Zahnriemenantrieb – was jeder Autofahrer wissen sollte

Der Zahnriemen in Fahrzeugen ist eines der wichtigsten Systeme, das nicht nur die korrekte Steuerung der Komponente gewährleistet, die den Motor mit Kraftstoff versorgen und die Abgase abführen, sondern auch die korrekte Synchronisierung des Kurbel-Kolben-Systems mit dem Ventilsteuerungssystem. Eine unzureichende Synchronisierung kann zu einem schwerwiegenden und kostspieligen Systemausfall führen. Damit der Zahnriemen effektiv arbeiten kann, müssen alle Komponenten sicher und zuverlässig funktionieren. Die derzeit am häufigsten verwendeten Komponenten zur Kraftübertragung von der Kurbelwelle auf den Zahnriemen sind:

• Zahnriemen,
• Ketten,
• Zahnräder.

Zahnräder sind laut, schwer und kostspielig für den Hersteller, was bei dem derzeitigen Trend zum „Abnehmen“ der Fahrzeuge als Nachteil angesehen wird. Aufgrund des Reibungswiderstandes zwischen den Rädern muss ein solches System ständig geschmiert werden, sein Vorteil ist jedoch seine Langlebigkeit.

Die Steuerkette ist eine zuverlässige und dauerhafte Lösung. In manchen Motoren hält es sogar eine Laufleistung von 300.000 bis 500.000 Kilometern aus. Für den durchschnittlichen Fahrzeugnutzer bedeutet dies praktisch keine Ersatzkosten über die gesamte Lebensdauer des Systems. Andererseits ist es für den Automobilhersteller teurer als z. B. ein Zahnriemen.

Der Zahnriemen ist eine Kompromisslösung. Er ist billig in der Herstellung, leicht, leise im Betrieb und benötigt keine Schmierung. Die Konstruktion der Riemen wird ständig verbessert, um ihre Lebensdauer zu verlängern.

Heute ist die Mehrzahl der modernen Motoren mit einem Zahnriemen ausgestattet, obwohl der Anteil der Steuertriebe mit einer Kette unbestreitbar zunimmt.

 

Der Zahnriemenantrieb besteht nicht nur aus der Kurbelwelle, Nockenwellen mit Zahnrädern oder Antriebskomponente. Es sind auch alle zusätzlichen Komponenten, die mit dem System zusammenarbeiten, wie z.B.

• Spannrollen (Spanner),
• Führungsrollen,
• Wasserpumpen
• Einspritzpumpen,
• Gleitlager (in Systemen mit Kettenantrieb), usw.

Das System, das diese Komponenten enthält, kann als Riemenantrieb bezeichnet werden.

 

Ein Beispiel für einen Zahnriemenantrieb ist unten dargestellt (Abb. 1).

Zahhnriemenantrieb (VW Polo 1.4 16V – AUA)

1 – Zahnriemen

2 – Kurbelwellenzahnrad

3 – Spannrolle (Spanner)

4 – Wasserpumpe

5 – Führungsrolle

6 – Nockenwellenzahnrad – Einlassventil

7 – Zahnriemen der Abgasnockenwelle

8 – Nockenwellenzahnrad – Auslassventil

9 – Spannrolle

10 – Führungsrolle

 

Im Folgenden erläutert ein ContiTech-Experte die einzelnen Komponenten des Zahnriementriebs.

 

Zahnriemen

Er ist eine der wichtigsten Komponenten dieser Art von Antrieb. Seine Aufgabe ist nicht nur, den Antrieb von der Kurbelwelle auf die Nockenwelle(n) zu übertragen, sondern auch andere Komponenten wie die Wasserpumpe oder die Einspritzpumpe anzutreiben. Der Riemen soll leise, leichtgängig und störungsfrei laufen.

Die Komponenten, aus denen sich der Zahnriemen zusammensetzt, gewährleisten eine angemessene Lebensdauer und Haltbarkeit. Abb. 2 zeigt den grundsätzlichen Aufbau eines Riemens.

Aufbau des Zahnriemens

1 – Riemenrücken

2 – Glasfaserkabel

3 – Riemenzähne

4 – Teflon oder Gewebe zur Verstärkung der Zähne

 

Der Riemenrücken besteht aus synthetischem Kautschuk. Dieses Material zeichnet sich durch eine sehr gute Elastizität aus. Außerdem ist es sehr gleitfähig, wodurch an der Kontaktstelle zwischen Riemenrücken und z.B. Führungsrolle oder Spanner keine großen Widerstandskräfte (Reibung) entstehen. Denn durch die Reibung entsteht eine beträchtliche Menge an Wärme, die sogar zum Schmelzen des Riemens oder der Riemenscheibe führen kann, wenn die Laufbahn aus Kunststoff besteht. Leider ist synthetischer Kautschuk, aus dem auch die Riemenzähne bestehen, nicht beständig gegen Chemikalien, insbesondere gegen solche auf Kohlenwasserstoffbasis (Öle, Schmierfette, Kraftstoffe, Lösungsmittel usw.) und Silikone. Diese Verbindungen führen zu einer Zerstörung des Riemens. Infolgedessen wird er vulkanisiert. Das bedeutet, dass sich die Komponenten des Riemens trennen und der Riemen zu „quellen“ beginnt, was zu einer Verringerung seiner Festigkeit führt. Aus diesem Grund sollten niemals chemische Mittel zur Beseitigung von „Riemenquietschen“ verwendet werden. In den meisten Fällen führt dies zu einem schwerwiegenden Motorschaden, so dass eine eventuelle Reklamation nicht anerkannt wird.

Im Inneren des Riemens ist ein Glasfaserkabel eingebettet. Es verleiht dem Riemen eine hohe Zugfestigkeit (es ist bei der Betriebstemperatur des Motors praktisch nicht dehnbar) und ist hitzebeständig (keine Wärmedehnungserscheinung). Dadurch wird das Risiko vermieden, dass der Riemen springt oder reißt, was zu einer Verschlechterung der Motorleistung oder einem Ausfall des Motors führen könnte. Leider hat das Glasfaserkabel einen entscheidenden Nachteil. Es ist nicht resistent gegen übermäßiges Knicken. Es besteht dann die Gefahr, dass es bricht, was zu einem starken Abfall der Zugfestigkeit führt. Aus diesem Grund dürfen Zahnriemen nie unnötig aus der Werksverpackung gezogen werden, um den Riemen nicht zu beschädigen, auch nicht aus Versehen. Wenn ein Riemen genommen wurde, versuchen Sie nicht, ihn wieder in die Verpackung zu legen. Selbst dann besteht die Gefahr von Schäden. Wenn Glasfaserkabel im Riemen verwendet werden, bringen die Hersteller auf dem Riemenrücken einen besonderen Warnhinweis an, in der Regel in Englisch und/oder Deutsch: “ Do not crimp „, „Nicht knicken“.

Ein weiteres Element im Riemenaufbau sind die Zähne. Wie bereits erwähnt, werden sie in der Regel aus synthetischem Kautschuk hergestellt. Natürlich ist es nicht nur Kautschuk. Außerdem werden spezielle Zusatzstoffe wie UVA- und UVB-Filter und Anti-Aging-Substanzen zur Verbesserung der Temperaturbeständigkeit eingeführt. Die Aufgabe der Riemenzähne ist es, die Antriebskräfte von der Kurbelwelle auf alle angetriebenen Komponenten des Steuerriemens zu übertragen.

 

Es gibt 3 Grundprofile (Formen) der Verzahnung (Abb. 3):

1. Kreisprofil,
2. Trapezprofil,
3. Evolventenprofil

• Verzahnungsprofile der Zahnriemen
  1. Kreisprofil
  2. Trapezprofil
  3. Evolventenprofil

 

 

Bei einigen Riemen mit trapezförmigem Verzahnungsprofil sind spezielle Rillen zu sehen, die über die gesamte Länge der Zahnfläche verlaufen. Diese dienen dazu, die Luft zwischen den Zähnen vollständig zu entfernen, wenn der Motor bei hohen und sehr hohen Drehzahlen läuft. Diese Lösung soll die Zahnstruktur weiter verstärken (verstärken und versteifen) und die Reibung zwischen dem Riemenzahn und dem Zahnrad (Teflon) verringern. In einigen Fällen wird das Gewebe vor der Vulkanisierung vernäht oder überlappt.

Der letzte Bestandteil des Zahnriemens ist ein spezielles Gewebe oder Teflon, mit dem die Zähne beschichtet sind. Diese Lösung soll die Zahnstruktur weiter verstärken (verstärken und versteifen) und die Reibung zwischen dem Riemenzahn und dem Ritzel (Teflon) verringern. In einigen Fällen wird das Gewebe vor der Vulkanisierung mit einer Heftnaht an ein oder auch zwei Stellen verbunden.

Um alle Riementeile wirksam und dauerhaft zu verbinden, werden sie vulkanisiert, d.h. einer Wärmebehandlung bei entsprechender Temperatur und Druck unterzogen. Diese Behandlung führt zu einer Erhöhung der Festigkeit, z. B. gegen Temperatur oder Reißen.

Die meisten Hersteller bringen auch einen speziellen vulkanisierten Aufkleber auf der Rückseite des Zahnriemens an, auf dem die häufigsten Daten zu finden sind:

1. Herstellername,
2. Katalognummer
3. Herstellungsland
4. Herstellungsdatum
5. Warnung „Nicht knicken“.

Abb. 4 zeigt ein Beispiel für die Bezeichnung von Continental ContiTech Zahnriemen.

Die Kennzeichnungen auf einem Continental ContiTech CT 909 Zahnriemen:
Herstellername, 2. Katalognummer, 3. Herstellungsland, 4. Warnung „Nicht knicken“ in Deutsch und Englisch, 5. Herstellungsdatum im Format „ddmmrrrr“.

 

Für Autofahrer und Mechaniker ist das Produktionsdatum des Riemens eine sehr wichtige Information. Nach den Empfehlungen der meisten Hersteller von Riemen darf die maximale Haltbarkeit eines Riemens (unter angemessenen Lagerbedingungen) 5 Jahre ab dem Herstellungsdatum nicht überschreiten. Ist dieser Zeitraum überschritten, muss der Riemen entsorgt werden. Wie bereits erwähnt, dürfen die Zahnriemen jedoch nicht aus der Verpackung genommen werden, um eine Beschädigung der Glasfaserkabel zu vermeiden. Wie kommt man also an diese Informationen? Nun, auf den von ContiTech hergestellten Zahnriemenboxen oder Sets, die diese Riemen enthalten, wurden spezielle Kennzeichnungen angebracht, damit sowohl Händler als auch Käufer sofort wissen, ob der Riemen oder das Set noch verwendet werden kann oder nicht. Abbildung 5 zeigt ein Beispiel für eine solche Kennzeichnung.

Kennzeichnung auf der Zahnriemenbox

Continental ContiTech CT909

1. Katalognummer
2. Information über die maximale Haltbarkeitsdauer zur Montage (Installieren ˂ Montieren bis …)
3. Herstellungsland
4. Anzahl der Zähne

Bei der Auswahl eines Zahnriemens ist es wichtig, den Verwendungszweck für das jeweilige Fahrzeug- und Motortyp zu berücksichtigen, wobei z. B. auch der Herstellungszeitraum des Motors oder die Karosserienummer berücksichtigt werden müssen. In diesem Fall ist es ratsam, die entsprechenden Kataloge zur Riemenauswahl zu verwenden, sowohl in Papierform als auch elektronisch, z. B. online auf der Website des Herstellers.

 

Die Spannrolle, d.h. der Spanner

Er ist ein unverzichtbarer Bestandteil dieses Systems. Der Spanner sorgt für die richtige Spannung des Zahnriemens, unabhängig von der Motordrehzahl und der Belastung. Außerdem hat er die Aufgabe, die Vibrationen des Riemens zu dämpfen, weshalb er oft als nächstes Element hinter der Kurbelwelle angebracht wird und den Riemen im richtigen Winkel zum nächsten Zahnrad führt, damit die richtige Anzahl von Zähnen das erforderliche Drehmoment überträgt. Es gibt 2 Arten von Spannern, je nach Spannmethode: automatische – der Spanner hält automatisch die korrekte Riemenspannung, z.B. mittels einer Feder oder eines Hydraulikzylinders, wobei es nicht notwendig ist, die Spannung einzustellen oder die Riemenspannung nach einem Wechsel zu überprüfen (eine Ausnahme ist z.B. der Fiat 1.2i Motor (Typ 188 A4), bei dem es obligatorisch ist, die Riemenspannung vor der Wasserpumpe zu überprüfen); und nicht-automatische (manuelle), bei denen die Riemenspannung normalerweise vom Mechaniker bestimmt wird, indem der Spanner entsprechend eingestellt wird. Bei nicht automatischen Spanner ist es üblich, dass die Motoren- oder Fahrzeughersteller die Benutzer auffordern, den Riemenantrieb regelmäßig zu überprüfen und gegebenenfalls die Spannkraft einzustellen. Ein Ausfall dieser Komponente im System führt zu Problemen bei der Riemenspannung, was zu Riemenbrüchen, beschädigten Zähnen oder zum Überspringen der Zahnräder führen kann, was wiederum kostspielige Motorreparaturen zur Folge hat. Abbildung 6 zeigt einen Riemen, der aufgrund einer blockierten Spannrolle durchgebrannt ist.

• Typische Schadensfälle bei Spannern: a) Spannerlager zerstört, b) Spanner-Verriegelungselement durch zu geringe Riemenspannung beschädigt, c) Spanner-Einstellelement durch zu hohes Drehmoment an der Befestigungsschraube beschädigt

a)

Wasserpumpe

Die Wasserpumpe sorgt für eine konstante Zirkulation des Kühlmittels im System mit dem richtigen Druck. Wenn die Flüssigkeit nicht richtig zirkuliert, steigt die Motortemperatur in kurzer Zeit an und kann sogar zum Festfressen des Motors führen. Es ist daher nicht verwunderlich, dass die Effizienz der Pumpe und des Kühlsystems für die meisten Fahrer und Mechaniker der sprichwörtliche „Augapfel“ ist. Sehr häufig wird dieses Bauteil über den Zahnriemen angetrieben, entweder über eine Verzahnung oder einen entsprechend verstärkten Riemenrücken. Ein Ausfall der Pumpe kann auch zu Schäden am Riemenantrieb und vor allem am Riemen führen. Festgefressene/beschädigte Pumpenlager, defekte Riemenscheiben oder Lecks sind die häufigsten Schäden, die die Lebensdauer und den Betrieb des Riemens beeinträchtigen. Verbrennungen, Gummiversteifungen, gebrochene Zähne oder der gesamte Riemen sind typische Schäden, die mit einem Defekt der Wasserpumpe einhergehen. Abbildung 8 zeigt einige typische Schadensfälle von Wasserpumpen.

a)

b)

c)

Typische Schadensfälle bei Wasserpumpen: a) gebrochenes Pumpenlaufrad aufgrund von Alter oder Überhitzung, b) beschädigtes Pumpenlager, z. B. durch zu starke Riemenspannung, c) Korrosion

 

Führungsrollen

Führungsrollen haben die Aufgabe, den Riemen im richtigen Winkel zum richtigen Zahnrad zu führen (wie ein Spanner), haben aber keine Spannfunktion. Sehr oft hat dieser Rollentyp auch spezielle Laufbahnen mit seitlichen Anschlagkanten, die den Riemen zusätzlich axial im System führen. Ihr Schaden führt in der Regel entweder zu einer Veränderung der Riemenspannung oder zum Verbrennen (bei festgefressenen Rollenlagern). Die Folgen sind zu diesem Zeitpunkt leicht absehbar.

 

Zahnriemenantrieb: Andere Elemente

Einspritzpumpen, Zahnräder, Befestigungsschrauben, Dichtungen, Steuerdeckel beeinflussen ebenfalls den Riemenantrieb. Jegliche Art von Beschädigung, Rissen, übermäßigem Verschleiß, Alter oder Leckagen können das System schwächen und zu beschleunigtem Verschleiß oder Zerstörung des Riemenantriebs beitragen. Abbildung 9 zeigt Beispiele für verschlissene Zahnräder.

 

Beispiele für übermäßig verschlissene Zahnräder

 

Wie oft sollte der Zahnriemenantrieb ausgetauscht werden?

Der Zeitpunkt des Zahnriemenwechsels wird durch den Fahrzeughersteller und die Vertragswerkstatt festgelegt. Aber wie oft sollten die Riemen ausgetauscht werden? Eine eindeutige Antwort auf diese Frage ist schwer zu geben, da viele Faktoren die Lebensdauer des Zahnriementriebs beeinflussen.

Dazu gehören:

• Fahrweise,
• Fahrzeugnutzung,
• Einsatzort des Fahrzeugs (Stadt, lange Fahrten usw.),
• Verschleiß von Motorkomponenten (z. B. Zahnräder),
• Lecks,
• unvollständiger Austausch von Antriebskomponenten,
• Qualität der verwendeten Ersatzteile.

Automechaniker bestimmen nach der Analyse der oben genannten Bedingungen sehr oft die sichere  Laufleistung oder Lebensdauer des Antriebs bis zum nächsten Austausch oder der vom Fahrzeughersteller angegebenen obligatorischen Wartung. Dies ist vor allem dann der Fall, wenn zum Beispiel die Kilometerzahl bis zum nächsten Antriebswechsel viel niedriger ist als die Angaben, die zum Beispiel im Serviceheft des Fahrzeugs stehen. Der Autohersteller gibt sehr oft nur eine maximale, nicht überschreitbare Laufleistung oder Lebensdauer für den Antrieb an. Woher kommen also solche Abweichungen zwischen Autohersteller und Mechaniker? Die Antwort ist einfach: aus Erfahrung. Der Fahrzeughersteller weiß nicht, unter welchen Bedingungen ein bestimmtes Fahrzeug betrieben werden wird. Sei es der sprichwörtliche Sonntagsfahrer, der nur sonntags zur Kirche fährt, oder ein Kurier oder Handelsvertreter. Ob es in der Stadt (Stau, Kurzstrecken, Pendeln z.B. zur Schule oder zum Einkaufen) oder auf Autobahnen gefahren wird. Diese Informationen können jedoch von den Mechanikern in einem Gespräch mit dem Fahrzeugnutzer gesammelt werden. Daher sollten Sie sich nicht wundern, dass ein Mechaniker automatisch die Laufleistung reduziert, wenn Sie nur in der Stadt fahren. Denn er weiß ganz genau, dass der auf dem Kilometerzähler des Autos angezeigte Kilometerstand nichts mit der Laufleistung des Motors und des Zahnriemenantriebs zu tun hat, weil der Motor (abgesehen vom Start-Stop-System) bei Zwangsstopps im Stau nicht abgeschaltet wird und ununterbrochen läuft, während der Kilometerzähler sich nicht bewegt. Andererseits kommt es bei häufigen Starts (Start-Stopp-System, Arbeit eines Kuriers, Zustellers, Taxifahrers usw.) zu einem schnelleren Verschleiß der Systemkomponenten als bei einem Betrieb ohne übermäßige Belastung.

Schwerwiegende Probleme, die sich auf die Ausfallrate des Systems oder die Häufigkeit des Austauschs auswirken, sind ebenfalls vorhanden:

• kein Austausch aller mit dem Riemen zusammenwirkenden Teile,
• Anlassen des Motors durch Abschleppen oder Schieben.

Häufig kommt es vor, dass der Mechaniker auf Veranlassung des Kunden nur einen Teil der Riemenantrieb-Komponenten austauscht und nicht alle, die in den Reparaturunterlagen des Fahrzeugs angegeben sind. Typische Argumente wie: Wir ersetzen nicht, weil: „die Rolle macht keine Geräusche“, „die Pumpe ist nicht undicht“, „die Schrauben sind noch gut“, „so ein Leck ist gar kein Leck“, „ich verkaufe das Auto morgen und will nicht investieren“, sind nur ein Auslöser für größere Probleme, oft schon in naher Zukunft. Wenn der Schaden mit bloßem Auge nicht sichtbar ist, ist es schwierig, die Lebensdauer eines Bauteils zu bestimmen, d. h. wie lange es noch einwandfrei funktioniert. Es kann sein, dass jemand heute z. B. 50 EUR für eine Reparatur spart und später mindestens das Zehnfache des gesparten Betrags für die Reparatur des Motors ausgeben muss. Jeder trifft natürlich die Entscheidungen, die er will. Aber sind solche Einsparungen das wert? Das ist eine Frage, die jeder für sich selbst beantworten muss.

Ein weiteres Problem ist das Anlassen des Motors durch Abschleppen oder Schieben des Fahrzeugs, d. h. wenn die Batterie im Auto „leer“ ist. Leider kann dies auch negative Auswirkungen auf den Riemenantrieb haben. Was kann passieren? Wenn der Motor auf diese Weise gestartet wird, ruckt der Riemen sehr stark durch das Zahnrad auf der Kurbelwelle. Leider ist der Spanner oft nicht in der Lage, diese Belastung vollständig zu dämpfen. Wenn der Riemen in das nächstgelegene Zahnrad einläuft, greift er nicht vollständig ineinander. In diesem Fall brechen entweder die Riemenzähne ab oder der Riemen springt (in diesem Fall wird die Synchronisation von Kurbelwelle – Nockenwellen verändert) oder der Riemen reißt ganz ab. Es kann auch vorkommen, dass der Riemen nur geringfügig beschädigt ist, z. B. wenn die Riemenzähne an ihrer Basis leicht unterschnitten sind. Infolgedessen nimmt die Lebensdauer und Haltbarkeit des Riemens rapide ab. Das hat zur Folge, dass der Riemen dann, wenn man es am wenigsten erwartet, z.B. beim Anfahren, schnellen Beschleunigen oder Herunterschalten, plötzlich seine zuvor beschädigten Zähne „verliert“ oder reißt. Es ist wichtig zu wissen, dass der Mechaniker bei dieser Art von Riemenschäden aufgrund der charakteristischen Art und Weise, in der der Riemen und seine Zähne beschädigt sind, sehr schnell die Ursache feststellen kann. Und die Folgen, vor allem finanzieller Art, sind für den Fahrzeughalter schwerwiegend.

 

Zahnriemenantrieb: Schlussfolgerung

Der Zahnriemenantrieb ist eine der wichtigsten Motorkomponenten, die direkt mit der korrekten Funktion des gesamten Zahnriemens zusammenhängt. Deshalb muss dieses System sorgfältig gepflegt werden. Um einen störungsfreien Motorbetrieb zu gewährleisten, müssen die Grundregeln für den korrekten Austausch im Zahnriemen und den Fahrzeugbetrieb beachtet werden, d. h:

• Austausch aller Antriebskomponenten nach den Vorgaben des Motorherstellers und der Erfahrung der Mechaniker, d. h. nicht nur des Riemens, sondern auch der Spann- und Führungsrollen, Wasserpumpen, Schrauben, Muttern oder Nadeln,
• Beseitigung aller Arten von Leckagen (Öl, Kühlmittel), die die Lebensdauer des Riemens beeinträchtigen könnten,
• nicht passende Ersatzteile unbekannter Herkunft, die nicht in der Originalverpackung verpackt sind oder deren Verfallsdatum überschritten ist,
• den Motor nicht durch Abschleppen oder Anschieben zu starten,
• keine Chemikalien zu verwenden, die angeblich die Qualität des Riemenlaufs verbessern oder das „Quietschen“ beseitigen sollen.