Umlenkrollen

Einsatz von Umlenkrollen

Bild: Fertigung einer Frank-Seilrolle

Hebezeuge müssen nicht zwingend über oder vor der Last platziert werden. Seile, die nicht auf direktem Weg zur Last gespannt werden können, lassen sich über Umlenkrollen in die gewünschte Richtung lenken.
Als Vereinfachung bei der Montage sind Umlenkrollen als Seilrolle oder integriert in Rollenböcken oder Kloben erhältlich.
Zudem lässt sich durch Einscheren des Seils die Tragkraft eines Hebezeugs erhöhen. Mit dem Flaschenzugprinzip kann die Zugkraft einer Seilwinde auf einfachste Weise vervielfältigt werden.

Arten von Umlenkrollen

Köster-Seilrollen - Gleit-/Kugellager

Je nach Beanspruchung variieren Seilrollen in der Art ihrer Lagerung. Für kraftbetriebene Anlagen mit hohen Hubgeschwindigkeiten empfiehlt sich eine Rolle mit Kugellagerung. Für Drahtseile, die von Handwinden angetrieben werden, würde eine Rolle mit Gleitlagerung genügen.

Umlenkrollen gibt es aus wartungsfreiem Grauguss, schwerem Stahl oder rostfreiem Edelstahl. Für kleinere Tragkräfte eignen sich zudem Seilrollen aus Kunststoff, beispielsweise aus Polyamid. Sie sind leicht, langlebig und ebenfalls wartungsfrei.

Kloben

Yale Klappkloben / Pfaff Rollenbock

Die Umlenkrolle gibt es einzeln oder integriert im Seilblock oder Kloben. Während der Seilblock fest in Anlagen verbaut wird, werden Kloben flexibel für wechselnde Einsätze genutzt. Meist werden sie im Forstbetrieb oder auf dem Bau eingesetzt. Schnell aufgehängt dienen sie der temporären Seilumlenkung.

Beim klappbaren Kloben lässt sich das Stahlseil bequem auf die Seilrolle auflegen, während es bei der starren Ausführung durch das Seilfenster eingeführt werden muss. Zwillingsrollen oder mehrrollige Kloben ermöglichen den Aufbau eines Flaschenzugs. Zum Aufhängen können die Kloben mit Haken, Schäkel und Öse ausgestattet sein.

Einflüsse auf die Aufliegezeiten des Stahlseils

Bild: Casar - Stahldrahtseil für Krane

Seile für zum Beispiel Handseilwinden werden nur für eine begrenzte Lebensdauer ausgelegt. Im Allgemeinen sind sie aufgrund ihrer umliegend verlaufenden Drähte, redundant abgesichert. Ist ein Draht gebrochen übernehmen die parallel anliegenden Drähte dessen Traganteil. Das Seil ist um weniger als 1% geschwächt, gilt aber noch als sicher. Einzelne Drahtbrüche müssen nicht gleich zum Ablegen des Seils führen, während ein Drahtbruch an einer Kette das System unweigerlich zum Erliegen bringt.

Ein durch Umlenkrollen umgelenktes Stahlseil Stahlseil hat einen größeren Verschleiß als ein Seil das direkt auf die Last geführt wird. Desto wichtiger ist die optimale Abstimmung von Seil und Rolle.

Welchen Einfluss hat der Rillendurchmesser auf das Seil ?

Seilauflage je nach Rillen-Ø

Jedes Bauteil eines Hebezeugs, das mit dem Seil direkt in Kontakt kommt, übt einen gewissen Einfluss auf dessen Lebensdauer aus. Dazu gehören natürlich auch die Rillen der Seilscheiben und der Trommel, deren Geometrie einen wesentlichen Einfluss auf die Standzeit des Seils hat. Die Aufliegezeit steigt, wenn der Nenndurchmesser des Seils präzise auf den Rillendurchmesser der Umlenkrolle angepasst ist. Hierbei gilt, das die Durchmesser der Rillen geringfügig größer sein müssen als der des Seils. Die ISO 16625 schreibt vor, dass der Durchmesser der Rillen mindestens 5% und höchstens 10% über dem Seilnenndurchmesser liegen muss. Als optimalen Wert gibt die Norm einen Rillendurchmesser von 7,5% über dem Seilnenndurchmesser an.

Ein zu großer Rillendurchmesser bewirkt eine erhöhte Rillenpressung des Seils. Dem Seil fehlt die Abstützung durch die Flanken. Schlimmer noch ist ein zu kleiner Rillendurchmesser bei dem es gequetscht bzw. komprimiert wird.

Welchen Einfluss hat der Seilrollendurchmesser ?

Generell gilt, dass ein größerer Durchmesser der Seiltrommel, der Umlenkrolle und der Ausgleichsrolle die Aufliegezeit des Drahtseils verlängern. Durch Vergrößern des Rollendurchmessers um nur ca. 25 % lässt sich die Lebensdauer bei gleichbleibender Belastung bereits verdoppeln. So muss der Durchmesser von Seilrollen in Seilwinden nach DGUV Vorschrift 17 für bühnentechnische Anwendungen, mindestens das 20-fache der Seiltrommeldurchmesser und mindestens das 18-fache des Seildurchmessers betragen.

Die Seilrollendurchmesser haben eine direkte Auswirkung auf die Lebensdauer der Seile. Die Seilrollen einer Seilwinde lassen sich nach den Regeln der DIN 15020 normgerecht auswählen. Die Durchmesser der Seiltrommel und der Seilrollen werden zudem von der Einstufung in eine Triebwerksgruppe beeinflusst. Erhöht man die Triebwerksgruppe bei gleichbleibender Tragfähigkeit des Hubwerks, erhöhen sich auch die benötigten Rollendurchmesser.

Die Ablenkung des Drahtseils

Ablenkwinkel ß

Die seitliche Ablenkung des Drahtseils aus der Rillenebene vermindert die Aufliegezeit des Drahtseils und ist daher möglichst klein zu halten. Bei mittig abgehendem Seil von der Trommel eines Seilzugs, beispielsweise bei halb voller Trommel beträgt der Ablenkwinkel des Seils auf dem Rollenbock exakt 0°. Bei voller oder leerer Trommel hätte der Winkel sein Maximum. Der maximal zulässige Ablenkwinkel auf Seiltrommeln und Rollenböcken wird allgemein auf 4° limitiert, für drehungsarme und drehungsfreie Drahtseile sogar auf 1,5° (DIN 15020) oder 2° (Neufassung der ISO 4308).

Hersteller geben häufig abweichende Werte an, wobei die Angaben in jeweiliger Bedienungsanleitung ausschlaggebend sind.

Die Biegung

Beim Überfahren einer Umlenkrolle wird ein Seil einer Biegung ausgesetzt. Während die außenliegenden Litzenabschnitte gedehnt und zusätzlich auf Zug belastet werden, stauchen sich die innen liegenden Bereiche. Je flexibler das Seil ist oder je größer der Durchmesser der Seilscheibe, desto weniger Schäden nimmt es.

Der Biegewechsel des Seils

Biegung bei Umlenkung

Nachteilig ist die Biegung, die das Seil während des Umlenkens erfährt. Je größer die Umlenkrolle, desto schonender die Auswirkung. Der Ablenkvorgang nennt sich Biegewechsel. Das Seil wird beim Auflaufen auf die Rolle aus einem geraden Zustand in einen gebogenen Zustand gebracht und beim Ablaufen von der Rolle wieder gerade weggezogen. Es vollführt einen vollständigen Biegewechsel. Beim Auflaufen auf eine Seiltrommel vollführt es hingegen einen halben Biegewechsel. Noch schädigender für das Seil ist ein Gegenbiegewechsel. Beim Gegenbiegewechsel wird das Seil im Wechsel vom gebogenen Zustand in den geraden Zustand und zurück in den gegensinnig gebogenen Zustand gebracht.

Normung von Umlenkrollen

Durch die Normung der Umlenkrolle soll die Voraussetzung für die Vereinheitlichung, zwecks Sortenminderung, erreicht werden.

• Die Umlenkrolle unterliegt den Bestimmungen der DIN EN 15020. Hier werden Kriterien für Wartung und Einbau erläutert.
• Das Rillenprofil bestimmt die DIN 15061. Tabellarisch wird zu jedem Seildurchmesser d1 ein Rillenradius r1, die Bordscheibenhöhe h und Bordscheibenbreite m vorgegeben.
• Die DIN 15062-1 grenzt die äußeren Maße der Umlenkrolle in Abhängigkeit von Seil-Nenndurchmesser und Achsdurchmesser ein.
• Für die Austauschbarkeit der Umlenkrollen sorgt die DIN 15062-2. In ihr werden die Maße für die Nabe und Lagerung festgelegt.

Auslegung von Umlenkrollen

Umlenkrollen lassen sich höchst unterschiedlich einsetzen. Bei ihrer Verwendung unterscheidet man zwischen Hubanwendung und Zuganwendung. Seilrollen für reine Zuganwendungen sind schwächer ausgelegt und erfüllen nicht die Sicherheitsanforderungen, die an Umlenkrollen für Hubanwendungen gestellt werden. Besonders bei Kloben ist darauf zu achten, welche Tragkraft ihre Aufhängung hat und welche Seilzugkraft anliegen soll. Eine Last, die mit einem Seil gehoben werden soll, das über eine Umlenkrolle geführt wird, zieht mit gleicher Kraft am Seil, wie Person, die es heben will. Aus diesem Grund verdoppeln sich die Kräfte an der Umlenkrolle. Wiegt die Last 100 kg, ziehen an der Seilrolle 200 kg.

Ablaufsicherung

Frank-Rolle mit Ablaufsicherung

Für den Rollenbock setzt die DIN 15020-1 beim Umlenken von Lastseilen eine Ablaufsicherung voraus. Diese soll sicherstellen, dass das auf- und ablaufende Drahtseil auch bei Schlaffseil nicht von der Seilrolle seitlich ablaufen kann. Für den Rollenbock bzw. die Seilrolle wird empfohlen, dass der Abstand zwischen dem Seilrollen-Außendurchmesser und dem um sie herumgreifenden Bügel nicht größer ist als 1/3 des Seildurchmessers oder 10 mm beträgt, wobei jeweils der kleinere Wert maßgebend ist.

Welchen Einfluss hat der Spreizwinkel

Die Belastung der Umlenkrolle ist abhängig von dem Spreizwinkel des umgelegten Seiles. Je kleiner der Spreizwinkel, desto größer die Kraft, die auf die Seilrolle wirkt. Die Windenzugkraft ist demnach bei einem Spreizwinkel von 0° am kleinsten. Ist der Spreizwinkel größer, zum Beispiel 90°, so ist die Belastung auf die Umlenkrolle nur noch halb so groß. Die Windenzugkraft erhöht sich auf 70% der zulässigen Tragkraft der Rolle.

	Spreizwinkel	Windenzugkraft
	0°	0,5 x zulässige Zugkraft
	90°	0,7 x zulässige Zugkraft
	120°	1,0 x zulässige Zugkraft

Prüfung von Umlenkrollen

Umlenkrollen in Seiltrieben sind mindestens einmal jährlich und bei jedem Auflegen eines neuen Drahtseils zu überprüfen. Die DIN 15020-2 ruft zur Inspektion der Umlenkrolle im Rollenbock auf, ob sich diese leichtgängig drehen lässt und ermahnt zur Inspektion der Lagerstellen. Eine schwergängige oder festsitzende Seilrolle im Rollenbock führt zu einem erhöhten Verschleiß des Seilrillenprofils und Abrieb des Drahtseils. Zudem führen festsitzende Ausgleichsrollen zu ungleicher Belastung der Seilstränge. Außerdem ist zu prüfen, ob der Rillenhalbmesser noch dem Seil-Nenndurchmesser entspricht.

Umlenkrollen – seit wann kennt man sie?

Das Grundprinzip von Umlenkrollen basiert auf den Hebelgesetzen, die bereits seit der Antike bekannt sind. Schon damals wurden erste Flaschenzüge konstruiert, bei denen die Grundform der Umlenkrolle an einer Seilwinde ein wesentliches Element darstellte. Wer erstmals auf die Idee mit Umlenkrollen kam, ist nicht bekannt. Manchmal wird Archytas als Erfinder genannt, was sich jedoch nicht verifizieren lässt. Der zusammengesetzte Flaschenzug mit Umlenkrollen wird meistens Archimedes zugeschrieben, der sich bekanntlich intensiv mit der Physik und der Wirkung verschiedener Kräfte befasste. Auf einem assyrischen Relief aus dem Jahr um 970 v. Chr. wird ein früher Flaschenzug dargestellt, der heutigen Konstruktionen in vielen Aspekten entspricht.

Der römische Architekt Vitruv befasste sich ebenfalls ausführlich mit der Materie. Im 1. Jahrhundert v. Chr. beschrieb er die Wirkung und die Einsatzmöglichkeiten in seinem 10. Buch über den Maschinenbau. Es war allerdings kaum möglich, Flaschenzüge mit der beschriebenen Anzahl von Umlenkrollen und der erforderlichen Länge herzustellen. Zudem waren Seilzugrollen beziehungsweise Umlenkrollen wie die gesamte Konstruktion nahezu unbezahlbar. Dies bedeutete freilich nicht, dass Umlenkrollen nicht konstruiert und eingesetzt wurden, denn man benötigte sie zum Beispiel für die Errichtung von Palästen, Tempeln und Sportarenen, die man teilweise bis heute bewundern kann.

Der griechische Mathematiker Heron von Alexandria machte ebenfalls den Flaschenzug zum Mittelpunkt seiner Arbeit. Auf ihm basierte der Flaschenzug und der frühe Baukran, der nicht ohne Seilzüge und Umlenkrollen auskam. Ein bekanntes Beispiel für den frühen Einsatz von Flaschenzügen mit Umlenkrollen stammt aus dem Jahr 530. Damals hievte man bereits einen Kalksandsteinmonolithen mit einem Gewicht von 230 Tonnen mithilfe von komplizierten Flaschenzügen als Schlussstein auf das 16 Meter hohe Kuppeldach des Mausoleums von Theoderich dem Großen.

Das Universalgenie Leonardo da Vinci stützte zahlreiche seiner Erfindungen auf Flaschenzüge und Umlenkrollen. Mit da Vinci war der Fortschritt in Italien nicht mehr aufzuhalten. Geradezu spektakulär muss es gewesen sein, als der Ingenieur Domenico Fontana im Jahr 1586 den Obelisken aufstellen ließ. Hierfür wurden 907 Arbeiter und 75 Pferde benötigt, die an den 40 Spillen drehten. Die 220 Meter langen Seile liefen schon damals über Umlenkrollen auf die am Boden verankerten Winden. Auf diese bravouröse Weise bugsierten sie den 330 Tonnen schweren, 25,31 Meter langen Koloss in die Vertikale.

Der Flaschenzug und die Umlenkrollen, die damals eingesetzt wurden, blieben bis 1861 nahezu unverändert. Dann wurde der Differenzialflaschenzug erfunden und in London eingesetzt. Diese Erfindung erreichte eine deutliche Steigerung der Effizienz. Flaschenzüge in der Art des Londoner Vorbilds werden noch heute in Kränen und Spannvorrichtungen verwendet. Umlenkrollen zum Anschrauben ermöglichen einen flexiblen Einsatz. Dies gilt auch für Umlenkrollen im Forst oder in der Landwirtschaft.

Wie ist ein Flaschenzug mit Umlenkrollen aufgebaut?

Die Grundkomponenten des Flaschenzuges sind mindestens eine Umlenkrolle und ein Seil. In der einfachsten und bekanntesten Form bildet die an einem tragenden Element befestigte Umlenkrolle die höchste Position des Flaschenzugs. Das lasttragende Seil wird über die Umlenkrolle geführt. Zieht man nun am anderen Ende des Seils, wird die ausgeübte Kraft von der Rolle umgelenkt und die angehängte Last in die Höhe gehoben. Die Länge des Seils ist dabei exakt so lang wie die Strecke vom Seilende über die Umlenkrolle bis zur zu hebenden Last. Fügt man weitere lose Umlenkrollen in das System ein, machen sich die physikalischen Gesetze bemerkbar: Zwar verlängert sich die Strecke, über die das Seil gezogen werden muss und das Gewicht wird langsamer angehoben. Allerdings ist ein deutlich reduzierter Kraftaufwand notwendig. So ist es möglich, auch besonders schwere Gewichte anzuheben und zu bewegen.

Woher hat der Flaschenzug seinen Namen?

Während eine Flasche heute eindeutig ein Gefäß für Flüssigkeiten beschreibt, war das Wort in früheren Zeiten mehrdeutig. Auch Rollen und Walzen wurden als Flasche bezeichnet, womit die Erklärung schon fast auf der Hand liegt. Die Halterung der Umlenkrollen, die meistens aus einem Stück Hartholz bestanden, wurden als Flaschen bezeichnet. Auch die Umlenkrollen selbst bezeichnete man als Flaschen, manchmal auch als Scheiben. Würde man den Flaschenzug heute erfinden, bekäme er eher einen Namen wie Scheiben- oder Rollenzug. Üblich ist freilich die traditionelle Bezeichnung, auch wenn diese ein wenig irreführend ist. Lediglich in der Seemannssprache ist mit „Talje“ ein anderes Wort für den Flaschenzug gebräuchlich.

Welche modernen Erkenntnisse fließen in den Flaschenzug ein?

Wie bereits beschrieben, wurden die Grundlagen für den Flaschenzug schon vor vielen Jahrhunderten gelegt. Einige Aspekte wurden damals allerdings nicht beachtet oder ließen sich aus technischen Gründen nicht realisieren. So verwendet man heute bevorzugt kugelgelagerte Rollen, da diese bei geringem Krafteinsatz ein möglichst gutes Übersetzungsverhältnis bieten. Einfache Karabiner dienen nur in seltenen Fällen (zum Beispiel beim Klettern oder Bergsteigen) den Einsatz von kugelgelagerten Umlenkrollen. Hier erschwert die Gleitreibung die Zugarbeit deutlich. In allen Fällen entscheidet man sich aber für den Einsatz eines Statikseils, da ein solches auch unter hoher Belastung formstabil bleibt. Kleinere Lasten werden auch heute noch mithilfe einfacher Hanfseile über Umlenkrollen bewegt. Bei hohen Lasten sind Stahlseile das Mittel der Wahl. Eine Sonderform stellen sogenannte Slacklines dar. Hierbei handelt es sich, ähnlich wie bei den populären Balancierbändern, anstatt eines Rundseils um ein Flach- oder ein Schlauchband. Auch hier darf natürlich keine Elastizität gegeben sein, um die Wirkung des Flaschenzugs nicht zu reduzieren.

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