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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Analyse von Schwingungen
rotierender oder osziliierender Teile, insbesondere einer Maschine, eines Motors
oder dergleichen mechanischer Elemente bezüglich Betrag und Phase mit
einer Abtastung von Schwingungssignalen durch Zeitmessung an Flanken von
Verzahnungen und/oder Bestimmung von Helligkeitswechseln von
Markierungen an oder auf den rotierenden oder oszillierenden Teilen gemäß
Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Schwingungsmessungen an rotierenden Maschinen zur Beurteilung deren
Zustands lassen sich mit der sogenannten Ordnungsanalyse durchführen. Hier
erfolgt eine Auswertung der periodischen Frequenzanteile in
Schwingungssignale, die direkt mit der Drehzahl in Zusammenhang stehen, um z. B.
Rückschlüsse auf Fehlerursachen zu ziehen.
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Verwiesen sei hier beispielsweise auf "Meßtechnik und
Meßsignalverarbeitung", K. W. Bonfig, Herausgeber, Renningen-Malsheim: Expert-Verlag
1996, Seiten 122 bis 127, die DE 37 25 123 A1 oder gemäß der Lehre nach
DE 40 32 299 C2.
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Eine Ordnungsanalyse findet auch bei akustischen Meßverfahren speziell in
der Automobil-Entwickung statt. Gemäß der Zeitschrift "Technisches Messen
ATM", 1978, Heft 4, Seiten 141 bis 146, ist ein Verfahren bekannt, bei dem
aus einem kontinuierlich veränderten Gesamtgeräusch ein Anteil extrahiert
wird, der einer vorgegebenen Ordnung entspricht. Hierfür wird eine Analyse
nach Ordnungen über der Drehzahl vorgenommen und es kommt ein digitales
Mitlauffilter zum Einsatz. Das Mitlauffilter wird bei Drehzahländerungen
automatisch auf die jeweilige Frequenz der gewählten Ordnung
nachgestimmt. Die zur Filterabstimmung erforderliche Steuerfrequenz wird von
Impulsen, die der Drehzahl proportional sind, abgeleitet.
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Die DD 158 581 offenbart ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur
Schwingungsüberwachung rotierender Maschinen, wobei es dort darum geht,
eine Schadensfrüherkennung zu erreichen. Nach der dortigen Lösung werden
die Veränderungen der Pegelsummenwerte und die vektoriellen
Veränderungen der komplexen harmonischen Schwingungen im Zeitintervall
gegenüber Bezugspegelwerten und komplexen harmonischen Bezugsanteilen
verglichen und ausgewertet.
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Die deutsche Patentschrift DE 199 54 066 C1 offenbart ein Verfahren zur
Ordnungs-Analyse von Schwingungen eines rotierenden Teiles, insbesondere
einer Maschine, bezüglich der Amplitude und Phase, wobei eine Abtastung
von Schwingungssignalen über ganze Perioden mit einer festen Eingangs-
Abtastrate ausgeführt und die erhaltenen Abtastwerte einer digitalen
Filterung, insbesondere Tiefpaßfilterung, mit einer in Abhängigkeit von der
momentanen Drehzahl bestimmten Filtereckfrequenz unterzogen werden. Das
dort eingesetzte mitlaufende Digitalfilter weist eine Mehrzahl von
kaskadierten Filterstufen auf, die von einem Eingangssignal nacheinander
durchlaufen werden, wobei die Filtereckfrequenz einer nachfolgenden Filterstufe in
einem fest vorbestimmten Verhältnis zur Filtereckfrequenz der
vorhergehenden Filterstufe steht.
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Die vorstehend kurz umrissene Meßtechnik ermöglicht Untersuchungen, die
wiederum konstruktiv dazu dienen, eine Geräusch- und
Schwingungsminderung bei modernen Antrieben zu erreichen. Die weitere Verbesserung der
Produktqualität zieht noch genauere Messungen und Analysen von
rotatorischen Meßgrößen nach sich. Voraussetzung für die notwendige Meßtechnik
ist die Möglichkeit, auch bei veränderlichen Drehzahlen Schwingungen als
Harmonische einer Wellendrehzahl zu ermitteln und korrekte Amplituden- und
Phasenwerte zu liefern.
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Bekanntermaßen sind die zu untersuchenden Vorgänge in der Regel
harmonische Schwingungen einer Drehzahl der untersuchten Maschine, d. h.
sogenannte Ordnungen. Anhand des Verlaufs dieser Ordnungen kann der
Konstrukteur und Maschinenbauer Rückschlüsse auf die Ursache der Schwingung
ziehen.
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So wird z. B. die 0.5te Ordnung bei einem 4-Takt-Verbrennungsmotor durch
Unregelmäßigkeiten der Zündfolge verursacht. Die oben beschriebene
Ordnungsanalyse auf der Basis einer Fourier-Transformation mit
nachfolgender Darstellung nach Betrag und Phase eignet sich hier.
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Drehschwingungsmessungen können an bereits vorhandenen Verzahnungen
durch Zeitmessungen von Zahn zu Zahn durchgeführt werden. Sensorseitig
werden hier induktive Geber, Feldplatten oder sogenannte Hall-Sonden
eingesetzt. An zugänglichen Steilen können auch Strichcodescheiben in
Verbindung mit optischen Aufnehmern eingesetzt werden.
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Allen vorstehend beschriebenen Sensoren ist gemeinsam, daß die
Zeitmessung durch Flanken von Verzahnungen oder Hell/Dunkel-Wechseln
ausgelöst wird. Die eingesetzten Meßgeräte sind hochgenau und quarzgesteuert
und arbeiten damit sehr präzise. Es hat sich jedoch gezeigt, daß die die
Meßsignale auslösenden oder steuernden Flanken, z. B. die Zahnflanken eines
Zahnrads in der Genauigkeit sehr unterschiedlich sind, so daß
Meßwertverfälschungen auftreten.
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Es wäre also vom Ansatz her notwendig, die vorhandenen Teilungen und
Zahnflanken-Verhältnisse exakt zu vermessen, um Winkelfehler zu
bestimmen, die dann bei der späteren Schwingungsanalyse in geeigneter Weise zu
berücksichtigen wären.
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Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, ein
weiterentwickeltes Verfahren zur Analyse von Schwingungen rotierender oder
oszillierender Teile, insbesondere einer Maschine, eines Motors oder
dergleichen mechanischer Elemente, bezüglich Betrag und Phase mit einer
Abtastung von Schwingungssignalen durch Zeitmessung an z. B. Flanken von
Verzahnungen anzugeben, wobei das Verfahren ungeachtet möglicher
Ungenauigkeiten der Zahnung oder der geometrischen Verhältnisse von
Hell/Dunkel-Übergängen hochgenaue Schwingungsanalysen ermöglicht, ohne
daß in aufwendiger manueller Weise eine Geometrie- oder
Winkelfehlervermessung im Vorfeld notwendig wird.
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Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einem Verfahren gemäß
Definition nach Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens
zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen.
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Erfindungsgemäß wird demnach die tatsächliche Teilung der Verzahnung oder
Markierung, welche zur Abtastung herangezogen wird, über mehrere,
insbesondere eine Vielzahl von Umdrehungen ermittelt. Diese Teilungsermittlung
einschließlich des Erhalts von Teilungsfehlerwerten erfolgt in dem Zustand,
in dem dann auch die spätere eigentliche Messung mit Ordnungsanalyse
durchgeführt wird, d. h. es erfolgenden keine apparativen oder konstruktiven
Änderungen. Der Vorteil hier besteht darin, daß es nicht notwendig ist, das
als Geberrad wirkende z. B. Zahnrad aus der zu untersuchenden Maschine
auszubauen.
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Von besonderem Vorteil ist, daß die notwendigen Teilungskorrekturwerte
direkt aus dem Meßdatensatz ermittelt werden können.
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Es wird in diesem Sinne ein Datensatz aus der Winkelgeschwindigkeit über
der Zeit erstellt und dieser Datensatz einer Hochpaßfilterung unterzogen. Im
Anschluß daran wird der so von langwelligen Komponenten befreite
Datensatz in aufeinanderfolgende Abschnitte von Schwingungswinkeln je
Umdrehung-Breite zerlegt und es erfolgt eine Ermittlung der Winkelgeschwindigkeit
sowie eine Integration der gemessenen Winkelgeschwindigkeit zum
Schwingwinkel.
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Die so erhaltenen Integrationswerte repräsentieren den jeweiligen
Teilungsfehler je Zahn oder Hell/Dunkel-Markierung, nachdem eine Zuordnung über
die bekannte Zähnezahl oder die Struktur der Markierungen erfolgt.
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Der jeweilige Teilungsfehler jedes Zahnes oder jeder Markierung kann dann
online oder offline zur Korrektur herangezogen werden.
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Die Korrektur stellt sich auf diese Weise ähnlich einer Tiefpaßfilterung dar,
weist aber nicht die Nachteile wie z. B. einer Beschneidung des
Frequenzbereichs oder eine Änderung der Phasenlage auf. Über eine tabellenartige
Zuordnung der Teilungsfehlerwerte je Zahn bleiben die
Frequenzkomponenten des ursprünglichen Signals erhalten.
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Insofern keine Veränderungen zwischen dem Geberzahnrad und dem
eingesetzten Sensor erfolgen, kann die erstellte Teilungsfehler- oder
Korrekturtabelle für jede weitere Messung unverändert Anwendung finden.
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In dem Fall, daß Maschineneinflüsse vorliegen, die sich in zu untersuchenden
Ordnungen widerspiegeln, werden diese Ordnungen mittels an sich bekannter
Fourier-Transformation mit nachfolgender Darstellung nach Betrag und Phase
bestimmt und bei der Korrekturwerteermittlung ausgenommen.
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Hierfür besteht die Möglichkeit, die sinusförmigen Verläufe interessierender
Ordnungen von dem ermittelten Verlauf der Teilungsabweichungswerte
abzuziehen, um auf diese Weise bereinigte Korrekturdaten zu erhalten,
welche dann jedem Zahn oder jeder Markierung entsprechend zugeordnet
werden.
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Erfindungsgemäß kann mit dem vorbeschriebenen Verfahren auch eine
Qualitätssicherung und Qualitätsüberwachung bei der Herstellung von
rotationssymmetrischen Teilen mit gleichmäßigen Teilungsstrukturen, wie
z. B. Zahnrädern, Zahnriemenscheiben oder dergleichen erfolgen.
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Es liegt im Sinne der Erfindung, daß nicht nur Zahnräder als quasi
impulsauslösende Elemente Anwendung finden, sondern es können auch
aufgeklebte Segmentstrukturen mit z. B. Hell/Dunkel-Streifen als Bestandteil des
Gebers genutzt werden. Bekanntermaßen sind Stoßstellen derartiger
aufgeklebter oder anderweitig aufgebrachter Strukturen fehlerbehaftet, da hier nur
in den seltensten Fällen eine exakte Geometrie der Struktur gegeben ist oder
erhalten bleibt. Denkbar ist dies z. B. bei der Messung der Rotation von
Kardanwellen mit aufgebrachter Hell/Dunkel-Balkenstruktur.
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Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels sowie unter
Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.
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Hierbei zeigen:
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Fig. 1 eine prinzipielle Anordnung umfassend ein Geberzahnrad mit
Drehzahlsensor und Meßsystem zur Anwendung bei einer
Schwingungsanalyse;
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Fig. 2 eine beispielhafte Korrekturtabelle für ein Zahnrad mit der
Zähnezahl 11;
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Fig. 3 eine Darstellung eines Ausschnitts eines Zeitverlaufs der Drehzahl
an einem Schwungrad mit dem unkorrigierten Signal als dünne Linie
und dem im Ergebnis der Korrektur entstandenen Signal als dickere
Linie;
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Fig. 4 eine Darstellung der meßtechnisch ermittelten
Winkelgeschwindigkeit über der Zeit als Voraussetzung für die
Korrekturwertebestimmung;
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Fig. 5 eine Darstellung der Winkelgeschwindigkeit über der Zeit ohne
langwelligen Signalanteil;
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Fig. 6 eine aufgelöste Darstellung von Winkelgeschwindigkeit und
Winkelabweichung über der Zeit;
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Fig. 7 eine Darstellung der Winkelgeschwindigkeit jeweils gemittelt über
eine Umdrehung-Breite;
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Fig. 8 eine Darstellung der ermittelten Teilungsabweichung noch ohne
Ordnungskorrektur und
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Fig. 9 eine Darstellung der Teilungsabweichung bzw. des Teilungsfehlers
nach Ordnungskorrektur.
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Die meßtechnische Grundkonfiguration gemäß Ausführungsbeispiel geht von
einem Geberzahnrad nach Fig. 1 aus, das ein vorhandenes Getriebezahnrad
oder z. B. ein Zahnrad zum Antrieb eines Ventiltriebs eines Motors sein kann.
Die Zahnflanken lösen beim Bewegen über den Drehzahlsensor ein Signal
aus, das dem eigentlichen Meßsystem zugeführt wird. Auf dieser Basis
können Drehschwingungen an bereits vorhandenen Verzahnungen durch
entsprechende Zeitmessungen von Zahn zu Zahn durchgeführt werden.
Sensortechnisch können hier induktive Geber, Feldplatten oder aber auch
Hall-Sonden eingesetzt werden.
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Grundsätzlich ist es auch möglich, an bestimmten Stellen Balkenstrukturen in
Form von Strichscheiben in Verbindung mit optischen Aufnehmern
einzusetzen, ohne daß dies für das nachfolgend beschriebene Verfahren relevant
ist.
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Die Verläufe der Zahnflanken oder aber auch der Darstellungen von
Balkenstrukturen oder Strichscheiben sind toleranz- und fehlerbehaftet. Diese
Fehler wirken sich, wenn keine Korrektur erfolgt, auf die Ordnungsanalyse,
d. h. die Drehschwingungsermittlung nachteilig aus.
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Die tatsächliche Teilung der Verzahnung oder der Markierung, welche zur
Abtastung herangezogen wird, soll unter Rückgriff auf die Erfindung nun
über mehrere Umdrehungen ermittelt werden, wofür hier ein Datensatz aus
der Winkelgeschwindigkeit über der Zeit erstellt und einer Hochpaßfilterung
unterzogen wird. Anhand dieser ermittelten Werte kann dann eine
Korrekturtabelle bestimmt werden, wie dies beispielsweise anhand der Fig. 2 bei
einem Zahnrad mit der Zähnezahl 11 gezeigt ist.
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Die eigentliche Korrektur kann offline, d. h. nachträglich anhand der
Korrekturwertetabelle erfolgen, bei dem Zurverfügungstehen geeigneter
Rechnerkapazität aber auch online realisiert werden.
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Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt eines Zeitverlaufs der Drehzahl an einem
Schwungrad eines Motors. Das unkorrigierte Signal ist dort als dünne
durchgehende Linie, das korrigierte Signal als dickere Linie dargestellt.
Wie deutlich zu sehen ist, erscheint die ursprüngliche Messung durch
Zahnteilungsfehler verrauscht. Die nach der Korrektur vorliegenden Signale
lassen einen ruhigeren Verlauf erkennen, der insgesamt die
Auswertegenauigkeit der dann folgenden Ordnungsanalyse erhöht bzw. verbessert.
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Die Wirkung der Korrektur erscheint optisch ähnlich einer Tiefpaßfilterung,
hat jedoch nicht deren Nachteile, wie z. B. die Beschneidung des
Frequenzbereichs oder eine Änderung der Phasenlage. Da die Korrektur nur anhand
von Tabellenwerten erfolgt, bleiben alle gewünschten Frequenzkomponenten
des ursprünglichen Signals erhalten.
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Solange die mechanische Anordnung zwischen Geberrad und Sensor nicht
verändert wird, kann dieselbe Korrekturwertetabelle für jede weitere
Messung angewendet werden.
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Für die Ermittlung der Korrekturtabelle wird zunächst eine an sich übliche
Abtastung und Messung über mehrere Umdrehungen des Geberrads, z. B. des
erwähnten Schwungrads durchgeführt, um die Winkelgeschwindigkeit über
der Zeit zu bestimmen, wie dies die Fig. 4 darstellt. Fig. 4 zeigt den Hochlauf
eines Motors über eine Zeit von 2,5 s bis 20 s.
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Die so erhaltenen Daten werden dann über eine Hochpaßfilterung von
langwelligen Komponenten befreit (Fig. 5). Anschließend erfolgt ein Zerlegen
in Abschnitte von einer Umdrehung-Breite, und zwar aufgrund der
Periodizität der Teilungsfehler über je eine Umdrehung (Fig. 6). Die in Fig. 6
erkennbaren "Tunnel" werden einer Mittelwertbildung unterzogen.
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Nach Integration der als Meßwerte vorliegenden Drehgeschwindigkeit zum
Schwingwinkel ergibt sich die Winkelgeschwindigkeit, gemittelt über je eine
Umdrehung-Breite nach Fig. 7.
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Wenn hier die Messung ohne Antriebseinflüsse durchgeführt werden konnte,
liegt jetzt bereits der eigentliche Korrektordatensatz vor.
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Interessant ist die in der Fig. 6 erkennbare Wirkung der Zündimpulse über
eine Folge von 0° bis 360° in Form eines sinusförmigen Verlaufs mit einem
Einschnittswert bei 180°.
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Dann, wenn Antriebseinflüsse vorliegen, ist wie folgt zu verfahren.
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Messungen an Verbrennungsmotoren zeigen z. B. in der Teilungsfehlertabelle
die Ordnungen der Zündung, die bei einer hierauf basierenden Korrektur
entfernt werden würden, und so in an sich unerwünschter Weise das
Nutzsignal verändern. Verwiesen sei hier auf Fig. 8. Es muß also ermittelt
werden, welche Ordnungen vom Prüfling zu erwarten sind.
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Zur Beschreibung der Maschineneinflüsse kann festgehalten werden, welche
Ordnungen anhand der Konstruktionsart des zu untersuchenden Prüflings
vorliegen. Zum Beispiel sind dies bei einem
Vierzylinder-Viertakt-Verbrennungsmotor die Ordnungen 0.5, 1.0, 2.0, 4.0 und 8.0. Die aus der
Korrektur auszunehmenden Ordnungsverläufe werden mittels einer Fourier-
Zerlegung nach Betrag und Phase bestimmt und als Sinusfunktion vom
Teilungsverlauf abgezogen. Das Ergebnis dieses Schritts zeigt Fig. 9. Hierbei
bleiben alle anderen Komponenten des Verlaufs unbeeinflußt.
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Zusammenfassend gelingt es mit der Erfindung, in sehr einfacher Weise mit
der an sich ohnehin notwendigen Meßtechnik zur Schwingungsanalyse
vorhandene Teilungsfehler der Geberräder zu ermitteln, um hiernach eine
effektive Korrektur zu erreichen. Diese Korrektur kann offline, d. h. nach
Vorliegen der Meßwerte zur Schwingungsanalyse, aber auch online erfolgen.