Zahnriemengetriebe Stand der Technik

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1 Zahnriemengetriebe Stand der Technik Thomas Nagel Das Gebiet der Zugmittelgetriebe umfasst neben den Flachriemen-, Keilriemen- und Keilrippenriemengetrieben sowie den Kettengetrieben auch das der Zahnriemengetriebe. Der Vorteil der Zahnriemengetriebe, Drehmomente wie die Kettengetriebe formschlüssig übertragen zu können und zugleich niedrige Lagerbelastungen sowie hohe Geschwindigkeiten aufgrund ihrer geringen Masse zu realisieren, macht diese Getriebe für viele moderne Antriebssysteme so interessant. Dabei ist die Vielfalt angebotener Riemen- Konstruktionen verwirrend, die Möglichkeiten der kundenseitigen Berechnung eingeschränkt und eine herstellerübergreifende Darstellungen der Betriebseigenschaften eher selten. Dieser Beitrag soll trotz der begrenzten Länge einen Versuch des Überblicks erreichen. Zahnriemengetriebe werden häufig auch als Synchronriemengetriebe bezeichnet [1], obwohl sich dieser Name Synchronriemen im deutschen Raum bisher nicht durchsetzen konnte und in Analogie zu Flach- und Keilriemengetrieben es auch sinnvoller erscheint, hier ebenso die Form in den Vordergrund zu stellen. Tabelle 1: Die wichtigsten Profile in der Übersicht Zahnriemengetriebe bestehen aus Zahnriemen und Zahnscheiben, deren Zahnformen exakt aufeinander abgestimmt sind. Diese Abstimmung hat mit hoher Präzision in der Fertigung zu erfolgen, da beim Betrieb des Getriebes mehrere Zahnpaare gleichzeitig im Eingriff stehen und die Gesamtkraft entsprechend aufgeteilt wird. Die Zahnform bezeichnet man als Profilgeometrie oder kurz Profil und kürzt dieses häufig mit Kennbuchstaben ab, z.b. HTD steht für ein kreisbogenförmiges Hochleistungsprofil High Torque Drive. Neben der Profilgeometrie ist die Teilung, also der Abstand von Zahn zu Zahn, wichtig. Je größer die Teilung, desto größer ist die Leistungsfähigkeit des Riemens je mm Riemenbreite. Die Teilungen werden gestuft angeboten (siehe Tabelle 1), Zwischenstufen nach Kundenwünschen sind bei hohen Stückzahlen möglich.

2 Aufgrund der formgepaarten Kraftübertragung bei Zahnriemengetrieben sind gegenüber anderen Riemengetrieben kleinere Vorspannkräfte nötig, womit die Lagerbelastungen reduziert werden können, welches ein weiterer deutlicher Vorteil dieser Getriebeart ist. Zahnriemen bestehen stets aus einem elastomeren Basismaterial mit darin eingebetteten Zugsträngen, die der Längsstabilität und der Kraftübertragung dienen (Bild 1). Zwei grundsätzlich verschiedene Basismaterialien haben sich etabliert: Zum einen sind das die Kautschukmischungen (Polychloroprene CR, Nitrilkautschuk NBR, hydrierter Nitrilkautschuk HNBR und weitere), die als Rubber oder Gummi bezeichnet werden und besonders aus dem Einsatz im Kfz zum Antrieb der Nockenwelle bekannt sein dürften. Bild 1: Aufbau eines Gummi-Zahnriemens Zum anderen sind das thermoplastische Polyurethanmischungen, die insbesondere in der Linear- und Fördertechnik eingesetzt werden. Zahnriemen aus Gummimischungen benötigen stets ein Armierungsgewebe über die Verzahnungen, welches die Stabilität erhöht und den Reibwert senkt. Polyurethan (PU)-Zahnriemen benötigen ein solches Gewebe nicht. Zur Reduzierung des relativ hohen Reibwertes bei PU-Riemen kann ein solches Nylon-Gewebe aber nützlich sein und technologisch auch realisiert werden. PU-Riemen werden üblicherweise mit Zugträgern aus Stahllitze oder Aramid-Fasern ausgerüstet, Gummi-Zahnriemen i.d.r. mit solchen aus Glas- oder Aramid-Fasern. Um die Leistungsfähigkeit der Riemen weiter zu erhöhen, sind dem Gummi-Basismaterial von neueren Hochleistungszahnriemen häufig zusätzliche Fasern beigemischt. Aufgrund der ausgerichteten Lage der Fasern erhöht sich die Zahnfestigkeit, so dass 30 bis 50% höhere Leistungswerte möglich sind. Die Zahnscheiben für beide Riemenarten unterscheiden sich grundsätzlich nicht. Charakteristisch sind neben der Verzahnung die Bordscheiben zur Riemenführung, um ein seitliches Ablaufen des Riemens zu verhindern. Diese Bordscheiben müssen eine leichte Schrägung von etwa 8 25 aufweisen, um das Einlaufen des Riemens zu erleichtern. Bei kleineren Achsabständen reicht es häufig aus, die kleinere der beiden Zahnscheiben mit beiderseitig angebrachten Bordscheiben zu versehen. Übliche Materialien für Zahnscheiben sind Stahl (z.b. St50, C45), Aluminium höherer Festigkeit (z.b. AlCuMgPb- F38), Gußeisen (Grauguß, z.b. GG20), Sintereisen und Bild 2: Zahnscheibe mit 2 Bordscheiben Kunststoffe (z.b. Polyamid, Polyacetalharz). Zahnscheiben dürfen nicht beliebig klein gewählt werden, da sie sonst die Biegewechselfestigkeit des Riemens negativ beeinflussen. Die minimale Scheibenzähnezahl hängt von der Zugstrangkonstruktion ab und wird durch den Hersteller festgelegt. Minimale Zähnezahlen von 10 (für kleinere Teilungen) sowie von 18 bis 22 (für größere Teilungen) sind üblich.

3 Die Dimensionierung von Zahnriemengetrieben ist leider nicht genormt, lediglich die Richtlinie [2] enthält die grundlegenden Gleichungen und Werte, ist aber eingeschränkt nur auf die zollgeteilten Trapezprofile und das HTD-Profil anwendbar. Leistungswerte für Zahnriemengetriebe sind grundsätzlich nicht genormt, Riemenlängen, -breiten sowie Scheibenzähnezahlen sind nur begrenzt genormt [3 6]. Damit wird deutlich, dass eine Dimensionierung von Zahnriemengetrieben ohne konkrete Herstellerangaben für den Anwender nicht möglich ist. Da die Hersteller verschiedene Verfahren zur Berechnung der notwendigen Riemenbreite benutzen, werden schnelle Produktvergleiche erschwert. So ist es im Allgemeinen nicht verwunderlich, dass die Auslegung des Getriebes als Service vom gewählten Hersteller, teilweise auch web-basiert (z.b. [7]), angeboten wird. Auch unabhängige Software-Tools zur Berechnung von Maschinenelementen, bei denen der Zahnriemen nur eine Teilmenge darstellt, sind hier häufig überfordert und beschränken sich meist auf die Produkte nur eines Herstellers. Bei der Auswahl der Riemenart sollte man auf die Beständigkeiten achten (Tabelle 2). Bestehen diesbezüglich keine Einschränkungen, kann das Profil nach Verfügbarkeit, evtl. geforderter Normung oder Preis ausgewählt werden, wobei ein Hochleistungsprofil in der Anschaffung stets teuerer erscheint, als ein traditionelles Trapezprofil nach [4] oder [6]. Es ist aber zu beachten, dass mit Hochleistungsprofilen deutlich schmalere Getriebe realisierbar sind und sich somit Kosten (insbesondere bei den Zahnscheiben) sparen sowie der Geräuschpegel verringern lässt. Darüber hinaus sind Hochleistungsprofile aufgrund ihrer Zahngröße und form betriebssicherer bei unvorhergesehenen Laststößen. Tabelle 2: Wesentliche Beständigkeiten von Zahnriemen Eigenschaften Zahnriemen-Basismaterial aus Gummi Polyurethan Temperaturbeständigkeit -30 bis +130 C (HNBR) -40 bis +150 C (HNBR peroxidisch vernetzt) -30 bis +120 C (CR) -30 bis +80 C -30 bis +100 C (Spezialmischung) öl- u. fettbeständig bedingt (Sondermischungen verfügbar) ja tropenbeständig ja ja ozonbeständig ja ja witterungsbeständig ja bedingt bei Wasserkontakt (Sonderzugstränge möglich) alterungsbeständig ja ja Für das Erreichen einer hohen Lebensdauer des Zahnriemengetriebes ist zu beachten, dass das Getriebe richtig vorgespannt wird. Dies kann erfolgen durch geringfügiges Verstellen des Achsabstandes (und anschließendes Fixieren!) oder durch Spannrollen bzw. automatisch arbeitende Spannsysteme (z.b. im Kfz). Für hochwertige Anwendungen (z.b. in der Positioniertechnik, im Kfz, in der Robotik) ist die Vorspannkraft mittels handelsüblicher Messgeräte (z.b. [8]) genauestens einzustellen. Die Größe der Vorspannkraft ist von den Riemenmaterialien, der Belastung und einigen geometrischen Getriebeparametern abhängig. Die minimale Vorspannkraft muss dabei so groß gewählt werden, dass im dynamischen Betrieb ein Einzahnen des Leertrums auch bei den größten Belastungen problemfrei erfolgen kann. Zu große Vorspannkräfte nach dem Motto viel hilft viel schädigen aber den Riemen durch Zahneingriffsstörungen beim Lasttrumeinlauf und reduzieren die Lebensdauer des Riemens sowie erhöhen unnötigerweise die Lagerbelastung und somit die Erwärmung. Das Optimum der Vorspannkraft kann nur in Abstimmung mit dem Riemenhersteller gefunden werden. Um eine Vorstellung von erreichbaren Lebensdauerwerten zu geben, sei auf den Nockenwellenantrieb im Kfz verwiesen. Moderne Motoren besitzen Zahnriemenantriebe mit km Laufleistung, solche mit km sind in Planung. Ein Wechseln des Zahnriemens im Kfz soll zukünftig nicht mehr nötig sein [9].

4 Folgende Trends lassen sich auf dem Gebiet der Zahnriemengetriebe prognostizieren: 1. Leistungssteigerung: Insbesondere durch neue Materialien gelingt eine weitere Leistungssteigerung dieser Getriebe. Die verbesserte Einbindung der Zugstränge im Basismaterial, faserverstärktes Elastomer, neuartige Zugstränge sowie spezialbeschichtete und neuartig geflochtene Gewebe sind derartige Arbeitsgebiete. Untersuchungen zeigten z.b., dass eine Hydrolysebelastung der Zugstränge die Haftfestigkeit zwischen Glasfaser und Elastomer reduziert. Neuartige Beschichtungen der Einzelfilamente sowie des gesamten Zugstranges verbessern die Haftfestigkeit erheblich [11]. Darüber hinaus ist vorstellbar, dass neue Konstruktionen der Zugstränge, also die Zwirnung der Filamente sowie die Filamentgeometrien, in Kombination mit neuentwickelten Zugstrangmaterialien eine Erhöhung der Biegewechselfestigkeit des Riemens bewirken und somit eine weitere Leistungssteigerung gestatten. So finden bei hochbelasteten Antrieben an Stelle von E-Glas (bisher gebräuchlichster Glasfasertyp) zunehmend Zugstränge aus K-Glas Anwendung (enthält mehr Aluminumoxid und ist somit zugfester). Bei Stahllitze-Zugsträngen sei hier an die bei einigen PU-Hochleistungszahnriemen eingeführte S-Z- Spulung erinnert, die das Ablaufverhalten des Riemens erheblich vermindert. Ob diese Konstruktion gleichzeitig die im Innern des Zugstranges auftretenden Spannungen verringern kann, bleibt zu klären. Ein Werkzeug dazu scheinen die in [12] vorgestellten Simulationsrechnungen zu sein, die den Blick ins Innere des Zugstranges öffnen (Bild 3) und Fragen der Relativbewegung der Filamente sowie insbesondere der Druckspannungen bzw. des örtlichen Kontaktdruckes beleuchten. Neuartige Konstruktionen könnten hiermit im Vorfeld der Fertigung getestet und optimiert werden. Aus Anwendungen der Kfz-Technik ist bekannt, dass Gewebekonstruktionen in mehreren Schichten und Teflonbeschichtung zusammen mit einer Faserbeimischung im Elastomer ganz erheblich zur Leistungssteigerung von Zahnriemen beitragen. Hier sind weitere Optimierungen denkbar. Bild 3: Zugstrang 7 x 3 unter Zug- und Biegebelastung

5 2. Spezifische Produkte: Durch spezielle Konstruktionen und Materialien werden sich weitere Anwendungsfelder erschließen lassen. Hierzu zählen Tief- und Hochtemperaturbereiche (gemessen an bisher erreichten Werten), Reinraumtechnik, Luftfahrttechnik, Riemen mit verbesserten Eigenschaften (z.b. für Dauereinsatz im Öl) u.a. Aber nicht nur das Verbessern bestimmter Verträglichkeiten durch spezifisch entwickelte Materialien, sondern auch spezielle Riemen- oder Getriebekonstruktionen könnten einen bestimmten Anwendungsbereich finden. Ein Beispiel dazu sind speziell gefertigte unrunde Zahnscheiben, die periodisch auftretende Belastungsspitzen, z.b. im Nockenwellenantrieb eines Pkw, wirkungsvoll verringern können und die Lebensdauer von Zahnriemengetrieben deutlich steigern [9]. Ein zweites Beispiel sind die aus dem PU-Bereich bekannt gewordenen Zahnriemen- Schlösser, die einen endlichen Zahnriemen in einen endlosen überführen und jederzeit wie beim Kettenschloss geöffnet werden können [13]. Gemeinsam mit wechselbaren Nocken können erhebliche Vorteile bei der Montage erzielt werden. Hochübersetzende Getriebe sowie besonders geräuscharme Konstruktionen sind weitere Stichworte. Die Integration der Mikroelektronik und der Messtechnik in die Getriebe ist vorstellbar und für einige Anwendungen wünschenswert. Dabei ist es denkbar, nicht nur Fertigungsdaten mittels eines RFID- Chips im Riemen zu speichern und berührungslos jederzeit auszulesen, sondern bestimmte Parameter des Getriebes überwachen zu können (z.b. die Trumkräfte) [14]. Damit wäre die Möglichkeit einer Zustands- bzw. Ausfallsüberwachung gegeben. Den Zahnriemen für die Übertragung von Medien, wie Daten, Energie usw. zu benutzen, ist bereits als Prototyp realisiert und dürfte interessante Einsätze erwarten lassen [10]. Der Zahnriemen verfügt neben den Zugträgern auch über z.b. Litzen für die Daten- oder Stromführung. Die in Sandwich-Bauweise ausgeführten Zahnscheiben gewährleisten das Einspeisen, Übertragen und Auskoppeln des Mediums. Insbesondere für die Linear- und Fördertechnik sind derartige Konstruktionen sinnvoll, da damit auf übliche Kabelschleppsysteme verzichtet werden kann. 3. Miniaturisierung: Dieses ist ein genereller Trend, der sicher auch vor Zahnriemengetrieben mit ihren vielen Vorzügen nicht Halt machen wird. Kleinere Teilungen dürften auch Vorteile im Geräusch- und Schwingungsverhalten besitzen. Der teilweise Ersatz von Zahnradgetriebestufen durch Zahnriemengetriebe mit ihren dämpfenden Eigenschaften ist insbesondere für Anwendungen mit Schrittmotoren vorteilhaft. Diese Auflistung stellt keine Rangfolge dar und erhebt auch nicht den Anspruch auf Vollständigkeit. Sie sollte Anregungen geben, an der stetigen Entwicklung von Zahnriemengetrieben teilzuhaben und weitere Anwendungsfelder zu erschließen. Literatur: [1] ISO 5288: Synchronriementriebe - Vokabular [2] VDI 2758: VDI-Richtlinie - Riemengetriebe [3] ISO 5294: Synchronous belt drives - Pulleys [4] ISO 5296: Synchronous belt drives - Belts [5] ISO 13050: Curviliniear toothed synchronous belt drive systems

6 [6] DIN 7721: Synchronriemengetriebe, metrische Teilung [7] Mulco belt-pilot: [8] Conti VSM-1 / VSM2 Vorspannungsmessgerät für Antriebsriemen. Firmenschrift der ContiTech Antriebssysteme GmbH, Hannover [9] Schulte, H.: Meilensteine und Innovationen der Zahnriemenentwicklung. Tagungsband 10. Fachtagung Zahnriemengetriebe, Dresden [10] Schechinger, B.: Daten- und Energieübertragung mit Zahnriemen. Tagungsband 10. Fachtagung Zahnriemengetriebe, Dresden [11] Terschüren, W.: Erhöhung der Lebensdauer von Zahnriemen durch Verbesserung der Glascordeigenschaften. Antriebstechnik 45(2005)12. [12] Witt, R.; Nagel, T.: Beitrag zur Untersuchung des Biegeverhaltens von Zugträgern für Zahnriemen mit der Methode der Finiten Elemente. Tagungsband 9. Tagung Zahnriemengetriebe, Dresden [13] ATN. Zahnriemen mit integrierter Nockenverbindung. Firmenschrift der MULCO. [14] Wennekamp, T.; Overmeyer, L.: Einsatz von RFID-Technik in Transportbändern. Tagungsband 9. Fachtagung Zahnriemengetriebe, Dresden 2004.