Zahnriemen

Zahnriemen (in der Motortechnik auch Synchronriemen oder Steuerriemen genannt) sind Treibriemen mit Zahnung, die formschlüssig in gezahnten Riemenscheiben laufen. Sie vereinen die Eigenschaften einer Kette und eines Flachriemens.

Aufbau und Funktionsweise

Profil eines Zahnriemens

Auf der Innenseite des Riemens sind Zähne aus Gummi (Neopren) oder Kunststoff (Polyurethan) ausgeformt, die in ein spezielles Zahnrad eingreifen. Diese Bauweise hat gegenüber Keil- oder Flachriemen, die nur mit Kraftschluss arbeiten, folgende Vorteile:

• durch die Formschlüssigkeit der Zahnung sind höhere Kräfte übertragbar
• weil die Zahnung Schlupf unmöglich macht, können Zahnriemen auch zur Steuerung eingesetzt werden

Die eigentliche Kraftübertragung erfolgt durch den im Zahnriemen eingebetteten Zugstrang, welcher meist aus Glas- oder Aramidfasern (seltener aus Stahlseilen) besteht. Die Innenseite des Zahnriemens besteht aus abriebfestem Gewebe, um die aus Elastomer bestehenden Zähne vor Verschleiß zu schützen.

Bei Sonderformen sind sowohl innen als auch außen auf dem Zahnriemen Zähne aufgebracht. Diese können jeweils unterschiedliche Abstände haben. Durch geeignete Umlenkungen und Zahnformen ist sehr unterschiedliches Verhalten des Getriebes möglich. Kombinationen mit Schnecken und Zahnstangen sind möglich.

Zahnriemen sind z. B. genormt in:

• DIN ISO 5296: Zahnteilungen MXL, XXL, XL, L, H, XH, XXH (trapezförmige Verzahnung in zölligen Teilungen).
• DIN 7721: Zahnteilungen T 2,5, T 5, T 10, T 20 (trapezförmige Verzahnung in metrischen Teilungen).
• ISO 13050: Zahnteilungen H8M, H14M, S8M, S14M, R8M, R14M (kurvenförmige Verzahnungen in metrischen Teilungen).

Verwendung

Zahnriemen werden generell für zwei Zwecke eingesetzt:

• für die Übertragung von großen Riemenkräften, bei denen Keil- oder Flachriemen durchrutschen würden (zum Beispiel als Ersatz für Kettenantriebe), oder
• für Stelltriebe, bei denen die Zahnung verhindert, dass sich Treibrad und getriebenes Rad zueinander verdrehen.

Zahnriemen als Stelltriebe

Ventilsteuerung bei Viertaktmotoren

Offener Zahnriementrieb eines Motors mit zwei Nockenwellen

Eine typische Anwendung für Polymergewebezahnriemen ist der Einsatz als Alternative zur Steuerkette für den Antrieb der Nockenwelle von der Kurbelwelle in Viertaktmotoren, vor allem in Kraftfahrzeugen. Da die Nockenwelle die Ventile steuert, ist es notwendig, dass sie sich genau mit der halben Drehzahl der Kurbelwelle dreht und sich deren Winkellage zueinander nicht durch Schlupf verschieben kann. Reißt der Zahnriemen (oder wird er falsch montiert), werden die Ventile zum falschen Zeitpunkt geöffnet und können bei vielen Motorkonstruktionen mit den Kolben kollidieren. Das kann zu starken Beschädigungen bis hin zum Totalschaden führen. Aus diesen Gründen sind einige Motoren mit besonders hoch belasteten Ventiltrieben nicht mit Zahnriemen ausgestattet. Sie verwenden Steuerketten oder Zahnradsätze, deren Lebensdauer auch bei höheren Belastungen meist die des Motors überschreitet.

Vorteile gegenüber Steuerketten

• hohe Laufruhe
• geringere Masse
• leichte Austauschbarkeit sowie Kontrolle auf Beschädigung durch Anbringung außerhalb des Motors
• keinerlei aktive Wartung (z. B. Schmierung) nötig
• engere Umschlingungswinkel möglich
• bei geringer Belastung hohe Lebensdauer
• kaum Längung während der Lebensdauer, dadurch präzise Steuerung
• kann um fast beliebig viele Zahnräder gelegt werden, ohne dass Spannschienen oder separate Spanner erforderlich wären
• geringere Produktionskosten

Nachteile gegenüber Steuerketten

• Drehzahl- und Belastungsgrenze sind gegenüber Ketten geringer
• Bruchdehnung des Werkstoffes ist geringer (kann plötzlich reißen)
• kann aufgrund von Temperatur- und Lösemittelunbeständigkeit nur außen am Motor angebracht werden (größere Baubreite und zusätzliche Wellendichtungen erforderlich)
• größere Baubreite (keine Möglichkeit, mehrere nebeneinander anzulegen)
• höhere Wartungskosten (ca. alle 80.000 km, bei manchen Fahrzeugtypen sind sehr kostenintensive Arbeiten nötig)
• altert mit der Zeit^[1]
• gegenüber einer Stahlkette etwas höherer Leistungsverlust

Werkzeug- und Maschinenbau

Zahnriemen werden in Positionierantrieben eingesetzt, da sie aufgrund der formschlüssigen (synchronen) Kopplung reproduzierbar arbeiten. Sie können weitgehend spielfrei ausgeführt werden und liefern – wenn sie eine Stahleinlage besitzen – kaum belastungsabhängige Lageabweichung. Typische Anwendungsfelder für Zahnriemenantriebe sind Positioniersysteme mit Servomotoren, Handlingmodule und andere Linearantriebe, die z. B. bei Verpackungsmaschinen oder in Industrierobotern eingesetzt werden.

Zahnriemen als Treibriemen

Zahnriemenfahrrad

Wenn ein Zahnriemen weniger wegen seiner präzisen Stelleigenschaften genutzt wird, sondern die Übertragung eines Drehmoments im Vordergrund steht, so spricht man von einem Einsatz als Treibriemen. Bei Motorrädern zum Beispiel dienen Zahnriemen immer öfter zum Antrieb des Hinterrades, so bei Harley-Davidson, OCC, Buell, Kawasaki sowie der BMW F-Reihe. Der Vorteil gegenüber den herkömmlichen Stahlketten besteht im Wegfall der Schmierung, was weniger Wartungsaufwand und längere Lebensdauer bedeutet. Weiterhin kann der Antrieb wegen der Elastizität des Riemens spielfrei konstruiert werden. Die breitere Bauweise und der gegenüber einer Stahlkette etwas höhere Leistungsverlust fallen bei starken Motoren kaum ins Gewicht.

Auch beim Antrieb von Fahrrädern finden Zahnriemen ihre Anwendung, führen aber trotz ihrer Vorteile (weitgehend wartungsfrei, Wechselintervall: 22.000 bis 30.000 km) in Europa ein Nischendasein. Zur Aufrechterhaltung der notwendigen Riemenspannung finden Riemenspanner (Kettenspannern nachempfunden) oder in das Tretlager integrierte Kettenspanner Verwendung. Üblicherweise werden Fahrrad-Zahnriemen mit Nabenschaltungen kombiniert; es sind aber auch Riemen- und Tretlagerschaltungen bzw. Kombinationen daraus denkbar. Es existiert auch eine Zahnriemenschaltung.

Sonstiges

Gummi-Gleisketten, wie sie bei kleinen Baumaschinen und Modellfahrzeugen Verwendung finden, sind zwar ähnlich aufgebaut, werden aber nicht als Zahnriemen bezeichnet.

Literatur

• Thomas Nagel: Zahnriemengetriebe. Eigenschaften, Normung, Berechnung, Gestaltung. Hanser, München 2008, ISBN 978-3-446-41380-1.
• Raimund Perneder: Handbuch Zahnriementechnik. Grundlagen, Berechnung, Anwendungen. Springer, Berlin 2009, ISBN 978-3-540-89321-9.
• Autodata (Hrsg.): Zahnriemen 2010. Benzin- und Dieselfahrzeuge 2000–2010. - Prüfung, Einstellung, Austausch 1100 Seiten.

Einzelnachweise

1. ↑ Wenn der Zahnriemen altert