1 Vorbemerkung, Anwendungsbereich

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1 Hauptverband der gewerblichen Berufsgenossenschaften BGI 676 (bisher ZH 1/564.19) Geräuschminderung in der Antriebstechnik Lärmgeminderte Zahnriementriebe Dezember Vorbemerkung, Anwendungsbereich Zahnriementriebe weisen insbesondere bei höheren Drehzahlen ein erhebliches Laufgeräusch auf, welches wegen seiner Tonalität als besonders unangenehm und störend empfunden wird. Sind diese Antriebe für Leistungen ausgelegt, wie sie etwa bei Werkzeug-, Papier- oder Textilmaschinen nötig sind (Bild 1), so werden Schalleistungspegel von 107 db(a) nicht selten überschritten. Da diese hohen Geräuschpegel des Zahnriementriebes für das gesamte Geräuschverhalten der jeweiligen Maschine bestimmend sind, Kapselungen, Wärmeabfuhr, Sichtkontrolle und Wartung oft erheblich behindern, kommt der Lärmminderung dieses Antriebselementes eine Schlüsselstellung zu, die auch aufwendigere Minderungsmaßnahmen rechtfertigt. Bild 1 Dieses LSA-Blatt gibt Anregungen zu Lärmminderungsmaßnahmen für den Konstrukteur, aber auch für Betreiber, die bereits bestehende Antriebe lärmmindernd nachrüsten wollen. Darüber hinaus wird eine Abschätzformel angegeben, die es ermöglicht, die Geräuschpegel für unterschiedliche Zahnriementypen in Abhängigkeit von Drehzahl und zu übertragender Leistung näherungsweise zu ermitteln. Hiermit ist die Wahl geräuschmäßig günstiger Typen möglich. Grundlagen sind vergleichende Geräuschuntersuchungen an den zur Zeit der Drucklegung mit wesentlichen Marktanteilen bei Maschinenantrieben oberhalb 5 kw vertretenen Zahnriemenarten. Dem Forschungsbericht können weitere Einzelinformationen entnommen werden [1-7].

2 2 Geräuschentstehung, Einflußfaktoren Das Zahnriemengeräusch entsteht aufgrund der geometrischen Bedingung des unstetigen Zahneingriffs (Polygoneffekt). Hierdurch läuft der Riemen nicht kontinuierlich in einem tangentialen Berührpunkt auf die Riemenscheibe auf, sondern jeder Zahn gelangt mit einer gewissen Aufschlaggeschwindigkeit zum Eingriff. Beim Auftreffen des Riemenmaterials auf die Zahnscheibe wird Luftschall erzeugt und im wesentlichen unmittelbar am Ort des Zahneingriffs abgestrahlt. Weil die Schallenergie hauptsächlich mit der Zahneingriffsfrequenz und deren Harmonischen emittiert, ergibt sich der typische, tonale und oberwellenreiche Klang. Die in Schall umgesetzte Leistung steigt sehr stark mit den bei jedem Zahneingriff in Berührung kommenden Flächen, so daß die Breite des verwendeten Zahnriemens großen Einfluß auf die Höhe der Schallemission hat. Weiter ist die Schallenergie als Summe der mit jedem Zahneingriffsvorgang in Schall umgesetzten Teilenergien stark von der Zahl dieser Eingriffe pro Zeiteinheit also von der Riemenumlaufgeschwindigkeit abhängig. Dabei ist es unerheblich, ob die entsprechende Riemenumlaufgeschwindigkeit durch hohe Drehzahl bei Verwendung kleiner Scheiben oder durch große Scheibenradien zustande kommt. Gemäß dieser Entstehungsmechanik ist die Schallabstrahlung auf der An- und Abtriebsseite gleich; sie wird auch von den übrigen Parametern des Zahnriementriebes (Achsabstand, Vorspannkraft, Übersetzungsverhältnis und Lastmoment) nicht wesentlich beeinflußt. Bei Riemenumlaufgeschwindigkeiten oberhalb 25 m/s macht sich das Ventilationsgeräusch zunehmend stark bemerkbar: Die Umgebungsluft wird von den umlaufenden Teilen des Antriebes mitgerissen und verwirbelt beim Auftreffen auf feststehende Umbauteile, wobei ein breitbandiges Rauschen entsteht. Erst bei Riemengeschwindigkeiten um 50 m/s wird dieser Geräuschanteil merklich. Weil die nachfolgend beschriebenen Geräuschminderungsmaßnahmen dieses Rauschen nicht unterdrücken, sondern jeweils nur das Aufschlaggeräusch mindern, verlieren die Maßnahmen mit zunehmender Umfangsgeschwindigkeit etwas an Wirkung. Angaben über erzielbare Pegelminderungen sind deshalb nur für Geschwindigkeiten bis 30 m/s verwendbar. 3 Maßnahmen zur Schallpegelsenkung Die Wirksamkeit der nachfolgend vorgestellten Maßnahmen für eine praktische Anwendung setzt voraus, daß das Zahnriemengeräusch pegelbestimmend ist und unmittelbar in Luftschall umgesetzt wird. In Anwendungen, bei denen Umbauteile durch vom Riementrieb erzeugten Körperschall zur Abstrahlung angeregt werden, sind die Lärmminderungsmaßnahmen am Riementrieb nur in Verbindung mit gleichzeitig durchzuführender Körperschalldämmung oder sonstiger Unterbindung der Sekundärabstrahlung erfolgversprechend. 3.1 Maßnahmen an Riementrieben mit marktüblichen, nicht geräuschgeminderten Zahnriemen Sollen übliche Zahnriemen verwendet werden, so stehen neben der Verwendung von (Teil-) Kapselungen des Antriebs folgende Lärmminderungsmaßnahmen zur Wahl: Der Einsatz von Zahnriemenscheiben aus spanend bearbeitetem Metall bringt gegenüber solchen aus Kunststoff eine Geräuschminderung um 3 db(a). Riemenscheiben aus Sintermaterial sind sogar bis zu 4 db(a) leiser als Kunststoffscheiben.

3 In die Zahnriemenscheibe in Umfangsrichtung eingebrachte Nuten von 1-3 mm Breite (Bild 2) ermöglichen eine Verringerung des Schalleistungspegels um 2 db(a). Die Nuten eine pro 30 mm Scheibenbreite sollten den Zahngrund deutlich unterschneiden. Da das übertragbare Drehmoment immer von der zulässigen Längskraft im Riemen oder der Scherfestigkeit der Riemenzähne begrenzt wird, bedeutet die Nutung der Scheibenzähne keine Leistungseinbußen. Bild 2 Werden anstelle eines Zahnriemens einer gegebenen Breite b stattdessen zwei parallele Riemen jeweils der halben Breite eingesetzt, so ergibt sich eine um 5 bis 9 db(a) geringere Schalleistung. Am Riementrieb sind geeignete Maßnahmen zu treffen, welche ein Anlegen einer Riemenseite an den Parallelriemen verhindern. Hierzu sind beispielsweise Zahnscheiben mit einer dritten, mittigen Bordscheibe geeignet. Die Gesamtbreite des Antriebes erhöht sich um die Breite des Freiraumes zwischen den beiden Riemen. Die effektive, die Umfangskräfte aufnehmende Summenbreite der beiden halbbreiten Riemen ist geringer als die Ausgangsbreite, da die Randzonen jedes Einzelriemens keine Kräfte aufnehmen. Üblicherweise wird bei der Auslegung eines Einriemenantriebes der gegenüber der errechneten Sollbreite nächstgrößere Katalogwert gewählt, so daß sich aufgrund der Staffelung gegenüber der erforderlichen Mindestbreite meist zwangsläufig eine gewisse Überdimensionierung ergibt, welche die nichttragenden Randzonen kompensiert. In Fällen, wo dies nicht ausreichend gewährleistet ist, sollten die aufgeteilten Riemenbreiten daher jeweils größer als die halbe ursprüngliche Breite gewählt werden. Der Erfolg dieser Maßnahme ist bei sehr lauten Zahnriementypen groß und ist minimal bei geräuscharmen Arten. 3.2 Einsatz geräuschgeminderter Zahnriemen Alle neueren Zahnriemenentwicklungen sind im Vergleich zu den älteren Bauarten unter anderem auch akustisch günstiger. Im Sinne dieses Arbeitsblattes sind geräuschgeminderte Zahnriemen jedoch nur solche, die sich gegenüber einer markteingeführten Grundform nur in einer geräuschmindernd wirkenden Beschichtung unterscheiden; sie sind sowohl bezüglich der Zahnscheiben als auch bezüglich der Antriebsauslegung unmittelbar einwechselbarer Ersatz für die Grundform. Zum Zeitpunkt der Drucklegung dieses Arbeitsblattes sind folgende geräuschgeminderte Zahnriementypen verfügbar:

4 Die Zahnriemen aus Polyurethan der Teilung T und deren Weiterentwicklung sind mit einer Polyurethan-Textilgewebebeschichtung auf der Zahnseite lieferbar. Diese Variante ist mit dem Nachsetzzeichen PAZ gekennzeichnet. Für die Teilung T 10 konnten hiermit eine Pegelminderung um mehr als 8 db gemessen werden. Neopren-Zahnriemen mit halbrunder Zahnform sind mit 14 mm-teilung als lärmgeminderte Variante erhältlich, bei der eine zahnseitige textile Beschichtung eine Lärmminderung um 10 db(a) bewirkt. Die relativ nachgiebige Beschichtung ermöglicht allerdings ein größeres Spiel des Riemenzahnes in der Zahnlücke der Scheibe, was sich in höheren angeregten Körperschallpegeln und ausgeprägterem Drehschwingungsverhalten äußert. Bei Vorhandensein von Umbauteilen, welche durch Körperschallanregung zu Luftschallabstrahlung neigen (beispielsweise großflächige Abdeckbleche) oder wenn in den Antriebsstrang eingeleitete Drehschwingungen an entfernten Maschinenteilen Luftschall induzieren oder aus anderen Gründen nicht akzeptiert werden können, ist zwischen dem geräuschmäßigen Vorteil und den genannten Nachteilen abzuwägen. Zahnriemen aus Polyurethan werden auf Anforderung auch mit Rückenbeschichtungen aus unterschiedlichen Materialien und in verschiedenen Schichtstärken geliefert. Es ergeben sich geringfügige Pegelminderungen. Da hiermit im Gegensatz zu den Riemen mit zahnseitigen Beschichtungen jedoch keine Nachteile bezüglich Verdrehspiel und Drehschwingungsverhalten einhergehen, sollte auch diese Maßnahme in Erwägung gezogen werden. Wegen der erhöhten Riemenmasse in der Riemenaußenschicht wirken die Fliehkräfte stärker, so daß die Grenzdrehzahl eines solchen Riemens herabgesetzt ist. Für einen Riemen mit einer 0,5 mm dicken Rückenauflage aus Naturkautschuk (Härte ca. 40 Shore A) wurde eine Pegelminderung von 2 db(a) ermittelt; bei solchen mit 1 bis 2 mm dicker Polyurethanauflage ist die akustische Verbesserung geringer. Exemplarisch gemessene Pegelminderungen aufgrund von Detailverbesserungen sind in Bild 3 zusammengestellt.

5 Bild 3: Modifikationen an Zahnriementrieben und erzielbare Geräuschminderungen 3.3 Wahl akustisch günstiger Geometrie- und Betriebsparameter Da die Riemengeschwindigkeit der Parameter mit dem stärksten Einfluß auf die Schallemission ist, führt deren Verringerung immer zu einer deutlichen Pegelabsenkung. Bei der Auslegung von Zahnriementrieben sollten daher folgende Möglichkeiten ausgeschöpft werden, soweit die primären Designziele dies zulassen: Zum Übertragen einer gegebenen Leistung führt die Parameterpaarung von geringer Drehzahl und großem Drehmoment auch dann zu einer deutlichen Lärmminderung, wenn zur Wahrung der Riemenscheibendurchmesser der Drehmomentzuwachs durch Steigerung der Umfangskraft im Riemen und daher zur Vergrößerung der Riemenbreite führt. Beispielsweise ist es bei einem Zahnriemen der Teilung H zur Übertragung einer Leistung von 13 kw möglich gewesen, die Drehzahl von 2200 min -1 auf 1000 min -1 abzusenken, indem das Drehmoment von 56 Nm auf 125 Nm angehoben wurde. Da die Zahnriemenscheiben beibehalten werden sollten, mußte die Riemenbreite verdoppelt werden. Der lärmmindernde Effekt der Drehzahlabsenkung überwiegt gegenüber dem potentiellen Lärmzuwachs aufgrund der größeren Riemenbreite, so daß sich im vorliegenden Falle eine Pegelminderung um 5 db(a) ergab. Allgemein kann bei Drehzahlabsenkungen um min -1 und entsprechender Vergrößerung der Riemenbreite mit Lärmminderungen zwischen 2 und 6 db(a) gerechnet werden.

6 Soll neben der zu übertragenden Leistung auch die Drehzahl beibehalten werden, so kann in den Fällen eine Lärmminderung erzielt werden, in denen die ursprünglich verwendeten Zahnriemenscheiben gegen solche mit kleinerem Wirkdurchmesser beziehungsweise geringerer Zähnezahl ausgetauscht werden können. Bei gleichen Drehzahlen bewirkt der kleinere Zahnscheibenumfang eine Absenkung der Riemenumlaufgeschwindigkeit, so daß die Schallabstrahlung reduziert wird. Auch hier wird dieser positive Effekt dadurch gemindert, daß aufgrund der für gleiches Drehmoment und mithin gleicher Leistung auf kleineren Scheiben nötigen größeren Umfangskraft die erforderliche Riemenbreite ansteigt. 4 Abschätzung der Schallemission marktüblicher Zahnriemen Die Geräuschemission von Zahnriementrieben ist neben der Riemenumlaufgeschwindigkeit und damit der Drehzahl und der Riemenbreite, die in Abhängigkeit von der zulässigen Längsspannung im Riemen aufgrund des aufgebrachten Drehmomentes gewählt wird, markant von der jeweiligen Zahnriemenart abhängig. Geometrische Parameter wie Achsabstand, Übersetzungsverhältnis oder anderes sind hingegen von untergeordneter Bedeutung. Der Zahnscheibendurchmesser hat als solcher ebenfalls keinen Einfluß; er wirkt sich mittelbar aus, indem hierdurch bei gegebener Drehzahl die Riemenumlaufgeschwindigkeit bestimmt ist. Für übliche Anwendungen bezüglich Geometrie und Betriebszustände liegen die A-bewerteten Schalleistungspegel L WA aller nicht lärmgeminderter Zahnriementriebe daher in guter Näherung auf einer Funktionsebene (Bild 4), die von den beiden Haupteinflußgrößen Drehzahl n und Leistung P aufgespannt wird. Die Funktionsfläche wird durch folgende Formel beschrieben, in die die Drehzahl n in /min -1 / und die Leistung P in /kw/ einzusetzen ist: Hierin sind n 0 die Bezugsdrehzahl 1/min -1 und P 0 die Bezugsleistung 1 kw. L bezeichnet einen vom jeweiligen Zahnriementyp abhängigen Zu- oder Abschlag gemäß Tabelle 1. Für jeden der dort aufgeführten Riementypen läßt sich somit der zu erwartende Schalleistungspegel des reinen Riementriebes (ohne Antriebsmaschine oder Umbauteile) abschätzen. In der Spalte der Tabelle ist angegeben, wie groß das Streuband um den errechneten Wert L WA * ist, innerhalb dessen sich die Meßergebnisse L WA von jeweils 5 Prüfmessungen einordneten:

7 Tabelle 1: Zuschlag L und Streuung zum berechneten Schalleistungspegel Zahnriementyp L db(a) db(a) Standard L Polyurethan T Isoran RPP Standard H HTD 8 M HTD14M PolyurethanAT Isoran RHP Super Torque S8M Super Torque S14M Bild 4: Geräuschverhalten von Zahnriementrieben, Stand der Technik (Pegel L: A-bewerteter Schalleistungspegel) Anwendbar ist die Abschätzung, wenn der Zahnriementrieb in folgendes Einsatzspektrum eingeordnet werden kann und für die Zahnteilung übliche Riemenbreiten gewählt werden: Zähnezahl nicht größer als die dreifache Mindestzähnezahl und Riemengeschwindigkeiten < 50 m/s. Für die in der Tabelle aufgeführten Zahnteilungen entspricht dies Drehzahlen bis zu ca min -1. Unterhalb von n = 1000 min -1 verliert die Näherungsformel ihre Aussagefähigkeit. 5 Anwendungsbeispiele 5.1 In einem Getriebe mit einer Untersetzung von 2:1 bei einer Antriebsleistung von 26 kw und einer Eingangsdrehzahl von 3000 min -1 wurde ein Zahnriemen HTD M-40 mit halbrundem Zahnprofil und 40 mm Riemenbreite eingesetzt. Der Schalleistungspegel betrug 108 db(a), was mit dem Ergebnis der Überschlagsrechnung L WA * = 107 db gut

8 übereinstimmt. Da nach Tabelle 1 für den Riementyp Super Torque ein um 9 db(a) geringerer Pegel erwartet werden kann, wurde der Antrieb hierauf umgerüstet. Eine Nachmessung bestätigte dies; für den Zahnriemen 400 S 14 M 2100 wurde der Schalleistungspegel zu 98 db(a) bestimmt. Nach Verfügbarkeit des HTD-Profils mit lärmmindernder zahnseitiger Beschichtung wurde der Antrieb auf die ehemals verwendeten Riemenscheiben zurückgerüstet, da die geräuscharme Riemenversion auf den gleichen Zahnscheiben verwendbar ist wie die ursprünglich benutzte, nicht lärmgeminderte HTD-Type. Die Überschlagsrechnung führt in der zugehörigen Tabelle keine Daten zu dem nun eingesetzten lärmgeminderten Typ HTD M-40 RN auf, da sich die Tabelle auf übliche Zahnriementypen beschränkt. Die neuerliche akustische Vermessung ergab einen Schalleistungspegel von knapp 98 db(a). 5.2 In einem Getriebe wurde das Untersetzungsverhältnis von 2:1 für 6,5 kw bei 3000 min -1 mit Polyurethan-Zahnriemen der Teilung T 10 realisiert. Während die Überschlagsrechnung einen Schalleistungspegel von 98 db(a) erwarten ließ, wurden tatsächlich sogar 101 db(a) gemessen. Es wurden verschiedene Rückenbeschichtungen auf ihre akustische Wirksamkeit hin untersucht, die den Pegel auf 99 db(a) senkten, was für die gegebene Antriebsaufgabe jedoch als nicht ausreichend angesehen wurde. Die lärmgeminderte Variante mit einer zahnseitigen Textilgewebebeschichtung ermöglichte eine Pegelabsenkung auf 92 db(a). Schließlich ergab die Umrüstung auf Polyurethan- Zahnriemen der Teilung AT 10 einen Schalleistungspegel von nur noch 87 db(a), was den Erwartungswert aufgrund der Ergebnisse der Näherungsrechnung von 89 db(a) noch unterbot. 6 Zusammenfassung Zahnriementriebe weisen insbesondere bei höheren Drehzahlen ein erhebliches Laufgeräusch auf, welches wegen seiner Tonalität als besonders unangenehm und störend empfunden wird. Dieses Arbeitsblatt erlaubt die Abschätzung der Schallemission üblicher Zahnriementriebe in Abhängigkeit von Drehzahl und übertragener Leistung unter Vernachlässigung der weniger relevanten Parameter. Durch Wahl des jeweils leisesten Typs lassen sich sehr oft Pegelminderungen um 9 db(a) erzielen. Selbst gegenüber marktüblichen Typen, welche akustisch bereits als relativ günstig einzustufen sind, ist eine weitere Verbesserung von bis zu 9 db(a) möglich, wenn speziell lärmgeminderte Varianten eingesetzt werden. Bei der Auslegung von Riementrieben lassen sich durch geeignete Wahl der konstruktiv noch freien Betriebs- und Geometrieparameter fallweise Pegelminderungen in der Größenordnung von 5 db(a) erreichen. Aber auch an bereits ausgeführten Antrieben ist durch Einbringen von Modifikationen eine nachträgliche Verbesserung um einen ähnlichen Betrag möglich. Die beschriebenen Minderungsmaßnahmen bewirken keine Absenkung des Geräuschanteils, der bei sehr hohen Riemengeschwindigkeiten aufgrund von Verwirbelungen der vom Riementrieb bewegten Luft an feststehenden Umbauteilen entsteht. Die Wirkungen verschiedenartiger, gleichzeitig angewendeter Maßnahmen addieren sich nur in geringem Maße.

9 7 Schrifttum [1] W. Funk: Besser zwei schmale als ein breiter Eingriffverhältnisse in Zahnriementrieben beeinflussen die Geräusche. Maschinen-Markt Industriejournal (Würzburg) 93 (1987), S [2] W. Funk: Quelle erkannt, Lärm gebannt Maschinen-Markt Industriejournal (Würzburg) 93 (1987), S /52, 53 [3] T. Hoshiro, T. Koyama, M. Kagotani, S. Sato, T. Aida: Some methods to reduce noise in toothed belt drives. Bulletin of the JSME 24 (1981) Nr. 190, S [4] T. Hoshiro, A. Kubo, T. Ando, S. Sato, T. Aida: On the running noise of toothed belt drive. Bulletin of the JSME 14 (1971) Nr. 75, S (erster Bericht), S (zweiter Bericht) [5) M. Weck, U. Jansen: Geräuschverhalten von Zahnriemen Stand der Technik; in: Zahnrad- und Getriebeuntersuchungen; Bericht über die 27. Arbeitstagung am 22./ , Aachen, S. 15/1 [6] M. Weck, U. Jansen: Entwicklungstendenzen und Möglichkeiten der Geräuschminderung von Zahnriementrieben. HGF-Kurzbericht 87/83, Industrie- Anzeiger 90/1987, S. 50 [7] M. Weck, U. Jansen: Experimentelle Ermittlung der Geräuschursachen bei Zahnriementrieben. Antriebstechnik 27 (1988) Nr. 6, S. 61