Nockenzahnriemen richtig planen: Materialien, Kräfte und Befestigungen im Überblick

Nocken sind zentrale Elemente vieler Automatisierungslösungen. Entdecken Sie die Vielfalt moderner Nockenzahnriemen und finden Sie die ideale Nockengeometrie für Ihre Anwendung.

1. Einleitung: Warum Nockenriemen unverzichtbar sind

Überall dort, wo Prozesse automatisiert ablaufen, müssen nicht nur die Antriebskraft, sondern auch die Position, der Takt und das Timing exakt übertragen werden. Sollen Fördergüter bewegt, vereinzelt, ausgerichtet oder in einer definierten Lage bereitgestellt werden, kommen Zahnriemen mit Nocken, auch Mitnehmerzahnriemen genannt, zum Einsatz.

Die Kombination aus einem Zahnriemen und den darauf befestigten Nocken erlaubt eine positionsgenaue Mitnahme. Im Unterschied zu glatten Transportbändern oder reinen Antriebsriemen übernehmen Nockenriemen eine definierte mechanische Funktion: Sie sorgen dafür, dass das Fördergut synchron, zuverlässig und mit hoher Wiederholgenauigkeit transportiert wird.

Mögliche Anwendungen sind unter anderem in Pick-& Place-Systemen, Verpackungsmaschinen, Palettierern, Sortierstrecken, CNC-Handlingeinheiten sowie in der pharmazeutischen und lebensmittelverarbeitenden Industrie.

Um Nocken auf Zahnriemen perfekt in Szene zu setzen, müssen mehrere Dinge aufeinander abgestimmt werden: Kräfte, Geometrien, Materialien, Fertigungsverfahren und Befestigung.

In diesem Artikel erfahren Sie alles, was Sie über Nocken wissen müssen. Unter anderem wird auf folgende Fragen eingegangen:

2. Zahnriemen mit Nocken als Träger mechanischer Funktionen

Ein klassischer Zahnriemen ist eine Antriebskomponente zur formschlüssigen Übertragung von Drehmomenten. Durch den zusätzlichen Einsatz von Nocken wird aus diesem reinen Antriebselement ein Fördermittel, das die verschiedensten Güter transportieren kann.

Ein Nockenzahnriemen besteht aus zwei Hauptkomponenten:

Der entscheidende Vorteil dieser Kombination liegt in der präzisen Steuerbarkeit von Bewegungsabläufen. Außerdem erlaubt die Kombination von Nocken mit Zahnriemen, sowohl synchrone Mitnahmeprozesse als auch komplexe, getaktete Förderbewegungen umzusetzen. Zum Beispiel wenn Bauteile in definierter Lage in eine Bearbeitungs- oder Verpackungsstation eingeschoben werden müssen.

3. Kräfte und Belastungen bei Nocken Zahnriemen

Beim Einsatz von Nocken Zahnriemen treten mehrere Arten von Kräften gleichzeitig auf:

Vor allem beim Starten und Stoppen treten hohe Wechselbelastungen auf. Jeder Nocken muss nicht nur das Eigengewicht des Förderguts beschleunigen oder abbremsen, sondern auch die dynamischen Zusatzkräfte aus dem Bewegungsablauf. Besonders bei kurzen Taktzeiten, hohen Geschwindigkeiten oder vertikaler Förderung (z. B. bei Sortierstrecken) steigen die Belastungen exponentiell.

Die größten Belastungsspitzen entstehen dabei typischerweise

Zur Dimensionierung von Zahnriemen und Nocken sollten deshalb Art und Größe der Belastungen genau analysiert werden. Dabei helfen unter anderem Fragen wie:

Auch die Position und Breite des Nockens spielt eine Rolle: je weiter außen oder asymmetrisch ein Nocken positioniert wird, desto größere Hebelkräfte können auftreten.

Nicht zuletzt müssen auch die Zugkräfte im Riemen betrachtet werden. Die Aufgabe der Zugstränge ist es, die Längskräfte aufzunehmen, möglichst ohne dass der Zahnriemen dabei verformt oder gedehnt wird, denn das würde sich direkt negativ auf die Positioniergenauigkeit auswirken.

Für eine gute Transportlösung ist es deshalb entscheidend, das Transportgut, die Bewegungsparameter, die Nockenform, die Riemenbreite, das Zugstrangmaterial und die Befestigungstechnik genau aufeinander abzustimmen.

4. Geometrie und Form der Nocken

Die Geometrie der Nocken ist der Schlüssel zu ihrer Funktion. Denn nur wenn Form, Lage und Größe exakt auf die Anwendung abgestimmt sind, lässt sich die gewünschte Mitnehmerleistung sicher realisieren.

In der Praxis haben sich verschiedene Grundformen bewährt:

Neben diesen klassischen Varianten gewinnen auch Spezialformen an Bedeutung, die gezielt auf besondere Anforderungen abgestimmt sind:

Wichtig bei allen Nocken Formen ist: Die Geometrie muss genau zur Bewegung und zum Transportgut passen. Ein weiterer Aspekt ist das Eigengewicht der Nocken. Bei schnellen Takten und hohen Geschwindigkeiten wirkt sich das Massenträgheitsmoment erheblich auf die Systemdynamik aus. Hier kann der gezielte Leichtbau, beispielsweise durch Materialaussparungen, Hohlräume oder den 3D-Druck, zu Energieeinsparung und verschleißarmem Lauf beitragen.

Die Gestaltung der Nockengeometrie sollte deshalb stets folgende Gesichtspunkte berücksichtigen:

Bei individuellen Anforderungen empfiehlt sich eine Beratung von einem erfahrenen Riemen- und Nockenhersteller. Alphabelt bietet Ihnen außerdem einen Nockenkonfigurator und eine umfangreiche Nockenbibliothek für Ihr Projekt.

5. Anordnung der Nocken auf dem Zahnriemen

Nicht nur die Form, auch die Anordnung der Nocken auf dem Zahnriemen beeinflusst die Funktion des Systems. Hier kommt es vor allem auf Präzision und Wiederholbarkeit an. Folgende Tipps sollten daher bei der Planung berücksichtigt werden:

Je nach Anwendung werden Nocken

In jedem Fall ist eine präzise Konstruktion der Nockenanordnung Voraussetzung für eine lange Lebensdauer, einen ruhigen Lauf und die exakte Wiederholgenauigkeit im Prozess.

6. Abstützung von Nocken

Nocken und Nockenbefestigungen sind in der Praxis erheblichen Kräften ausgesetzt. Diese entstehen durch:

Um diese Belastungen sicher aufzunehmen, sind insbesondere bei hohen Beschleunigungen, schweren Transportgütern oder großen Nockenabmessungen zusätzliche Abstützungen erforderlich. Eine Abstützung sollte so gestaltet sein, dass die angreifenden Kräfte möglichst im unteren Nockenbereich wirken. Dort kann die Verschweißung Schubspannungen deutlich besser aufnehmen als Biegespannungen.

Nocken können einseitig oder beidseitig abgestützt werden:

Die Abstützungen werden als Verstärkungen der Nocke ausgebildet. Dabei ist folgendes zu beachten: Besonders bei langen Nocken in Längsrichtung wird die Biegefähigkeit des Zahnriemens reduziert, was bei engen Scheibendurchmessern kritisch sein kann. Gerade bei langen Abstützungen könnte der Biegeradius so groß werden, dass der Riemen nicht mehr problemlos um die Zahnscheiben geführt werden könnte. Das würde zu unzulässigen Spannungen führen und das Einreißen der Schweißverbindung begünstigen. Nocken und ihre Abstützungen müssen jedoch nicht auf ihrer gesamten Bodenfläche angeschweißt werden. Es reicht, wenn sich die Abstützung bei Druckbelastung auf dem Zahnriemen abstützen kann. Die Schweißflächen sollten nur so groß wie nötig, aber so klein wie möglich ausgeführt werden, um eine sichere Funktion zu gewährleisten.

Des Weiteren ist in vielen Fällen auch eine Abstützung durch Gleitschienen möglich. Hierbei kommt eine Stützschiene (Gleitleiste) zum Einsatz, die unter dem Riemen läuft und somit zusätzliche Stabilität gibt – sowohl für den Riemen als auch für die daran befestigten Nocken.

Eine kluge Positionierung und Abstützung der Nocken trägt entscheidend dazu bei, Biegespannungen gezielt zu reduzieren und Kraftangriffsflächen zu optimieren.

7. Befestigungstechniken im Vergleich

Die sichere Verbindung der Nocken mit dem Zahnriemen ist einer der wichtigsten Aspekte bei der Planung eines Nockenzahnriemens. Sie bestimmt maßgeblich die Lebensdauer, Belastbarkeit und Prozesssicherheit. Mehrere Befestigungsmethoden haben sich dabei je nach Einsatzgebiet und Anforderungen bewährt:

Thermisches Verschweißen ist die Standardmethode bei Polyurethanriemen. In den meisten Fällen besteht der Nocken ebenfalls aus Polyurethan (PUR), also aus demselben Material wie der Zahnriemen. Diese Materialgleichheit erlaubt eine vollflächige thermische Verbindung, die hohe Dauerbelastungen und dynamische Beanspruchungen sicher übersteht. Zum Einsatz kommen dabei Verfahren wie:

Beide Methoden erzeugen eine form- und kraftschlüssige Verbindung, die hygienisch einwandfrei und besonders langlebig ist. Sie ist allerdings nicht reversibel: Nachträgliche Änderungen oder Umrüstungen sind nicht möglich.

Schraubverbindungen hingegen sind flexibel und im ATN-System sogar modular einsetzbar. Für Anwendungen, die eine nachträgliche Anpassung oder flexibel kombinierbare Nockengeometrien erfordern, ist das ATN-System ideal. Dieses verfügt auf der Zahnseite über Taschen zur Aufnahme von Gewindemuttern. Nocken werden hier mechanisch aufgeschraubt, was folgende Vorteile bietet:

Das ATN-System wird insbesondere in der Verpackungstechnik, bei Sortierstrecken oder bei häufigem Produktwechsel eingesetzt. Es kombiniert hohe mechanische Stabilität mit größtmöglicher Gestaltungsfreiheit. Allerdings ist die Bauhöhe oft größer als bei geschweißten Nocken. Außerdem bieten geschraubte Nocken an den Kontaktflächen mit dem Riemen mehr Angriffsflächen für Schmutz, weshalb sie in hygienischer Hinsicht problematischer sind.

Klebeverbindungen werden selten und nur in Ausnahmefällen eingesetzt. Sie werden gelegentlich dort verwendet, wo thermisches Schweißen nicht möglich oder mechanische Befestigung zu aufwändig wäre. Die Klebung ist jedoch in der Regel weniger belastbar und muss sehr sorgfältig ausgeführt werden. Für dauerhaft beanspruchte Serienanwendungen wird sie nicht empfohlen.

Magnetsysteme kommen zum Einsatz, wenn ein zügiger Austausch der Nocken bei unterschiedlichen Transportgütern erforderlich ist oder wenn einzelne Nocken wegen Beschädigung oder Verschleiß schnell und unkompliziert ersetzt werden sollen. Im Vergleich mit Schraubsystemen bieten Magnetsysteme die flexibelste und schnellste Möglichkeit, Nocken zu wechseln oder neu zu positionieren. Moderne Neodym-Magneten sind momentan die stärksten auf dem Markt verfügbaren Dauermagnete und bieten schon bei sehr kleinen Abmessungen im Millimeterbereich eine hervorragende Haltekraft. Die Magneten werden direkt in die Nocken und in den Riemenkörper aus PU eingebettet. Die auf diese Weise magnetisch ausgestatteten Nocken können einfach auf die magnetischen Stellen des Zahnriemens aufgesetzt und genauso leicht wieder abgenommen werden. Allerdings geht die hohe Flexibilität hier etwas zu Lasten der Positioniergenauigkeit.

8. Materialien: Nocken und Riemen im Verbund

Zahnriemen und Nocken sollten sowohl mechanisch als auch thermisch miteinander kompatibel sein, um eine lange Lebensdauer und Funktionalität zu gewährleisten. Im Idealfall bestehen Riemen und Nocken aus dem gleichen Werkstoff.

Als Standardmaterial gilt Polyurethan. Es vereint hohe Abriebfestigkeit, gute Flexibilität und thermische Formbeständigkeit. PU eignet sich besonders für dynamisch beanspruchte Förder- und Positionieranwendungen. Die meisten Zahnriemen für Nockenapplikationen bestehen aus gegossenem oder extrudiertem PUR und sind mit Zugträgern aus Stahl oder Aramid verstärkt.

Die Nocken werden aus demselben PU-Material gefertigt wie der Riemenrücken. Dies sorgt für:

Je nach Anwendung können die PU-Nocken unterschiedliche Shore-Härten aufweisen, um beispielsweise stoßdämpfende oder besonders stabile Eigenschaften zu erzielen. So lassen sich sowohl sensible als auch robuste Förderaufgaben zuverlässig realisieren.

Das Materialverhalten von PU bleibt über einen breiten Temperaturbereich hinweg stabil. Zudem ist es unempfindlich gegenüber vielen Chemikalien und weist eine hohe Beständigkeit gegen Öle und Fette auf, ein wesentlicher Vorteil in industriellen Umgebungen.

Beim ATN-Zahnriemensystem können auch andere Materialien eingesetzt werden, da die Nocken nicht verschweißt, sondern mechanisch mit Schrauben befestigt werden. Daher müssen Zahnriemen und Nocken nicht zwingend aus dem selben Material bestehen. Doch auch hier kommen bevorzugt Nocken aus Polyurethan zum Einsatz, da sie mit den üblichen Fertigungsverfahren (Gießen, Wasserstrahlschneiden, Fräsen und sogar 3D-Druck) einfach hergestellt werden können. Bei Bedarf lassen sich auch Beschichtungen, beispielsweise Anti-Haft-Beschichtungen aus Teflon, gut auf PU-Nocken aufbringen.

In Einzelfällen können über das Schraubsystem auch Nocken aus anderen Materialien befestigt werden, wie zum Beispiel aus Aluminium, Edelstahl, glasfaserverstärkten Kunststoffen oder technischen Thermoplasten (z. B. POM, PA). Ihre Verwendung kann unter bestimmten Umständen sinnvoll sein, ist jedoch nicht sehr verbreitet.

9. Fazit: Präzision durch Planung – Potenzial von Nockenriemen voll ausschöpfen

Nockenzahnriemen eröffnen vielfältige Möglichkeiten für das automatisierte Produkthandling. Dabei sorgen sie unter anderem für eine präzise Taktung und bieten hochflexible Transportlösungen. Entscheidend ist dabei die korrekte technische Auslegung:

Dank modularer Montagesysteme wie dem ATN-System lassen sich Nocken bei Bedarf auch nachträglich montieren oder austauschen, was für Formatanpassungen oder den Prototypenbau ideal ist.

Die Kombination aus präziser Fertigung, korrekter Werkstoffwahl und konstruktiver Sorgfalt stellt sicher, dass der Nockenzahnriemen seine Funktion zuverlässig erfüllt, ob in Verpackungsanlagen, Montagebändern oder beim Transport sensibler Produkte.

Bei Alphabelt haben wir für Sie weit über 1000 verschiedene Nocken im Sortiment. Auf Wunsch fertigen wir kundenspezifische Nockengeometrien für Sie, und das bereits ab einem Stück! Gerne beraten wir Sie, welches Fertigungsverfahren für Ihren Anwendungsfall am besten geeignet ist. Entdecken Sie noch heute die Vielfalt unserer Nocken- und Zahnriemenlösungen in unserem Shop. 

Jetzt informieren, auswählen und direkt anfragen!