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antriebstechnik 3/2015

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GETRIEBE UND

GETRIEBE UND GETRIEBEMOTOREN Ein vielseitiges Maschinenelement Warum der Zahnriemen für den Maschinenbau unentbehrlich geworden ist Helmut Braitinger Zahnriemen sind flexible Allrounder: Ob als Zugmittel getriebe, Bewegungswandler oder Transportmittel werden sie in zahlreichen Bereichen eingesetzt. Doch was sind ihre jeweiligen Vorteile und wie genau kommen sie in der Industrie zur Anwendung? 1 Einleitung Folgt man den einschlägigen Normen [1, 2, 3], müsste man eigentlich über den „Synchronriemen“ berichten. Dennoch hat sich sowohl in den Normen als auch vorallem in der Praxis der Begriff „Zahn riemen“ etabliert. Deshalb soll auch in diesem Beitrag vom weit verbreiteten Zahnriemen die Rede sein, zumal die zitierten Normen mit diesem nicht durchsetzungsfähigen Begriff die ansonsten übliche Definition von Zugmitteln entsprechend deren geometrischer Querschnittsform (Flachriemen, Keilriemen, Rundriemen) ohne wirkliche Not verlassen und stattdessen die Funktion in den Vordergrund gestellt hat. Vermutlich ist jedoch der Prof. Dr. Helmut Braitinger lehrt an mehreren Hochschulen Elektrische Antriebe, Mechanische Antriebe sowie Robotik Begriff des Synchronriemens der Übersetzung aus dem englischen Vokabular (synchronous belt, timing belt) geschuldet, zumal dieser vor fast 70 Jahren in den USA für die Synchronisierung der Nadel- und der Spulenbewegung bei Nähmaschinen erfunden wurde. Rasche Verbreitung fanden die Zahnriemen schließlich dann bei Kraftfahrzeugen zur synchronen Steuerung der Nockenwelle anstelle bis dahin üblicher Kettentriebe. Im vorliegenden Beitrag soll jedoch vor allem auf ein weiteres Anwendungsgebiet mit zunehmender Bedeutung hingewiesen werden: den industriellen Einsatz im Maschinenbau. In diesem Anwendungsgebiet hat sich nämlich der Zahnriemen als ein äußerst universelles und vielseitiges Maschinenelement erwiesen. Dabei haben alle Anwendungen auf diesem Gebiet, so verschieden diese auch sind, stets mit Bewegungen zu tun. Hierzu zählen insbesondere Verwendungen von Zahnriemen als ■ Zugmittelgetriebe für rotierende Bewegungen ■ Bewegungswandler für lineare Bewegungen ■ Transportmittel für Werkstücke Für diese Zwecke stellt der Markt eine Vielfalt an Werkstoffen und Zahnprofilen für Zahnriemen zur Verfügung. Dennoch finden gerade die vielseitigen Anwendungen dieses universellen Maschinenelementes sowohl in der einschlägigen Literatur als auch in Veröffentlichungen der Zahnriemen-Hersteller noch lange nicht die ihm gebührende Beachtung. Mit diesem Beitrag soll daher versucht werden, den Zahnriemen etwas aus seinem unverdienten Schattendasein hervorzuholen. 2 Allgemeine Vorteile von Zahnriementrieben Mit Zahnriementrieben können grundsätzlich Drehmomente, Drehzahlen, Drehrichtungen oder Bewegungsarten gewandelt werden. Die Energieübertragung erfolgt dabei formschlüssig, d. h. ohne Schlupf, also synchron (daher auch die Bezeichnung „Synchronriemen“). Dies führt zugleich zu einem hohen Wirkungsgrad von bis zu 98 %. Analog zu den kraftschlüssigen Zugmitteltrieben (Flach-, Keil-, Rundriemen) wirkt der Zahnriementrieb schwingungsdämpfend, arbeitet geräuscharm und benötigt vor allem keine Schmierung. Deshalb kann oft auf ein eigenes Gehäuse – von einer Abdeckung als Berührungs- und Fremd körperschutz einmal abgesehen – verzichtet werden. Außerdem genügt eine relativ geringe Vorspannung des 28 antriebstechnik 3/2015

GETRIEBE UND GETRIEBEMOTOREN 02 Aufgrund unterschiedlicher Anforderungen haben sich drei Ausführungen der Zahnriemen-Linearachsen etabliert 01 Bei Zahnriemengetriebe erfolgt die Energieübertragung synchron Zahnriemens, was letztlich unmittelbar zu einer geringeren Belastung der beteiligten Wellen und Lager führt. Aus den genannten Gründen sind manche Antriebslösungen erst durch den Einsatz von Zahnriemen möglich geworden. Beispielhaft kann hier der Synchronlauf von zwei oder mehr parallelen Wellen mittels Zahnriemengetriebe sowie Lineareinheiten mit omega-förmiger Riemenführung genannt werden. 3 Anwendungen von Zahnriemen 3.1 Zugmittelgetriebe In Zugmittelgetrieben wird eine rotierende Antriebsbewegung in eine oder meh rere ebenfalls rotierende Abtriebsbewe gung(en) gleicher oder unterschiedlicher Drehzahl und/oder Drehrichtung umgewandelt. Hierfür kommen endlose Zahnriemen zur Anwendung. Gegenüber Rädergetrieben lassen sich mit nur zwei Rädern (Zahnscheiben) nahezu beliebige Achsabstände zwischen Antriebsund Abtriebswelle(n) über brücken, wobei der Achsabstand zudem keinen Einfluss auf das Übersetzungs verhältnis hat. Wie bei Rädergetrieben ergibt sich aufgrund des fehlenden Schlupfes ein konstantes Übersetzungsverhältnis allein aus den Zähnezahlen der beteiligten Zahnscheiben. Kostengünstiger als ein Zahnradge triebe ist ein Zahnriemengetriebe allemal, da die Genauigkeitsanforderungen wesentlich geringer sind als bei unmittelbar miteinander im Eingriff befindlichen Zahnrädern. Es soll hier auch nicht unerwähnt bleiben, dass sich bei Zahnriemengetrieben gleichzeitig wesentlich mehr Zähne im Eingriff befinden als dies bei Zahnradgetrieben der Fall ist und dadurch die übertragbare Leistung trotz der beim Zahnriemen geringeren Einzelzahn- Belastbarkeit insgesamt durchaus vergleichbar oder sogar höher ist. Nicht uninteressant ist schließlich auch die Tatsache, dass ein Zahnriementrieb aufgrund der schlechten Wärmeleitung als thermische Entkopplung, bspw. zwischen der Motorwelle und dem mechanischen Teil eines Antriebsstranges, verwendet werden kann. Mit Hilfe einer oder mehrerer Spannrollen kann zudem bei Bedarf nicht nur der Umschlingungswinkel insbesondere an der kleinen Zahnscheibe – und somit die Anzahl der tragenden Zähne – erhöht, sondern zugleich auch noch die erforderliche Vorspannung erzeugt werden. 3.2 Bewegungswandler Bewegungswandler dienen unter anderem zur Umwandlung einer rotatorischen Antriebsbewegung in eine translatorische Abtriebsbewegung. Zahnriemenbasierte Linearachsen bieten hier eine kostengünstige Alternative zu anderen Systemen wie z. B. Gewindetrieben oder Zahnstange/ Ritzel-Systemen und können bei den Linearachsen mit einem Marktanteil von über 60 % auch auf die größte Verbreitung verweisen [5]. Die verwendeten Zahnriemen sind endlich und hinsichtlich ihrer Länge auf die vorgesehenen Verfahrwege abgestimmt. Bewegungswandler mit Zahnriemen, auch unter der Bezeichnung Zahnriemen- Linear achsen bekannt, haben sich im Maschinenbau sowie in der Automatisierungstechnik rasch etablieren können, da diese einerseits große Verfahrwege ermöglichen und andererseits kostengünstig sind. Für die unterschiedlichen Anforderungen haben sich im Wesentlichen drei verschiedene Ausführungen herauskristallisiert: n Linearschlitten mit stationärem Antrieb, aufgrund des insgesamt langen (umlaufenden) Zahnriemens (etwa doppelte Verfahrweg-Länge) insbesondere für kurze und mittlere Verfahrwege geeignet antriebstechnik 3/2015 29

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