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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bewertung eines Eigenschwingverhaltens einer Baugruppe nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Es ist bekannt, zur Untersuchung des strukturdynamischen Verhaltens einer Baugruppe eine Modalanalyse durchzuführen, um das Eigenschwingverhalten, das bedeutet die Eigenfrequenzen und die Eigenschwingformen der Baugruppe zu ermitteln. Allerdings ist eine Modalanalyse nicht ohne weiteres in der Lage, das Eigenschwingverhalten der Baugruppe unter Einwirkung von äußeren anregenden Kräften und damit eine Abschätzung über mögliche kritische Schwingungen innerhalb der Baugruppe abzubilden.
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Allerdings ist auch ohne die genaue Kenntnis der anregenden Kräfte eine Abschätzung, inwiefern das Eigenschwingverhalten der Baugruppe zu kritischem Schwingverhalten führen könnte, insbesondere bei der Auslegung der Baugruppe, notwendig. Eine derartige Bewertung erfolgt bekanntermaßen durch eine subjektive Einschätzung, beispielsweise durch gesammelte Erfahrungswerte. Diese Bewertung ist jedoch ungenau und nicht immer reproduzierbar. Außerdem ist eine derartige Bewertung nicht unabhängig von äußeren Einflussfaktoren.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Bewertung eines Eigenschwingverhaltens einer Baugruppe objektiv, genau und schnell durchzuführen.
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Wenigstens eine dieser Aufgaben wird durch ein Verfahren zur Bewertung eines Eigenschwingverhaltens einer Baugruppe mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Dadurch kann das Eigenschwingverhalten der Baugruppe zielgerichtet an der Auswertungsposition schnell, einfach und objektiv gekennzeichnet werden. Eine Bewertung der gesamten Baugruppe ist entbehrlich. Eine auf die Ausgangsposition beschränkte Bewertung ermöglicht eine effiziente Nutzung der Rechenkapazitäten und eine schnelle Durchführung der Bewertung des Eigenschwingverhaltens.
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Über die Bewertungsgröße ist eine Einschätzung eines Schwingungsverhaltens der Baugruppe bei anregenden Kräften möglich. Über die Bewertungsgröße kann eine Einschätzung einer Wahrscheinlichkeit eines kritischen Schwingungsverhaltens der Baugruppe bei im Betrieb einwirkenden anregenden Kräften unabhängig von der anregenden Schwingung vorgenommen werden. Außerdem kann die Auffälligkeit von Eigenschwingformen an der Auswertungsposition objektiv über eine einzelne Bewertungsgröße gekennzeichnet werden. Die Bewertung kann vor einer Inbetriebnahme der Baugruppe durchgeführt werden.
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Die Auswertungsposition kann in einem Verbindungsbereich der Baugruppe, beispielsweise an der Verbindung zwischen zwei Bauteilen der Bauteilgruppe, liegen. Die Auswertungsposition kann in einem einer hohen zu erwartenden Last unterliegenden Bereich der Baugruppe liegen.
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Der Effektivwert ist insbesondere der quadratische Mittelwert, auch rms-Wert genannt.
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In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist der Betrag der Bewertungsgröße proportional zu der Wahrscheinlichkeit eines kritischen Schwingverhaltens der Baugruppe bei einwirkenden anregenden Kräften.
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In einer speziellen Ausführung der Erfindung ist die Bewertungsgröße Null, wenn die normierten Schwingungsamplituden an der Auswertungsposition über den Vorgabefrequenzbereich hinweg gleich sind und größer als Null, wenn wenigstens zwei normierte Schwingungsamplituden an der Auswertungsposition über den Vorgabefrequenzbereich hinweg unterschiedlich sind.
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In einer weiteren speziellen Ausführung der Erfindung ist die Bewertungsgröße proportional zu der Wahrscheinlichkeit, dass an der Auswertungsposition bei einwirkenden anregenden Kräften eine Eigenschwingform angeregt wird.
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In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung werden an mehreren Auswertungspositionen der Baugruppe die jeweiligen Schwingungsamplituden der Eigenschwingformen berechnet und normiert, die normierten Schwingungsamplituden über die Auswertungspositionen gemittelt und anschließend ein Effektivwert der normierten gemittelten Schwingungsamplituden und ein arithmetischer Mittelwert der normierten gemittelten Schwingungsamplituden jeweils über einen Vorgabefrequenzbereich hinweg ermittelt und die Differenz aus dem Effektivwert und dem arithmetischen Mittelwert als Bewertungsgröße für das Eigenschwingverhalten der Baugruppe in Bezug auf die mehreren Auswertungspositionen gebildet.
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In einer speziellen Ausführung der Erfindung wird ein Erfassungsfrequenzbereich, in dem die zu ermittelnden Eigenfrequenzen liegen können, vorgegeben.
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In einer besonders speziellen Ausführung der Erfindung sind der Erfassungsfrequenzbereich und der Vorgabefrequenzbereich unterschiedlich. Der Erfassungsfrequenzbereich ist bevorzugt größer als der Vorgabefrequenzbereich.
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In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird die Differenz mit einem Faktor multipliziert und das Produkt als Bewertungsgröße gebildet. Der Faktor kann ein Wert zwischen 1000 und 5000 sein, insbesondere 2000 sein.
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In einer speziellen Ausführung der Erfindung ist die Baugruppe ein Elektromotor, der einen Stator und einen diesem gegenüber in Bezug auf eine Drehachse mit einer Motordrehzahl drehbaren Rotor aufweist. Der Elektromotor kann in einem Fahrzeug, insbesondere in einem Antriebsstrang des Fahrzeugs, angeordnet sein. Der Antriebsstrang kann ein Hybridantriebsstrang sein. Die anregenden Schwingungen können durch die Motordrehzahl des Rotors bewirkt werden.
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In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist der Stator mit einer Aufnahme verbunden und eine Auswertungsposition liegt zumindest in einem Verbindungsbereich zwischen dem Stator und der Aufnahme.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Figurenbeschreibung und den Abbildungen.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Abbildungen ausführlich beschrieben. Es zeigen im Einzelnen:
- 1: Einen Elektromotor zur Anwendung eines Verfahrens in einer speziellen Ausführungsform der Erfindung.
- 2: Ein Blockdiagramm eines Verfahrens in einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung.
- 3: Eine Baugruppe zur Anwendung eines Verfahrens in einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung.
- 4: Mehrere Eigenschwingformen der Baugruppe aus 3.
- 5: Eine Bewertungsgrößenverteilung entlang der Baugruppe aus 3.
- 6: Eine weitere Baugruppe zur Anwendung des Verfahrens aus 3.
- 7: Eine weitere Baugruppe zur Anwendung des Verfahrens aus 3.
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1 zeigt einen Elektromotor 10 zur Anwendung eines Verfahrens in einer speziellen Ausführungsform der Erfindung. Der Elektromotor 10 kann in einem Fahrzeug, beispielsweise in einem Antriebsstrang des Fahrzeugs, angeordnet sein. Der Antriebsstrang kann ein Hybridantriebsstrang sein. Der Elektromotor 10 weist einen Stator 12, eine mit dem Stator verbundene Aufnahme 14 und einen gegenüber dem Stator 12 in Bezug auf eine Drehachse A mit einer Motordrehzahl drehbaren Rotor 16 auf.
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Der Elektromotor 10 bildet eine Baugruppe 18, die ein Eigenschwingverhalten aufweist, das insbesondere dann ausschlaggebend ist, wenn die Baugruppe 18 anregenden Kräften ausgesetzt ist, durch die Schwingungen in der Baugruppe 18 ausgelöst werden. Die anregenden Schwingungen können beispielsweise in einem Verbindungsbereich 20 zwischen dem Stator 12 und der Aufnahme 14 auftreten und durch die Motordrehzahl des Rotors 16 bewirkt werden.
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In 2 ist ein Blockdiagramm eines Verfahrens 100 in einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Durch das Verfahren 100 wird eine Bewertung eines einer Baugruppe 18 zugeordneten Eigenschwingverhaltens umgesetzt.
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Das Eigenschwingverhalten der Baugruppe 18 ist durch die Eigenschwingformen 22, die wiederum von den Eigenfrequenzen 24 der Baugruppe abhängen, festgelegt. Zu Beginn des Bewertungsvorgangs erfolgt in einem vorab festgelegten Erfassungsfrequenzbereich 102 eine Ermittlung 104 der Eigenfrequenzen 24 für die Erfassung des Eigenschwingverhaltens. Der Erfassungsfrequenzbereich 102 liegt beispielsweise zwischen 10 Hz und 1 MHz.
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Anschließend wird an wenigstens einer vorgegebenen Auswertungsposition 106 der Baugruppe eine Berechnung 108 der jeweiligen Schwingungsamplituden der Eigenschwingformen 22 durchgeführt. Die Auswertungsposition 106 kann beispielsweise im Verbindungsbereich zwischen dem Stator und der Aufnahme für den Stator des Elektromotors liegen. Durch die Beschränkung der Bewertung auf die Auswertungsposition 106 kann die vorhandene Rechenkapazität effizient genutzt und die Bewertung schneller und zielgerichteter durchgeführt werden.
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Die über die Berechnung 108 ausgegebenen berechneten Schwingungsamplituden 110 werden in einem nachfolgenden Schritt 112 normiert und als normierte Schwingungsamplituden 114 ausgegeben. Beispielsweise werden die berechneten Schwingungsamplituden 110 auf ein Maximum von 1 normiert. Anschließend wird ein Effektivwert 116 der normierten Schwingungsamplituden über einen Vorgabefrequenzbereich 118 hinweg gebildet. Der Effektivwert 116 ist dabei ein quadratischer Mittelwert auch rms-Wert genannt.
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Weiterhin wird ein arithmetischer Mittelwert 120 der normierten Schwingungsamplituden ebenfalls über den Vorgabefrequenzbereich 118 hinweg ermittelt. Der Vorgabefrequenzbereich 118 kann beispielsweise der bei einer im Betrieb auftretenden Belastung relevante Schwingungsfrequenzbereich sein. Der Vorgabefrequenzbereich 118 kann beispielsweise von 100 Hz bis 10 kHz aufgespannt sein.
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In einem anschließenden Berechnungsschritt 122 wird die Differenz aus dem Effektivwert 116 und dem arithmetischen Mittelwert 120 gebildet und als Bewertungsgröße E für das Eigenschwingverhalten der Baugruppe 18 in Bezug auf die Auswertungsposition 106 ausgegeben. Dadurch kann das Eigenschwingverhalten der Baugruppe 18 an der Auswertungsposition 106 schnell, einfach und objektiv gekennzeichnet werden. Eine Bewertung der gesamten Baugruppe 18 ist entbehrlich. Über die Bewertungsgröße E ist eine Einschätzung eines Schwingungsverhaltens der Baugruppe 18 bei anregenden Kräften, bevorzugt eine Einschätzung einer Wahrscheinlichkeit eines kritischen Schwingungsverhaltens der Baugruppe 18 bei im Betrieb einwirkenden anregenden Kräften unabhängig von der anregenden Schwingung, möglich. Außerdem kann die Auffälligkeit von Eigenschwingformen 22 an der Auswertungsposition 106 objektiv über die einzelne Bewertungsgröße E gekennzeichnet werden.
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Der Betrag der Bewertungsgröße E ist proportional zu der Wahrscheinlichkeit eines kritischen Schwingverhaltens der Baugruppe 18 bei auftretenden anregenden Kräften. Die Bewertungsgröße E ist Null, wenn die normierten Schwingungsamplituden 114 an der Auswertungsposition 106 über den Vorgabefrequenzbereich 118 hinweg gleich sind und größer als Null, wenn wenigstens zwei normierte Schwingungsamplituden 114 an der Auswertungsposition 106 über den Vorgabefrequenzbereich 118 hinweg unterschiedlich sind. Die Bewertungsgröße E ist proportional zu der Wahrscheinlichkeit, dass an der Auswertungsposition 106 bei einwirkenden anregenden Kräften eine Eigenschwingform 22 angeregt wird.
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3 zeigt eine Baugruppe 18 zur Anwendung eines Verfahrens in einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung. Die Baugruppe 18 wird hier durch einen Biegestab mit einer Länge L, der an beiden Enden an Auflagepunkten gelagert ist, gebildet. Durch dieses einfache Beispiel einer Baugruppe 18 soll das Verfahren zur Bewertung des Eigenschwingverhaltens einer Baugruppe 18 anschaulich beschrieben werden.
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Das Verfahren beginnt damit, die Eigenfrequenzen für die Erfassung des Eigenschwingverhaltens der Baugruppe 18 in einem Erfassungsfrequenzbereich zu ermitteln. In 4 sind die den ersten sechs in dem Erfassungsfrequenzbereich liegenden Eigenfrequenzen entsprechenden Eigenschwingformen 22 über die Längspositionen x entlang der Länge L des Biegestabs abgebildet. Die Eigenschwingformen 22 sind als Schwingungsamplituden u angegeben.
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Anschließend werden bei dem Verfahren die jeweiligen Schwingungsamplituden u der Eigenschwingformen 22 an vorgegeben Auswertungspositionen, hier zur Veranschaulichung über alle Längspositionen x entlang der Länge L des Biegestabs hinweg, berechnet. Zu den in 4 abgebildeten Schwingungsamplituden u werden an jeder Auswertungsposition ein Effektivwert und ein arithmetischer Mittelwert der Schwingungsamplituden jeweils über den Vorgabefrequenzbereich gebildet. Die Differenz aus dem Effektivwert und dem Mittelwert wird mit einem Faktor 2000 multipliziert und das Produkt als Bewertungsgröße für das Eigenschwingverhalten der Baugruppe 18 für jede Auswertungsposition gebildet.
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5 zeigt die zugehörige Bewertungsgrößenverteilung entlang der Baugruppe aus 3. An den Auflagepunkten x = 0 und x/L = 1 ergibt sich eine Bewertungsgröße E = 0, da die Lagerung keine Schwingung zulässt und somit alle Schwingungsamplituden u an dieser Stelle gleich sind. In der Balkenmitte x/L = 0,5 haben einige Eigenschwingformen 22 einen Nulldurchgang, andere Eigenschwingformen 22 hingegen ihre maximale Schwingungsamplitude u. Durch diesen maximalen Unterschied ergibt sich hier eine maximale Bewertungsgröße von E = 16,1. In der Balkenmitte x/L = 0,5 sind also die Unterschiede der Eigenschwingformen 22 am auffälligsten und die Balkenmitte x/L = 0,5 ist am sensitivsten bezüglich der unterschiedlichen Eigenschwingformen 22. In der Balkenmitte x/L = 0,5 ist es durch den maximaler Wert der Bewertungsgröße E von allen Werten der Bewertungsgröße E entlang der Länge L am wahrscheinlichsten, dass einzelne Eigenschwingmoden bei einer Belastung angeregt werden können.
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In 6 ist eine weitere Baugruppe 18 zur Anwendung eines Verfahrens in einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Die Baugruppe 18 ist als Biegebalken, der zusätzlich zu dem Biegebalken aus 3 zwischen den Auflagepunkten x = 0 und x/L = 1 an den Längspositionen x/L = 0,25 und x/L = 0,75 elastisch gelagert ist, ausgeführt. Als Auswertungspositionen 106 werden diese beiden Lagerstellen gewählt. Die über beide Auswertungspositionen 106 normierte gemittelte Schwingungsamplitude führt über das analog zu 3 angewandte Verfahren zur Bewertung des Eigenschwingverhaltens zu einer Bewertungsgröße E = 12,8.
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Wird der Biegebalken als Baugruppe 18 wie in 7 gezeigt leicht verschoben gegenüber dem Biegebalken aus 6 an den Längspositionen x/L = 0,34 und x/L = 0,82 elastisch gelagert, ergibt sich eine Bewertungsgröße E = 10,1 an den beiden durch die elastischen Lagerstellen dargestellten Auswertungspositionen 106. Anhand der Bewertungsgröße E kann gefolgert werden, dass die elastische Lagerung des Biegebalkens in 7 der Lagerung in 6 vorzuziehen ist, da durch den größeren Wert der Bewertungsgröße E des Biegebalkens aus 6 die Wahrscheinlichkeit höher ist, an den angegebenen Auswertungspositionen 106, hier den elastischen Lagerstellen, auffälligere Schwingmoden anzuregen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Elektromotor
- 12
- Stator
- 14
- Aufnahme
- 16
- Rotor
- 18
- Baugruppe
- 20
- Verbindungsbereich
- 22
- Eigenschwingformen
- 24
- Eigenfrequenzen
- 100
- Verfahren
- 102
- Erfassungsfrequenzbereich
- 104
- Ermittlung
- 106
- Auswertungsposition
- 108
- Berechnung
- 110
- Schwingungsamplitude
- 112
- Schritt
- 114
- normierte Schwingungsamplitude
- 116
- Effektivwert
- 118
- Vorgabefrequenzbereich
- 120
- arithmetischer Mittelwert
- 122
- Berechnungsschritt
- A
- Drehachse
- E
- Bewertungsgröße
- L
- Länge
- u
- Schwingungsamplitude
