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2.10.20051 Erkennung von Produktionsfehlern und akustikrelevante Bewertung Rotas-TorAcc: Einflankenwälzprüfung mit Drehbeschleunigungsmessung.

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1 Erkennung von Produktionsfehlern und akustikrelevante Bewertung Rotas-TorAcc: Einflankenwälzprüfung mit Drehbeschleunigungsmessung

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 GrundsystemeKomponentenprüfungInnengeräusch ROTAS-Mobil

3 Jatco, Japan CVT-Getriebe Opel D, A, GM USA, Mexico, Korea, China Schaltgetriebe, Automatikgetriebe, Abrollprüfstände Renault, Peugeot Automatikgetriebe bei STA Robert Bosch Starter, Einspritzpumpen,Produktionsdaten SKF D, USA, Indien, Ukraine Kegelrollen-Lager Saab, S Schaltgetriebe Skoda, Cz Schaltgetriebe Magna Powertrain Achsgetriebe Tongil, Korea Schaltgetriebe, Dauerlaufprüfung Volkswagen D,SA,AR, China,B,SK,BR Getriebe, Innengeräuschprüfung, ZR-Abrollprüfung, Produktionsdaten ZF D ZR-Abrollprüfung DISCOM: Kunden und Anwendungen American Axle, USA Achsgetriebe Bentley, UK Innengeräuschprüfung APAS Borg-Warner, USA,UK Ausgleichsgetriebe und Achsen DaimlerChrysler D, US Kooperation MESAM4, Getriebe und Motoren. First Automobile Works, China Schaltgetriebe Fiat, Iveco, Tata, Italien und Indien Schaltgetriebe Ford, D ZR-Abrollprüfung Gearbox, SP Schaltgetriebe, ZR-Abrollprüfung Graziano Schaltgetriebe für Audi, Lamborghini und Ferrari Getrag USA, SC Einflankenwälzprüfung von Steuerrädern für Cummins Dieselmotoren Hyundai, Korea ZR-Abrollprüfung Cummins

4 Akustische Prüfstationen in der Fertigung Zahnrad-Abrollprüfung Bisher: Beschädigung,einige Oberflächenfehler Prüfung teilmontierter Getriebe 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 es optimal, die Einbausituation nachzubilden: Achsabstand, Last, Arbeitsdrehzahl Ziel: Akustikrelevante Beurteilung der Verzahnung: Zahneingriff, Beschädigung, Oberflächenwelligkeit Fahrzeug

5 Zweiflankenwälzprüfung Signal Beschleunigungssensor Prüfling, angetrieben Abrollrad auf Schwinge o. Ä.

6 Beschädigungserkennung Zweiflankenprüfung Zeitsignal gutes Rad. Erheblicher Pegel der Zahneingriffsordnung durch abweichende Geometrie des Abrollrades vom Getriebe-Einsatz. Zeitsignal eines beschädigten Rades. Nicht immer im Grundgeräusch zu erkennen. Zeitsignal eines stark beschädigten Rads. Gut zu erkennen.

7 Einflankenwälzprüfung Mechanisches Layout 5-10 Nm PrüflingAbrollrad Räder werden auf Achsabstand und unter Last geprüft. Ziel: Beurteilung möglichst aller (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 Übersetzungsverhältnisses auftreten sollte. Entspricht einer Wegmessung. Zwei Verfahren: Direkt: Messung der Drehbeschleunigung Direkte Messung der Drehbeschleunigung, über einen mitrotierenden Beschleunigungssensor. Ergibt als Messgröße direkt den Abwälzfehler. Über F =m*a ist die Beschleunigung Ursprung der in das Getriebe eingeleiteten Vibration.

8 Messverfahren Wälzabweichung Prüfling Abrollrad Winkelteilung: Striche Winkelteilung: 2048 Striche Prinzip: An 2048 Stellen des Prüflings wird die Winkelstellung des Abrollrades mit einer Genauigkeit von 1/ 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 mittlere Wälzabweichung 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. Bei Mittelung über 10 Umdrehungen beträgt die Prüfzeit 10 Sekunden / Seite. Winkelfehler Theor. Winkel Gem. Winkel dW Umdr. Prüfling

9 Messdaten DIN 3960 Wälzabweichung F i Einflanken- Wälzabweichung Fi f k kurzwelliger Anteil der Wälzabweichung f k 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.

10 Messung der Drehbeschleunigung Ord dBV Mix Antrieb GM 2 *GM Ghost Orders Mechanisches Layout Rotas Geräuschanalyse Torsional Accelerometer 5-10 Nm PrüflingAbrollrad Zug-Schub-Messung bei geeigneter Drehzahl. Option Rampe. Drehzahlbereich entspricht der Anwendung.

11 Optischer Drehbeschleunigungssensor Rotierender Messflansch Beschleunigungs- Sensoren messen Abweichung von gleichförmiger Umdrehung LED-SenderOptischer Empfänger Stromversorgung für Messflansch Beschleunigungs- sensor

12 Prüfling Meisterrad Drehbeschleunigungs-Sensor Einflanken-Wälzprüfung mit Linnenbrink

13 Engine Gear Tester Getrag / Cummins

14 Umdrehunssynchrone Rotor-Analyse AbrollradPrüfling Das Abrollgeräusch setzt sich aus der Summe der Einzel- geräusche der mechanischen Komponenten zusammen. Aus den Übersetzungsverhältnissen lassen sich die Einzelgeräusche zurückgewinnen Umdrehungssynchrone Rotoranalyse: Die Signale werden synchron zu den Rotoren erfasst: Akustisches Stroboskop. Abrollrad Prüfling

15 Trennung von Verzahnungsfehlern Im akustischen Signal sind die Anteile 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 Der Zahneingriff hängt von der Paarung ab. Rundlauf- und Oberflächenfehler lassen sich den Rädern zuordnen

16 Stirnradverzahnung mit Drehbeschleunigung Guter Radsatz Kurbel- wellen- Rad Nocken- wellen- Rad 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.

17 Messung an 30 Zahnrädern Typ 158AF Amplitude der Zahneingriffsordnung über i.O. Zahnräder 5721 Nr Zahnrad 30 Zahnräder vom Typ 158AF wurden mit Drehbeschleunigung vermessen. Die Spektren der nicht-beschädigten Räder in der Lastrichtung Dorn sind rechts dargestellt. Ganz links das vermessene Rad 158AF, dann die Räder aus der List unten. Auffällig leise sind die Räder 5, 7 und 21.

18 Serienmessung an 30 Rädern Vermessenes Rad 158AF Leises Rad No 7

19 Zahneingriffspegel Drehbeschleunigung Nr. 158-AF-VR: Vermessenes Rad H1 70 dB H1 85 dB Nr. 07 Leises Rad Weiteres Rad Nr. 21, im Pegel zwischen 07 und 158 VR liegendes Rad:

20 Wälzabweichung Vermessenes Rad 158AF VRLeises Rad Nr 07 F i Einflanken- Wälzabweichung f k kurzwelliger Anteil der Wälzabweichung Fi (8) GradFi (8) 0.1 – 0.18 Grad fk(8) 0.01 – 0.06 Gradfk(8) – Grad Nur geringer Unterschied zwischen normalem (158AF) und leisem Rad (Nr 07). Hohe Abweichungen der Einzelmessungen untereinander.

21 Vergleich Kontaktmuster und Pegel Last wirkt im Uhrzeigersinn (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 kleinerer Zahneingriffspegel als linkes Rad

22 Beschädigungserkennung der Messverfahren Drehbeschleunigung Kurzwellige Wälzabweichung Starke Beschädigung in der Drehbeschleunigung. Crest-Wert >30. Starke Beschädigungen lassen sich auch in der Wälzabweichung nachweisen.

23 Beschädigungserkennung Drehbeschleunigung

24 Ord 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. Geister ordnung

25 Bewertung von Ordnungsspektren Ord dBg VGW VGW-lim Die Ordnungsspektren der Synchronkanäle und 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 werden sowie aus Abschnitten, die fest vorgegeben werden können. Das automatische Lernen wird in Ordnungsbereichen angewandt, über die zunächst keine Kenntnis der Geräuschauswirkungen vorliegt. Hierzu gehören Teilungsfehler, Geister- ordnungen und Lagergeräusche im Mix-Kanal. Die festen Grenzen werden nach Fahrversuchen auf die Zahneingriffsordnungen und deren Seitenbänder angewandt (Hüte), um unzulässige Ab- weichungen der Zahngeometrie und des Rundlaufs festzustellen

26 Spektrale Grenzkurven Grenzkurve aus Mittelwert + Offset + n-fache Standardabweichung. Begrenzung durch: Hüte, Min- und Max-Polygon Hüte für Zahneingriffsordnungen und Seitenbänder

27 Option Datenserver Auswertung und Parametrierung Prüfstände Intranet Daten Parameter Arbeitsplatz mit Internet- Explorer Zentrale Archivierung der Liniendaten Zentrale Parametrier-Daten Auswertung und Parametrierung von jedem Arbeitsplatz mit Intranet-Anbindung (und Datenbankwerkzeugen)

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

29 Statistik und Prüfstandsabgleich Produktionsver -läufe können statistisch ausgewertet werden. Prüfstände lassen sich unmittelbar vergleichen

30 Fehlerschwerpunkte und Ausfallraten Die Ergebnisse werden in Tabellenform und als Grafik bereitgestellt.

31 Vergleich der Messverfahren Messgröße /Eigenschaft2-Flanken- Abrollprüfung 1-Flanken- Wälzabweichung 1-Flanken- Drehbeschleunigung Beschädigungserkennung +0+ Zahneingriffsordnung H1 -0+ Harmonische Hx --+ Oberflächenwelligkeit +-+ Teilungsfehler -0+ Reproduzierbarkeit 0-+

32 Sensoren am End-Of-Line Prüfstand Messung einer Hinterachse mit Körperschall, Drehmomentfluktuation und Drehbeschleunigung Körperschall-Signal Hohe Grenzfrequenz Drehmoment-Zelle Niedrige Grenzfrequenz von 900 Hz Drehbeschleunigung Dämpfung höherer Ordnungen durch Prüfstandsmassen

33 Reproduzierbarkeit der Sensoren Zahneingriffspegel auf der Zug-Rampe für 10 Messungen eines Aggregats. Sehr gute Reproduzierbarkeit aller Sensoren. Körperschallsensor Drehmomentfluktuation Drehbeschleunigung


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