Ursachen von Getriebegeräuschen und vorgeschlagene Lösungen

Traditionell sind die drei Hauptfaktoren zur Beurteilung der Leistung von Getriebeübersetzungen die Lastkapazität, die Ermüdungsdauer und die Betriebsgenauigkeit, wobei die Getriebegeräusche oft vernachlässigt werden. Mit der sukzessiven Veröffentlichung der Normen ISO 14000 und ISO 18000 hat die Bedeutung der Kontrolle von Getriebegeräuschen bei Übersetzungsgetrieben zunehmend an Bedeutung gewonnen. Die industrielle Entwicklung und die Anforderungen stellen strengere Anforderungen an die Übersetzungsfehler von Getrieben und höhere Anforderungen an die Geräuschkontrolle.

Derzeit können die Faktoren, die zu Geräuschen im Untersetzungsgetriebe beitragen, aus mehreren Aspekten analysiert werden, einschließlich des Designs, der Herstellung, der Montage, der Nutzung und der Wartung von innen- und außenverzahnten Zahnrädern.

Konstruktionsbedingte Ursachen und Gegenmaßnahmen

1. Zahnrad-Genauigkeitsklasse innerhalb des Getriebeübersetzers

Bei der Konstruktion von Getriebeuntersetzungen berücksichtigen Konstrukteure oft wirtschaftliche Faktoren und legen die Zahnradgenauigkeitsklasse so wirtschaftlich wie möglich fest, wobei sie vernachlässigen, dass die Genauigkeitsklasse ein Indikator für Zahnradgeräusch und Spiel ist. Die Gear Manufacturers Association of America (GMA) hat durch umfangreiche Forschung an Zahnrädern ermittelt, dass hochpräzise Zahnräder deutlich weniger Geräusche erzeugen als niedrigpräzise Zahnräder. Daher sollte, wenn die Bedingungen es zulassen, die Zahnradgenauigkeitsklasse so weit wie möglich erhöht werden, um sowohl Übertragungsfehler als auch Geräusche zu reduzieren.

2. Zahnradbreite innerhalb des Reduziergetriebes

Wenn der Getrieberaum des Reduzierstücks es zulässt, kann eine Erhöhung der Zahnbreite die Flächenlast bei konstantem Drehmoment verringern. Dadurch wird die Zahnverformung reduziert, die Geräuschanregung vermindert und somit das Getriebegeräusch gesenkt. Untersuchungen von H. Opaz in Deutschland zeigen, dass bei konstantem Drehmoment eine geringere Zahnbreite zu einer höheren Geräuschpegelsteigung führt als eine größere Zahnbreite. Die Erhöhung der Zahnbreite erhöht zudem die Tragfähigkeit des Zahnrads und verbessert die Drehmomentkapazität des Reduzierstücks.

3. Zahnabstand und Druckwinkel innerhalb des Reduzierstücks

Ein kleinerer Zahnabstand sorgt dafür, dass mehr Zähne gleichzeitig im Eingriff sind, wodurch die Zahneingriffsgrad erhöht, die individuelle Zahnverformung verringert, das Getriebegeräusch gesenkt und die Getreuetreugungsgenauigkeit verbessert wird. Ein kleinerer Druckwinkel führt aufgrund eines größeren Eingriffswinkels und einer höheren Seitenüberdeckung zu einem niedrigeren Betriebsgeräusch und einer höheren Genauigkeit.

4. Auswahl des Profilverschiebungskoeffizienten innerhalb des Reduzierstücks

Eine korrekte und sinnvolle Auswahl des Profilverschiebungskoeffizienten kann nicht nur den Achsabstand anpassen, Unterschnitt am Zahnrad vermeiden, die Konzentrizität sicherstellen, die Getriebewirkungsleistung verbessern, die Tragfähigkeit erhöhen und die Lebensdauer der Zahnräder verlängern, sondern auch Spiel, Temperaturanstieg und Geräusch effektiv kontrollieren. Bei geschlossenen Zahnradgetrieben ist die Hauptversagensart bei Zahnrädern mit gehärteten Zahnflanken (Härte: 350 HBS) ein Ermüdungsbruch am Zahnfuß. Die Konstruktion dieser Art von Zahnradgetriebe basiert im Allgemeinen auf der Biegeermüdungsfestigkeit; bei der Auswahl des Profilverschiebungskoeffizienten ist darauf zu achten, dass die eingriffenden Zähne eine gleichmäßige Biegefestigkeit aufweisen. Bei Zahnrädern mit weichen Zahnflanken (Härte <350 HBS) ist die Hauptversagensart Ermüdungspitting. Die Konstruktion dieser Art von Zahnradgetriebe basiert im Allgemeinen auf der Kontaktwechselfestigkeit; bei der Auswahl des Profilverschiebungskoeffizienten ist darauf zu achten, dass die möglichst hohe Kontaktwechselfestigkeit und Ermüdungslebensdauer erreicht wird.

Die Randbedingungen für die sinnvolle Auswahl des Verschiebungskoeffizienten lauten:

(1) Sicherstellen, dass beim zu fräsenden Zahnrad kein Unterschnitt auftritt;

(2) Gewährleistung der Laufruhe der Zahnradsicherung; der Überdeckungsgrad muss größer als 1 sein, im Allgemeinen größer als 1,2;

(3) Sicherstellen, dass die Zahnspitze eine gewisse Dicke aufweist;

(4) Wenn ein Zahnradpaar im Eingriff steht und die Evolvente der Zahnspitze eines Zahnrads die Übergangskurve am Zahnfuß des anderen Zahnrads berührt, kann die gemeinsame Normale der beiden Zahnflanken im Berührungspunkt aufgrund der Nicht-Evolventen-Form der Übergangskurve nicht durch einen festen Polpunkt verlaufen. Dies führt zu einer Änderung des Übersetzungsverhältnisses und kann zur Blockierung der beiden Zahnräder führen. Diese „Übergangskurven-Interferenz“ muss bei der Auswahl des Verschiebungskoeffizienten vermieden werden.

5. Profilnachbearbeitung von Zahnradzähnen (Kanten- und Fußrücknahme) sowie Abschrägung der Zahnspitzen innerhalb des Getriebes

Das Zahnprofil an der Zahnspitze ist leicht konvex geschnitten gegenüber der korrekten Evolventenkurve. Wenn die Zahnflanke durch äußere Kräfte verformt wird, kann so eine Interferenz mit dem kämmenden Zahnrad vermieden werden, was Geräusche reduziert und die Lebensdauer des Zahnrads verlängert. Es ist wichtig zu beachten, dass übermäßiges Abschleifen vermieden werden sollte, da dies den Zahnprofilfehler erhöht und sich nachteilig auf das Zusammenspiel auswirkt.

6. Analyse der Schallabstrahlungscharakteristik von Zahnrädern

Bei der Auswahl von Zahnrädern mit unterschiedlichen strukturellen Formen wird ein Schallabstrahlungsmodell für die jeweilige Struktur erstellt und eine dynamische Analyse durchgeführt, um das Geräuschniveau des Getriebe-Systems vorab einzuschätzen. Dadurch ist eine Auswahl entsprechend unterschiedlicher Anforderungen des Anwenders möglich (Einsatzort, ob unbeaufsichtigt, ob in städtischen Gebieten, spezifische Anforderungen an oberirdische oder unterirdische Gebäude, Lärmschutzanforderungen oder keine weiteren besonderen Anforderungen).

7. Drehzahl des Antriebsmotors des Zahnradgetriebes

Tests am Getriebewandler unter verschiedenen Geschwindigkeitsbedingungen zeigen, dass das Geräusch mit steigender Eingangsdrehzahl des Getriebewandlers zunimmt.

8. Getriebegehäusestruktur

Experimentelle Untersuchungen zeigen, dass die Verwendung eines zylindrischen Gehäuses zur Verringerung von Vibrationen vorteilhaft ist. Bei gleichen Bedingungen weist ein zylindrisches Gehäuse einen durchschnittlichen Schallpegel auf, der 5 dB unter dem anderer Gehäusetypen liegt. Zur Identifizierung von Resonanzstellen wird eine Resonanzprüfung am Getriebewandlergehäuse durchgeführt. Das Hinzufügen geeigneter Versteifungsrippen (Platten) kann die Steifigkeit des Gehäuses verbessern, Vibrationen reduzieren und eine Geräuschminderung bewirken. Bei mehrstufigen Übersetzungen sollte die Änderung des momentanen Übersetzungsverhältnisses minimiert werden, um einen gleichmäßigen, gering belasteten und vibrationsarmen sowie geräuscharmen Betrieb sicherzustellen.

Fertigungsbedingte Ursachen und Gegenmaßnahmen

1. Einfluss interner Zahnradfehler im Wandler

Zahnradfertigungsfehler, einschließlich Zahnprofilfehler, Grundrundabstandsabweichung, Zahnflankenrichtungsfehler und Rundlauftoleranz des Zahnkranzes, sind die Hauptursachen für Geräusche bei planetarischen Getrieben. Sie stellen zudem entscheidende Faktoren zur Steuerung des Wirkungsgrads von Planetengetrieben dar. Im Folgenden erläutern wir kurz den Zahnprofilfehler und den Zahnflankenrichtungsfehler.

Zahnräder mit geringen Zahnprofilfehlern und geringer Zahnoberflächenrauheit weisen unter gleichen Prüfbedingungen Geräuschpegel auf, die um 10 dB niedriger liegen als bei gewöhnlichen Zahnrädern. Zahnräder mit geringen Zahnteilungsfehlern weisen Geräuschpegel auf, die um 6–12 dB niedriger liegen als bei gewöhnlichen Zahnrädern unter gleichen Bedingungen. Existiert jedoch ein Zahnteilungsfehler, wird der Einfluss der Last auf das Getriebegeräusch verringert.

Ein Zahnrichtungsfehler führt dazu, dass die Übertragungsleistung nicht über die gesamte Zahnbreite übertragen wird. Die Kontaktfläche wird sich auf eine der Zahnflanken verlagern. Aufgrund erhöhter lokaler Spannungen wird sich der Zahn verformen, was zu einer Erhöhung des Geräuschpegels führt. Unter hohen Lasten kann jedoch die Zahnverformung einen Zahnrichtungsfehler teilweise kompensieren.

2. Montage-Konzentrität und dynamisches Gleichgewicht

Eine Fehlausrichtung während der Montage führt zu einer Unwucht im Wellensystem, und das ungleichmäßige Eingriff der Zahnräder (eine Seite locker, eine Seite fest) verschärft das Geräusch weiter. Eine Unwucht bei der Montage von hochpräzisen Getriebeantrieben beeinträchtigt erheblich die Genauigkeit des Antriebssystems.

3. Zahnrad-Oberflächenhärte innerhalb des Getriebes

Mit der Entwicklung der Zahnradhärtertechnologie haben die hohe Tragfähigkeit, geringe Baugröße, geringes Gewicht und hohe Übertragungsgenauigkeit von Zahnrädern zu einer immer breiteren Anwendung geführt. Allerdings verursacht das zum Erzielen gehärteter Zahnflächen verwendete Einsatzhärtungsverfahren eine Verformung der Zahnräder, was zu erhöhtem Geräuschpegel bei der Zahnradübertragung und verkürzter Lebensdauer führt. Um Geräusche zu reduzieren, muss die Zahnfläche präzise bearbeitet werden. Derzeit wurde neben den traditionellen Verfahren des Zahnradradschliffes eine Methode zum Abschrägen gehärteter Zahnflächen entwickelt. Diese Methode verringert den Eingriffs- und Ausgriffsschlag, indem sie die Zahnkopf- und Zahnfußbereiche modifiziert oder das Zahnprofil sowohl des treibenden als auch des getriebenen Zahnrads reduziert, wodurch das Geräusch der Zahnradübertragung gesenkt wird.

4. Verifikation der Getriebesystemleistung

Die Bearbeitungsgenauigkeit von Komponenten und die Auswahlmethode für Komponenten vor der Montage (vollständige Austauschbarkeit, Gruppenauswahl, Einzelauswahl usw.) beeinflussen das Genauigkeitsniveau des montierten Systems, und auch dessen Geräuschpegel fällt in diesen Wirkungsbereich. Daher ist die Überprüfung (oder Kalibrierung) der verschiedenen Systemindikatoren nach der Montage entscheidend zur Kontrolle des Systemgeräuschs.

Installationsursachen und Gegenmaßnahmen

1. Maßnahmen zur Schwingungsreduzierung und -abtrennung

Während der Getriebeinstallation sollte eine Resonanz zwischen dem Getriebekörper und dem Fundament, den Trägern sowie den Verbindungsteilen so weit wie möglich vermieden werden, um Geräuschentwicklung zu verhindern. Resonanz tritt häufig in einem oder mehreren Zahnrädern innerhalb des Getriebes bei bestimmten Drehzahlbereichen auf. Neben konstruktiven Gründen hängt dies direkt damit zusammen, dass die Resonanzstelle während des Leerlauf-Tests nicht identifiziert und keine entsprechenden Maßnahmen zur Schwingungsreduzierung oder -entkopplung ergriffen wurden. Bei einigen Getrieben, bei denen geringe Übertragungsgeräusche und -vibrationen erforderlich sind, sollten Grundmaterialien mit hoher Zähigkeit und hoher Dämpfung gewählt werden, um Geräusche und Vibrationen zu reduzieren.

2. Geometrische Genauigkeitsanpassung von Komponenten

Wenn die geometrische Genauigkeit während der Installation nicht den Standardanforderungen entspricht, kann es zu Resonanzen von Getriebekomponenten kommen, die Geräusche verursachen. Dies hängt direkt mit der Verbesserung des Montageprozesses, dem Einsatz geeigneter Hilfsmittel und der Sicherstellung der Gesamtqualifikation des Montagepersonals zusammen.

3. Lose Komponenten

Bei der Montage kann das Lösen einzelner Komponenten (wie Lager-Vorspannmechanismen, Wellenpositionierungsmechanismen usw.) zu ungenauer Systempositionierung, fehlerhafter Zahnflanke, Wellenbewegung sowie Vibrationen und Geräuschen führen. Es ist daher erforderlich, einen konstruktiven Gestaltungsansatz zu wählen, um stabile Verbindungen zwischen den Mechanismen sicherzustellen und mehrere Verbindungsmethoden zu nutzen.

4. Beschädigte Getriebekomponenten

Unsachgemäße Handhabung während der Montage kann Getriebekomponenten beschädigen, was zu ungenauer oder instabiler Systembewegung führt; Beschädigung von Hochgeschwindigkeits-Bauteilen kann Ölfilmvibrationen verursachen; menschliches Versagen kann dynamisches Ungleichgewicht in bewegten Teilen verursachen; all dies erzeugt Vibrationen und Geräusche. Diese Ursachen müssen sorgfältig berücksichtigt und vermieden werden. Beschädigte Komponenten, die nicht repariert werden können, müssen ersetzt werden, um ein stabiles Geräuschniveau des Systems sicherzustellen.

Ursachen und Gegenmaßnahmen für Betrieb und Wartung
Obwohl die ordnungsgemäße Verwendung und Wartung des Getriebes die Systemgeräuschpegel nicht verringern oder die Übertragungsgenauigkeit garantieren kann, verhindert sie eine Leistungsverschlechterung und verlängert die Lebensdauer.

1. Innere Reinigung

Die Sauberkeit der inneren Bauteile des Getriebes ist entscheidend für den störungsfreien Betrieb. Das Eindringen von Verunreinigungen oder Fremdkörpern beeinträchtigt das Getriebesystem und kann zu Schäden sowie Geräuschentwicklung führen.

2. Betriebstemperatur

Stellen Sie sicher, dass das Getriebe bei normaler Temperatur betrieben wird, um eine Verformung der Bauteile durch übermäßigen Temperaturanstieg zu vermeiden, ein korrektes Zahnrad-Eingriff sicherzustellen und somit erhöhte Geräusche zu verhindern.

3. Regelmäßige Schmierung und richtige Ölverwendung

Eine unsachgemäße Schmierung und die falsche Verwendung von Schmierfett verursachen irreparable Schäden am Getriebe. Bei hohen Drehzahlen erzeugt die Zahnflankenreibung eine große Menge an Wärme. Eine unsachgemäße Schmierung führt zu Zahnflankenschäden, beeinträchtigt die Genauigkeit und erhöht die Geräuschentwicklung. Die Konstruktion erfordert einen geeigneten Spielraum im Zahnradpaar (den Abstand zwischen den nicht arbeitenden Flächen der eingriffsgreifenden Zähne, um thermische Verformungen auszugleichen und Schmierfett speichern zu können). Die richtige Verwendung und Auswahl des Schmierfetts gewährleistet einen sicheren und effektiven Systembetrieb, verlangsamt die Alterung und stabilisiert die Geräuschpegel.

4. Sachgemäße Verwendung des Getriebes

Die sachgemäße Verwendung des Getriebes minimiert Schäden an Bauteilen und sorgt für einen stabilen Geräuschpegel. Die Geräuschentwicklung des Getriebes nimmt mit der Last zu, daher sollte es im normalen Lastbereich betrieben werden.

5. Regelmäßige Wartung und Pflege

Regelmäßige Wartung (Ölwechsel, Austausch verschlissener Teile, lockere Befestigungselemente, Entfernung von internen Rückständen, Einstellung der Bauteilspielwerte auf Standardwerte sowie Überprüfung der geometrischen Genauigkeit usw.) kann die Widerstandsfähigkeit des Getriebes gegen eine Verschlechterung der Geräuschentwicklung verbessern und stabile Betriebsbedingungen sicherstellen.

Die Kontrolle des Getriebegeräuschs ist ein systematisches Projekt, das den gesamten Prozess des Antriebssystems (Zahnräder, Gehäuse, Verbindungsteile, Lager usw.) abdeckt – von der Konstruktion über Fertigung, Montage, Einsatz, Wartung bis hin zur Ersetzung. Sie stellt hohe Anforderungen nicht nur an Konstrukteure und Hersteller, sondern auch an Monteure, Anwender und Wartungspersonal. Wenn einer dieser Aspekte nicht wirksam kontrolliert wird, schlägt die Geräuschkontrolle beim Zahnradantrieb fehl.