Zahnriemen

Zahnriemen gehören zu den Zugstrangantrieben wie Ketten, Keilriemen und Flachriemen. Sie sind von der Optik den Flachriemen sehr ähnlich. Der Flachriemen überträgt die Kraft durch Friktion mit dem dadurch bedingten Schlupf zwischen Rad und Riemen, der Zahnriemen hingegen besitzt Zähne, ähnlich einem Zahnrad, die die Kraft formschlüssig und dadurch synchron übertragen. Daher werden Zahnriemen auch als Synchronriemen bezeichnet.
Es gibt auch beidseitig verzahnte Zahnriemen. Sie werden meist in Mehrachsantrieben eingesetzt um die benötigten Drehrichtungen der Achsen zu erzielen.
Zahnriemen werden vielfach auch als Transportriemen eingesetzt. So werden Mitnehmer an Zahnriemen befestigt um z.B. Kartons in einer Verpackungsmaschine zu positionieren und Taktgenau zu transportieren.

Zahnriemen-Aufbau

Zahnriemen besitzen im inneren mehrere nebeneinander liegende Zugstränge. Auf der inneren Seite ist die Verzahnung zur synchronen Übertragung des Drehmomentes und auf der gegenüberliegenden Seite ist der Zahnriemenrücken. Die Verzahnung ist oft beschichtet um einen ruhigen und verschleißarmen Lauf des Antriebes zu gewährleisten.
Das Grundmaterial des Zahnriemens besteht aus Elastomer oder Polyurethan, der Zugstrang wird aus auf Zug und Biegung hoch belastbaren Werkstoffen gefertigt.

Zahnriemenaufbau
1 - Zahnriemenrücken
2 - Zugstrang
3 - Zahnprofil

Daneben gibt es noch Sonderausführungen für die verschiedenen Einsatzgebiete:

Zugstrang

Der Zugstrang ist das kraftübertragende Element in einem Zahnriemen. Er besteht in den meisten Riemen aus einem dünnen Stahlseil. Dünne verzinkte Filamente werden zu Litzen, mehrere Litzen werden zu einem Stahlseil verdrillt. Ein Standardseil besteht aus sieben Litzen mit je drei Filamenten. Solch ein Seil hat ein 7x3 Aufbau. Bei dem Einsatz von kleinen Umlenkrädern werden in Zahnriemenantrieben die Zugträger an ihre Grenzen beansprucht. Um kleinere Umlenkradien zu ermöglichen werden in solchen Anwendungen Zugstränge mit dünneren Filamenten verwendet. Um wieder in der Summe auf die gleiche Gesamtfestigkeit des Seiles zu gelangen werden mehr Filamente verseilt.
Um einem seitlichen ablaufen des Zahnriemens während des Betriebes entgegenzuwirken, werden die Zugträger paarweise mit entgegen gesetzter Schlagrichtung in einem Zahnriemen eingesetzt.
In Zahnriemen werden neben Stahl noch weitere Materialien eingesetzt. In Anwendungen bei denen die Zahnriemen starken Korosionseinflüssen ausgesetzt sind, werden nicht rostende Stähle verwendet. Dürfen die Zahnriemen keine Metalle enthalten, weil sie durch Metallsuchgeräte geführt werden oder nicht elektrisch leitend sein, wird Kevlar (Aramid) eingesetzt.
Reicht die zu übertragende Leistung in einem vorhandenem Bauraum nicht aus, werden Materialien wie Glascord, Kohlefaser oder Vectran verwendet.

Standardzugträger 7x3
1 - Zugträger
2 - Litze
3 - Filament
Flexibler Zugträger 3+5x7

Herstellung Zahnriemen

Bei endlosen Zahnriemen darf der Zugstrang an keiner Stelle unterbrochen sein um die Zugkraft der Zugstränge zu erhalten.
Es gibt zwei Herstellungsverfahren die dies gewährleisten.

1. Giessverfahren

Der Zugstrang wird spiralförmig auf einen außen verzahnten Dorn gewickelt und mit einer Hülse umschlossen. Der Hohlraum wird mit Poyuhretan oder einem Elastomer ausgegossen. Es entstehen Rohlinge mit Standardbreiten, diese werden für die Kunden auf Maß geteilt.

2. Extrusionsverfahren

Um zwei Formräder, deren Anstand auf die zu fertigende Zahnriemenlänge eingestellt sind, werden zwei Stahlseile spiralförmig gewickelt und die Enden in den Formrädern befestigt. Um die Stahlseile, die später die Zugstränge bilden, wird das Polyurethan geformt. Dieses Verfahren ist sehr flexibel was die zu fertigende Länge und dicke der Zahnriemen betrifft. Auch bei diesem Verfahren wird eine Standardbreite hergestellt. Die vom Kunden benötigte Zahnriemenbreite wird durch Längsteilung des Rohlings erreicht.
Endliche Zahnriemen werden ebenfalls durch Extrusion hergestellt.

Verzahnungsprofil

Die Verzahnung, mit ihrer formschlüssigen Kraftübertragung zwischen Zahnriemen und Zahnriemenrad, sorgt für eine Synchronisation der Antriebswellen zueinander. Es gibt vier Gruppen von Verzahnungsprofilen mit Varianten: Trapezprofil, Kreisprofil, Evolventenprofil und Parabolprofil. Die Trapezverzahnung wird wegen ihrer großen Auflagefläche der Zähne, neben der Antriebstechnk, oft auch in Transportanwendungen eingesetzt. Die anderen drei Profilgruppen werden größtenteils in der Antriebstechnik eingesetzt.

Trapezprofil zöllig

Bezeichnung

MXL = 2,032mm
XXL = 3,175mm
XL = 5,080mm
L = 9,525mm
H = 12,700mm
XH = 22,225mm
XXH = 31,750mm

Eigenschaften:

Wird im zölligem Maßsystem eingesetzt.
DIN / ISO 5296
DIN / ISO 5294

Trapezprofil metrisch

Bezeichnung

T gefolgt von der Teilung; Beispiel: T10
Mögliche Teilungen: 2,5 - 5 - 10 - 20

Eigenschaften:

Einsatz bei hoher Biegebeanspruchung und bei Gegenbiegung.
DIN 7721

Trapezprofil Hochleistungsprofil

Bezeichnung

AT gefolgt von der Teilung; Beispiel: AT10
Mögliche Teilungen: 3 - 5 - 10 - 20

Eigenschaften:

Einsatz bei Standard Antriebsaufgaben im Maschinenbau
Wird als Transportriemen verwendet.

Trapezprofil Hochleistungsprofil mit Einkerbung

Bezeichnung

ATP gefolgt von der Teilung; Beispiel: ATP 10
Mögliche Teilungen: 10 - 15

Eigenschaften:

Geringere Baubreite gegenüber AT-Profil bei gleicher Leistung.
Höhere Leistungsübertragung gegenüber AT-Profil bei gleicher Breite.

Kreisprofil Hochleistungsprofil

Bezeichnung

HTD gefolgt von der Teilung mit einem M als Abschluss; Beispiel: HTD 8M
Mögliche Teilungen: 3 - 5 - 8 - 14 - 20

Eigenschaften:

Verwendung als Antriebsriemen in Elastomerausführung.
ISO 13050 (8M und 14M)

Parabolprofil mit Einkerbung

Bezeichnung

RPP gefolgt von der Teilung mit einem M als Abschluss; Beispiel: RPP 8M
Mögliche Teilungen: 8 - 14

Eigenschaften:

Verwendung als Antriebsriemen in Elastomerausführung.
ISO 13050 (8M und 14M)

Autor: Uwe Koerbitz


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