Erkennung von Produktionsfehlern und akustikrelevante ... · Din-Aver Winkelfehler Theor. Winkel...
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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
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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
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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.
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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.
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Optischer Drehbeschleunigungssensor
Rotierender Messflansch
Beschleunigungs-Sensoren messen Abweichung von gleichförmiger Umdrehung
LED-SenderOptischer Empfänger Stromversorgung fürMessflansch
Beschleunigungs-sensor
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Prüfling
Meisterrad
Drehbeschleunigungs-Sensor
Einflanken-Wälzprüfung mit Linnenbrink
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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
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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.
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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.
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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:
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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.
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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