Wie man Schalldämmung für Zahnradgetriebe auslegt

Zahnradarten und Werkstoffe

1. Zahnradarten

Aus Sicht der gleichmäßigen Kraftübertragung und geringen Geräuschentwicklung weisen Schrägverzahnungen mehr Zähne im gleichzeitigen Eingriff auf, was zu einer stabileren Änderung der Gesamteingriffssteifigkeit führt. Daher können Vibrationen und Geräusche geringer sein als bei Geradverzahnungen, manchmal sogar um etwa 12 dB reduziert. Bei Doppelschrägverzahnungen kann bereits eine kleine Fehlausrichtung oder ungleichmäßiger Verschleiß die Lastverteilung und die Laufruhe beeinträchtigen, da eine exakte Ausrichtung erforderlich ist. Deshalb sind unter den Zylinderrädern Schrägverzahnungen am besten geeignet, um Geräusche zu reduzieren. Von 1969 bis 1987 führte Professor A. Atfia von der Ain-Shams-Universität in Kairo, Ägypten, experimentelle Untersuchungen an evolventischen Schrägverzahnungen, einreisigen Kurbelverzahnungen und zweireisigen Kurbelverzahnungen durch. Er verglich das Geräusch dieser drei Zahnformen unter verschiedenen Lasten und Drehzahlen. Die Studie zeigte, dass unter diesen drei Zahnprofilen die evolventischen Schrägverzahnungen das geringste Geräuschniveau aufwiesen und am wenigsten von übertragenen Lasten und Drehzahlen beeinflusst wurden, gefolgt von einreisigen Kurbelverzahnungen, während zweireisige Kurbelverzahnungen am schlechtesten abschnitten.

2. Zahnradmaterialien

Wärmebehandlung und Schmierverfahren: Diese Faktoren beeinflussen allesamt das Systemgeräusch. Im Allgemeinen kann die Verwendung von Materialien mit guten Dämpfungseigenschaften zur Geräuschminderung beitragen, wenn sie zur Herstellung von Zahnrädern verwendet werden. Materialien mit guten Dämpfungseigenschaften weisen jedoch meist geringe Festigkeit auf und können daher nicht in allen Situationen eingesetzt werden. Beispielsweise werden Phenolharz und Nylon oft nur zur Herstellung von leicht belastbaren Zahnrädern für leichte Industriemaschinen wie Nähmaschinen verwendet. Zur Geräuschminderung können die Zahnflanken von tragenden Stahlzahnrädern sulfidiert oder mit Kupfer überzogen werden. Der Zweck der Sulfidierung der Zahnflanken besteht darin, den Reibungskoeffizienten zu verringern. Kupferbeschichtung wurde bei Turbinenzahnrädern eingesetzt, um die Kontaktgenauigkeit der Zahnräder zu verbessern. Die Wärmebehandlung der Zahnräder beeinflusst ebenfalls das Geräuschverhalten. Beispielsweise verschlechtern sich nach dem Härten die Dämpfungseigenschaften der Zahnräder, wodurch das Geräusch um 3–4 dB ansteigt. Daher ist eine Härtung bei Zahnrädern mit geringen Anforderungen an Festigkeit und Verschleißfestigkeit nicht erforderlich. Hinsichtlich des Einflusses des Schmieröls und der Befüllmethode gilt allgemein, dass das Geräusch mit zunehmendem Ölmenge und Viskosität abnimmt. Dies liegt daran, dass das Schmieröl eine dämpfende Wirkung hat und direkten Kontakt zwischen den sich verzahnenden Zahnflanken verhindern kann. Bei Verwendung von Badsschmierung variiert das Geräusch der Zahnräder je nach Ölstand, das heißt, verschiedene Getriebe weisen unterschiedliche optimale Ölstände auf.

Geometrische Parameter des Zahnrads

1. Modul
Bei der Übertragung einer großen Last wird die dynamische Anregung des Zahnradvergriffs hauptsächlich durch die Biegeverformung der Zahnkranzverzahnung verursacht, wobei die Biegesteifigkeit der Zähne proportional zum Modul ist. Daher kann eine Erhöhung des Moduls die dynamische Anregung der Zähne verringern und somit Geräusch reduzieren. Bei der Übertragung einer kleinen Last oder ohne Last ist die Situation jedoch anders. In diesem Fall ist der Einfluss des Zahnfehlers wesentlich größer als der der Zahnverformung. Wir sollten daher den Einfluss der Modulgröße auf Geräusch vom Standpunkt des Bearbeitungsfehlers des Zahnrads aus betrachten. Beispielsweise kann der Teilungsfehler ΔP mit folgender Formel ermittelt werden:
δP＝C1 +C2M+C3 (1)
wo
do——Teilkreisdurchmesser des Zahnrads
M——Modul
C1, C2, C3——bezogene Konstanten
Und der Zahnformfehler Δf kann mit folgender Formel berechnet werden:
δf＝C4M+C5 (2)
wobei C4 und C5 bezogene Konstanten sind.
Aus den Formeln (1) und (2) ist ersichtlich, dass die beiden oben genannten Fehler direkt mit dem Modul zusammenhängen und je größer das Modul ist, desto größer ist der Zahnflankenfehler und umso größer ist das Geräusch. Daher sollte das Modul, sofern die Zahnradfestigkeit es zulässt, so klein wie möglich gewählt werden, wenn kleine oder keine Lasten übertragen werden.

2. Zähnezahl des Zahnrads
Wenn das Modul unverändert bleibt, verändert sich bei einer Änderung der Zähnezahl der Zahnrad-Durchmesser und die Zahnrad-Oberfläche. Dadurch verändert sich die Schallabstrahlfläche des Zahnrads, was eine Geräuschänderung verursacht. Im Allgemeinen wird die Lautstärke hauptsächlich durch die Schallabstrahlfläche und nicht durch die Energie der Schwingungsquelle bestimmt. Laut dem akustischen Prinzip kann die in die Luft abgestrahlte Schallleistung WR berechnet werden durch
die folgende Formel:
(3) Dabei: F——Effektivwert der anregenden Kraft, die gemäß einem Sinzgesetz variiert
R——Plattendurchmesser der Kreisplatte
o——Flächendichte
p——Luftdichte
ω——Winkelfrequenz
C——Konstante
Aus Formel (3) ist ersichtlich, dass mit zunehmendem Durchmesser der Kreisplatte das Geräusch stark ansteigt. Daher sollte bei der Konstruktion von Zahnrädern der Zahnradurchmesser so klein wie möglich gehalten werden. Außerdem zeigt sich aus den Formeln (1) und (2), dass der Zahnradteilungsfehler vom Zahnradurchmesser abhängt, während der Zahnflankenfehler unabhängig vom Durchmesser ist. Eine Verringerung des Durchmessers führt somit nicht zu einer Erhöhung des Aufwands zur Erreichung der gewünschten Bearbeitungsgenauigkeit.

3. Zahnbreite
Der Grund, warum Änderungen der Zahnbreite zu Geräuschänderungen führen, liegt in der unterschiedlichen Energieabschwächung. Zahnträder mit größerer Zahnbreite weisen daher eine bessere Dämpfungseigenschaft auf, was zu geringerem Geräusch führt.

4. Überdeckungsgrad
Erhöhung des Überdeckungsgrades: Der Überdeckungsgrad kann das Geräusch der Zahnradübertragung verringern. Erstens reduziert die Erhöhung des Überdeckungsgrades die Belastung eines einzelnen Zahnflankenpaares. Dadurch wird die Lastspitze beim Eingriff und Ausschalten verringert, wodurch das Geräusch der Zahnräder gesenkt wird. Zweitens wird bei zunehmender Anzahl an in Eingriff befindlichen Zähnen der Übertragungsfehler eines einzelnen Zahnflankenpaares gemittelt, wodurch die dynamische Anregung der Zähne reduziert wird. Außerdem beruhen nahezu alle Zahnradparameter, die das Zahnradgeräusch beeinflussen, letztlich auf ihrer Wirkung auf den Überdeckungsgrad. Beispielsweise führen bei Zylerrädern mit einem Überdeckungsgrad von 1–3 die Verringerung des Druckwinkels, die Verringerung des Moduls und eine leichte Erhöhung des Kopfhöhenfaktors aufgrund des erhöhten Überdeckungsgrades zu einer Geräuschminderung. Natürlich erhöht die Verringerung des Druckwinkels auch die Zahnfleischflexibilität und reduziert somit die dynamische Anregung, was sich günstig auf die Geräuschminderung auswirkt.

5. Schrägungswinkel
Da Schrägverzahnungen schrittweise vom einen Zahnende in den Eingriff gelangen, ist die Eingriffswirkung gering und das Geräuschpegel niedrig. Im Allgemeinen steigt mit zunehmendem Einstellwinkel das Überdeckungsverhältnis an und das Geräuschpegel nimmt ab. Allerdings ist der Geräuschminderungseffekt geringer, wenn der Einstellwinkel größer ist, verglichen mit einem kleineren Einstellwinkel. Dies liegt daran, dass ein größerer Einstellwinkel die Bearbeitung und Montage erschwert und somit die tatsächliche Überdeckung beeinträchtigt.

6. Zahnkantenmodifikation, Profilierung und Verschiebung
Im tatsächlichen Betriebszustand von Zahnrädern führt die Verformung der Zähne, Antriebswellen und des Getriebes zu Eingriffsstörungen und -schlägen, wodurch starke Vibrationen und Geräusche entstehen. Daher können Modifikation, Profilierung und Verschiebung eingesetzt werden, um die Eingriffsverformung auszugleichen und Vibrationen sowie Geräusche zu reduzieren.