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.
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:
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:
Bei Nähmaschinen um 1960 wurden Zahnriemen aus einem bandförmigen Schnurwickel mit in Abständen umfassend aufgepressten C-Klammern aus Rundstahldraht als Zähne verbaut.
Die Zähne eines Zahnriemens verlaufen quer zu seiner Umfangsrichtung, ähnlich wie Sprossen einer Leiter. Ein Rillenriemen hingegen hat zum Eingriff in eine Rillenscheibe auf seiner Innenseite mehrere parallele Längsrillen. Der quer durchgeschnittene Rillenriemen weist dort ein zick-zackförmiges Profil auf.
Zahnriemen werden generell für zwei Zwecke eingesetzt:
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
Nachteile gegenüber Steuerketten
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.
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.
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. Beim Radfahren wird zwar vergleichsweise wenig Dauerleistung übertragen, jedoch treten sehr hohe Anfahrkräfte auf, die einen Zahnriemen auf Dehnung belasten, die proportional den Wirkungsgrad verringert und sowohl Kunststoff-Zahnscheibe als auch Riemen verschleissen lassen.
Gummi-Gleisketten, wie sie bei kleinen Baumaschinen und Modellfahrzeugen Verwendung finden, sind zwar ähnlich aufgebaut, werden aber nicht als Zahnriemen bezeichnet.