DE10015027A1

DE10015027A1 - Verfahren zur Ausfallerkennung von schwingenden Bauteilen

Info

Publication number: DE10015027A1
Application number: DE2000115027
Authority: DE
Inventors: Sebastian Pape; Harald Mann; Tobias Niedergesaes
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2000-03-25
Filing date: 2000-03-25
Publication date: 2001-10-04
Anticipated expiration: 2020-03-26
Also published as: DE10015027B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ausfallerkennung von schwingenden Bauteilem. Um einen Ausfall des Bauteiles, d. h. den Beginn eines Schadens, möglichst frühzeitig zu erkennen, wird vorgeschlagen, das Bauteil einer Schwingungsanregung auszusetzen und zu Beginn einmalig ein Referenz-Beschleunigungsspektrum zu bestimmen. Danach soll laufend oder periodisch das aktuelle Beschleunigungsspektrum bestimmt und die Differenz zwischen dem aktuellen Beschleunigungsspektrum und dem Referenz-Beschleunigungsspektrum gebildet werden. Aus dem Wert der Differenz kann dann auf den Ausfall des Bauteiles geschlossen werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ausfallerkennung von schwingenden Bauteilen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Schäden, die an schwingenden Bauteilen entstehen, treten unter Umständen erst nach sehr langer Zeit auf. Hierbei ist es wichtig, daß der Beginn des Schadens erkannt wird, um notwendige Maßnahmen einleiten zu können.

Zur Dauerschwingfestigkeitsprüfung wird das zu untersuchende Bauteil über einen Schwingungserzeuger so lange mit Schwingungen beaufschlagt, bis ein Schaden auftritt oder die Dauerschwingfestigkeit gewährleistet ist. Durch solche Tests ist es möglich, die Schwingfestigkeit von Bauteilen in sehr viel kürzerer Zeit als im realen Betrieb zu überprüfen.

Schwingungsprüfstände bestehen aus einem Schwingungserzeuger, beispielsweise einem Elektropulser, auf den das zu untersuchende Bauteil montiert ist, und der zur Schwingungsanregung des Bauteiles dient. Angesteuert wird der Schwingungserzeuger durch einen Signalgenerator. Dieser Signalgenerator kann ein Signalgenerator sein, mit dem eine stochastische Anregung erreicht wird, wie sie z. B. zum Prüfen von Fahrwerkskomponenten verwendet wird. Es sind auch andere Anregungsformen möglich, wie beispielsweise eine harmonische Anregung mit Hilfe eines Signalgenerators für ein sinusförmiges Signal (verwendet zur Prüfung von motorfesten Komponenten) oder eine Mischform aus harmonischer und stochastischer Anregung (beispielsweise verwendet zur Prüfung von motornahen Komponenten wie der Abgasanlage). Zur besseren Ansteuerung ist der Schwingungserzeuger Teil einer Regelstrecke, bei der der Signalgenerator als Sollwertgeber wirkt und ein Schwingungsaufnehmer am Schwingungserzeuger als Geber für die Rückkopplung eingesetzt ist.

Bei schwingenden Bauteilen im allgemeinen und insbesondere auf Schwingungsprüfständen stellt sich nun das Problem, den Ausfall des Bauteiles, d. h. den Beginn eines Schadens, möglichst frühzeitig zu erkennen. Ein solcher Schaden besteht in aller Regel aus einem Anriss oder einer Verdichtung des Materiales. Beide genannten Schadensformen führen mit fortschreitender Schwingung zum Totalausfall des Bauteiles.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß mit den Verfahrensmerkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Hierzu wird vorgeschlagen, das Bauteil einer Schwingungsanregung auszusetzen und zu Beginn einmalig ein Referenz-Beschleunigungsspektrum zu bestimmen. Danach soll laufend oder periodisch das aktuelle Beschleunigungsspektrum bestimmt und die Differenz zwischen dem aktuellen Beschleunigungsspektrum und dem Referenz-Beschleunigungsspektrum gebildet werden. Aus dem Wert der Differenz kann dann auf den Ausfall des Bauteiles geschlossen werden. Der besondere Vorteil dieses Verfahrens ist darin zu sehen, daß Anregung und Auswertung des Schwingungsverhalten des zu untersuchenden Bauteiles sich auf beliebig viele Resonanzen des Bauteiles erstrecken. Diejenige Resonanz des Bauteiles, die schließlich zum Schaden führt, muß also nicht von vorneherein bekannt sein. Dieses Verfahren ist damit besonders zur Anwendung an komplexen Bauteilen geeignet, die in der Regel eine nicht ohne weiteres überschaubare Zahl von Resonanzen aufweisen. Das Verfahren kann somit auch bei unbekannten Bauteilen eingesetzt werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Unteransprüchen 2 bis 7 enthalten. Die Patentansprüche 8 und 9 betreffen die besonders vorteilhafte Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens an einem Schwingungsprüfstand.

So wird in Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, die Beschleunigungsspektren zu bestimmen, indem aus mehreren, nacheinander aufgenommenen Beschleunigungsspektren ein Mittelwert gebildet wird. Insbesondere beim Referenz-Beschleunigungsspektrum führt diese Vorgehensweise zu genaueren Werten.

Die Berechnung der Differenz zwischen dem aktuellen Beschleunigungsspektrum und dem Referenz- Beschleunigungsspektrum kann durch Bestimmen der Fläche zwischen den beiden Beschleunigungsspektren gebildet werden. Von besonderem Vorteil ist es, wenn hierzu das Integral über die Beträge der Diffenzen der einzelnen Spektralwerte gebildet wird. Durch die Betragsbildung wird verhindert, daß es bei Schadensbeginn, der mit einer Verschiebung der Resonanzen einhergeht, zu einer Aufhebung der Differenzen zwischen dem aktuellen Beschleunigungsspektrum und dem Referenz- Beschleunigungsspektrum durch unterschiedlich vorzeichenbehaftete Differenzen in den Einzelspektren kommt.

Allgemein ist es von großem Vorteil, daß mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein einheitlicher Wert, nämlich die Differenz zwischen den Beschleunigungsspektren, geschaffen ist, der als Indikator für das Ausfallen des Bauteils bzw. einen Schadensbeginn dient. Zur Auswertung kann dieser Wert mit einem voreingestellten Grenzwert verglichen und bei Überschreiten auf einen Ausfall des Bauteiles geschlossen werden. Alternativ oder ergänzend ist es auch möglich, die zeitliche Änderung bzw. das zeitliche Wachstum der Differenz zu beobachten und mit einem Grenzwert zu vergleichen. Auch hier dient das Überschreiten des Grenzwertes als Hinweis auf den Ausfall des Bauteiles.

Von besonderem Vorteil ist auch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei Schwingungsprüfständen. An Schwingungsprüfständen ist es besonders wichtig, den Versuch zur Prüfung der Dauerschwingfestigkeit vom Zeitpunkt des Schadensbeginns an besonders sorgfältig zu überwachen, da auf diese Weise Erkenntnisse über die Schadensausbreitung gewonnen werden können. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es also möglich, einen Versuch zur Ermittlung der Dauerschwingfestigkeit ohne nähere Beobachtung bis zum Beginn eines ersten Schadens ablaufen zu lassen und dann zu stoppen, um den Schwingungsversuch dann unter näherer Beobachtung fortzusetzen. Eine Unterbrechung des Versuches ist in besonders einfacher Weise dadurch möglich, daß die Rückkoppelung unterbrochen wird. Eine solche Unterbrechung wird vom Regelkreis des Schwingungsprüfstandes als Fehler erkannt und führt zum kontrollierten Abschalten des Schwingungsprüfstandes, z. B. durch Ausklingen.

Die Erfindung ist nachstehend anhand des in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine Übersicht über einen Schwingungsprüfstand,

Fig. 2 ein Schaubild mit Beschleunigungsspektren eines Bauteiles ohne Schaden,

Fig. 3 ein Schaubild mit Beschleunigungsspektren eines Bauteiles mit einem Schaden,

Fig. 4 ein Schaubild mit verschiedenen Beschleunigungsspektren im Verlauf einer Prüfung des Bauteiles und

Fig. 5 einen Ablaufplan für ein Verfahren zur Ausfallerkennung.

Fig. 1 zeigt schematisch einen Schwingungsprüfstand 1 mit einem Schwingungserzeuger, hier einem Elektropulser 2, der hier mit einem als Tisch 3 ausgebildeten Schwingkopf versehen ist. Auf dem Tisch 3 ist ein Bauteil 4 als Prüfling befestigt. Der Tisch 3 schwingt in der Schwingungsrichtung S. Ein erster Beschleunigungsaufnehmer 5 ist ebenfalls auf dem Tisch 3 befestigt und dient als Geber für eine Rückkoppelleitung 6. Der Elektropulser 2 wird durch einen Leistungsverstärker 7 angesteuert, der seinerseits sein Steuersignal aus einem Signalgenerators 8 erhält.

Der Elektropulser 2 und der Leistungsverstärker 7 bilden eine Regelstrecke, die mit Hilfe des Beschleunigungsaufnehmers 5 überwacht und auf das vom Signalgenerator 8 als Sollwertgeber abgegebene Sollsignal zur Schwingungsregelung eingestellt wird. In der Rückkoppelleitung 6 ist ein Schalter 9 zur Unterbrechung der Rückkoppelleitung 6 vorgesehen.

Eine Überwachungseinrichtung 10 dient zur Ausfallerkennung des Prüflings 4. Hierzu ist am Prüfling 4 ein zweiter Beschleunigungsaufnehmer 11 befestigt, dessen Signal auf einen Spektralanalysator 12 geführt ist. Ein Referenz-Beschleunigungsspektrum ist in einem Speicher 13 abgelegt. Ein Differenzierer 14 bildet hier die Differenz zwischen dem vom Spektralanalysator 12 aktuell ermittelten Beschleunigungsspektrum und dem im Speicher 13 abgelegten Referenz-Beschleunigungsspektrum. Ein Integrator 15 integriert Beträge der Differenzen. In einem Schwellwertschalter 16 wird das Ausgangssignal des Integrators 15 mit einem in einem Speicher 17 abgelegten Grenzwert verglichen und dann ein Ausgangssignal 18 abgegeben, wenn das Ausgangssignal des Integrierers 15 den im Speicher 17 abgelegten Grenzwert überschreitet. Das Ausgangssignal 18 ist auf eine Kontrolleuchte 19 geführt und dient gleichzeitig zur Ansteuerung des Schalters 9.

Die Überwachungseinrichtung 10 kann, wie in Fig. 1 dargestellt, aus diskreten Baugruppen aufgebaut sein. Es ist alternativ auch möglich, einen programmierbaren Mikrorechner als Überwachungseinrichtung 10 einzusetzten, der das in Fig. 4 beschriebene Verfahren ausführt.

Zunächst soll anhand der in Fig. 2 und 3 dargestellten Spektren kurz die Wirkungsweise der Überwachungseinrichtung 10 erläutert werden. In Fig. 2 sind das im Speicher 13 abgelegte Referenz- Beschleunigungsspektrum (Linie 20), ein aktuelles Beschleunigungsspektrum nach drei Minuten Schwingungsbelastung (Linie 21) und der Betrag des Ausgangssignales des Differenzierers 14 (Linie 22) dargestellt. Zu diesem Zeitpunkt hat der Betrag der Fläche der Differenz zwischen dem aktuellen Beschleunigungsspektrum und dem Referenz-Beschleunigungsspektrum, das heißt das Ausgangssignal des Integrators 15, einen Wert von 15,4 gHz.

Fig. 3 zeigt dieselben Kennlinien 20 bis 22 nach eine Versuchsdauer von 1.155 Minuten mit schon deutlich sichtbarem Schaden. Erkennbar ist, daß sich die Spitze des aktuellen Beschleunigungsspektrums 21, die einer Resonanz des Bauteiles 4 entspricht, als Folge des Schadens bereits deutlich zu tieferen Frequenzen hin verschoben hat. Infolgedessen ist auch die Differenz zwischen den Beschleunigungsspektren auf einen Wert von 89,3 gHz angewachsen.

Fig. 4 zeigt in einer Übersicht den Verlauf der Kennlinie 22 über die Prüfdauer des Bauteiles 4. Deutlich erkennbar ist, wie nach einer Prüfdauer von etwa 350 Minuten der Differenz anzusteigen beginnt. Als Grenzwert für die Differenz wird hier ein Wert von 40 gHz im Speicher 17 abgelegt. Der bei dieser Differenz eingetretene Schaden ist mit besonderen Prüfmethoden gerade nachweisbar.

Fig. 5 zeigt ein Ablaufdiagramm für das dargestellte Verfahren zur Ausfallerkennung, wenn die Überwachungseinrichtung 10 als programmierbarer Mikrorechner ausgebildet ist.

In einem ersten Schritt 30 wird zu Beginn das aktuelle Beschleunigungsspektrum a(f) aus dem Signal des Beschleunigungsaufnehmer 11 ermittelt. In dem darauffolgenden Schritt 31 wird dieses Beschleunigungsspektrum als Referenz-Beschleunigungsspektrum aref(f) gespeichert. Im dritten Schritt 33 wird die Differenz D(f) zwischen dem im vorhergehenden Schritt 32 ermittelten aktuellen Beschleunigungsspektrum a(f) und dem in Schritt 31 gespeicherten Referenz-Beschleunigungsspektrum aref(f) gebildet. In Schritt 34 erfolgt eine Integration der in Schritt 33 ermittelten Differenzen D(f), wobei die Beträge der Differenzen gebildet werden. Der hierbei ermittelte Wert I wird im darauffolgenden Schritt 35 mit einem gespeicherten Grenzwert, im Ausführungsbeispiel 40 gHz, verglichen. Wird dieser Grenzwert nicht überschritten, so erfolgt ein Rücksprung zu Schritt 32. Anderenfalls wird in Schritt 36 das Signal 18 ausgegeben, das einen Schadensbeginn signalisiert und über den Schalter 9 den Elektropulser 2 abschaltet.

Die Berechnung der Beschleunigungsspektren in den Schritten 30 und 32 und der Differenzen in Schritt 33 erfolgt vorzugsweise inkremental, das heißt über Frequenzbereiche vorgebener Größe. In diesem Falle wird in Schritt 34 das Integral als Summe über die zuvor ermittelten Einzelwerte gebildet.

Claims

1. Verfahren zur Ausfallerkennung von schwingenden Bauteilen mit folgenden Schritten:

- Schwingungsanregung des Bauteiles,
- einmaliges Bestimmen eines Referenz-Beschleunigungsspektrums,
- laufendes oder periodisches Bestimmen eines aktuellen Beschleunigungsspektrums,
- laufende oder periodische Berechnung der Differenz zwischen dem aktuellen Beschleunigungsspektrum und dem Referenz-Beschleunigungsspektrum,
- Auswerten der Differenz um Erkennen eines Ausfalles des Bauteiles.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Bestimmen eines Beschleunigungsspektrums aus nacheinander aufgenommenen Beschleunigungsspektren ein Mittelwert gebildet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Berechnung der Differenz zwischen dem aktuellen Beschleunigungsspektrum und dem Referenz-Beschleunigungsspektrum die Fläche zwischen den beiden Beschleunigungsspektren gebildet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Berechnung der Different zwischen dem aktuellen Beschleunigungsspektrum und dem Referenz-Beschleunigungsspektrum das Integral über die Beträge der Einzelspektren gebildet wird.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erkennen eines Ausfalles des Bauteiles die Differenz mit einem voreingestellten Grenzwert verglichen und bei Überschreiten des Grenzwertes auf einen Ausfall des Bauteiles geschlossen wird.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erkennen eines Ausfalles des Bauteiles das zeitliche Wachstum der Differenz mit einem voreingestellten Grenzwert verglichen und bei Überschreiten des Grenzwertes auf einen Ausfall des Bauteiles geschlossen wird.

7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erkennen eines Ausfalles des Bauteiles die Differenz und das zeitliche Wachstum der Differenz jeweils mit einem voreingestellten Grenzwert verglichen und bei einem ersten Überschreiten des Grenzwertes auf einen Ausfall des Bauteiles geschlossen wird.

8. Verwendung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche beim Betrieb eines Schwingungsprüfstandes (1).

9. Verwendung nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungsprüfstand (1) einen Regelkreis bestehend aus einem Schwingungserzeuger (2) als Regelstrecke, einem Signalgenerator (8) als Sollwertgeber und einen Schwingungsaufnehmer (5) als Geber für die Rückkoppelung aufweist und daß bei erkanntem Ausfall des Bauteiles die Rückkoppelung (6) unterbrochen wird.