Geräuschreduzierung in den Getriebezahnrädern (aus Kunststoff).

19 Mai 2020

Vor zehn Jahren haben die meisten Hersteller von Getriebezahnrädern das Material Kunststoff nicht einmal als Option in Betracht gezogen, insbesondere bei Anwendungen im Hochleistungsbereich. Der große Fortschritt bei der Suche nach Technopolymeren für unterschiedliche Anwendungen und die klaren Vorteile von Getriebezahnrädern aus Kunststoff gegenüber metallischen haben zu einer Umkehrung des Trends bei der Auswahl des Materials für die Herstellung von Getriebezahnrädern geführt. Vorteile dieses Materials gibt es viele, aber wir konzentrieren uns in diesen News auf die geräuscharme Bewegung der Getriebezahnräder aus Kunststoff.

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Im Vergleich zu metallischen bewegen sich Getriebezahnräder aus Kunststoff viel leiser, da sich deren Zähne verformen und Fehlausrichtungen in der Rotation ausgleichen. Darüber hinaus zeichnen sie sich durch die Kapazität aus Vibrationen zu absorbieren. Dies ist auf die Eigenschaften der Technopolymere und des Kunststoffs im Allgemeinen zurückzuführen, wodurch es ermöglicht wird, Laufgeräusche zu dämpfen und somit die Übertragung von Schwingungen zu verringern.

Hauptursachen für Geräusche in den Getriebezahnrädern.

Betrachten wir dazu die möglichen Ursachen für Geräusche in den Getriebezahnrädern genauer:

• Fehler beim Ineinandergreifen der Zähne: Das Fehlen einer kontinuierlichen Übertragung in einem Paar Zahnräder, oder das Fehlen eines Zustands, bei dem sich zwei Greifzähne nicht vollständig voneinander lösen, bevor zwei andere Zähne ineinandergreifen, erhöht das Geräusch der Zahnräder.
• Profilfehler: Hierbei handelt es sich um Evolventenfehler, d.h. der Unterschied im tatsächlichen Profil der Verzahnung im Vergleich zum theoretischen, der zu einer Erhöhung des Geräusches der Zahnräder führen kann.
• Interferenzen: Dies ist das Ergebnis des Kontakts zwischen dem Kopf eines Zahnrads und dem Boden eines anderen, wodurch das Geräusch stark erhöht wird.
• Oberflächenbehandlung: Die Rauheit muss minimal sein, da Vertiefungen in zwei überlappenden Passflächen Geräusche

Wie kann man die Kunststoffzahnräder noch leiser laufen lassen? Stagnoli hat die Antwort dazu.

Heute besteht die Herausforderung darin, Getriebezahnräder aus Kunststoff noch leiser zu machen. Der Schlüssel zu noch leiseren Technopolymer-Zahnrädern liegt in deren Design, d.h. ein sorgfältiger Ansatz zur Geräuschreduzierung in den frühesten Entwicklungsphasen. Stagnoli nimmt in diesem Bereich eine führende Rolle ein, dank des im Laufe der Jahre erworbenen Know-hows, der verwendeten Konstruktionswerkzeuge und der zahlreichen Schulungen, an denen seine Techniker teilnehmen. In diesem Zusammenhang wurden in einer kürzlich durchgeführten Schulung grundlegende Aspekte hinsichtlich der Geräuschreduzierung in Zahnrädern aus Kunststoff erörtert: Kontinuität des Ineinandergreifens der Zähne, spezifische Abdeckung und spezifisches Gleiten. Zur Verdeutlichung dieser Konzepte können die nachfolgenden Abbildungen hilfreich sein.

Abb.1 Spezifische Abdeckung und spezifisches Gleiten

Unter bestimmten Anfangsbedingungen ist folgendes im Allgemeinen erforderlich, um das Geräusch der Zahnräder aus Kunststoff zu verringern:

• Gewährleistung der Kontinuität der Übertragung der Bewegung; die Greifzähne müssen sich allmählich lösen und auf die gleiche Weise müssen die nachfolgenden Zähne allmählich ineinandergreifen. Auf diese Weise erfolgt die Übertragung der Bewegung leise, regelmäßig, ohne Stöße oder Vibrationen;
• Erhöhen der spezifischen Abdeckung, d. h. Erhöhen der durchschnittlichen Anzahl von Zahnkontakte während der Drehung; dies begünstigt eine homogenere Verteilung der Kontaktkräfte;
• Ein Verringern des spezifischen Gleitens, unter Berücksichtigung der Reibungskräfte, die während des Eingreifens der Zähne entstehen.

Zusätzlich zur Projektentwicklung stellt Stagnoli auch seine weitreichenden Erfahrungen, die dank des ständigen Studiums einschlägiger Literatur gesammelt wurden, zur Verfügung; weiters werden wertvolle Ratschläge, um das Geräusch der Zahnräder im praktischen Bereich zu reduzieren, gegeben, wobei der Schwerpunkt auf den Materialien und den besten Kupplungstypen liegt.

Abb.2 Schalldruck in Abhängigkeit vom Drehmoment

Die Grafiken zu Bild 2 stammen aus dem wissenschaftlichen Artikel Acoustic Emissions from Polymeric Gears von K. D. Dearn* und D. Walton. Sie zeigen den Schalldruckpegel (SPL) in dB als Funktion des Drehmoments in zwei Tests bei unterschiedlichen Drehzahlen von drei verschiedenen Zahnradpaaren, die mit drei verschiedenen Materialien (POM, PA und PA + 30% FV + 15% PTFE) hergestellt wurden. Abgesehen von der Paarung bei Anwendung von POM variieren die Geräuschpegel nicht, wenn sich das Drehmoment ändert. PA plus Glasfaser und PTFE stellt bei allen getesteten Drehzahlen und Drehmomenten die leiseste Paarung dar. Die im Artikel angegebenen Schlussfolgerungen lauten wie folgt:

• Von den getesteten Materialien stellt die Paarung POM mit POM die lauteste Kombination dar. Im Vergleich zu anderen Materialien hat POM eine größere Empfindlichkeit gegenüber Drehmomentschwankungen gezeigt;
• Ein Zahnradpaar aus mit Glasfaser und PTFE beladenem PA-Verbundwerkstoff ist nicht nur unabhängig vom Drehmoment, sondern weist auch das geringste Geräusch auf;
• Alle Paarungen aus Kunststoff mit Stahl erzeugen einen niedrigen Geräuschpegel;
• Die Paarung von POM-Zahnräder sorgt bei vorhandener Schmierung für einen niedrigen Geräuschpegel;
• Die Paarung POM/Stahl-Zahnräder zeigt keine wesentlichen Unterschiede bei Schmierung oder in Abwesenheit von Schmierung.

Der Artikel bezieht hebt auch die Rauheit und damit die Oberflächenbeschaffenheit als eine der Ursachen für die Geräuschentwicklung der Zahnräder hervor.  

Wir bitten Sie diesbezüglich den Artikel zu lesen und uns zu Kontaktieren, wenn Sie ein Gespräch mit unseren Technikern wünschen, um Zahnräder aus Kunststoff abgestimmt auf Ihre Bedürfnisse zu entwerfen oder zu optimieren, um die Geräuscharmut Ihrer Maschinen verbessern.