Rotas-TorAcc: Einflankenwälzprüfung mit Drehbeschleunigungsmessung Erkennung von Produktionsfehlern und akustikrelevante Bewertung 2.10.2005

Discom Industrielle Mess- und Prüftechnik Innengeräusch Grundsysteme Komponentenprüfung APAS-II ROTAS-Mobil MESAM 4 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. 2.10.2005

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 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 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 Magna Powertrain Achsgetriebe Tongil, Korea Schaltgetriebe, Dauerlaufprüfung Volkswagen D,SA,AR, China,B,SK,BR Getriebe, Innengeräuschprüfung, ZR-Abrollprüfung, Produktionsdaten ZF D ZR-Abrollprüfung Cummins 2.10.2005

Akustische Prüfstationen in der Fertigung Zahnrad-Abrollprüfung Bisher: Beschädigung,einige Oberflächenfehler Prüfung von Gesamtgetrieben am EOL-Prüfstand Zahneingriff, Beschädigung, Oberflächenwelligkeit, Lagerfehler Prüfung teilmontierter Getriebe Beschädigung Fahrzeug Ziel: Akustikrelevante Beurteilung der Verzahnung: Zahneingriff, Beschädigung, Oberflächenwelligkeit 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 2.10.2005

Zweiflankenwälzprüfung Signal Beschleunigungssensor Prüfling, angetrieben Abrollrad auf Schwinge o. Ä. 2.10.2005

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. 2.10.2005

Einflankenwälzprüfung Mechanisches Layout Räder werden auf Achsabstand und unter Last geprüft. Ziel: Beurteilung möglichst aller (geräuschbildender) Zahnfehler. Die Zahnfehler äußern sich in nichtgleichförmiger Umdrehung: Ungleichförmiger Drehgeschwindigkeit = Drehbeschleunigung. Prüfling Abrollrad 5-10 Nm 5-10 Nm Zwei Verfahren: 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. 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. 2.10.2005

Messverfahren Wälzabweichung Winkelteilung: 2048 Striche Prüfling dW Winkelfehler Winkelteilung: 5.000.000 Striche dW Theor. Winkel Umdr. Prüfling Abrollrad Gem. Winkel Prinzip: An 2048 Stellen des Prüflings wird die Winkelstellung des Abrollrades mit einer Genauigkeit 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 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. 2.10.2005

Messdaten DIN 3960 Wälzabweichung 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. fk’ kurzwelliger Anteil der Wälzabweichung fk’ fk’ Fi’ Einflanken-Wälzabweichung Fi’ Fi’ Schlechter Radsatz: Exzentrizität am Nockenwellenrad, Tragbildfehler Guter Radsatz 2.10.2005

Messung der Drehbeschleunigung Mechanisches Layout Rotas Geräuschanalyse Prüfling Abrollrad 50 60 70 80 90 100 110 120 130 Ord 40 dBV Mix Antrieb GM 2 *GM Ghost Orders 5-10 Nm Torsional Accelerometer Zug-Schub-Messung bei geeigneter Drehzahl. Option Rampe. Drehzahlbereich entspricht der Anwendung. 2.10.2005

Optischer Drehbeschleunigungssensor Sensoren messen Abweichung von gleichförmiger Umdrehung Stromversorgung für Messflansch Optischer Empfänger LED-Sender Beschleunigungs- sensor Rotierender Messflansch 2.10.2005

Einflanken-Wälzprüfung mit Linnenbrink Drehbeschleunigungs-Sensor Prüfling Meisterrad 2.10.2005

Engine Gear Tester Getrag / Cummins 2.10.2005

Umdrehunssynchrone Rotor-Analyse Das Abrollgeräusch setzt sich aus der Summe der Einzel-geräusche der mechanischen Komponenten zusammen. Aus den Übersetzungsverhältnissen lassen sich die Einzelgeräusche zurückgewinnen Abrollrad Prüfling Umdrehungssynchrone Rotoranalyse: Die Signale werden synchron zu den Rotoren erfasst: Akustisches Stroboskop. Abrollrad Prüfling 2.10.2005

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 16 20 Der Zahneingriff hängt von der Paarung ab. 16 20 Rundlauf- und Oberflächenfehler lassen sich den Rädern zuordnen. 2.10.2005

Stirnradverzahnung mit Drehbeschleunigung Die Bilder zeigen die Drehbeschleunigungs-Signale von drei Stirnradpaarungen. Deutlich können die verschiedenen Fehler unterschieden werden. Kurbel- wellen-Rad Nocken-wellen-Rad Guter Radsatz Schlechter Radsatz: Exzentrizität am Nockenwellenrad, Tragbildfehler Schlechter Radsatz: Beschädigung am Nockenwellenrad 2.10.2005

Messung an 30 Zahnrädern Typ 158AF 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. 5 7 21 Nr Zahnrad Amplitude der Zahneingriffsordnung über i.O. Zahnräder 2.10.2005

Serienmessung an 30 Rädern Vermessenes Rad 158AF Leises Rad No 7 2.10.2005

Zahneingriffspegel Drehbeschleunigung Nr. 158-AF-VR: Vermessenes Rad Nr. 07 Leises Rad H1 70 dB H1 85 dB Weiteres Rad Nr. 21, im Pegel zwischen 07 und 158 VR liegendes Rad: 2.10.2005

Wälzabweichung Vermessenes Rad 158AF VR Leises Rad Nr 07 Fi’ Einflanken-Wälzabweichung Fi’ (8) 0.189-0.193 Grad Fi’ (8) 0.1 – 0.18 Grad fk’ kurzwelliger Anteil der Wälzabweichung fk’(8) 0.017 – 0.023 Grad fk’(8) 0.01 – 0.06 Grad Nur geringer Unterschied zwischen normalem (158AF) und leisem Rad (Nr 07). Hohe Abweichungen der Einzelmessungen untereinander. 2.10.2005

Vergleich Kontaktmuster und Pegel Nr. 158-AF-VR: Vermessenes Rad Nr. 07, Auffällig leises Rad: 15 dB kleinerer Zahneingriffspegel als linkes Rad 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. 2.10.2005

Beschädigungserkennung der Messverfahren Drehbeschleunigung Kurzwellige Wälzabweichung Starke Beschädigung in der Drehbeschleunigung. Crest-Wert >30. Starke Beschädigungen lassen sich auch in der Wälzabweichung nachweisen. 2.10.2005

Beschädigungserkennung Drehbeschleunigung 2.10.2005

Geräuschkomponenten einer Verzahnung 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 50 60 70 80 90 100 110 120 130 Ord 40 dBV Mix Antrieb ZE 2 *ZE Geister ordnung Rundl. 2.10.2005

Bewertung von Ordnungsspektren 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Ord 45 75 105 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 2.10.2005

Spektrale Grenzkurven Hüte für Zahneingriffsordnungen und Seitenbänder Grenzkurve aus Mittelwert + Offset + n-fache Standardabweichung. Begrenzung durch: Hüte, Min- und Max-Polygon 2.10.2005

Option Datenserver Parametrierung Arbeitsplatz mit Internet- Server Prüfstände Server Auswertung und Parametrierung Daten Parameter Arbeitsplatz mit Internet- Explorer Intranet Zentrale Archivierung der Liniendaten Zentrale Parametrier-Daten Auswertung und Parametrierung von jedem Arbeitsplatz mit Intranet-Anbindung (und Datenbankwerkzeugen) 2.10.2005

Spektral-Statistiken 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 2.10.2005

Statistik und Prüfstandsabgleich Produktionsver-läufe können statistisch ausgewertet werden. Prüfstände lassen sich unmittelbar vergleichen 2.10.2005

Fehlerschwerpunkte und Ausfallraten Die Ergebnisse werden in Tabellenform und als Grafik bereitgestellt. 2.10.2005

Vergleich der Messverfahren Messgröße /Eigenschaft 2-Flanken-Abrollprüfung 1-Flanken-Wälzabweichung 1-Flanken-Drehbeschleunigung Beschädigungserkennung + Zahneingriffsordnung H1 - Harmonische Hx Oberflächenwelligkeit Teilungsfehler Reproduzierbarkeit 2.10.2005

Sensoren am End-Of-Line Prüfstand Messung einer Hinterachse mit Körperschall, Drehmomentfluktuation und Drehbeschleunigung Drehbeschleunigung Dämpfung höherer Ordnungen durch Prüfstandsmassen Körperschall-Signal Hohe Grenzfrequenz Drehmoment-Zelle Niedrige Grenzfrequenz von 900 Hz 2.10.2005

Reproduzierbarkeit der Sensoren Körperschallsensor Drehmomentfluktuation Drehbeschleunigung Zahneingriffspegel auf der Zug-Rampe für 10 Messungen eines Aggregats. Sehr gute Reproduzierbarkeit aller Sensoren. 2.10.2005