Untersuchung zum Einfluss einer nächtlichen Geschwindigkeitsbegrenzung auf die Lärmimmission im Straßenverkehr

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2 Präzisionsmechanik - Optik 2 Untersuchung zum Einfluss einer nächtlichen Geschwindigkeitsbegrenzung auf die Lärmimmission im Straßenverkehr Projektleiter: Prof. Dr.-Ing. Bruno Spessert FB Maschinenbau Mitarbeiter: Dipl.-Phys. Bernhard Kühn B. Eng. Christian Leisker B. Eng. Marcus Stiebritz Forschungspartner: Stadt Jena Laufzeit und Fördermittelgeber: Februar 2010 bis November 2010 Kontakt: Bruno.Spessert@fh-jena.de (03641) v. l.: B. Spessert, B. Kühn Vehicle Noise Emission and Traffic Noise Immission The influence of the vehicle speed on the vehicle noise emission and traffic noise immission was investigated. The investigation was done for federal roads in the city zone of Jena at night. Caused by the reduction of the speed limit from 50 km/h to 30 km/h a remarkable noise level reduction was measured. Additionally the noise became more pleasant. Ziel des Projektes war die Beurteilung einer nächtlichen Geschwindigkeitsabsenkung von 50 km/h auf 30 km/h auf Bundesstraßen im Stadtgebiet Jena. Außerdem sollen die gemessenen Schalldruckpegel dazu dienen, die mit Hilfe der üblichen Ausbreitungsrechnungen (gemäß RLS 90) ermittelten Pegel zu verifizieren. Alle Messungen fanden in Anlehnung an DIN (Messung von Verkehrsgeräuschen) statt. Es wurde jeweils der A-bewertete Schalldruckpegel in 7,5 m Abstand zur Fahrbahnmitte erfasst. Die Untersuchung bestand aus zwei Teilen: 1. Für ausgewählte Fahrzeuge wurde für verschiedene Geschwindigkeiten und Getriebestufen die Geräuschemission auf einer Teststrecke gemessen. 2. An ausgewählten Messpunkten an der B 7 und der B 88 wurde die Geräuschimmission im realen Verkehr vor 22 Uhr (bei einer Begrenzung der maximal zulässigen Geschwindigkeit auf 50 km/h) und nach 22 Uhr (bei einer Begrenzung der maximal zulässigen Geschwindigkeit auf 30 km/h) gemessen. Messung der Geräuschemission einzelner Fahrzeuge auf einer Teststrecke Es wurden Schalldruckmessungen für einzelne Vorbeifahrten mit vier Fahrzeugtypen durchgeführt. Beim Vergleich der Geräuschemission dieser Fahrzeuge bei Geschwindigkeiten von 50 km/h und 30 km/h ergeben sich Differenzen im maximalen Vorbeifahrtspegel L Amax von 7-8 db. Im Unterschied zum maximalen Vorbeifahrtspegel berücksichtigt der Einzelereignispegel L T0 die längere Einwirkzeit des Geräusches bei niedrigen Geschwindigkeiten. Daher fallen Pegeldifferenzen etwas geringer aus. Sie liegen für die genannten Geschwindigkeitsunterschiede bei 5-6 db. Im Gegensatz zur Geschwindigkeit spielt die Wahl der Getriebestufe offenbar kaum eine Rolle für die Geräuschemission. Das Geräusch von Straßenfahrzeugen wird auch bei noch relativ niedriger Geschwindigkeit weitgehend durch das Reifen-Fahrbahngeräusch bestimmt. Messung der Geräuschimmission im realen Verkehr In der Erfurter und Camburger Straße wurden an fünf Tagen Schalldruckpegel aufgezeichnet. Im Durchschnitt ergaben sich Differenzen im Mittelungspegel L Aeq von etwa 3 db für die Zeiten vor und nach 22 Uhr. Ein Teil der Geräuschminderung ist allerdings auf die unterschiedlichen Verkehrsdichten zurückzuführen. Abb. 1: Einzelereignispegel für die Vorbeifahrt verschiedener Fahrzeugtypen Zusätzlich wurde der gemessene Lärmpegel Pegelklassen zugeordnet. Betrachtet wurde die relative Häufigkeit der Pegelklassen für die Zeiten vor und nach 22 Uhr. Bei allen Messungen wurde die relative Häufigkeit der besonders wichtigen Pegelklassen von db(a) und db(a) durch die Beschränkung der Höchstgeschwindigkeit auf 30 km/h deutlich reduziert, und zwar auch noch dann, wenn Zeitintervalle mit sehr ähnlicher Verkehrsdichte verglichen wurden! Dies zeigt, dass durch die Beschränkung der Höchstgeschwindigkeit auf 30 km/h eine deutliche Verminderung der Lärmimmission erreicht werden kann. Fachhochschule Jena Forschungsbericht 2009/

3 2 Präzisionsmechanik - Optik Geräuschemission von Kugelgewindetrieben Projektleiter: Prof. Dr.-Ing. Bruno M. Spessert FB Maschinenbau Abb. 2: Häufigkeitsverteilung für Intervalle mit vergleichbarer Verkehrsdichte für Messpunkt B vom Mitarbeiter: Dipl.-Phys. Bernhard Kühn B. Eng. Réne Ruder Dipl.-Ing. (FH) Matthias Voigt Forschungspartner: Jenaer Gewindetechnik GmbH v. l.: B. Spessert, B. Kühn Parallel durchgeführte Geschwindigkeitsmessungen ergaben, dass nur etwa 10% der Fahrzeuge die Beschränkung der Höchstgeschwindigkeit auf 30 km/h einhalten und die mittlere Geschwindigkeit nach 22 Uhr liegt bei etwa 40 km/h. Bei konsequenter Durchsetzung der Höchstgeschwindigkeit von 30 km/h könnte die Lärmimmission noch deutlich weiter reduziert werden. An einem Tag fanden Messungen in der Kahlaischen Straße statt. Wie erwartet werden die Mittelungspegel dort durch den Schienenverkehr dominiert. Aber sogar an diesem stark vom Schienenverkehrslärm beeinflussten Messort sind akustisch positive Auswirkungen der Beschränkung der Höchstgeschwindigkeit auf 30 km/h nachweisbar, da auch hier wie an den anderen Messorten nach 22 Uhr Schalldruckpegel im Bereich der Pegelklassen von 60 bis 70 db(a) deutlich seltener auftreten. Laufzeit: Juni bis Oktober 2010 Kontakt: Bruno.Spessert@fh-jena.de (03641) In a study work with the Jenaer Gewindetechnik GmbH miniature-ball screws short were examined acoustically. Main focus was the influence of different materials on the noise issue. Im Rahmen einer Studienarbeit bei der Jenaer Gewindetechnik GmbH wurden Miniatur-Kugelgewindetriebe akustisch untersucht. Die Auswirkungen von konstruktiver Maßnahmen und verschiedener Materialien auf das Geräusch standen dabei im Vordergrund. Ziel war es, das Geräuschminderungspotential zu ermitteln. Alle Messungen wurden bei der Jenaer Gewindetechnik GmbH auf einem Prüfstand für Miniatur Kugelgewindetriebe bei unterschiedlichen Drehzahlen durchgeführt. Die Schalldruckspektren der Versuchsvarianten unterscheiden sich lediglich im Bereich relativ hoher Frequenzen von 6 bis 10 khz. Da dieser Frequenzbereich nicht dominant ist, wird der Pegel des Gesamtgeräusches dadurch kaum beeinflusst. Abb. 3: Teststrecke Abb. 1: Miniatur-Kugelgewindetrieb 72 Fachhochschule Jena Forschungsbericht 2009/2010

4 Präzisionsmechanik - Optik 2 Geräuschanregung, -emission und -reduktion bei Elektromotoren Projektleiter: Prof. Dr.-Ing. Bruno M. Spessert FB Maschinenbau Mitarbeiter: Dipl.-Phys. Bernhard Kühn, Martin Fischer (M. Eng.) Laufzeit: Januar 2007 bis Dezember 2010 Kontakt: Bruno.Spessert@fh-jena.de (03641) v. l.: M. Fischer, B. Spessert, B. Kühn Noise Excitation, Emission and Reduction of Electric Motors This research report deals with noise excitation, noise emission and noise reduction of electric motors. For this purpose the fundamental noise excitation mechanism are listed. Afterwards theoretical and practical measures to determine and to reduce the noise emission were discussed. Der Forschungsbericht befasst sich mit den Ursachen der Geräuschanregung, der Bestimmung der Geräuschemission und darauf aufbauend mit der Geräuschreduktion von Elektromotoren sowie elektrisch angetriebener Geräte. Untersuchungen wurden hierzu unter anderem an Standmixern durchgeführt. Diese verursachen am Benutzerohr Schalldruckpegel von über 90 db(a)! Besonders Harmonische der Drehfrequenz sind stark ausgeprägt (siehe Abbildung 1). motors hervorgerufen. Bei Elektromotoren lässt sich die Geräuschanregung drei Ursachen zuordnen. Hierbei handelt es sich um mechanische, aerodynamische und magnetische Geräuschanregungen. In Abhängigkeit des vorhandenen Motortyps und verschiedener Motorparameter können sich die Ursachen und deren Geräuschanteile unterscheiden. Allerdings können noch nicht alle Harmonische zugeordnet werden. Dieses Defizit ist ebenfalls ein wesentlicher Punkt für dieses Forschungsprojekt. Mechanische Geräuschanregungen entstehen durch den direkten Kontakt von Bauteilen zueinander. Hierbei entstehen hauptsächlich Schleif- und Abrollgeräusche. Die aerodynamischen Geräusche sind durch ein Grundrauschen charakterisiert, welches durch hörbare Töne überlagert sein kann. Das Grundrauschen und die hörbaren Töne werden durch den Lüfter und den Rotor erzeugt. Hierbei spielen insbesondere die Umfangsgeschwindigkeit sowie die Geometrien beider Komponenten einen entscheidenden Einfluss. Die magnetischen Geräuschanregungen werden durch magnetische Felder hervorgerufen, welche die magnetisch wirksamen Körpergeometrien zu Schwingungen anregen. In diesem Zusammenhang wird auch von mechanischen Spannungswellen gesprochen. Diese sind in der Regel bestimmten Frequenzen zuzuordnen. Die magnetischen und aerodynamischen Geräuschanregungen sind dominant. Die Harmonischen werden größtenteils durch die Eigenschaften des jeweils verwendeten Antriebs- Abb. 1: FFT-Spektrum eines Standmixers Zur Reduktion der Geräuschemission von Elektromotoren gibt es eine Vielzahl von Vorschlägen. Die mechanischen Geräusche können unter anderem mittels erhöhtem Fertigungs- und Montageaufwand verringert werden. Die aerodynamischen Geräusche werden besonders durch die Auslegung des Lüfters entscheidend beeinflusst. Somit wirkt sich beispielsweise eine verringerte Umfangsgeschwindigkeit besonders vorteilhaft auf die Geräuschreduktion aus. Die magnetischen Geräuschanregungen können unter anderem durch eine Nutenschrägung, Schrittverkürzung und einer größeren Luftspaltbreite nachweislich verringert werden. Weitere Reduktionsmaßnahmen sind z.b. eine Entkopplung und Kapselung der Elektromotoren sowie eine Schalldämpfung der Strömungsgeräusche. Fachhochschule Jena Forschungsbericht 2009/

5 Gründung und Führung von Unternehmen 7 Die Familie Ruppe Pioniere des Automobil- und Motorenbaus aus Apolda Projektleiter: Prof. Dr.-Ing. Bruno Spessert FB Maschinenbau Forschungspartner: zahlreiche nationale und internationale Fahrzeug-, Technik- und Heimatmuseen, technikgeschichtliche Vereine sowie Privatpersonen wie Besitzer von Fahrzeugen, Motoren und Dokumenten Laufzeit: fortlaufend seit September 2005 Kontakt: Bruno.Spessert@fh-jena.de (03641) B. Spessert The Ruppe Family Early Automotive and Combustion Engine Pioneers from Apolda (Thuringia, Germany) The petrol engines of the company A. Ruppe & Son respective later Apollo Werke AG were investigated systematically. Schwerpunkt der Forschungsaktivitäten im Zeitraum 2009/2010 war die systematische Untersuchung der Ottomotoren, die in Apolda durch die Firma A. Ruppe & Sohn bzw. das Nachfolgeunternehmen APOLLO- Werke AG hergestellt wurden. Hugo Ruppe ( ) konstruierte zunächst einen luftgekühlten Einzylindermotor für das 1903 produzierte Motorrad Apoldania und entwickelte aus diesem Motor luftgekühlte Zweizylinder-V-Motoren für die ab 1904 hergestellten erfolgreichen Piccolo -Automobile. Die Auslassventile waren stehend angeordnet und wurden von der Nockenwelle gesteuert, die Einlassventile waren hängend angeordnet und öffneten sich automatisch durch den Unterdruck im Zylinder während des Ansaugens. Die Leistung dieser Zweizylindermotoren wurde in mehreren Stufen gesteigert durch die zweimalige Vergrößerung der Bohrung, dann durch den Einbau gesteuerter Einlassventile und schließlich durch Vergrößerung des Hubes. Am Ende dieser Entwicklung entstand durch Verdoppelung der Zweizylinder-V-Motoren ein Vierzylinder-V-Motor. Die bei der Konstruktion bzw. Weiterentwicklung von Verbrennungsmotoren damals übliche Vorgehensweise kann am Beispiel der in Apolda von Hugo Ruppe entwickelten Motoren nachvollzogen werden: Die Leistung der Motoren wurden schrittweise erstens durch Erhöhung der Zylinderzahl ( Baukastenprinzip ), zweitens durch Vergrößerung des Hubraums und drittens durch Verbesserung des Ladungswechsels gesteigert. Die damalige Vorgehensweise entspricht damit prinzipiell der bis heute üblichen. (Allerdings wird heute der Ladungswechsel nicht mehr mit Hilfe eines inzwischen längst selbstverständlich gesteuerten Einlassventils verbessert, sondern z.b. durch Erhöhung der Anzahl der Ventile pro Zylinder und durch Aufladung der Motoren.) Außerdem entwickelte Hugo Ruppe einen luftgekühlten Vierzylinder-Reihenmotor ebenfalls für die Piccolo- Automobile. Ende 1907 verließ Hugo Ruppe die Firma, gründete Anfang 1908 die Hugo-Ruppe-GmbH in Markranstädt und baute dort mehrere Typen von luftgekühlten Vierzylinder-Reihenmotoren für Kleinwagen. Auf Hugo Ruppe folgte als technischer Direktor sein Bruder Paul Ruppe ( ). Unter seiner Leitung wurden 1908 und 1909 als Nachfolger für die von Hugo Ruppe konstruierten Motoren neue luftgekühlte Einzylinder- sowie Zwei- und Vierzylinder-Reihenmotoren entwickelt. Die von diesen Motoren angetriebenen Fahrzeugtypen Mobbel, Apollo A und Apollo E waren allerdings weniger erfolgreich als die von ihnen abgelösten Piccolo -Kleinwagen wurde Carl Slevogt ( ) neuer Chefkonstrukteur. Der Motor des Apollo E wurde von Luft- auf Wasserkühlung umkonstruiert und in dieser Ausführung für die Fahrzeugtypen Apollo G und Apollo C übergangsweise noch bis zum Ersatz durch eine Neukonstruktion 1913 gebaut. Außerdem konstruierte Carl Slevogt drei vollständig neue wassergekühlte Motorbaureihen. Alle Motoren waren Vierzylinder-Reihenmotoren mit einer ähnlichen Grundkonstruktion: Sie besaßen ein Tunnelgehäuse und hängende Ein- und Auslassventile, die von einer untenliegenden Nockenwelle über Stoßstangen betätigt wurden. Die kleinen Motoren mit einem Hub von 92 mm und einer Bohrung von 60 mm (bzw. ab 1924 einer Bohrung von 65 mm) trieben ab 1911 den Kleinwagen Apollo B an. Der Apollo B galt als besonders sportlicher Kleinwagen; Rennwagen auf Basis des Apollo B waren sehr erfolgreich. Die Motorleistung konnte Carl Slevoigt mit Hilfe einer Erhöhung der Nenndrehzahl von anfangs U/min auf schließlich (oder sogar 4.200?) U/min von zunächst 10 PS auf 20 PS und dann nochmals durch Vergrößerung der Bohrung auf zuletzt 25 PS steigern. Im Laufe dieser Entwicklung wurden zahlreiche heute selbstverständliche Neuerungen eingeführt wie z.b. eine automatische Zündzeitpunktverstellung (bereits vor 1914), eine Druckölschmierung (ab 1913) und Leichtmetallkolben (ab 1923?). Die großen Motoren mit einem Hub von 130 mm bzw. 133 mm und einer Bohrung von 80 mm bzw. 90 mm wurden nur von 1911 bis 1918 (?) Fachhochschule Jena Forschungsbericht 2009/

6 7 Gründung und Führung von Unternehmen produziert und besaßen Motorleistungen von bis zu 44 PS. Die ab 1911 produzierten mittleren Motoren besaßen ursprünglich einen Hub von 116 mm und eine Bohrung von 65 mm, 75 mm, 78 mm, 80 mm oder 82 mm. Im Laufe der Weiterentwicklung entstand außerdem eine Variante mit einem Hub auf 123 mm und einer Motorleistung von 40 PS, die die großen Motoren überflüssig machte. Diese zunächst drei und später sogar nur noch zwei Motorbaureihen mit unterschiedlichen Hüben und Bohrungen deckten den gesamten Leistungsbereich ab, der für die große Fahrzeugpalette der Apollo Werke notwendig war. Carl Slevogt variierte also nur zwei Baureihen auf der Grundlage einer Konstruktion und minimierte damit Entwicklungs- und Fertigungsaufwand. Dieses Vorgehen findet sich in sehr ähnlicher Form in der Automobilindustrie bis zum heutigen Tage! Tabelle: Übersicht über die technischen Parameter der Motoren 156 Fachhochschule Jena Forschungsbericht 2009/2010

7 Veröffentlichungen Auszug der Publikationen, Vorträge und Poster der Jahre 2009 und 2010 *) Fachbereich Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Bruno Spessert PUBLIKATIONEN: Spessert, B.M.: Hugo Ruppe an Important German Combustion Engine Pioneer, SETC Linz, Austria, September, 2010, SAE , JSAE Spessert, B.M., Kochanowski, H. A.: Diesel Engine Noise Emission, in: Mollenhauer, K., Tschöke H.: Handbook of Diesel Engines, Springer Verlag, 1. Auflage 2010, ISBN Spessert, B.M.: Die RUPPEs - Pioniere des Automobil- und Motorenbaus aus Apolda, Jenaer Jahrbuch zur Technik- und Industriegeschichte Band 12/2009, Herausgeber Manfred Steinbach, Glaux-Verlag Christine Jäger KG, Jena 2009 Spessert, B.M.: Einsatz von Hitler-Jungen am Walpersberg, in: Gleichmann, M., Bock, K.-H.: Düsenjäger über dem Walpersberg, Heinrich-Jung-Verlagsgesellschaft mbh, Zella-Mehlis/Meiningen 2009, ISBN Spessert, B.M., Kühn, B., Fischer, M.: Blender Noise, 16th International Congress on Sound and Vibration (ICSV16), Krakow, Poland, 5-9 July, 2009 Spessert, B.M.: Der Düsenjäger MESSERSCHMITT Me 262 Meilenstein der Luftfahrtgeschichte und Menschen vernichtende Wunder waffe, Sperrige Vergangenheiten Aspekte regionaler Erinnerungskultur im 20. Jahrhundert - Tagungsband zur gleichnamigen wissenschaftlichen Tagung vom November 2007 auf der Leuchtenburg, Leuchtenburg 2009 Spessert, B.M., Fischer, M., Kühn, B.: Küchenmaschinenlärm, 20. Internationale wissenschaftliche Konferenz Mittweida, Spessert, B.M.: Küchenmaschinenlärm, Blender Noise, Paper 150, Scientific Reports der Hochschule Mittweida 2009, ISSN *) Aufgelistet sind die von den Autoren zugearbeiteten Veröffentlichungen. Veröffentlichungen von Mitarbeitern einer Forschungsgruppe sind bei dem jeweiligen Leiter aufgeführt. Fachhochschule Jena p Forschungsbericht 2009/

8 ISBN Bibliographische Information Der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliographie; detaillierte bibliographische Daten sind im Internet über abrufbar. Fachhochschule Jena 2011 Impressum Herausgeber: Redaktion/Layout: Korrektorat: Satz: Titelbild: Grafiken: Rektorin der Fachhochschule Jena Prof. Dr. Gabriele Beibst ServiceZentrum Forschung und Transfer Dr. Dirk Schlegel, Evelyn Jahn Dr. Dirk Schlegel Evelyn Jahn Mathias Meyer, Kahla FH Jena Druck: Förster & Borries GmbH & Co. KG Zwickau ISBN-Nr.: Printed in Germany Copyright 2011 Fachhochschule Jena Verlag: Verlag Fachhochschule Jena Redaktionsschluss: Die inhaltlichen Darlegungen der Forschungsprojekte wurden durch die Projektleiter verfasst. Publikationen und Veranstaltungen sind auszugsweise benannt. Aus Gründen des Vertrauensschutzes wurde auf die Namensnennung der Projektauftraggeber teilweise verzichtet. Nachdruck oder Vervielfältigung, auch auszugsweise, ist nur mit Genehmigung der FH Jena gestattet (Kontakt: