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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Zustandes eines
Bauteils, eines Bauteils in einer Bauteilegruppe und/oder einer
Bauteilegruppe, insbesondere von sich relativ zueinander bewegenden
Bauteilen, mittels der Erfassung von akustischen Signalen, welche
ein Bauteil abgibt oder durch ein Bauteil verursacht werden.
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Stand der Technik
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Die
Analyse der Schallausbreitung wird in vielfältiger Art
und Weise an Kraftfahrzeugen, in der Industrie und der Technik eingesetzt.
Damit werden bspw. die akustischen Eigenschaften von Kraftfahrzeugen
oder der technische Zustand, z. B. von Lagern oder Werkzeugen bei
der spanabhebenden Bearbeitung, von Maschinen und Generatoren kontrolliert.
Weiterhin besteht die Möglichkeit, über die Analyse
der Schallausbreitung in Bauteilen Risse und Materialversagen aufzudecken.
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Bei
all diesen Verfahren wird nach dem Stand der Technik nur eine Schallaufnahmestelle verwendet.
Dadurch lässt sich nur das Vorliegen eines Schadens oder
eines Fehlers feststellen. Die exakte Schadstelle kann mit dieser
Methode nicht spezifiziert werden.
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Um
trotzdem eine möglichst exakte Fehleranalyse zu gewährleisten,
wird bei der Schallanalyse mit Vergleichsmodellen gearbeitet. Dazu
zeigt die
DD 289130
A5 ein entsprechendes Verfahren. Zur serienmässigen
Qualitätskontrolle zur Entdeckung von Realschäden
an Lagern wird eine vibroakustische Analyse auf der Grundlage eines
Geräuschmodells und eines geeigneten Klassifikators durchgeführt. Zur
Aufnahme des Körperschallsignals wird ein Tastkopf verwendet.
Dieses Verfahren ist sehr aufwendig, und es bedarf vieler Auswerte-
und Rechenschritte um ein aussagekräftiges Ergebnis zu
erhalten.
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Aus
der Medizintechnik http://www.neurop.ruhr-uni-bochum.de/Praktikum/anleit/node10.html ist
auch ein Vektor-EKG bekannt. Mit ihm wird eine differenzierte Signal-
und Vektorbildung angestrebt. Damit wird im Gegensatz zum Standard-EKG
nicht nur das zeitliche Verhalten sondern auch das räumliche
Verhalten der Herzerregung abgebildet. Die elektrische Herzerregung
entspricht einem dreidimensionalen Vektor, der zu jedem Zeitpunkt
eine genau definierte Richtung und Länge besitzt. Dieser
Vektor kann durch drei linear unabhängige Vektoren, z.
B. Länge, Höhe, Breite, dargestellt werden. Zeichnet
man für alle Zeitpunkte nur die Spitzen dieser Vektoren
ein, entsteht eine Raumkurve, die Vektorschleife genannt wird.
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Aufgabe der Erfindung
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist, ein Verfahren zur Analyse der Körperschallausbreitung zu
schaffen, mit dem nicht nur das Vorliegen eines Schadens, sondern
auch der Ort der Schadstelle bei sich bewegenden, insbesondere rotativen
und zyklischen Bauteilen genau spezifiziert werden kann.
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Lösung der Aufgabe
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Zur
Lösung der Aufgabe führt, dass die akustischen
Signale an mindestens zwei Stellen, die diesem Bauteil zugeordnet
sind, ermittelt und in Vektoren umgesetzt werden.
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Analog
zur Medizintechnik werden die akustischen Signale, z. B. Getriebegeräusche,
einzeln in separaten Kanälen aufgenommen und eine differenzierte
Signal- bzw. Vektorbildung angestrebt.
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Die
zugrunde liegende Idee ist die Ausnutzung der differenzierten Wellenausbreitung
und die damit verbundenen Phasenunterschiede in den empfangen Signalen.
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Schallsignale
entstehen beim Betrieb von mechanischen Bauteilen. Der Schall breitet
sich dabei nicht nur in Luft, sondern primär im Werkstoff
der Bauteile, meistens Stahl, mit einer deutlich höheren Ausbreitungsgeschwindigkeit – nämlich
6000m/sec – als in Luft aus. Das bedeutet, dass Schallwellen,
die innerhalb des Bauteils immer entlang der Komponenten aus Stahl
laufen zuerst am Schallaufnehmer ankommen. Schall der sich in der
Luft ausbreitet und später an den Schallaufnehmern ankommt,
wird dann nur noch als ein Rauschen, das für die Messung
irrelevant ist, von den Schallaufnehmern wahrgenommen. In das Messergebnis
geht also nur der Körperschall ein. Bei rotierenden Komponenten
ergibt sich somit immer ein unterschiedlich langer Weg von der Schallquelle
zum Schallaufnehmer.
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Die
Körperschallsignalaufnahme wird vorzugsweise mittels herkömmlicher
Aufnehmer, z. B. Mikrofonen, Piezo- oder anderen Vibrationsaufnehmern,
wie z. B. Laservibrometern, realisiert. Aber auch alle anderen Möglichkeiten
zur Schallaufnahme sind im Erfindungsgedanken mit einbegriffen.
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Um
die Aufnahme des Körperschalls direkt am Bauteil zu gewährleisten,
bestehen verschiedene Möglichkeiten. Bei der Verwendung
von Mikrofonen oder anderen luftgekoppelten Aufnehmern werden zur
Kopplung zwischen Maschine oder Bauteil und akustischen Schallaufnehmer „Schallleiter” verwendet.
Diese können in allen geeigneten Formen und Materialien
ausgeführt sein. Grundsätzlich können die
Schallaufnehmer inner- oder ausserhalb des zu untersuchenden Bauteils
angebracht sein. Bei einer Anordnung der Schallaufnehmer im zu untersuchenden
Bauteil sind im Bauteil vorzugsweise konstruktive Massnahmen zur
Aufnahme von Schallaufnehmern getroffen.
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Die
Anordnung der Schallaufnehmer muss so erfolgen, dass keine Phasenwiederholungen
auftreten können bzw. sich eine maximale Phasendifferenz
von 2π ergibt, da sonst die Signale nicht eindeutig zugeordnet
und ausgewertet werden können. Das heisst, dass zu keinem
Messzeitpunkt von zwei oder mehreren Schallaufnehmern die gleiche
Messstrecke anliegen darf.
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Die
einzelnen diskreten Schallsignale beschreiben das zeitliche Verhalten
der Schallausbreitung in einem Bauteil.
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Um
die Schallausbreitung in einem Bauteil räumlich darzustellen
und so die Schadstelle zu lokalisieren, werden mindesten zwei separate
Schallsignale aus verschiedenen Richtungen für eine Vektorbildung
benötigt. Die Anzahl der sich ergebenden Vektoren wird über
das metcalfsche Gesetz bestimmt. Dieses besagt, dass sich die Anzahl
der Vektoren n ρ / ν aus der Formel
ergibt, wobei N die Anzahl
der Aufnehmer ist. Bei einer grossen Anzahl von Aufnehmern dominiert
hierbei der Term N
2/2.
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Abhängig
von der Anzahl und der Anordnung der Schallaufnehmer lassen sich
zwei- oder dreidimensionale Vektoren erstellen.
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Aus
den digitalisierten Schallsignalen wird für die weitere
Datenauswertung eine einfache differentiale Vektorbildung durchgeführt.
Als Ergebnis ergibt sich ein Vektor, der zu jedem Zeitpunkt Richtung und
Länge darstellt. Er kann durch drei linear unabhängige
Vektoren beschrieben werden: Länge, Höhe, Breite.
Dies sind sog. Basisvektoren, die für alle Zeitpunkte Spitzen
haben, die eine Raumkurve bilden. Diese stellt die räumliche
Ausbreitung des Körperschalls dar. Aus der räumlichen
Ausbreitung des Körperschalls in einem Bauteil kann der
Fachmann den Zustand eines Bauteils, und an welcher Stelle eventuelle
Beeinträchtigungen vorliegen, erkennen.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in
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1 einen
schematischen Aufbau zur Körperschallsignalaufnahme;
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2 eine
perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer
erfindungsgemässen Schallaufnehmeranordnung;
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3 einen
vergrösserten Ausschnitt einer erfindungsgemässen
Schallaufnehmeranordnung gemäss 2;
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4 einen
schematischen Aufbau zur Körperschallsignalaufnahme entsprechend 1 mit
einem analogen Differentialverstärker;
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5 Diagramme
diskreter Schallsignale;
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6 Diagramme
erfindungsgemäss gebildeter Vektoren.
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In 1 ist
ein Planetengetriebe 1 gezeigt. In diesem sind Planetenräder
jeweils im Abstand von 120° angeordnet. Um das Planetengetriebe 1 ist
eine erfindungsgemässe Messvorrichtung 2 zur Körperschallsignalaufnahme
aufgebaut. In der Messvorrichtung 2 sind entsprechend 1 vier
Mikrofone 3.1, 3.2, 3.3 und 3.4 als
Schallaufnehmer angeordnet. Vom Erfindungsgedanken sind alle Möglichkeiten
zur Schallaufnahme, wie auch Vibrationsaufnehmer, z. B. Piezoaufnehmer
und dgl. umfasst.
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Den
Mikrofonen 3.1 bis 3.3 ist je ein Schallleiter 4.1 bis 4.3 zugeordnet.
Das Mikrofon 3.4 nimmt Umgebungsgeräusche, also
keinen Körperschall auf, deshalb ist diesem auch kein Schallleiter 4 zugeordnet.
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Die
Mikrofone 3.1, 3.2 und 3.3 sind, um das Auftreten
des Aliasing-Effekts, als Alias-Effekte oder Aliasing-Effekte werden
in der Signalalnalyse Fehler bezeichnet, die durch die Nichtbeachtung
des Abtasttheorems (zu geringe Abtastfrequenz) beim digitalen Abtasten
von Signalen auftreten, zu verhindern, in einer 0°, 90°,
135° Anordnung angebracht. Das führt im Zusammenspiel
mit der 120° Anordnung der Planetenräder zu einer
eindeutigen Vektortriade: 45°, 90°, 135°.
Diese Anordnung der Mikrofone muss immer, abhängig von
der Bauteilgeometrie so getroffen werden, dass etwaige Phasenwiederholungen
innerhalb eines Maschinenzyklus vermieden werden. Nur so kann immer
exakt ermittelt werden an welchem Punkt des Zyklus eine Unregelmässigkeit
und damit eine Schadstelle auftritt.
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Grundsätzlich
können die Schallaufnehmer in oder ausserhalb des Planetengetriebes 1 angeordnet
sein. Bei der im Ausführungsbeispiel gezeigten Anordnung
ausserhalb des Planetengetriebes 1 ist eine Kopplung durch
Schallleiter 4.1–4.3 notwendig. Bei einer
nicht gezeigten Anordnung der Schallaufnehmer im Bauteil, sind im
Bauteil konstruktive Massnahmen zur Aufnahme der Schallaufnehmer
mit direktem Kontakt zum Bauteil vorgesehen. Grundsätzlich
besteht auch die Möglichkeit, die Mikrofone und die Schalleiter
im Bauteil anzuordnen.
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2 zeigt
ein Mikrofonarray 12 für ein rotationssymmetrisches
Bauteil entsprechend dem Planetengetriebe 1. Vorzugsweise
ist es aus Kunststoff gefertigt und in das Getriebe integriert.
Es besteht aber auch die Möglichkeit das Mikrofonarray 12 ausserhalb
des Planetengetriebes 1 anzuordnen. Im Mikrofonarray sind
entsprechende Ausnehmungen 13.1, 13.2 und 13.3 zur
Aufnahme der Schallaufnehmer 3.1 bis 3.3 und der
Schallleiter 4.1 bis 4.3 vorgesehen.
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In 3 ist
der Ausschnitt eines Mikrofonarrays 12 mit einer Ausnehmung 13,
in der sich ein Schallaufnehmer 3 und ein Schallleiter 4 befinden, vergrössert
dargestellt.
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Jedem
Mikrofon 3.1–3.4 ist zur digitalen Vektorbildung
eine eigene Auswerteeinheit 5.1–5.4,
die die aufgenommenen Schallsignale digitalisiert, zugeordnet.
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Alle
Auswerteeinheiten 5.1–5.4 sind mit einer Steuerung,
vorzugsweise einem Rechner 6 mit A/D Karte verbunden. Die
diskreten digitalisierten Werte werden durch den Prozessor subtrahiert
um Differentialvektoren zu bilden.
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4 zeigt
die analoge Vektorbildung durch einen Differentialverstärker 14 direkt
bei der Aufnahme, d. h. es erfolgt eine permanente Vektorbildung anstelle
der diskreten Vektorbildung bei der digitalen Signalaufnahme in 1.
Beides sind sinnvolle Möglichkeiten zur Signalaufnahme
und Vektorbildung, jedoch soll die Erfindung nicht darauf beschränkt
sein.
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Die
Funktionsweise der vorliegenden Erfindung (hier mit digitaler Signalaufnahme)
ist folgende:
Mit den Mikrofonen 3.1, 3.2 und 3.3 werden
Körperschallsignale des Getriebes 1 aufgenommen.
Diese entstehen grundsätzlich im regulären Betrieb.
Bei einer Veränderung der Laufeigenschaften verändern sich
auch die emittierten Körperschallsignale.
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In 5 sind
die Signale über einer Zeitachse abgebildet. Die Getriebesignale 7.1 bis 7.3 der
Mikrofone 3.1 bis 3.3 werden in den Auswerteeinheiten 5.1 bis 5.3,
wie in 2 gezeigt, verarbeitet. Mit dem A/D Wandler 6 werden
die Getriebesignale 7.1 bis 7.3 digital gewandelt.
Das ist die Grundlage für die angestrebte Vektorbildung.
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Mit
dem Mikrofon 3.4 werden Umgebungsgeräusche aufgenommen.
Diese sind als Umgebungssignal 9 in 2 dargestellt.
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Die
Verwendung eines Schallaufnehmers zur Aufnahme der Umgebungsgeräusche
mit Mikrofon 3.4, gemäss dem vorliegenden Ausführungsbeispiel,
ist nicht zwingend erforderlich, stellt aber eine Optimierung des
Verfahrens dar. Das Umgebungssignal 9 geht nicht direkt
in die Vektorbildung ein. Mit dem in diesem Kanal erzeugten Umgebungssignal 9 können
die Umgebungsgeräusche aus den Signalen 7.1, 7.2 und 7.3 herausgefiltert
werden. Dadurch wird das Ergebnis der Vektorbildung noch exakter.
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Die
weitere Verarbeitung der Signale 7.1, 7.2, 7.3 und 9 erfolgt
in der Steuerung 6 vorzugsweise einem Rechner mit A/D Karte.
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Aus
den in 5 dargestellten Signalen 7.1, 7.2 und 7.3 werden
die in 3 dargestellten Linear- 10 und 3D-Vektoren 11 erzeugt.
Durch die Ausnutzung der differenzierten Wellenausbreitung und der damit
verbundenen Signal- und Phasenunterschiede in den empfangenen Signalen 7.1, 7.2 und 7.3,
kann über die geometrische Anordnung der Mikrophone 3.1, 3.2, 3.4 eine
einfache differenziale Vektorbildung durchgeführt werden.
Grundsätzlich sind dafür mindestens zwei verschieden
Schallaufnehmer notwendig.
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In 6 sind
die Schallprofile des Planetengetriebes 1 bei unterschiedlichen
Belastungen als die Vektoren 10.1, 10.2, 10.3 und 11 dargestellt.
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Anhand
der Diagramme kann dann interpretiert werden, ob und, wenn ja. wo,
eine Abweichung vom Normalzustand und damit ein Defekt vorliegt. Die
Interpretation erfolgt entsprechend eines EKGs über die
Veränderungen, wie z. Bsp. Ausschläge, Streuung
und Drehung der Vektoren. Als Referenz dient ein Normalvektor, der
das Optimalbild darstellt. Bezugszeichenliste
| 1 | Planetengetriebe |
| 2 | Messvorrichtung |
| 3 | Mikrofon |
| 4 | Schallleiter |
| 5 | Auswerteeinheit |
| 6 | Rechner |
| 7 | Signal |
| 8 | Zeitachse |
| 9 | Umgebungssignal |
| 10 | Linearvektor |
| 11 | 3D-Vektor |
| 12 | Mikrofonarray |
| 13 | Ausnehmungen |
| 14 | Differentialverstärker |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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