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Vom Leder- zum Hochleistungszahnriemen

 

Vom Leder- zum Hochleistungszahnriemen

Was vor mehr als zwei Jahrhunderten mit einem einfachen Lederriemen begann, steckt heute bereits voller Hightech. Und auch für die Zukunft liegt noch ein beeindruckendes Potenzial im Riemen.

Technik mit einer langen Tradition

Riemengetriebe haben bereits eine lange Tradition. Vor der Industrialisierung konnte ein Antrieb meist nur für den Betrieb von einer Anlage oder Maschine verwendet werden, da die Antriebsleistung vergleichsweise gering war. Doch mit der industriellen Einführung der Dampfmaschine Ende des 18. Jahrhunderts stand plötzlich eine immense Antriebsleistung zur Verfügung, die für den Betrieb von mehreren Maschinen gleichzeitig eingesetzt werden konnte. In vielen Industriebetrieben wurde nun jeweils eine zentrale Dampfmaschine mit ausreichender Leistung aufgestellt, die alle Maschinen in einer Werkshalle mit Energie versorgen sollte. Als besonders günstig stellte sich die Methode heraus, eine sogenannte Antriebs- oder Transmissionswelle durch die gesamte Produktionshalle zu führen. Überall dort, wo eine Maschine betrieben werden sollte, wurde auf der Welle eine Riemenscheibe angebracht und von dort aus ein Flachriemen zur anzutreibenden Maschine geführt. So war es möglich, die Antriebsleistung auf mehrere Abnehmer zu verteilen. Die Riemen bestanden anfänglich aus Leder, insbesondere Chromleder, später wurden auch spezielle Textilgewebe oder Stahlbänder eingesetzt. Je nach Durchmessern der Riemenscheiben konnte die Drehzahl auf den jeweiligen Verbraucher angepasst werden. Große Distanzen konnten mit vergleichsweise geringem Materialaufwand überbrückt werden. Und sogar Drehrichtungsänderungen waren durch gekreuzte Riementriebe möglich. Erst als es rund 100 Jahre später in der sogenannten zweiten industriellen Revolution möglich wurde, Werkzeug- und Produktionsmaschinen direkt einzeln über einen Elektroantrieb zu betreiben, wurde der Riementrieb zur Übertragung von Drehmomenten nicht mehr so häufig eingesetzt.

Weiterentwicklung der Riemen

Mit der Verwendung neuer Werkstoffe und der Weiterentwicklung der Bauform, beispielsweise zu Zahn- oder Keilriemen, gewann der Riemen später wieder zunehmend an Bedeutung. Sowohl die Form des Riemens als auch die eingesetzten Werkstoffe und der Riemenaufbau sind entscheidend für seine Eigenschaften und Einsatzmöglichkeiten. So konnten beispielsweise durch das Einbringen eines Strangs aus einem zugfesteren Material und das Aufbringen einer Deckschicht aus einer verschleißfesteren Komponente leistungsstärkere und haltbarere Riemen hergestellt werden.

Vielfältige Einsatzgebiete von Zahnriemen

Während Flach- und Keilriemen nur mit Kraftschluss arbeiten, erfolgt bei Zahnriemen die Kraftübertragung formschlüssig. Dadurch sind bei geringerer Vorspannung höhere Kräfte übertragbar und es tritt kein Schlupf auf. Neben der klassischen Verwendung zur Leistungsübertragung werden Zahnriemen als Förder- und Antriebselemente für vielseitige Arbeitsaufgaben eingesetzt. Aufgrund der synchronen Kraftübertragung eignen sie sich unter anderem zum Antrieb von Maschinen, zur Steuerung von Komponenten, zum Transport von Waren und Gütern sowie als Träger von Kontaktgebern oder ähnlichem. Eine taktgenaue und präzise Abstimmung von technischen Prozessen und Arbeitsschritten wie beispielsweise bei Positioniersystemen kann mithilfe von Zahnriemen problemlos realisiert werden.

Veredelung von Zahnriemen

Zahnriemen mit Beschichtungen

Zahnriemen werden in der Regel aus Polyurethan oder Chloropren-Kautschuk (umgangssprachlich auch als Neopren bekannt) gefertigt. Während Polyurethane in ihren Eigenschaften vielseitig modifiziert werden können, zeichnet sich Chloropren hauptsächlich durch seine hohe Beständigkeit gegen Chemikalien, Versprödung und Witterungseinflüsse aus. Durch eine passende Beschichtung der Funktionsflächen können Zahnriemen für spezielle Transport- und Förderaufgaben noch weiter verbessert werden. Je nach Materialauswahl der Beschichtung werden bestimmte Eigenschaften des Zahnriemens optimiert. Soll beispielsweise ein sehr empfindliches Gut gefördert werden, kann ein weicher Kunststoffschaum auf die Riemenoberfläche aufgetragen werden. Eine Elastomerschicht macht die Oberfläche elastisch nachgiebig. Wird der Riemen mit hitzebeständigem Filz beschichtet, kann er zum Transportieren von heißen Teilen eingesetzt werden. Einige Beschichtungsmaterialien zeichnen sich durch besonders hohe beziehungsweise niedrige Reibwerte aus, woraus unterschiedliche Mitnahmeeigenschaften für Fördergüter erreicht werden können. Und auch die Shore-Härte der Funktionsfläche ist durch Auswahl eines entsprechenden Werkstoffs sehr präzise einstellbar. Die Liste der möglichen Beschichtungswerkstoffe ist schier endlos. Neben den bereits oben genannten Materialien werden beispielsweise auch PVC, PU, EPDM, Viton, Correx, Linatex, Schwammgummi, Silikon, Sylomer und so weiter verwendet. Für die Aufbringung der Beschichtung stehen verschiedene Verfahren zur Verfügung: Je nachdem, um welche Kombination aus Grund- und Beschichtungswerkstoff es sich im Einzelfall handelt, kann die Verbindung durch Kleben, Schweißen, Vulkanisieren oder Sprühen hergestellt werden.

Bearbeitung beschichteter Zahnriemen

Beschichtete Zahnriemen können bei Bedarf mechanisch bearbeitet werden, um die Mitnahmeeigenschaften weiter zu optimieren. Typische Bearbeitungsverfahren sind Fräsen, Sommern, das Einbringen von Längsrillen, Wasserstrahlschneiden und Profilfräsen. Beim Sommern werden feine Querrillen in besonders dicke Zahnriemen eingebracht, damit sich diese besser umlenken lassen und weniger anfällig für Risse sind. Längsrillen sichern Transportgüter gegen seitliches Abrutschen und verbessern den Transport von beispielsweise Kartonagen oder Holz. Mithilfe von Wasserstrahlschneiden können sehr komplexe Oberflächengeometrien in den Beschichtungen realisiert werden. Und durch Profilfräsen lassen sich die verschiedensten Rückenprofile gestalten.

Zahnriemen mit Nocken

Zahnriemen mit Mitnehmernocken werden eingesetzt, um Stückgut der unterschiedlichsten Abmessungen und Formen zu transportieren. Die Formen der Nocken sowie ihre Anzahl sind dabei genauso vielfältig wie die zu transportierenden Teile. Oft wird die Nockenform ganz individuell für das jeweilige Transportgut konstruiert und gefertigt. Nocken aus PU können auf den Rücken eines Zahnriemens desselben Materials einfach aufgeschweißt werden. Diese Methode bietet sich vor allem dann an, wenn mit dem Riemen immer dieselbe Teilegeometrie transportiert werden soll. Sollen auf derselben Anlage immer wieder unterschiedliche Teile transportiert werden, kann ein Wechselnockensystem vorteilhaft sein. Dabei wird jeweils ein ganzer Zahn des Zahnriemens weggefräst und stattdessen eine Einlegeschiene aus Messing oder Edelstahl befestigt, die auf der Zahnseite den Zahn ersetzt und auf der Rückenseite mehrere Gewindebohrungen aufweist. An diesen können dann die austauschbaren Wechselnocken aufgeschraubt werden.

Vakuumzahnriemen

Sollen leichte Teile wie beispielsweise Papier, Blisterverpackungen, Folien oder ähnliches transportiert werden, kommen oft Vakuumriemen zum Einsatz. Dabei handelt es sich um einen beschichteten Zahnriemen, der im Riemenrücken Nuten und Löcher aufweist. Auf der Zahnseite befindet sich eine durchgehende ausgefräste Längsnut. Wird der Riemen über ein Vakuum geführt, leiten die durchgehenden Bohrungen den Unterdruck an die Vertiefungen im Riemenrücken weiter. Das Fördergut wird dadurch angesaugt und während des Transports gehalten. In die Riemen können je nach Transportaufgabe unterschiedliche Nuten- und Lochgeometien eingearbeitet werden.

Intelligente Zahnriemen – Ausblick in die Zukunft

Eingebettet im Inneren der neuesten Riemen liegen nicht nur die üblichen Zugstränge, sondern Leitungen, die die bis dato separaten Energieketten einfach ersetzen. Strom, Druckluft, Öl und sogar Daten werden per Zahnriemen übertragen. Die Patente für die Zusatzfunktionen sind längst angemeldet, funktionsfähige Prototypen sind bereits im Einsatz. Auch RFID-Chips können mittlerweile in Zahnriemen verbaut werden. Da sie mit extrem kleinen Abmessungen hergestellt werden und stabil genug sind, um den Bedingungen beim Vulkanisieren standzuhalten, eignen sie sich sogar für den Einsatz in nur wenige Millimeter dicken Transportbändern. Lediglich das Auslesen von Daten bei hohen Geschwindigkeiten stellt im Moment noch ein Problem dar. Bereits in der Entwicklung befindet sich auch der intelligente Zahnriemen: Sensoren sollen die Zugspannung im Inneren des Riemens überwachen und kleinste Veränderungen an den eingebetteten Zugsträngen erfassen und melden. Damit können Verschleißerscheinungen bereits frühzeitig erkannt werden. Die neueste Riemengeneration hat es also im wahrsten Sinne des Wortes in sich. Trotz seiner langen Historie kann der Riemen auch in der Industrie 4.0 problemlos seinen Platz behaupten.

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