Welchen Einfluss hat die Zahnkonstruktion des Zahnriemens auf die Übertragungsleistung?

Der Zahnriemen ist eine entscheidende Komponente im Ventiltrieb von Automobilmotoren und verantwortlich für die präzise Synchronisierung der Drehung von Kurbelwelle und Nockenwelle. Sein Zahnprofil bestimmt nicht nur die Eingriffseigenschaften des Riemens und der Zahnriemenscheibe (Kettenrad), sondern wirkt sich auch direkt auf die Effizienz, Geräuschentwicklung, Haltbarkeit und Wartungskosten des Antriebsstrangs aus.

Kernziele und Herausforderungen des Zahnprofildesigns

Der core of a timing belt drive lies in achieving zero-slip synchronous transmission. Tooth profile design must balance the following key objectives:

Timing-Genauigkeit: Gewährleistet eine konstante Phasendifferenz zwischen Kurbelwelle und Nockenwelle während des gesamten Betriebszyklus.

Belastbarkeit: Der Riemen muss das zum Antrieb der Nockenwelle erforderliche Drehmoment zuverlässig übertragen, insbesondere unter hohen Geschwindigkeits- und Lastbedingungen.

Geräusch- und Vibrationsreduzierung: Optimiert den Eingriffsprozess, um durch Stöße und Reibung erzeugte Geräusche zu reduzieren.

Lebensdauer: Maximiert die Verschleiß- und Ermüdungsbeständigkeit von Riemen und Riemenscheibe.

Analyse gängiger Zahnprofile und ihrer Übertragungseigenschaften

Die Zahnprofile von Zahnriemen haben sich in erster Linie von Trapez- zu Kreisbogenzähnen entwickelt, wobei jedes Design unterschiedliche Übertragungsvorteile und -beschränkungen mit sich bringt.

1. Trapezförmiger Zahn

Dies ist die früheste Synchronriemenkonstruktion.

Übertragungseigenschaften: Trapezförmige Zähne haben gerade Seitenwände, und beim Eingriff wird die Last hauptsächlich von den Seiten und der Oberseite der Zähne getragen.

Auswirkungen:

Spannungskonzentration: Spannungskonzentration ist ein großer Nachteil von Trapezzähnen und tritt an den Zahnwurzeln und Zahnecken auf. Hohe Spannungen können leicht zu Ermüdungsrissen des Riemens führen, insbesondere bei Schwerlast- oder Hochgeschwindigkeitsanwendungen, wodurch die Tragfähigkeit des Riemens eingeschränkt wird.

Scherfestigkeit: Trapezförmige Zähne haben eine relativ geringe Scherfestigkeit, wodurch sie anfällig für Abscherungen an ihrer Basis sind.

Übertragungsgenauigkeit: Aufgrund des großen Spiels kommt es beim Wechsel der Lastrichtung leicht zu Spiel und Stößen, was sich auf die Übertragungsgenauigkeit und -stabilität auswirkt.

Anwendungen: Mit zunehmender Motorleistung und -komplexität ist der Einsatz von Trapezzähnen in modernen Steuersystemen für Kraftfahrzeuge erheblich zurückgegangen und wird zunehmend in Industrieanwendungen mit niedriger Drehzahl und geringer Last eingesetzt.

2. Krummliniger Zahn

Krummlinige Zähne sind das gängige Design moderner Zahnriemen, einschließlich Varianten wie **HTD (High Torque Drive)** und **STD (Super Torque Drive).

Übertragungseigenschaften: Das glatte, kreisförmige Zahnprofil sorgt für eine gleichmäßigere Lastverteilung. Während des Eingriffs richtet sich das Zahnprofil der Riemenscheibe eng an das Zahnprofil des Riemens an.

Auswirkungen:

Spannungsverteilung: Krummlinige Zähne verteilen die Spannung von der konzentrierten Belastung an der Zahnecke auf die gesamte Zahnoberfläche und Zahnwurzel. Dadurch werden die Ermüdungslebensdauer und die Drehmomenttragfähigkeit des Riemens erheblich verbessert. Ihre breitere und dickere Zahnwurzelkonstruktion sorgt für eine deutlich höhere Scherfestigkeit als Trapezzähne.

Glätte der Übertragung: Die gekrümmten Zähne sorgen für ein sanfteres Ein- und Ausrollen im Eingriff und reduzieren effektiv Stöße beim Eingriff. Dadurch werden Systemvibrationen und Betriebsgeräusche direkt reduziert und die NVH-Leistung (Noise, Vibration, Harshness) verbessert.

Positionierungsgenauigkeit: Aufgrund ihrer erhöhten radialen und axialen Steifigkeit beim Eingriff können bogenförmige Zähne eine hervorragende Synchronisierungsgenauigkeit beibehalten und gleichzeitig ein hohes Drehmoment übertragen.

Anwendungen: Weit verbreitet in modernen Motorsteuerungssystemen für Kraftfahrzeuge, die hohe Präzision, hohe Drehmomentübertragung und geringe Geräuschentwicklung erfordern.

3. Verbesserte bogenförmige Zähne (z. B. Parabolzähne und modifizierte Schrägzähne)

Um die Leistung bogenförmiger Zähne weiter zu optimieren, haben Hersteller verschiedene verbesserte Zahnprofile entwickelt.

Übertragungseigenschaften: Diese Zahnprofile optimieren typischerweise die Zahnprofilgeometrie basierend auf der Bogenform, um Polygon- und Strömungseffekte während des Eingriffs weiter zu reduzieren.

Auswirkungen:

Geräuschreduzierung: Entwickelt für einen leiseren Betrieb. Einige Designs optimieren beispielsweise die Kompression und Freisetzung der Luft zwischen den Zähnen, indem sie den Zahnumschlingungswinkel ändern und so hochfrequente Geräusche effektiv reduzieren.

Derrmal Management: Optimizing the tooth profile helps dissipate heat, reducing thermal aging of the belt during high-speed operation, and indirectly improving durability.

Hochfrequente Vibrationen: Diese fortschrittlichen Zahnprofile absorbieren und verteilen hochfrequente Vibrationen, die vom Ventiltrieb unter anspruchsvollen Motorbetriebsbedingungen erzeugt werden, besser.