DE4239300A1 - Geräuscharmer Zahnriemen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen hinsichtlich Ge­ räuschkultur verbesserten Zahnriemen, wie er zur synchro­ nen Bewegungsübertragung zunehmend für Zahnriemengetriebe im Maschinenbau insbesondere für Werkzeug- und Verarbei­ tungsmaschinen zur Übertragung großer Leistungen (bis über 100 kW bei Drehzahlen bis etwa 6000 U/min) zum Einsatz kommt.

Für derartige Zahnriemen (nach DIN ISO 5296 auch Synchronriemen genannt) besteht des weiteren auf den Gebieten Antriebstechnik, Lineartechnik, Automobiltechnik, Feinwerktechnik und Getriebetechnik im allgemeinen ein großer Bedarf.

Hohe Leistungen erfordern breite Zahnriemen, welche schon bei geringen Drehzahlen von einigen Hundert U/min unange­ nehm laute Geräusche mit deutlich tonalem Charakter ab­ strahlen. Bei sehr hohen Drehzahlen wird die Geräuschbe­ lastung für die Umwelt derart kritisch, daß der Einsatz eines Zahnriemengetriebes in Frage zu stellen ist und somit sämtliche Vorteile dieses Übertragungselementes nicht nutzbar sind.

Seit Beginn der 70er Jahre reagierten verschiedene For­ schungsstellen hauptsächlich in Japan und Deutschland mit einer Reihe wissenschaftlicher Untersuchungen auf die Forderungen der Industrie nach geräuscharmen Zahnriemenge­ trieben. Gegenstand der Untersuchungen war das gesamte Spektrum am Markt befindlicher metrisch- und zollgeteilter Zahnriemengetriebe unterschiedlicher Profilformen und Materialien. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen verdeut­ lichen das komplexe Wirken zahlreicher Einflußgrößen.

So wird nach dem dokumentierten Stand der Technik das Aufschlaggeräusch zwischen Zahnriemen und Zahnriemenschei­ be als dominierend eingeschätzt.

Der schlagartigen Luftkompression und dem Herausdrücken der Luft beim Eingriff der Riemenverzahnung in die Schei­ benverzahnung wird dagegen nur eine untergeordnete Bedeu­ tung zugeordnet, s. Krause, W.; Metzner, D.: Zahnriemenge­ triebe. Verlag Technik Berlin, 1988 und Dr. Alfred Hüthig Verlag, 1988.

Als weitere Ursachen für die Geräuschentstehung nach dem Stand der Technik gelten einmal Trumschwingungen, die für das Geräuschverhalten besonders dann einen hohen Stellen­ wert haben, wenn die Zahneingriffsfrequenz mit der Eigen­ frequenz eines Trums übereinstimmt. Darüber hinaus sind es Resonanzen der zwischen Riemenzahn und Zahnriemenscheibe eingeschlossenen Luftvolumina sowie der Zahnriemenscheiben selbst.

Dem letzteren Ursachenkomplex wird in der Literatur übereinstimmend nur eine geringe Wirkung zugesprochen. Teilungsunstimmigkeiten können bedingt durch verstärktes Zahnflankenreiben Reibgeräusche erzeugen.

Die vorgeschlagenen technischen Maßnahmen und Lösungen für die Geräuschminderung sind vielfältig.

So wird in Krause, W.; Metzner, D.: Zahnriemengetriebe; Verlag Technik Berlin, 1988 und Dr. Alfred Hüthig Verlag, 1988 und Jansen, U.; Geräuschverhalten und Geräuschminde­ rung von Zahnriemengetrieben; Dissertation, RWTH Aachen 1990 vom Einsatz mehrerer schmaler Riemen berichtet, was allerdings zur Reduzierung der Lebensdauer bzw. der Be­ lastbarkeit der Zahnriemen führt.

In analoger Weise wird mit derselben nachteiligen Konse­ quenz die Auftrennung des Zahnriemens durch abschnittswei­ se unterbrochene Längsschnitte vorgeschlagen.

Weitere Entwicklungen bestehen darin, daß textilartige zahnseitige Beschichtungen bzw. Dämpfungsbeläge auf den Zahnriemen aufgebracht werden; auch die Anordnung von Dämpfungselementen in den Zahnriemenscheiben wurde mit nur geringem Erfolg durchgeführt.

Aus weiteren Quellen, wie Funk, W.; Besser zwei schmale als ein breiter - Eingriffsverhältnisse in Zahnriementrie­ ben beeinflussen die Geräusche. Maschinenmarkt; Quelle erkannt, Lärm gebannt, Würzburg 93 (1987) 7, S. 64 und DE 33 05 504 sowie DE 40 16 812 ist das Einbringen von Nuten in den Zahnriemen oder zahnseitig in die Zahnriemenscheibe bzw. die Ausführung radialer Bohrungen in die Zahnriemen­ scheibe bekannt.

Auch diese Vorgehensweise hat eine Beeinträchtigung der Belastbarkeit zur Folge.

Ein weiterer Lösungsvorschlag ist das Vorsehen von Uneben­ heiten an den Oberflächen von Zahnriemen und Zahnriemen­ scheibe, s. Kubo, A.; Ando, T.; Sato, S.; Aida, T.; Hoshiro, T.: on the running noise of toothed belt drives. 1st Report: Mechanism of noise generation, 2nd Report: Influence of running condition and some noise reduction methods. Bulletin of the JSME 14 (1971) 75, S. 991. Auch mit dieser Lösung ist eine Reduzierung der Lebens­ dauer verbunden.

Weiterhin sind verschiedene Ausführungsformen bekannt, bei denen versetzt angeordnete Zahnriemenscheiben vorhanden sind, die entweder mit je einem schmalen Riemen betrieben werden (WP F16H/24 66 427) oder mit einem Zahnriemen, der aber eine versetzte Zahnung aufweist (selbstführende Zahnriemen).

Von diesem Stand der Technik ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, den von einem Zahnriemengetriebe, bestehend aus einem Zahnriemen und mehreren Zahnscheiben, abgestrahlten Geräuschpegel ohne wesentliche Beeinträchtigung der Belastbarkeit bzw. der Lebensdauer des Zahnriemens zu reduzieren.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patent­ anspruch 1 angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Vom Erfinder wurden im Rahmen eigener Untersuchungen zur Reduzierung der Geräuschemission an PUR-Zahnriemengetrie­ ben neue Erkenntnisse über die Ursachen der Geräuschent­ stehung gewonnen.

Es wurde im Widerspruch zu den Erkenntnissen des Standes der Technik gefunden, daß

• - das schlagartige Herausdrücken der Luft aus der in Eingriff kommenden Zahnlücke der Paarung Zahnriemen- Zahnriemenscheibe in vielen Fällen die dominierende Ursache darstellt;
• - die Resonanzschwingungen (Luftkompression) des zwischen Zahnriemenscheibe und Zahnriemen eingeschlossenen Luftvolumens sowie
• - die Reibgeräusche infolge von Teilungsfehlern zwischen Riemen- und Scheibenteilung eine große Wirkung auf die Geräuschentwicklung haben.

Von diesen neuen Erkenntnissen ausgehend wird im Gegensatz zu bekannten Lösungen durch die Erfindung die bei einem Zahnriemengetriebe entstehende Kompression und Resonanzan­ regung der von Zahnriemen und Zahnscheiben eingeschlosse­ nen Luftvolumina (Luftkeile) sowie der den Zahnriemen umgebenden Luftschichten reduziert.

Erfindungsgemäß erfolgt die konstruktive Umsetzung dieser Maßnahme zur Geräuschminderung ohne bzw. ohne wesentliche Reduzierung der Belastbarkeit der Zugstränge und Zähne des Zahnriemens. Die evtl. Reduzierung wird verursacht durch die Minderung der Zugstrang- bzw. Zahntragfähigkeit.

Zähne und Zugstränge müssen jedoch nicht beschädigt oder geometrisch bzw. konstruktiv verändert werden.

Die mit der vorliegenden Erfindung vorgeschlagene Lösung besteht darin, daß der Zahnriemen einmal mittels einge­ brachter Durchbrüche bzw. Einkerbungen perforiert ausge­ führt ist und zum anderen zumindest Teile des Zahnriemens aus luftdurchlässigem bzw. perforierten Material aufgebaut sind. Beide Maßnahmen können miteinander kombiniert wer­ den.

In einer speziellen Ausführungsform werden in den Zahnrie­ men vorzugsweise im Bereich der Riemenzahnlücken Durchbrü­ che eingebracht. Ggf. in Ergänzung dazu können Einkerbun­ gen auf dem Zahnriemenrücken so eingearbeitet werden, daß der Zahnriemen insbesondere in den Riemenzahnlücken und vorzugsweise ohne Verletzung der Zugstränge durchbrochen bzw. für die komprimierte Luft durchlässig ist.

Mit der in dieser Weise erfolgten Perforation des Zahnrie­ mens werden infolge der durch den Polygoneffekt verursachten Schwingungen des Zahnriemens die zwischen Zahnriemen und Zahnscheiben befindlichen Luftvolumina (Luftkeile) sowie die den Zahnriemen umgebenden Luftschichten wesentlich geringer komprimiert bzw. zu Resonanzschwingungen angeregt als bei einem undurchbrochenen Zahnriemen. Die komprimier­ te Luft kann durch die Perforation entweichen, wodurch ein Druckausgleich erfolgt. Das Ergebnis ist eine deutliche Geräuschminderung.

Die Durchbrüche, Einkerbungen bzw. luftdurchlässigen Per­ forationen können in regelmäßiger oder unregelmäßiger Folge in jeder Riementeilung, über mehrere Riementeilungen beabstandet in die Riemenzähne und/oder in die Riemenzahn­ lücken einzeln nacheinander oder nebeneinander vorgesehen werden.

Die geometrische Anordnung der Durchbrüche im Zahnriemen kann nach einem bestimmten Muster, auch versetzt zueinan­ der erfolgen.

Solche Muster können beispielsweise zueinander parallele Geraden sein; aber auch eine Zick-Zack-, Mäander- oder Sinusform ist für die Anordnung der Durchbrüche ausführ­ bar.

Es kann auch lediglich ein konzentrierter und damit ver­ größerter Durchbruch vorgesehen werden, der ggf. unter Inkaufnahme einer Beschädigung der im Bereich des Durch­ bruchs befindlichen Zugstränge in die jeweilige Riemen­ zahnlücke und/oder Riemenzahn eingebracht wird.

Die Durchbrüche sind vorzugsweise als Löcher bei einem Durchmesser von ca. 5 bis 50% der Länge einer Riementei­ lung ausgeführt.

Sie können dabei unter Beachtung der Aufgabe der Erfindung in einem beliebigen Winkel zur Bewegungsrichtung des Zahn­ riemens in den Zahnriemen eingearbeitet werden.

Technologisch bedingt können die Durchbrüche auch mit Einkerbungen kombiniert werden oder in Gestalt von Einker­ bungen, ausgeführt durch eine oder mehrere über die gesam­ te Zahnriemenlänge verlaufende Längsnuten, vorzugsweise in den Zahnriemenrücken eingebracht werden.

Die Tiefe der Nuten wird dabei so gewählt, daß der Zahnriemen in den Riemenzahnlücken durchbrochen wird oder zumindest für die komprimierte Luft durchlässig wird.

Die nutförmigen Einkerbungen können auch in regelmäßiger oder unregelmäßiger Folge in den Riemenzahnlücken, also parallel zu den Riemenzähnen vorgesehen werden.

Weiterhin ist ihre Anordnung in bestimmten Intervallen, d. h. eine oder mehrere Riementeilungen überspannend sowie pro Intervall diagonal über die Zahnriemenbreite bzw. über einen bestimmten Abschnitt der Zahnriemenbreite geführt, möglich.

Erfindungsgemäß ist mit einer weiteren Ausführungsvariante vorgesehen, daß in die Durchbrüche bzw. Einkerbungen zu­ mindest teilweise luftdurchlässige Materialien oder alter­ nativ bzw. in Ergänzung perforierte Materialien einge­ bracht werden.

Derartige luftdurchlässige bzw. perforierte Materialien können auch im Zusammenhang mit einer besonderen Anordnung bzw. Konfiguration der Zahnriemen eingesetzt werden.

So können sie einmal zwischen zwei oder mehreren Zahnrie­ men vorgesehen werden. Zum anderen sind zwei oder mehrere Zahnriemen mit einem derartigen Material so beschichtet, daß auf die Weise quasi mittels einer Brückenfunktion eine mechanische Verbindung der Zahnriemen erfolgt.

Um eine Verminderung der Lebensdauer bzw. Belastbarkeit des Zahnriemens weitgehend zu vermeiden, werden die Durchbrüche bzw. Einkerbungen vorzugsweise zwischen den Zugsträngen eingebracht. Sie können auch über mehrere Zugstränge hinweg angeordnet werden, ohne dabei die Zugstränge bzw. die Riemenzähne zu beschädigen bzw. ohne sie konstruktiv oder geometrisch zu verändern.

Zur Kompensation der Beeinträchtigung der Belastbarkeit wird darüber hinaus vorgeschlagen, den Zahnriemen im Umfeld der Durchbrüche bzw. Einkerbungen vorzugsweise im Bereich der Riemenzähne konstruktiv zu verstärken.

Eine spezielle Ausführung des Zahnriemens kann darin bestehen, daß bei entsprechend dichter Anordnung der Zugstränge in bestimmten Sektionen im Bereich der eingebrachten Längsnuten keine Zugstränge verlaufen.

Neben den bereits genannten Vorteilen, die sich mit An­ wendung der Erfindung erzielen lassen, wird die angestreb­ te Geräuschminderung ohne Vergrößerung des notwendigen Bauraumes des Getriebes erreicht.

Auch eine nachträgliche Geräuschreduzierung an bereits existierenden Zahnriemengetrieben durch nachträgliches Perforieren oder Austausch des Zahnriemens ist möglich.

Die Herstellung der geräuschreduzierten Zahnriemen ist relativ einfach und kann ohne Änderung der wesentlichsten Hauptabmessungen bzw. der Verzahnungsgeometrie der Zahn­ riemen erfolgen.

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des all­ gemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben, auf die im übrigen bezüglich der Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigen:

Fig. 1 einen mittels eingebrachter Durchbrüche perforierten Zahnriemen,

Fig. 2 einen perforierten Zahnriemen mit nutförmigen Ein­ kerbungen,

Fig. 3 einen mittels Lochdurchbruch über mehrere Zugstränge perforierten Zahnriemen,

Fig. 4 zwei gekoppelte Zahnriemen in paralleler Anordnung.

Generell wird für die Ausführungsbeispiele von einer Zahn­ riemenbreite von 30 mm und einer Riementeilung von 10 mm ausgegangen.

Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäß perforierten Zahnrie­ men, wobei die Durchbrüche 4 in Form von nebeneinander angeordneten Löchern in die Riemenzahnlücken 1 eingebracht sind.

Der Lochdurchmesser beträgt etwa 1 mm. An der Schnittkante sind die eingelagerten Zugstränge 6 zu erkennen.

Die Durchbrüche 4 sind so in die Riemenzahnlücken einge­ bracht, daß unter Beachtung des konstruktiven Aufbaus des Zahnriemens die Zugstränge 6 nicht verletzt werden.

Aus Fig. 2 ist der Aufbau eines perforierten Zahnriemens mit nutförmigen Einkerbungen 5 in Form einer durchgängi­ gen, mittig angeordneten Längsnut ersichtlich.

Die Nutbreite beträgt ca. 3 mm. Die Nuttiefe ist so gewählt, daß der Zahnriemen in den Riemenzahnlücken 1 durchbrochen wird und dabei die Riemen­ zähne 2 nicht beschädigt werden.

Der konstruktive Aufbau dieses Zahnriemens erfolgte so, daß die Zugstränge 6 auf die Randbereiche des Zahnriemens konzentriert sind, so daß im Bereich der Längsnut 5 durch die Einkerbung keine Zugstränge 6 beschädigt werden kön­ nen.

Fig. 3 veranschaulicht einen erfindungsgemäß preparierten Zahnriemen, bei dem die erforderliche Perforation in Form je eines konzentrierten lochförmigen Durchbruchs 4 in den Riemenzahnlücken 1 ausgeführt ist. Der Durchmesser dieser jeweils mittig angeordneten Lochdurchbrüche beträgt ca. 3 mm.

Aus der Zeichnung ist der konstruktive Aufbau des Zahnrie­ mens zu erkennen; die Zugstränge 6 sind kontinuierlich über die Zahnriemenbreite verteilt eingelagert. Die einge­ brachte Perforation 4 umfaßt also jeweils mehrere Zug­ stränge 6.

In Fig. 4 sind zwei Zahnriemen 8.1, 8.2 in gekoppelter paralleler Anordnung dargestellt. Dabei erfolgt die Verbin­ dung der beiden Zahnriemen 8.1 und 8.2 durch ein auf beiden Zahnriemen aufliegendes luftdurchlässiges Material 7. Die zuverlässige mechanische Verbindung der Zahnriemen 8.1, 8.2 mit dem Materialstreifen 7 wird beispielsweise durch Verkleben gewährleistet.

Zusätzlich sind in den Materialstreifen 7 im Bereich der durch den erfindungsgemäßen Aufbau des Zahnriemens entstandenen Längsnut Durchbrüche 4 eingearbeitet.

Claims (18)

1. Geräuscharmer Zahnriemen als Teil eines Zahnriemenge­ triebes für die synchrone Bewegungsübertragung im Maschi­ nenbau und für weitere Aufgaben der Antriebstechnik, dadurch gekennzeichnet, daß der Zahnriemen mittels einge­ brachter Durchbrüche (4) bzw. Einkerbungen (5) perforiert ausgeführt und/oder der Zahnriemen bzw. Teile des Zahnrie­ mens aus luftdurchlässigem bzw. perforiertem Material (7) bestehen.

2. Geräuscharmer Zahnriemen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Zahnriemen vorzugsweise im Bereich der Riemenzahnlücken (1) Durchbrüche bzw. luft­ durchlässige Perforationen (4) und/oder Einkerbungen (5) auf dem Zahnriemenrücken (3) so eingebracht sind, daß der Zahnriemen vorzugsweise in den Riemenzahnlücken (1) und vorzugsweise ohne Verletzung der Zugstränge (6) durchbro­ chen ist.

3. Geräuscharmer Zahnriemen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbrüche (4), Einker­ bungen (5) bzw. die Durchbrüche (4) kombiniert mit Einker­ bungen (5) in regelmäßiger oder unregelmäßiger Folge in jeder Riementeilung oder im Abstand mehrerer Riementeilun­ gen, in den Riemenzähnen (2) und/oder Riemenzahnlücken (1) einzeln nacheinander oder nebeneinander angeordnet sind.

4. Geräuscharmer Zahnriemen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbrüche (4) von Zahnteilung zu Zahnteilung nach einem bestimmten Muster versetzt zueinander vorgesehen sind.

5. Geräuscharmer Zahnriemen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Durchbrüche (4) kon­ zentriert in einem Durchbruch oder in mehreren Durchbrü­ chen, ggf. in unter Verletzung der im Bereich des Durch­ bruchs (4) befindlichen Zugstränge (6), eingebracht sind.

6. Geräuscharmer Zahnriemen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbrüche bzw. Perfora­ tionen (4) als Löcher ausgeführt sind.

7. Geräuscharmer Zahnriemen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die lochförmigen Durchbrüche (4) in einem beliebigen Winkel zur Bewegungsrichtung des Zahnriemens eingebracht sind.

8. Geräuscharmer Zahnriemen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher vorzugsweise einen Durchmesser von ca. 5 bis 50% der Länge der Riementeilung aufweisen.

9. Geräuscharmer Zahnriemen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Einkerbungen (5) in Form mindestens einer durchgehenden oder segmentierten Längsnut über die gesamte Länge des Zahnriemens in den Zahnriemen­ rücken (3) eingebracht sind.

10. Geräuscharmer Zahnriemen nach Anspruch 1 oder 2 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die nutförmigen Einkerbungen (5) in regelmäßiger oder unregelmäßiger Folge in den Riemenzahnlücken (3), also parallel zu den Riemenzähnen (2) vorgesehen sind.

11. Geräuscharmer Zahnriemen nach Anspruch 1 oder 2 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die nutförmigen Einkerbungen (5) in bestimmten Intervallen diagonal, eine oder mehrere Riementeilungen überspannend, über die Zahnriemenbreite bzw. über einen bestimmten Abschnitt der Zahnriemenbreite geführt sind.

12. Geräuscharmer Zahnriemen nach Anspruch 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der nutförmigen Einkerbungen (5) so gewählt ist, daß der Zahnriemen in den Zahnriemenlücken (1) durchbrochen bzw. luftdurchlässig ist.

13. Geräuscharmer Zahnriemen nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbrüche (4) bzw. Einkerbungen (5) vorzugsweise zwischen den Zugsträngen (6) bzw. über mehrere Zugstränge hinweg angeordnet sind.

14. Geräuscharmer Zahnriemen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die Durchbrüche (4) bzw. Einkerbungen (5) zumindest teilweise luftdurchlässige und/oder perforierte Materialien (7) eingebracht sind.

15. Geräuscharmer Zahnriemen nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei oder mehreren Zahnriemen luftdurchlässige bzw. perforierte Materialien (7) vorgesehen sind.

16. Geräuscharmer Zahnriemen nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehrere Zahnriemen durch ein luftdurchlässiges bzw. perforiertes Material (7) so beschichtet sind, daß auf diese Weise eine mechanische Brückenverbindung der Zahnriemen erfolgt.

17. Geräuscharmer Zahnriemen nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugstränge (6) auf bestimmte Sektionen der Zahnriemenbreite konzentriert sind, so daß im Bereich der eingebrachten Durchbrüche (4) und Einkerbungen (5) keine Zugstränge (6) verlaufen.

18. Geräuscharmer Zahnriemen nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Zahnriemen im Umfeld der Durchbrüche (4) bzw. Einkerbungen (5) vorzugsweise im Bereich der Riemenzähne (2) konstruktiv verstärkt ausge­ führt ist.