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Fördertechnik - Verschleißanzeichen von Synchronriemen / Toleranzen Zahnscheiben
Synchronriemen bzw. Zahnriemen werden als Antriebselemente in einer Vielzahl von unterschiedlichsten Anwendungen verbaut. Sie zeichnen sich durch eine äußerst präzise Synchronisation und Effizienz aus. Diese Eigenschaft wird in Anwendungen genutzt, bei denen es auf genaues Timing ankommt, wie z.B. bei Positionieraufgaben oder einem Förderband-Riemen in der Verpackungs-, Lebensmittel- oder Automobilindustrie. Doch gerade in diesen Bereichen ist es besonders wichtig, Anzeichen von Zahnriemen-Verschleiß frühzeitig zu erkennen und zu beheben. In diesem Beitrag erfahren Sie, welche typischen Verschleißerscheinungen bei Synchronriemen auftreten und mit welchen Maßnahmen Sie deren Lebensdauer gezielt verlängern können.
Aufbau von Synchronriemen
Um die verschiedenen Verschleißerscheinungen beurteilen zu können, schauen wir uns zunächst den allgemeinen Aufbau eines Synchronriemens an. Auf der Innenseite befinden sich in regelmäßigem Abstand Zähne, die für den Formschluss mit einer Zahnscheibe sorgen. Durch den Formschluss bilden Zahnriemen innerhalb der mechanischen Kraftübertragung eine eigene Klasse. Die Zahnfläche übernimmt dabei eine verstärkende Rolle. Der wichtigste Bestandteil ist der Zugstrang. Dieser befindet sich im Inneren und verhindert die Dehnung des Synchronriemens. Außerdem garantiert er eine gleichmäßige Kraftübertragung (siehe Richtige Auswahl von Getriebe-Synchronriemen). Verschleißerscheinungen am Zugstrang sind besonders schwer zu erkennen, da dieser nicht sichtbar und vollständig im Inneren des Riemens eingebettet ist.
(1) = Gummizahnkörper
(2) = Zahnspitze
(3) = Zahnfläche
(4) = Zahnoberfläche
(5) = Zahnbasis
(6) = Zugstrang
Zahnriemen: Verschleiß erkennen
Synchronriemen unterliegen während ihres Betriebs mechanischen, thermischen und chemischen Belastungen, die zu einem fortschreitenden Verschleiß führen. Um ungeplante Stillstände oder Folgeschäden z.B. im Förderband mit Antrieb zu vermeiden, müssen typische Anzeichen frühzeitig erkannt werden.
Zu den häufigsten Verschleißmerkmalen zählen:
- Risse oder sichtbare Schäden am Gummikörper, insbesondere im Bereich der Zahnflanken und der Zahnbasis. Diese entstehen oft durch Materialermüdung, Überlastung oder äußere Einflüsse wie Öl- oder Chemikalienkontakt.
- Abrieb oder Ausfransungen der Zähne, die auf eine fehlerhafte Ausrichtung der Riemenscheiben im Zahnriemen oder einen zu engen Biegeradius hindeuten können.
- Ungewöhnliche Geräusche während des Betriebs, etwa Brummen, Quietschen oder Heulen, sind ein Hinweis auf mangelhafte Spannung oder eine fehlerhafte Führung des Synchronriemens.
- Ruckeln, Vibrationen oder Leistungsverlust des angetriebenen Systems deuten auf einen ungleichmäßigen Eingriff der Zähne oder verschlissene Profile hin.
- Eine wellige Laufbewegung oder mangelnder Formschluss mit der Zahnriemenscheibe wirken sich negativ auf die Kraftübertragung aus. Eine ungleichmäßige Riemenspannung kann dafür verantwortlich sein.
Die nachfolgende Tabelle zeigt Beispiele für typische Verschleißerscheinungen von Synchronriemen:
| Beispiele | Zustand | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| 1. Wenn das Verstärkungsgewebe der Riemenzähne und der Gummi/Drahtkern Verschleiß aufweist zu sehen ist. Wenn die Zahnoberfächen/Nuten Verschleiß aufweisen und der Gummi/Drahtkern zu sehen ist. |
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| 2. Wenn der Gummi auf der Rückseite Härtungsrisse aufweist |  |
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| 3. Wenn Risse den Gummi erreichen und an der Zahnbasis erkennbar sind |  |
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| 4. Die Riemenseitenflächen sind durch Verschleiß beschädigt |  |
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| 5. Wenn ein fehlender Zahn sichtbar ist |  |
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| 6. Wenn auf der Riemenrückseite vorzeitiger Verschleiß auftritt |  |
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| 7. Wenn der Riemen oder der Drahtkern gebrochen ist |  |
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Doch welche Ursachen hat der Verschleiß von Zahnriemen? Neben den typischen Abnutzungserscheinungen über die Lebensdauer hinweg kann auch ein fehlerhafter Einbau oder eine fehlerhafte Anwendung zu erhöhtem Verschleiß führen. Zahnausbrüche bzw. Zahnrisse entstehen z.B. durch eine Dauerbelastung oder zu kleine Umlenk-Rollen. An dieser Stelle wäre es eine Überlegung wert, auf strapazierfähigere Riemen auszuweichen (z.B. aus PU), Riemenscheiben mit größerem Durchmesser zu verwenden oder die Belastung zu reduzieren. Kantenausfransungen haben ihre Ursache oft in einer fehlerhaften Riemenausrichtung. Abhilfe schafft hier die korrekte Ausrichtung des Riemenantriebs. Ausgebrochene Zähne können auf eine unzureichende Spannung, Fehlausrichtung oder ungeeignete Riemenverzahnung hinweisen. Insgesamt empfiehlt es sich, vor dem Einsatz eines neuen Synchronriemens das Getriebe sowie die Übersetzung und Übertragung der erforderlichen Belastung neu zu berechnen. Oft liegen die Ursachen auch in angrenzenden Komponenten wie beschädigten Wälzlagern.
Riemenscheibe ausrichten
Schon geringe Parallelitäts- und Winkelfehler können zu ungleichmäßigem Abrieb und erhöhter Belastung des Zahnriemens führen. Mit einer falschen Ausrichtung einhergehend sind meist auch eine erhöhte Lärm- und Vibrationsbelastung sowie verringerte Effizienz. Für einen erfolgreichen Einbau sind einige grundlegende Dinge zu beachten.
Die Riemenbreite hat z.B. Einfluss auf die zulässige Abweichung der Riemenscheibenausrichtung, wie in der nachfolgenden Tabelle deutlich wird. Die Auswahl geeigneter, zueinander passender Zahnriemenscheiben und Spannrollen ist ebenfalls relevant für einen erfolgreichen Einbau, siehe dazu unseren Beitrag Zahnriemenscheiben, Synchronriemenscheiben und Spannrollen richtig auswählen und wechseln.
| Serien | Riemenbreite (mm) | Abweichung (tan Θ) |
|---|---|---|
| MXL XL L H S3M/S5M/S8M MTS8M T |
≤10 | 5/1000 |
| >10 ≤20 |
3/1000 | |
| >20 ≤30 |
2/1000 | |
| P2M/P3M/P5M/P8M UP5M/UP8M |
≤30 | 5/1000 |
| 1.5GT/2GT/3GT/5GT EV5GT EV8YU |
≤20 | 6/1000 |
| >20 ≤40 |
3/1000 |
Auch empfiehlt es sich, die Komponenten einer Sichtprüfung zu unterziehen, um etwaige Lagerschäden und Verschmutzungen zu erkennen und diese vorab beheben bzw. entfernen zu können.
Da Riemenscheiben parallel auf gleicher Ebene ausgerichtet sein müssen, ist außerdem unbedingt die Parallelität- und Winkelausrichtung zu überprüfen. Die nachfolgende Abbildung zeigt die ideale Ausrichtung von Riemenscheiben:
Zur Überprüfung kann die Lineal- und Schnurmethode angewendet werden, besser ist jedoch die Verwendung moderner Laser-Ausrichtungssysteme. Dazu wird an der Riemenscheibe ein Laser-Sender sowie an der gegenüberliegenden Scheibe ein Empfänger befestigt. Mittels der Laser lassen sich Abweichungen sofort erkennen und korrigieren. Die Verwendung dieser Systeme ist vor allem bei großen Riemenantrieben oder schwer zugänglichen Stellen zu empfehlen. Zwar ist die Anschaffung eines solchen Systems teuer, langfristig überwiegt aber der Nutzen.
Häufige Fehler bei der Montage und Ausrichtung von Riemenscheiben liegen bereits in der Befestigung. Werden die Stellschrauben z.B. nicht mit dem richtigen Drehmoment angezogen, kann das dazu führen, dass sie sich während des Betriebs wieder lockern und die Riemenscheibe aus ihrer idealen Position rutscht. Die Herstellerangaben zu den Anzugsmomenten sind daher unbedingt einzuhalten. Zusätzlich kann man mit Passscheiben und Spannbuchsen einer Lockerung entgegenwirken.
Vorzeitige Ausfälle und Gegenmaßnahmen
Vorzeitige Ausfälle entstehen oft durch Überlastung, falsche Vorspannung oder unsachgemäße Handhabung. Eine zu hohe Spannung führt zu übermäßiger Zugbelastung, eine zu niedrige Spannung geht mit Schlupf und ungleichmäßiger Kraftübertragung einher. Auch Schmutz, Staub und andere Fremdkörper beeinflussen die Lebensdauer von Synchronriemen maßgeblich.
Die nachfolgende Tabelle gibt einen Überblick über verschiedene Arten vorzeitigen Versagens sowie Maßnahmen, die dagegen helfen:
| Anormale Erscheinungen | Ursache | Maßnahmen |
|---|---|---|
| Anormaler Verschleiß der Riemenseitenflächen | · Riemenscheibenversatz · Versatz der Riemenscheibenwellen · Verbogene Bordscheiben (Riemenscheibenflansche) |
· Neuausrichtung · Wellenversatz korrigieren · Verbogene Bordscheiben gerade biegen |
| Anormaler Verschleiß der Zahnkontakt-Druckoberfäche | · Überlast · Riemenspannung zu groß, zu klein |
· Aufbau durch einen breiteren Riemen oder einen größeren Riementeilabstand ändern · Riemenvorspannung einstellen |
| Übermäßiger Verschleiß des Riemens an der Kontaktstelle mit der Riemenscheibe | · Falsche Zahnform der Riemenscheiben · Riemenspannung zu hoch |
· Riemenvorspannung einstellen · Versuchen, das Riemensystem unter Berücksichtigung des Zahnspitzenradius neu einzustellen |
| Zerbrochener/Fehlender Zahn | · Riemenscheiben-⌀ zu klein · Kleine Riemenscheibe mit 6 Zähnen oder weniger im Eingriff · Es tritt Stoßbelastung aus |
· Design ändern · Anzahl der Riemenscheibenzähne im Eingriff erhöhen oder Design ändern · Stoßbelastung auf den Riemen vermeiden · Riemenbreite erhöhen |
| Abgetrennter Drahtkern | · Überlast · Drahtkern mit verringerter Elastizität oder Korrosion · Eindringen von Fremdkörpern · Übermäßig hohe Temperatur |
· Design ändern · Riemenlagerung und Versandverlauf/Zustand überprüfen · Stoßbelastungen vermeiden · Eine Riemenabdeckung anbringen · Umgebungstemperatur verringern |
| Risse auf der Rückseite Gummi/Kautschuk | · Verwendung bei zu niedrigen Temperaturen · Riemenscheiben-⌀ zu klein |
· Umgebungstemperatur erhöhen · Riemenscheiben-⌀ vergrößern |
| Wärmezersetzung des Gummis | · Zersetzung des Gummis aufgrund zu hoher Umgebungstemperatur | · Umgebungstemperatur verringern |
| Gummischwellung | · Kontakt mit Ölen · Kontakt mit Wasser |
· Kontakt mit Öl vermeiden · Kontakt mit Wasser vermeiden |
| Anormaler Verschleiß der Riemenscheibenzähne | · Überlast · Riemenspannung zu hoch · Riemenscheibenwerkstoff zu weich |
· Design ändern · Die Riemenvorspannung einstellen · Die Oberfäche der Riemenscheiben härten oder den Riemenscheibenwerkstoff ändern |
| Riemenscheibenumfang Verschleiß | · Das Ende der Lebensdauer der Riemenscheibe ist erreicht · Riemenspannung zu hoch (Drahtkern auf der Riemenrückseite sichtbar) |
· Durch eine neue Riemenscheibe ersetzen · Durch eine neue Riemenscheibe und Riemen ersetzen und eine geringere Riemenspannung verwenden |
| Anormale Geräusche | · Riemenspannung zu hoch · Überlast · Riemenscheiben-⌀ zu klein · Falsche Zahnform der Riemenscheiben |
· Neuausrichtung · Riemenvorspannung einstellen · Design ändern · Zahngeometrie der Riemenscheiben korrigieren |
| Offensichtliche Riemendehnung | · Wellenmittenabstand zu gering · Lockere Maschinenbasis |
· Einstellen, um den Wellenabstand zu korrigieren · Maschinenbasis verstärken |
Um vorzeitige Ausfälle im Allgemeinen zu minimieren, ist eine regelmäßige Wartung notwendig. Folgende Maßnahmen können dabei helfen, die Lebensdauer der Synchronriemen und damit des gesamten Antriebsystems zu verlängern.
- Regelmäßige Sichtprüfung, um Risse, Schäden, Verformungen und Abnutzung rechtzeitig zu erkennen.
- Überprüfung der Riemenspannung, da diese sich direkt auf die Leistungsfähigkeit auswirkt.
- Das System sauber halten, damit Fremdkörper den Riemen nicht beschädigen oder in seiner Funktion beeinträchtigen können.
- Eine präzise Ausrichtung sicherstellen und einhalten.
Toleranzen für Zahnscheiben
Für eine zuverlässige Funktion eines Zahnriemenförderers ist nicht nur die Qualität und korrekte Ausrichtung des Zahnriemens entscheidend, sondern auch die Maßhaltigkeit der verwendeten Zahnscheiben. Selbst geringe Abweichungen innerhalb der Fertigungstoleranzen können langfristig zu erhöhtem Zahnriemen-Verschleiß, unruhigem Lauf und im schlimmsten Fall zum Ausfall führen.
Die Toleranzen für Zahnscheiben sind in der DIN ISO 2768 (Allgemeintoleranzen; Toleranzen für Längen- und Winkelmaße ohne einzelne Toleranzeintragung) geregelt, wobei insbesondere die Rundlaufabweichung, Koaxialität und die Passung zur Welle zu beachten sind. Eine unzureichende Koaxialität zwischen Welle und Zahnriemenscheibe kann zu Vibrationen führen, die sich negativ auf das gesamte Riemen-Fördertechnik-System auswirken. Für präzise Anwendungen, wie sie typischerweise in der Industrie vorkommen, sind enge Toleranzen unabdingbar.
Besonders bei hochbelasteten Anwendungen sollten Zahnscheiben mit H7-Bohrung und Passfedernut gemäß DIN 6885 verwendet werden. Für den optimalen Sitz können zusätzlich Spannbuchsen eingesetzt werden, die eine spielfreie Verbindung sicherstellen.
