Zahnriemen

aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
Wechseln zu: Navigation, Suche

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[Bearbeiten]

Profil eines Zahnriemens

Auf der Innenseite des Riemens sind Zähne aus Gummi (Chloropren-Kautschuk, HNBR[1]) 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[Bearbeiten]

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[Bearbeiten]

Ventilsteuerung bei Viertaktmotoren[Bearbeiten]

Ford Cosworth BDR 001.jpg
Offener Zahnriementrieb eines Motors mit zwei Nockenwellen (DOHC)
Von einem abgerissenen Ventilteller durchschlagener Kolben

Eine typische Anwendung für Polymergewebezahnriemen ist der Einsatz als Alternative zur Steuerkette für den Antrieb der Nockenwelle(n) von Viertaktmotoren. Zur exakten Einhaltung der Steuerzeiten darf keine Veränderung der Winkellage von Nocken- und Kurbelwelle auftreten.

Vorteile gegenüber Steuerketten

  • geräuscharm
  • bei geringer Belastung hohe Lebensdauer
  • geringere Masse, daher höhere Drehzahlen möglich
  • durch Anbringung außerhalb des Motors leichte Austauschbarkeit sowie Kontrolle auf Beschädigung
  • keine Schmierung nötig (selbstschmierend)
  • engere Umschlingungswinkel möglich
  • keine teuren (öldruckbelasteten) Kettenspanner erforderlich
  • kaum Längung während der Lebensdauer, dadurch präzise Steuerung
  • geringere Kosten

Nachteile gegenüber Steuerketten

  • höherer Verschleiß, da nur selbstschmierend
  • geringere Belastungsgrenze/Bruchdehnung (kann plötzlich reißen)
  • Riemenspannung muss regelmäßig überprüft werden
  • kann aufgrund von Unbeständigkeit gegen Öl nur außen am Motor angebracht werden, daher größere Baulänge des Motors (zusätzlich Wellendichtungen erforderlich). Ausnahme: der Ford EcoBoost-Dreizylindermotor mit 1,0 Liter Hubraum - ab 2012 im Ford Focus eingesetzt - hat einen im Ölbad laufenden Zahnriemen.
  • höhere Wartungskosten (regelmäßiger Wechsel alle 40.000 bis 240.000 km, bei vielen Motoren sind dazu zeit- und kostenintensive Arbeiten nötig; Ablassen des Kühlmittels, Ausbau von Kühler, Kühlmittelpumpe, Lichtmaschine etc.)
  • nicht alterungsfest[2]

Reißt der Zahnriemen, werden die Ventile zum falschen Zeitpunkt geöffnet bzw. bleiben geöffnet und können mit dem Kolbenboden kollidieren (nicht bei „Freiläufern"). Das kann zu starken Beschädigungen bis hin zum Totalschaden führen. Aus diesen Gründen sind Motoren mit besonders hoch belasteten Ventiltrieben nicht mit Zahnriemen ausgestattet. Sie verwenden Steuerketten, Königswellen oder Stirnradgetriebe, deren Zuverlässigkeit erheblich höher ist. Als erster Pkw-Serienmotor mit Zahnriementrieb gilt der Glas 1000ccm von 1962. In Flugmotoren finden Ventiltriebe mit Zahnriemen und/oder Ketten keine Verwendung.

Werkzeug- und Maschinenbau[Bearbeiten]

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 zum Beispiel bei Druckern, Verpackungsmaschinen oder in Industrierobotern eingesetzt werden.

Zahnriemen als Treibriemen[Bearbeiten]

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[Bearbeiten]

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

Literatur[Bearbeiten]

  • 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.

Weblinks[Bearbeiten]

 Commons: Zahnriemen – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. 10. Tagung „Zahnriemengetriebe“ S.2
  2. Wenn der Zahnriemen altert