Zeit 0, Pt die Kraft zur Zeit t, e die Basis der natürlichen Logarithmen, c einen dem betreffenden Vorgang und Materialzustand eigentümlichen Festwert. Da zur Einstellung der Verlängerung schon eine gewisse Zeit gebraucht wird, während der die Spannkraft bereits wieder heruntergeht, so ist die Bestimmung des Anfangswertes P0 mit Sicherheit kaum möglich. Verfasser näherte deshalb die Exponentialkurve überall durch eine Hyperbel an, die von dem tatsächlich gemessenen Verlauf nur in den ersten Minuten etwas abweicht. Es liegt nun kein Grund zu der Annahme vor, daß der stets beobachtete Spannungsabfall nach einer bestimmten Zeit plötzlich aufhört, und man kann infolgedessen das angegebene Gesetz auch für längere Zeiten, als bisher untersucht worden sind, als gültig ansehen. Selbst wenn eine geringe Abweichung im späteren Verlauf vorhanden sein sollte, so ist es für die Praxis gleichgültig, ob ein bestimmter endlicher Spannungsabfall in etwa neun oder zehn Jahren eintritt, so daß die im Folgenden wiedergegebenen Zahlenwerte für die gemeinhin als ausreichend angesehene Lebensdauer der betreffenden Riemenmaterialien maßgebend sind. Die beschriebene Erscheinung der Spannungsabnahme bei gleichbleibender Dehnung beruht darauf, daß alle organischen Fasern eine sehr deutlich hervortretende Ermüdung zeigen. Die gezogene Faser setzt der Dehnung eine im ersten Augenblick recht hohe elastische Kraft entgegen, die die Dehnung sofort rückgängig zu machen sucht. Ist das nicht möglich, so setzt sich die zuerst ganz oder nahezu rein elastische Dehnung mit der Zeit immer mehr in eine bleibende um. Zur Aufrechterhaltung einer bleibenden Dehnung ist aber keine Kraft mehr erforderlich, und so sinkt die von der Prüfmaschine angezeigte Kraft stetig und dauernd. Damit steht in Uebereinstimmung die Erfahrung, daß bei völliger Entlastung die Verkürzung ebenfalls tage- und wochenlang andauert, denn die vorher elastisch gespannt gewesenen Fasern müssen jetzt die bleibend gedehnten zusammendrücken. Es folgt daraus, daß ein nach einer gewissen Anspannung entlastetes Riemenstück keineswegs spannungslos ist; vielmehr werden einzelne Fasern zusammengedrückt, während andere noch Zugspannungen erfahren. Hiermit stimmt wieder die Beobachtung überein (vgl. unten), daß die Probestücke bei Beginn der Wiederanspannung schon unter einer ganz geringen Belastung stark nachgeben. Zu beachten ist, daß zwischen dem Zerreißversuch und der Betriebsbeanspruchung ein grundsätzlicher Unterschied besteht. Beim Zerreißversuch wird eine bestimmte Dehnung eingestellt, der sich die Spannung nach dem obigen Gesetz anschließt, während im Betriebe eine bestimmte, allerdings langsam abnehmende Kraftwirkung vorliegt und die Dehnung immer wieder neu eingestellt – vergrößert – wird, damit die Spannung im Mittel ungefähr dieselbe bleibt. Das Endergebnis ist aber in beiden Fällen das gleiche. Bemerkt sei noch, daß von Stribeck an erwärmten Metallen Zugversuche angestellt worden sind, die diesen Betriebsvorgang möglichst nachahmen, deren Ausführung aber erheblich mühseliger war als die der auch schon recht unbequemen des Verfassers. Der sachliche Unterschied ist nur der, daß die Stribeckschen Abbildungen des Dehnungsverlaufs wagerechte Dehnungszunahmen zeigen, wo die des Verfassers senkrechte Spannungsabnahmen enthalten. 2. Leder. Je nach der Art der Gerbung ist auch das Verhalten des Leders verschieden. Man unterscheidet deshalb für die hier in Betracht kommenden Zwecke hauptsächlich die folgenden Arten. Rein Eichenlohe-grubengegerbtes Leder: Als Gerbmaterial wird nur Eichenlohe bzw. Eichenlohebrühe verwendet. Die gereinigten Blößen werden in einer Reihe von Farbgängen, in die sie hineingehängt werden, vorgegerbt und dann in Gruben mit Eichenlohe versetzt. Mit reiner Eichenlohe in Grubenversatz wird heute nur noch selten gegerbt, da die billigeren Ersatzstoffe bei richtiger Wahl ein für viele Zwecke fast genau gleichwertiges Material liefern; allerdings trifft dies gerade für Treibriemenleder nicht zu, wie aus Tab. 2 zu ersehen ist. Das gewöhnliche grubengegerbte Leder wird ebenfalls zuerst in Farbengängen vorgegerbt und dann in Gruben versetzt, aber die Brühen und meist auch die Streumittel sind nur teilweise, bisweilen auch garnicht mehr aus Eichenlohe gewonnen. Leder moderner Gerbung wird ganz oder hauptsächlich in mehr oder weniger starken Brühen fertig gegerbt. Es ist nach Durchlaufen eines Farbganges in umlaufenden Walkfässern mit der Gerbbrühe durchtränkt worden, worauf oft noch eine kurze Versetzung in eine Grube folgt. Hydrodynamisch gegerbtes Leder wird sowohl im Farbgang wie auch bei der Fertiggerbung mit reinen Eichenlohebrühen von sehr geringer Konzentration behandelt. Nach dem Farbgange werden je zwei Krupons in rechteckige Holzrahmen fest eingespannt und mit diesen Rahmen in die Gerbbrühe gehängt. Aus dem abgeschlossenen Innern der Rahmen wird die Luft ständig abgesaugt, so daß die Gerbstoffbrühe durch die Poren der Haut gepreßt wird und so alle Fasern mit Gerbstoff tränkt. Chromgegerbtes Leder wird nach dem Zweibadverfahren zuerst mit einer wässerigen, etwas angesäuerten Lösung von doppelchromsaurem Kali in einem umlaufenden Walkfaß getränkt und darauf in einem zweiten Walkfaß mit einer wässerigen Antichlorlösung behandelt, so daß sich eine Chromoxydverbindung bildet, die dem Leder die bekannte blaugrüne Farbe gibt. Nach der Gerbung und Reinigung von dem überflüssigen Gerbstoff wird das Leder gefettet, da es nur in diesem Zustande gute elastische Eigenschaften besitzt. Wie die unten folgenden Angaben zeigen, ist das nicht weiter vorgestreckte Leder besonders bei den niedrigeren Belastungsstufen recht nachgiebig und besitzt eine nicht unbedeutende bleibende Dehnung. Derartige ungestreckte Riemenkrupons werden im Handel als „Kernleder“ bezeichnet. Sind die Krupons vor der Verarbeitung zu Riemen in nassem Zustande vorgestreckt und unter Spannung wieder getrocknet worden, so hat das Material die Handelsbezeichnung „Prima“. Wenn nicht der Krupon im Ganzen, sondern die einzelnen Bahnen nach der Zerlegung des Krupons naß gestreckt und unter Spannung getrocknet worden sind, hat das Riemenleder die Handelsbezeichnung „Extra“. Man erkennt, daß diese Vorbehandlung und Qualitätsunterscheidung nur die Dehnung des Leders betrifft, während die Festigkeit unverändert bleibt, allerdings mit einem geringen Unterschied: Da nämlich der Querschnitt des Leders bei der Naßstreckung um 5 bis 7 v. H. kleiner geworden ist, so kann ein Prima- oder Extra-Riemen um rund 5 v. H. höher beansprucht werden, als die unten folgenden Zahlenwerte angeben. Ein typisches Abbild der Ergebnisse eines ausgegeführten Zugversuches von langer Dauer enthält die Abb. 2. Die bei der angegebenen Dehnung erhaltenen Augenblickswerte der Spannung, die naturgemäß etwas von der Geschwindigkeit der Einstellung abhängig sind, verbindet die oberste Linie, die nach zwei Minuten abgelesenen Werte liegen auf der zweiten, die für die Versuchsdauer von sechs Stunden interpolierten Werte auf der dritten Linie. Der Anfang der Belastungskurven ist als bedeutungslos nicht mit aufgenommen worden (siehe unten). Auffällig ist, daß während die Augenblickswerte eine gleichmäßig durchlaufende, erst am Ende etwas umbiegende gerade Linie bilden, die Zeitwerte am oberen Teil einen scharfen Knick zeigen, der in Uebereinstimmung mit der bei Metallen üblichen Bezeichnung „Streckgrenze“ genannt wird. Bei Ueberschreitung der Streckgrenze fangen einzelne überanstrengte Lederfasern an zu reißen, was sich durch ein knisterndes Geräusch kenntlich macht, das mit steigender Spannung immer mehr zunimmt. Der z.B. in Abb. 1 dargestellte Spannungsabfall bei einer bestimmten Dehnung läßt sich mit großer Annäherung durch eine Hyperbel darstellen, deren Ordinaten in einer arithmetischen Reihe abnehmen, während die Abszissen in einer geometrischen Reihe mit dem Exponenten 2 steigen. Anscheinend ist die Schnelligkeit, mit der die betreffende Dehnung eingestellt wird, von Einfluß darauf, ob dieses Hyperbelgesetz bereits nach zwei oder erst nach vier Minuten Zeitverlauf gilt. Der erste Teil der Kurve von 0 bis 2 bzw. 4 Minuten wird von der Hyperbel nicht mehr genau genug wiedergegeben (vgl. oben). Wird das Hyperbelgesetz auch für längere Zeitabschnitte als gültig angesehen, und es liegt kein Grund vor, eine plötzliche Aenderung im Verhalten der fraglichen Stoffe anzunehmen, so erhält man, daß derselbe Spannungsabfall in den Zeiten 2 Minuten, 6 Stunden, 28 Tage, 10 Jahre stattfindet. Ueber 10 Jahre hinaus verläuft die Kurve praktisch fast parallel zur Zeitachse. Textabbildung Bd. 331, S. 19 Abb. 2.Leder, Eichenlohe-Grubengerbung Wird also der Spannungsabfall zwischen der zwei Minuten- und der sechs Stunden-Linie von dieser aus verdoppelt nach unten abgetragen, so erhält man den untersten Linienzug der Abb. 2, der die Spannungen miteinander verbindet, die nach Verlauf von zehn Jahren die entsprechenden Dehnungen hervorbringen würden. Die Streckgrenze für die zehnjährige Beanspruchung ist für normale Treibriemen die maßgebende Beanspruchungszahl, die nur durch gelegentliche stoßweise Belastungen überschritten werden darf. Denn bei dauernd gleichmäßiger oder gleichmäßig zwischen zwei Grenzwerten schwankender Belastung dehnt sich das Leder immer mehr, wie ja die landläufige Erfahrung lehrt, bis es schließlich die der Streckgrenze entsprechende Dehnung erreicht hat, bei der einzelne der regellos miteinander verfilzten Fasern zu reißen anfangen, womit eine stetige und ziemlich schnelle Zerstörung des Riemens einsetzt. Die wichtigsten Zahlenergebnisse der Versuche des Verfassers sind in der nachstehenden Tab. 1 vereinigt. Die Zusammenstellung ergibt, daß sich die Streifen in der Nähe der sogenannten Hüftlinie, 25 bis 30 cm vom Wirbel entfernt, am ungünstigsten verhalten, sie besitzen die niedrigste Streckgrenze und Zerreißfestigkeit und zeigen im allgemeinen die größte Dehnung. Die Flanken- und Rückenstreifen sind ungefähr gleichwertig. Bemerkt sei, daß die Zahlen für die Dehnung die gesamte, bleibende und elastische Dehnung kurz vor Eintritt des Bruches angeben. Textabbildung Bd. 331, S. 20 Abb. 3. Reine Eichenlohegerbung, 10 cm vom Wirbe.Abb. 4. Gewöhnliche Lohgerbung. 30 cm vom Wirbel.Abb. 5. Gewöhnliche Lohgerbung. Flanke des Kroupons. a = Stärke b = Zerreißfestigkeit (2 Min.) c = Bruchdehnung, stark gefettet d = Bruchdehnung, wenig gefettet e = Streckgrenze (10 J.) Den Verlauf der Festigkeit nach zwei Minuten, der Streckgrenze nach zehn Jahren und der Dehnung, sowie der Stärke des untersuchten Streifens stellen z.B. die Abb. 3, 4 und 5 dar, in denen die Ergebnisse zweier Proben gleicher Gerbung von zum Teil verschiedener Herkunft übereinander gezeichnet sind. Auch weitere Einzelversuche mit anderen gleichwertigen Proben fügen sich den wiedergegebenen Kurven sehr gut ein. Einige erhebliche Abweichungen der Festigkeit nach unten sind durch tiefgehende Adern hervorgerufen, die in einem schmalen Probestück von 4 cm Breite einen viel größeren Einfluß haben als in einem Riemen normaler Breite. Auffällig ist, daß die Festigkeit des Schwanzendes durchweg wesentlich geringer ist als die des Halsendes. Der fast plötzliche Festigkeitsabfall liegt bei den Flankenstreifen vier Zehntel der ganzen Kruponlänge von i. M. 1,5 m vom Schwanzende entfernt, bei den anderen Streifen beträgt derselbe Abstand 4,4 bis 4,5 Zehntel der Länge. Ebenso ist die Dehnung am Schwanzende geringer als am Halsende. Daß die Dehnung an den äußersten Enden um ein Viertel bis ein Drittel des mittleren Wertes ansteigt, ist kein Nachteil, denn da die Enden miteinander verleimt werden und die Leimung die Dehnung auf ungefähr drei Viertel des ursprünglichen Wertes herabsetzt, so ergibt sich daraus für einen fertigen Riemen annähernd gleiche Dehnung in allen Teilen. Betont werden muß, daß Leder von anderer Stärke fast genau die gleichen Festigkeits- und Streckgrenzenzahlen ergibt, daß also stärkeres Leder derselben Gerbung auch entsprechend größere Kräfte aufzunehmen vermag. Anders liegt es beim Vergleich verschiedener Gerbungsarten. Rechnet man als mittlere, häufigst vorkommende Stärke von Leder reiner Eichenlohegerbung 5 mm, ebenso 5 mm für das gewöhnliche lohgare Leder und das moderner Gerbung, für das hydrodynamisch gegerbte 3 mm, in der Rückenlinie 2,7 mm und für Chromleder 4 mm, so steht die zulässige Beanspruchung bei den genannten Stärken in dem Verhältnis der Tab. 2. Da das Leder an dem Schwanzteil, der am wenigsten fest ist, die größte Stärke besitzt, so enthalten die Zahlen der Tab. 1 noch eine gewisse Reserve von 5 bis 10 v. H., je nach der Art der Gerbung und dem Stärkenverhältnis der Haut. Tabelle 1. Art der Gerbung Abstandvon derRückenliniecm GeringsteZerreißfestig-keit nach2 Min. Be-anspruchungat Streckgrenze nach 6 Std.Beanspruchung NiedrigsteStreckgrenzenach 10 Jahr.Beanspruchg.at Stärke an derStelle d. nie-drigsten Be-anspruchungmm Mittlere Bruchdehnungdes ganzen Streifens Höchstwertat Geringstwertat kalt ge-schmiertv. H. heißgefettetv. H. Reine Eichenlohe-Grubengerbung 103055 285250280 320320330 220185220 125115155 3,94,83,7 21   22,5   16,5 262622 Gewöhnliche „lohgare“Grubengerbung 103055 250190250 225205260 160115155 857090 4,94,34,8 ––– 171819 Moderne Gerbung 60 270 195 185 85 4,0 – – HydrodynamischeGerbung   82255 415400400 420420640 340280315 245210245 2,0  3,15  3,65 131615 ––– Chromgerbung   73555 195290380 270325435 180165235 115130175 7,25,15,4 ––– 40   36,5   32,5 Tabelle 2. Art der Gerbung Stärkemm Rücken-linie Hüft-linie Flanke Reine Eichenlohe-Grubengerbung 5 1,50 1,65 1,65 Gewöhnliche lohgare Gerbung 5 1 1 1 Moderne Gerbung 5 0,95 0,95 0,95 Hydrodynamische Gerbung 3 (2,7) 1,85 1,85 1,65 Chromgerbung 4 1,50 1,85 1,85 Erwähnt sei noch, daß die feine Narbenschicht des Leders eine geringere Dehnung hat als die gröbere Faserschicht, so daß sich bei den Zugversuchen oft große Querrisse auf der Oberseite bilden, ehe der Streifen reißt. Die Dehnungsziffer, das Verhältnis zwischen der Dehnungsänderung und der zugehörigen Spannungsänderung, ist in hohem Maße von der für die Aenderung gebrauchten Zeit abhängig, außerdem beträchtlich von der Größe und Dauer der Vorbeanspruchung. Dazu treten noch die Unterschiede, die durch die Art der Gerbung und Fettung erzeugt werden, wie sie z.B. in den oben angegebenen Bruchdehnungen zum Ausdruck kommen. Es ist demnach ausgeschlossen, für jeden vorkommenden Fall einen genau zutreffenden Wert der Dehnungsziffer zu nennen. Bei der erstmaligen Beanspruchung sinkt die Dehnungsziffer mit steigender Belastung immer mehr, wie z.B. die nachstehende Zusammenstellung zeigt, die an einem von der Gerberei angelieferten, nicht vorgestreckten Material gemessen wurde. Beanspruchung: 0 25 50 83 106 143 183 at Dehnungsziffer: 1/800 1/1000 1/1270 1/1530 1/1600 1/1900 cm2/kg Nach mehrfacher Vorstreckung werden die Zahlen in den höheren Belastungsstufen gleichmäßiger; jedoch selbst nach vielfacher und langer Vorstreckung dehnt sich das Leder von dem „Nullzustand“ aus – in dem einzelne Fasern ja sogar Druckspannungen erfahren, die sich bei größerer Voranstrengung direkt als Wellenbildungen auf der Oberfläche bemerkbar machen, – bei ganz geringer Beanspruchung recht bedeutend. Die Dehnungskurve hat ungefähr den in Abb. 6 dargestellten Verlauf: An einen sehr flach, liegenden, ziemlich geraden Teil, der natürlich durch mehrmalige Vordehnung verkürzt wird, schließt sich eine scharfe Krümmung an, und darauf geht die Kurve mit schwacher, nach der Spannungsachse offener Krümmung weiter. Der letzte Teil, der allein für die praktische Anwendung in Betracht kommt, kann näherungsweise als gerade angesehen werden; genauere Bestimmungen sind nach dem obigen wertlos. Ein Apparat, der gestattet, diese Dehnungskurve an einem längeren Riemenstück direkt aufzunehmen, ist von Skutsch entworfen worden. Textabbildung Bd. 331, S. 21 Abb. 6.Dehnungskurve von Leder Verfasser fand an einem lohgaren Leder gewöhnlicher Gerbung, dessen Nachbarstück in der Haut bei einer Zerreißfestigkeit von 245 at (zwei Minuten nach Einstellung bestimmt) kurz vor Eintritt des Bruches die Dehnung 26,2 v. H. zeigte, nach einer vielfachen, über zweieinhalb Wochen ausgedehnten Vorbeanspruchung, während der sich die Länge um 10 v. H vergrößert und der Querschnitt um 6,5 v. H. verringert hatte, die in Abb. 6 eingetragenen Zahlen. Auch bei anderen, hinreichend vorbeanspruchten Ledersorten ergab sich innerhalb der praktisch vorkommenden Belastungsänderungen etwa derselbe Wert 1 : 5000. Chromleder hat bei der üblichen Vorstreckung innerhalb der genannten Grenzen etwa die Dehnungsziffer 1 : 2500 bis 1 : 3000. Daß die Dehnungsziffer des Leders im Betrieb wesentlich kleiner ist als gemeinhin angenommen wird, wurde wohl zuerst von Boesner ausgesprochen. Sie wird nach dem oben gesagten immer kleiner, je länger der Riemen benutzt wird. (Schluß folgt.)