2.10.2005 1

Erkennung von Produktionsfehlern und akustikrelevante Bewertung

Rotas-TorAcc: Einflankenwälzprüfung mit Drehbeschleunigungsmessung

2.10.2005 2

Discom Industrielle Mess- und Prüftechnik

Die Firma wurde 1985 gegründet. Der Sitz ist Göttingen. Seit 1989 Meßsysteme für die akustische Qualitätssicherung. Zur Zeit 22 Mitarbeiter.

Die Basis-Systeme sind Rotas und MESAM-4 (DC-Entwicklung). Darauf basieren stationäre und mobile Systeme für die Prüfung von Gesamtfahrzeugen (APAS), Getrieben (ROTAS-GP), Zahnrädern (ROTAS-ZP), Kegelrollenlagern (ROTAS-TMO) und einer Reihe weiterer Komponenten.

MESAM 4

APAS-II

Grundsysteme KomponentenprüfungInnengeräusch

ROTAS-Mobil

2.10.2005 3

ZF DZR-Abrollprüfung

Volkswagen D,SA,AR, China,B,SK,BRGetriebe, Innengeräuschprüfung,ZR-Abrollprüfung, Produktionsdaten

Tongil, KoreaSchaltgetriebe, Dauerlaufprüfung

Magna PowertrainAchsgetriebe

Skoda, CzSchaltgetriebe

Saab, SSchaltgetriebe

SKF D, USA, Indien, UkraineKegelrollen-Lager

Robert Bosch Starter, Einspritzpumpen,Produktionsdaten

Renault, PeugeotAutomatikgetriebe bei STA

Opel D, A, GM USA, Mexico, Korea, China Schaltgetriebe, Automatikgetriebe, Abrollprüfstände

Jatco, JapanCVT-Getriebe

DISCOM: Kunden und Anwendungen

Fiat, Iveco, Tata, Italien und IndienSchaltgetriebe

Hyundai, KoreaZR-Abrollprüfung

Getrag USA, SC Einflankenwälzprüfung von Steuerrädern für Cummins Dieselmotoren

GrazianoSchaltgetriebe für Audi, Lamborghini und Ferrari

Gearbox, SPSchaltgetriebe, ZR-Abrollprüfung

Ford, DZR-Abrollprüfung

First Automobile Works, ChinaSchaltgetriebe

DaimlerChrysler D, USKooperation MESAM4, Getriebe und Motoren.

Borg-Warner, USA,UKAusgleichsgetriebe und Achsen

Bentley, UKInnengeräuschprüfung APAS

American Axle, USAAchsgetriebe

Cummins

2.10.2005 4

Akustische Prüfstationen in der Fertigung

Zahnrad-AbrollprüfungBisher:

Beschädigung,einigeOberflächenfehler Prüfung

teilmontierterGetriebe

Beschädigung

Prüfung von Gesamtgetrieben am

EOL-Prüfstand

Zahneingriff, Beschädigung,

Oberflächenwelligkeit,Lagerfehler

Je früher ein Fertigungsfehler erkannt wird, je geringer sind die Rückbaukosten.

Für die akustikrelevante Beurteilung einer Verzahnung ausserhalb des Getriebes ist esoptimal, die Einbausituation nachzubilden: Achsabstand, Last, Arbeitsdrehzahl

Ziel:AkustikrelevanteBeurteilung der

Verzahnung:Zahneingriff,

Beschädigung, Oberflächenwelligkeit

Fahrzeug

2.10.2005 5

Zweiflankenwälzprüfung

Signal Beschleunigungssensor

Prüfling, angetrieben

Abrollrad auf Schwinge o. Ä.

1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 m R e v

- 2 . 0

- 1 . 0

0 . 0

1 . 0

2 . 0A b t r .

- 2 . 0

- 1 . 0

0 . 0

1 . 0

2 . 0

g

A b t r . Z

2.10.2005 6

Beschädigungserkennung Zweiflankenprüfung

Zeitsignal gutes Rad. ErheblicherPegel der Zahneingriffsordnungdurch abweichende Geometrie des Abrollrades vom Getriebe-Einsatz.

Zeitsignal eines beschädigtenRades.Nicht immer im Grundgeräusch zuerkennen.

Zeitsignal eines stark beschädigten Rads. Gut zuerkennen.

2.10.2005 7

Einflankenwälzprüfung

Mechanisches Layout

5-10 Nm 5-10 Nm

Prüfling AbrollradRäder werden auf Achsabstand und unter Last geprüft. Ziel: Beurteilung möglichstaller (geräuschbildender) Zahnfehler.

Die Zahnfehler äußern sich in nichtgleichförmiger Umdrehung: Ungleichförmiger Drehgeschwindigkeit = Drehbeschleunigung.

Indirekt: Wälzabweichung nach DIN 3960

Ermittlung des Drehwinkelfehlers. Messgröße ist die Winkelabweichung des Abrollrades von der Winkelstellung, die aufgrund des Übersetzungsverhältnissesauftreten sollte. Entspricht einerWegmessung.

Zwei Verfahren:

Direkt: Messung der Drehbeschleunigung

Direkte Messung der Drehbeschleunigung, über einen mitrotierendenBeschleunigungssensor. Ergibt alsMessgröße direkt den Abwälzfehler.

Über F =m*a ist die BeschleunigungUrsprung der in das Getriebe eingeleitetenVibration.

2.10.2005 8

Messverfahren Wälzabweichung

Prüfling

Abrollrad

Winkelteilung:5.000.000 Striche

Winkelteilung:2048 Striche

Prinzip: An 2048 Stellen des Prüflings wird die Winkelstellung des Abrollrades mit einerGenauigkeit von 1/10.000 Grad gemessen und mit der theoretischen Winkelstellung (Za/Zp) verglichen. Der Drehwinkelfehler wird über der Umdrehung des Prüflings aufgetragen.

Nach Mittelung über mehrere Umdrehungen des Prüflings erhält man die mittlereWälzabweichung Prüfling gegen Abrollrad.

Die Drehzahlen sind niedrig zu wählen, um die sehr kleinen Winkelabweichung 1/100 – 1/10 Grad) nicht in der Trägheit des Abrollsystems zu verlieren. Verwendet wurden 60 UPM. BeiMittelung über 10 Umdrehungen beträgt die Prüfzeit 10 Sekunden / Seite.

0.00.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Rev

°.°

-0.24

-0.16.-0.16

-0.08.-0.08

0.00.0.00

0.08.0.08

0.16.0.16

Din-Aver

Winkelfehler

Theor. Winkel Gem. Winkel

dW

dW

Umdr. Prüfling

2.10.2005 9

Messdaten DIN 3960 Wälzabweichung

Fi’ Einflanken-Wälzabweichung

Fi’Fi’

fk’ kurzwelligerAnteil derWälzabweichung

fk’ fk’

Guter Radsatz Schlechter Radsatz:Exzentrizität am Nockenwellenrad, Tragbildfehler

Die Bilder zeigen die Wälzabweichung einer Umdrehung des Nockenwellenrads nach Mittelung über 10 Umdrehungen. Geringer Unterschied zwischen guten und schlechten Rädern: Fi’ ist sogar kleiner für den schlechten Radsatz.

2.10.2005 10

Messung der Drehbeschleunigung

50 60 70 80 90 100 110 120 130 Ord

40

50

60

70

80

dBV

Mix

Antrieb

GM

2 *GM

GhostOrders

Mechanisches LayoutRotas Geräuschanalyse

TorsionalAccelerometer

5-10 Nm 5-10 Nm

Prüfling Abrollrad

Zug-Schub-Messung bei geeigneter Drehzahl. Option Rampe.

Drehzahlbereich entspricht der Anwendung.

2.10.2005 11

Optischer Drehbeschleunigungssensor

Rotierender Messflansch

Beschleunigungs-Sensoren messen Abweichung von gleichförmiger Umdrehung

LED-SenderOptischer Empfänger Stromversorgung fürMessflansch

Beschleunigungs-sensor

2.10.2005 12

Prüfling

Meisterrad

Drehbeschleunigungs-Sensor

Einflanken-Wälzprüfung mit Linnenbrink

2.10.2005 13

Engine Gear Tester Getrag / Cummins

2.10.2005 14

Umdrehunssynchrone Rotor-Analyse

Abrollrad Prüfling

Das Abrollgeräusch setzt sichaus der Summe der Einzel-geräusche der mechanischen Komponenten zusammen.

Aus den Übersetzungsverhältnissen lassen sich die Einzelgeräusche zurückgewinnen

UmdrehungssynchroneRotoranalyse:Die Signalewerden synchronzu den Rotorenerfasst:Akustisches Stroboskop.

Abrollrad

Prüfling

2.10.2005 15

Trennung von Verzahnungsfehlern

Im akustischen Signal sind dieAnteile aller Verzahnungen enthalten.

Aus den Übersetzungsverhältnissen des Getriebes lassen sich Ausschnitte des Signals ermitteln, die zu einer Umdrehung einer Welle gehören.Die Zahneingriffspegel sind physikalisch bedingt nur von der Zahnradpaarung abhängig.

Rundlauffehler und Oberflächenfehler jedoch lassen sich den Wellen und Zahnrädern zuordnen. Dazu gehören:

� Exzentrizitäten, � Abweichung von der Kreisform� Teilungsfehler,� Oberflächenwelligkeiten

(Geisterordnungen)� Beschädigungen

Z1

16

Z2

20

Z1

16

Z2

20

Der Zahneingriff hängt von der Paarung ab.

Rundlauf- und Oberflächenfehlerlassen sich den Rädern zuordnen.

16

20

16

20

2.10.2005 16

Stirnradverzahnung mit Drehbeschleunigung

0.00.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Rev

V.V

-0.3

-0.2.-0.2

-0.1.-0.1

0.0.0.0

0.1.0.1

0.2.0.2

Crank

0.00.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Rev

V.V

-0.3

-0.2.-0.2

-0.1.-0.1

0.0.0.0

0.1.0.1

0.2.0.2

Cam_Shaft

0.00.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Rev

V.V

-0.3

-0.2.-0.2

-0.1.-0.1

0.0.0.0

0.1.0.1

0.2.0.2

Crank

0 00 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 Rev

V.V

-0.3

-0.2.-0.2

-0.1.-0.1

0.0.0.0

0.1.0.1

0.2.0.2

Cam_Shaft

Guter Radsatz

Kurbel-wellen-Rad

Nocken-wellen-Rad

0.00.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Rev

V.V

-0.24

-0.16.-0.16

-0.08.-0.08

0.00.0.00

0.08.0.08

0.16.0.16

Crank

0.00.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Rev

V.V

-0.24

-0.16.-0.16

-0.08.-0.08

0.00.0.00

0.08.0.08

0.16.0.16

Cam_Shaft

Schlechter Radsatz:Exzentrizität am Nockenwellenrad, Tragbildfehler

Schlechter Radsatz: Beschädigung am Nockenwellenrad

Die Bilder zeigen die Drehbeschleunigungs-Signale von drei Stirnradpaarungen. Deutlich können die verschiedenen Fehler unterschieden werden.

2.10.2005 17

Messung an 30 Zahnrädern Typ 158AF

Amplitude der Zahneingriffsordnung überi.O. Zahnräder

5 7 21 Nr Zahnrad

30 Zahnräder vom Typ 158AF wurden mitDrehbeschleunigung vermessen.

Die Spektren der nicht-beschädigten Räder in derLastrichtung Dorn sind rechts dargestellt. Ganz links das vermessene Rad 158AF, dann die Räder aus derList unten.Auffällig leise sind die Räder 5, 7 und 21.

2.10.2005 18

Serienmessung an 30 Rädern

Vermessenes Rad 158AF Leises Rad No 7

2.10.2005 19

Zahneingriffspegel Drehbeschleunigung

0 20 40 60 80 Ord 20

30

40

50

60

70

80

90

dBg

Spectra / Pz1 / SK1 / SpecReport

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 Rev -0.40

-0.30

-0.20

-0.10

-0.00

0.10

0.20

0.30

g

Spectra / Pz1 / SK1 / TimeSignal

Nr. 158-AF-VR: Vermessenes Rad

0 20 40 60 80 Ord 20

30

40

50

60

70

80

90

dBg

Spectra / Pz1 / SK1 / SpecReport

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 Rev -0.40

-0.30

-0.20

-0.10

-0.00

0.10

0.20

0.30

g

Spectra / Pz1 / SK1 / TimeSignal

H1 70 dBH1 85 dB

Nr. 07 Leises Rad

Weiteres Rad Nr. 21, im Pegel zwischen 07 und 158 VR liegendes Rad:

2.10.2005 20

Wälzabweichung

0.0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Rev

°.°

-0.24

-0.16.-0.16

-0.08.-0.08

0.00.0.00

0.08.0.08

0.16.0.16

Din-Aver

0.00.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Rev

°.°

-0.24

-0.16.-0.16

-0.08.-0.08

0.00. 0.00

0.08. 0.08

0.16. 0.16

Din-Aver

Vermessenes Rad 158AF VR Leises Rad Nr 07

0.0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Rev

°.°

-0.03

-0.02.-0.02

-0.01.-0.01

0.00.0.00

0.01.0.01

0.02.0.02

ISO

0.00.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Rev

°.°

-0.03

-0.02.-0.02

-0.01.-0.01

0.00. 0.00

0.01. 0.01

0.02. 0.02

ISO

Fi’ Einflanken-Wälzabweichung

fk’ kurzwelligerAnteil derWälzabweichung

Fi’ (8) 0.189-0.193 Grad Fi’ (8) 0.1 – 0.18 Grad

fk’(8) 0.01 – 0.06 Gradfk’(8) 0.017 – 0.023 Grad

Nur geringer Unterschied zwischen normalem (158AF) und leisem Rad (Nr 07). Hohe Abweichungen der Einzelmessungen untereinander.

2.10.2005 21

Vergleich Kontaktmuster und Pegel

Last wirkt imUhrzeigersinn (Dorn)

Zwei Räder wurden aufgrund ihrer Unterschiede im Zahneingriffspegel weiter betrachtet:

Das vermessene Normrad Rad Nr. 158-AF-VR hat den annähernd gleichen (höheren) Zahneingriffspegel wie 80 % der nicht beschädigten Serienräder. Das Rad Nr. 07 weist einen um 15 dB niedrigeren Zahneingriffspegel aus. Interessant ist die Lage der Kontaktflächen:

Das Kontaktmuster des Rades Nr. 158-AF-VR ist mittig und geht bis in die Nähe des Zahnrandes. Das Rad Nr. 07 weist ein nach innen verlagertes, recht breites Kontaktmuster auf.

Nr. 158-AF-VR: Vermessenes Rad

Nr. 07, Auffällig leises Rad: 15 dB kleinererZahneingriffspegel als linkes Rad

2.10.2005 22

Beschädigungserkennung der Messverfahren

0.00.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Rev

°.°

-0.045

-0.030.-0.030

-0.015.-0.015

0.000. 0.000

0.015. 0.015

0.030. 0.030

ISO

Drehbeschleunigung Kurzwellige Wälzabweichung

Starke Beschädigung in derDrehbeschleunigung. Crest-Wert >30.

Starke Beschädigungen lassen sichauch in der Wälzabweichungnachweisen.

2.10.2005 23

Beschädigungserkennung Drehbeschleunigung

2.10.2005 24

50 60 70 80 90 100 110 120 130 Ord

40

50

60

70

80

dBV

Mix

Antrieb

Umdrehungssynchrone Analyse liefert nach Mittelung periodische Signale, die ohne Fourier-Fenster analysiert werden können.

Damit lassen sich im Spektralbereich Ordnungen mit bis zu 60 dB Dämpfung zur Nachbarordnung trennen.

Rundlauf-Fehler können durch die hohe Auflösung klar von Eingriffsfrequenzen getrennt werden. Nur damit ist auch eine eindeutige Zuordnung der Rundlauffehler zu den Getriebewellen möglich.

Blau: Spektrum eines Getriebes mit konventioneller Ordnungsanalyse (Kaiser-Bessel Fenster).

Grün: Ordnungsspektrum des umdrehungsynchron gewonnenen Signals

Geräuschkomponenten einer Verzahnung

ZE 2 *ZE

Rundl. Geisterordnung

2.10.2005 25

Bewertung von Ordnungsspektren

10 20 30 40 50 60 70 80 90 Ord

45

60

75

90

105

dBgVGW

VGW-lim

Die Ordnungsspektren der Synchronkanäleund des Mixkanals werden mit einer Grenz-kurve verglichen. Jeder Ordnung dieser Grenzkurve ist ein Fehlercode zugeordnet, der im System automatisch vergeben werden kann. Bei Überschreitung wird eine Klartext-Fehlermeldung ausgelöst.

Die Grenzkurven bestehen aus Abschnitten,die über einen Lernvorgang ermittelt werdensowie aus Abschnitten, die fest vorgegeben werden können.

Das automatische Lernen wird in Ordnungsbereichen angewandt, über die zunächst keine Kenntnisder Geräuschauswirkungen vorliegt. Hierzu gehören Teilungsfehler, Geister-ordnungen und Lagergeräusche im Mix-Kanal.

Die festen Grenzen werden nach Fahrversuchenauf die Zahneingriffsordnungen und derenSeitenbänder angewandt (“Hüte“), um unzulässige Ab-weichungen der Zahngeometrie und des Rundlaufsfestzustellen

2.10.2005 26

10 20 30 40 50 60 70 80 90 Ord

20

40

60

80

100

dBg

MaxBnd

MinBnd

StdDev

AW-avg

SK1-lim

Spektrale Grenzkurven

Grenzkurve aus Mittelwert + Offset + n-fache Standardabweichung. Begrenzung durch:Hüte, Min- und Max-Polygon

Hüte für Zahneingriffsordnungen und Seitenbänder

2.10.2005 27

Option Datenserver

Server

Auswertung undParametrierung

Prüfstände

Intranet

DatenParameter

Arbeitsplatzmit Internet-Explorer

Zentrale Archivierung der LiniendatenZentrale Parametrier-Daten

Auswertung und Parametrierung von jedem Arbeitsplatz mit Intranet-Anbindung (und Datenbankwerkzeugen)

2.10.2005 28

Zur Überwachung von Ordnungsspektren über einen Produktionszeitraum eignen sich Campbell- oder 3-D-Diagramme. Schnittlinien zeigen die Daten eines Einzelaggregats oder die Zeitreihe einer Spektralenergie

Spektral-Statistiken

2.10.2005 29

Statistik und Prüfstandsabgleich

Produktionsver-läufe können statistisch ausgewertet werden.

Prüfstände lassen sich unmittelbar vergleichen

2.10.2005 30

Fehlerschwerpunkte und Ausfallraten

Die Ergebnisse werden in Tabellenform und als Grafik bereitgestellt.

2.10.2005 31

Vergleich der Messverfahren

+-0Reproduzierbarkeit

+0-Teilungsfehler

+-+Oberflächenwelligkeit

+--Harmonische Hx

+0-Zahneingriffsordnung H1

+0+Beschädigungserkennung

1-Flanken-Drehbeschleunigung

1-Flanken-Wälzabweichung

2-Flanken-Abrollprüfung

Messgröße /Eigenschaft

2.10.2005 32

Sensoren am End-Of-Line Prüfstand

Messung einer Hinterachse mit Körperschall, Drehmomentfluktuation und Drehbeschleunigung

Körperschall-SignalHohe Grenzfrequenz

Drehmoment-ZelleNiedrige Grenzfrequenzvon 900 Hz

DrehbeschleunigungDämpfung höhererOrdnungen durchPrüfstandsmassen

2.10.2005 33

Reproduzierbarkeit der Sensoren

Zahneingriffspegel auf der Zug-Rampe für 10 Messungeneines Aggregats. Sehr gute Reproduzierbarkeit allerSensoren.

Körperschallsensor

Drehmomentfluktuation

Drehbeschleunigung