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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung
der Eigenfrequenzen eines Lagersystems mit einer gelagerten Welle.
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Um
die einwandfreie Funktion eines Gesamtsystems mit einer Welle zu
gewährleisten,
ist es oft notwendig, die Eigenfrequenzen des Lagersystems im Gesamten
oder einzelner Komponenten und Baugruppen zu ermitteln.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren oder eine Vorrichtung
zur Bestimmung der Eigenfrequenzen eines Lagersystems mit einer gelagerten
Welle zu schaffen, bei welchem sich diese Eigenfrequenzen mit hoher
Meßgenauigkeit
und hoher Reproduzierbarkeit ermitteln lassen.
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Diese
Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch
gelöst, daß die Welle über eine
Ende her schwingungsangeregt wird und ein Meßsignal an dem anderen Ende der
Welle mittels eines Schwingungssensors abgenommen wird.
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Durch
das erfindungsgemäße Verfahren
wird eine definierte Ankopplung eines Schwingungsanregungssignals
und eine definierte Auskopplung eines Meßsignals erreicht. Die Beeinflussung
der Messung aufgrund unterschiedlicher Ankopplung und Anregung ist
minimiert, so daß eben
eine hohe Reproduzierbarkeit erreicht wird. Gleichzeitig wird eine
hohe Meßgenauigkeit
erreicht. Das erfindungsgemäße Verfahren
läßt sich
zerstörungsfrei
durchführen.
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Weiterhin
ist gewährleistet,
daß die
Resonanzeigenschaften des Lagersystems aufgrund der Ankopplung von
Meßsensoren
nicht verändert
werden.
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Bei
dem Lagersystem kann es sich beispielsweise um einen kompletten
Elektromotor handeln oder auch nur um Teile des Lagersystems, wie
beispielsweise um einen Rotor mit der Welle. Es lassen sich so die
entsprechenden Baugruppen des Lagersystems beziehungsweise das Komplettsystem
testen.
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Ganz
besonders vorteilhaft ist es, wenn die Welle über ein (erstes) stirnseitiges
Ende angeregt wird und das Meßsignal
an einem (zweiten) stirnseitigen Ende abgenommen wird. Dadurch läßt sich eine
definierte Ankopplung und Anregung sowie Auskopplung erreichen.
Es ist auch möglich,
das Meßsignal
beispielsweise an einem Lageraußenring
oder einer Motornabe abzunehmen. Sowohl Lageraußenring als auch Motornabe
stehen dabei in Verbindung mit dem stirnseitigen Ende der Welle,
wobei das Signal über
Lageraußenring
beziehungsweise Motornabe indirekt an dem stirnseitigen Ende abgenommen wird,
aber auf jeden Fall von dem Ende der Welle her abgenommen wird.
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Weiterhin
ist es ganz besonders vorteilhaft, wenn ein Anregungssignal und
ein resultierendes Meßsignal
korreliert werden. Dadurch läßt sich
eine hohe Meßgenauigkeit
erreichen bei gleichzeitig hoher Reproduzierbarkeit.
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Günstig ist
es, wenn die Transferfunktion bezüglich Anregungssignal und Meßsignal
ermittelt wird. Das Meßsignal
ist bestimmt durch das Anregungssignal und die Schwingungseigenschaften
der Welle. Durch die Bestimmung der Transferfunktion lassen sich
dann bei bekanntem Anregungssignal die Schwingungseigenschaften
des Systems, welches die Welle lagert, ermitteln.
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Insbesondere
wird dann zur Bestimmung der Transferfunktion eine harmonische Analyse
durchgeführt.
Vorzugsweise wird eine Fourieranalyse und insbesondere Fast-Fourier-Analyse
(FFT) durchgeführt.
Durch die Faltungseigenschaft der Fourieranalyse läßt sich
die Transferfunktion in ihrer Frequenzabhängigkeit bestimmen.
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Ganz
besonders vorteilhaft ist es, wenn die Welle über einen Piezoschwinger angeregt
wird. Dadurch läßt sich
die Welle definiert zu Schwingungen anregen. Der Piezoschwinger
selber wird elektrisch über
einen Generator angeregt. Das Generatorsignal ist ein Maß für das Anregungssignal
der Welle. Zur weiteren Auswertung wie beispielsweise zur Bestimmung
einer Transferfunktion läßt sich
dieses Anregungssignal des Generators auf einfache Weise verarbeiten.
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Über einen
Piezoschwinger läßt sich
eine definierte Anregung der Welle zu Schwingungen erreichen, wodurch
wiederum eine hohe Reproduzierbarkeit der Meßsignale erreichbar ist.
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Aus
dem gleichen Grund ist es günstig,
wenn das Meßsignal über einen
Piezosensor abgenommen wird. Der Piezosensor wird über die
Welle zu Schwingungen angeregt und das erzeugte elektrische Signal
stellt ein Meßsignal
dar, welches auf einfache Weise durch eine Auswertungseinrichtung
auswertbar ist. Es sind aber auch andere Arten von Schwingungssensoren
einsetzbar, wie beispielsweise Beschleunigungssensoren oder Laservibrometer-Sensoren.
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Es
hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn ein Schwingungsanregungssignal,
welches in die Welle eingekoppelt wird, über einen weiteren Schwingungssensor
ermittelt wird. Dieser weitere Schwingungssensor kann ein Piezosensor,
ein Beschleunigungssensor, ein Laservibrometer-Sensor oder irgendein
für die
Schwingungsmessung geeigneter Sensor sein. Dieser Sensor mißt unmittelbar
das Schwingungsanregungssignal, mit welchem die Welle zu Schwingungen
angeregt wird. Er mißt
also unmittelbar das Anregungssignal für die Welle. Durch Verwertung
dieses Signals zur Korrelation mit dem Meßsignal des Schwingungssensors
am anderen Ende der Welle erhält
man eine genaue Transferfunktion.
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Die
eingangs genannte Aufgabe wird ferner bei einer Vorrichtung zur
Bestimmung der Eigenfrequenzen eines Lagersystems mit einer gelagerten Welle
erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
daß eine Schwingungsanregungseinrichtung
zur Schwingungsanregung der Welle über ein Ende der Welle her
und ein Schwingungssensor zur Abnahme eines Schwingungsmeßsignals
an dem anderen Ende der Welle vorgesehen sind.
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Diese
Vorrichtung weist die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
erläuterten
Vorteile auf.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen
wurden ebenfalls bereits im Zusammenhang mit dem efindungsgemäßen Verfahren
erläutert.
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Insbesondere
ist die Welle zwischen Schwingungsanregungseinrichtung und Schwingungssensor
positionierbar, um so eine definierte Krafteinleitung zur Schwingungsanregung
der Welle und eine definierte Kraftausleitung aus der Welle zu erhalten. Wenn
die Welle mit ihrer Achse in Schwerkraftrichtung ausgerichtet in
der Vorrichtung positioniert ist, dann kann das Lagersystem auf
einfache Weise fixiert werden: Die Welle wird auf der Schwingungsanregungseinrichtung
aufgestellt, wobei ein Übertragungselement
zwischengeschaltet sein kann (aber nicht zwischengeschaltet sein
muß). Über ein
Gewichtskraftelement, welches auf den Schwingungssensor wirkt mit
einem Dämpfungselement
dazwischen, wird dann die Welle in dieser Stellung gehalten.
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Ganz
besonders günstig
ist es, wenn die Schwingungsanregungseinrichtung an ein Ende und insbesondere
stirnseitiges Ende der Welle koppelbar ist und der Schwingungssensor
an das gegenüberliegende
und insbesondere stirnseitige Ende der Welle koppelbar ist. Dadurch
läßt sich
eine definierte Schwingungseinkopplung in die Welle und Schwingungsauskopplung
aus der Welle erhalten.
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Ganz
besonders vorteilhaft ist es, wenn ein weiterer Schwingungssensor
zwischen der Schwingungsanregungseinrichtung und der Welle angeordnet
ist. Dieser Schwingungssensor kann dann direkt das Anregungssignal
für die
Welle messen. Dieses Anregungssignal wird der Auswertungseinrichtung bereitgestellt,
um die Transferfunktion zu ermitteln. Ein solches direkt gemessenes
Anregungssignal ist ein besseres Maß zur Ermittlung der Transferfunktion im
Vergleich zur Verwendung eines Generatoranregungssignals, da das
schwingende System sich abweichend von diesem Generatoranregungssignal verhalten
kann.
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Die
nachfolgende Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform dient im Zusammenhang mit
der Zeichnung der näheren
Erläuterung
der Erfindung. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung
eines Ausführungsbeispiels
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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2 bis 4 Beispiele einer ermittelten Transferfunktion
an einem Wälzlagersystem
mit unterschiedlichen internen Vorspannungen.
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Ein
Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Bestimmung der Eigenfrequenzen eines Lagersystems mit einer
gelagerten Welle ist in 1 schematisch
gezeigt und dort als Ganzes mit 10 bezeichnet. Mit dieser
Vorrichtung lassen sich die Eigenfrequenzen des Lagersystems mit gelagerter
Welle 12 bestimmen. Bei dem Lagersystem kann es sich beispielsweise
um einen Elektromotor 15 oder Teile eines solchen Elektromotors
handeln. Die Welle 12 ist dann entsprechend die Motorwelle.
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Die
Welle 12 ist bei dem gezeigten Beispiel in einem Lager 14 gelagert,
wie beispielsweise in einem Wälzlager.
Kugelelemente 16 eines solchen Wälzlagers sind in 1 angedeutet.
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Die
Vorrichtung 10 weist eine Basis 18 auf, über welche
die Vorrichtung 10 vibrationsarm auf einem Untergrund aufgestellt
ist.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung 10 weist eine
Schwingungsanregungseinrichtung 20 auf, welche beispielsweise
einen Piezoschwinger 22 umfaßt. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel
wird die Schwingungsanregung über
ein kegelförmiges Übertragungselement 24 an
die Welle 12 übertragen.
Dieses ist an ein stirnseitiges Ende 26 der Welle 12 gekoppelt,
wobei eine Spitze in einer Mulde am Wellenende 26 eintaucht.
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Es
ist auch möglich,
daß die
Welle 12 mit ihrem Ende 26 direkt an den Piezoschwinger 22 gekoppelt
ist und insbesondere bei planem Ende 26 die Welle 12 auf
dem Piezoschwinger 22 aufsteht.
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Es
kann vorgesehen sein, daß zwischen dem
Piezoschwinger 22 und der Welle 12 ein Schwingungssensor 27 sitzt, über den
das Anregungssignal der Welle 12 auf unmittelbare Weise
ermittelbar ist.
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Der
Piezoschwinger 22 wird über
einen Generator 28 angeregt. Das entsprechende elektrische Anregungssignal
wird also an den Piezoschwinger 22 geliefert, um zeitlich
definierte Schwingungen zu erzeugen, die wiederum über das
stirnseitige Ende 26 auf die Welle 12 übertragen
werden.
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Der
Generator 28 liefert sein (elektrisches) Anregungssignal
auch an eine Auswertungseinrichtung 30. Wenn ein Schwingungssensor 27 der
Welle 12 vorgeschaltet vorgesehen ist, dann liefert dieser alternativ
oder zusätzlich
sein Meßsignal
zu der Auswertungseinrichtung 30.
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An
einem dem stirnseitigen Ende 26 gegenüberliegenden stirnseitigen
Ende 32 der Welle 12 ist ein Schwingungssensor 34 angekoppelt,
welcher ein Schwingungssignal als Meßsignal an diesem Ende 32 der
Welle abnimmt. Dieses Meßsignal
steht in funktionaler Abhängigkeit
zu dem Anregungssignal und zu den Schwingungseigenschaften der Welle 12.
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Bei
dem Schwingungssensor 34 handelt es sich beispielsweise
um einen Beschleunigungssensor, um einen Piezosensor, oder es kann
ein berührungsloser
Sensor wie ein Laservibrometer-Sensor eingesetzt werden. Für nicht
berührungslos
messende Sensoren kann ein konisches Übertragungselement 36 vorgesehen
sein, welches an das stirnseitige Ende 32 der Welle 12 gekoppelt
ist. Dieses Übertragungselement 36 nimmt
Schwingungen der Welle 12 auf und leitet sie zum Schwingungssenor 34.
Dieser erzeugt ein elektrisches Signal als Meßsignal oder ein in ein elektrisches
Signal wandelbares Meßsignal,
welches an die Auswertungseinrichtung 30 weitergegeben
wird.
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In
der Auswertungseinrichtung 30 wird die Transferfunktion über eine
harmonische Analyse und insbesondere Fouriertransformation ermittelt.
Diese Transferfunktion korreliert das Anregungssignal, welches von
dem Generator 28 zu der Auswertungseinrichtung 30 übermittelt
wird und/oder das Meßsignal des
Schwingungssensors 27, und das Meßsignal, welches von dem Schwingungssensor 34 an
die Auswertungseinrichtung 30 geliefert wird. Die Transferfunktion,
die insbesondere über
eine Fast-Fourier-Transformation (FFT) berechnet wird, enthält Informationen über das
Eigenfrequenzspektrum des Lagersystems 15.
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Bei
dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel
ist der Piezoschwinger 22 auf der Basis 18 positioniert.
Der Schwingungssensor 34 sitzt bezogen auf die Gravitationskraft über der
Welle 12, welche mit dem Elektromotor 15 als Prüfobjekt
zwischen dem Übertragungselement 24 und
dem Übertragungselement 36 positioniert
ist.
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Es
ist eine Einspanneinrichtung 40 zum Einspannen des Lagersystems 15 vorgesehen.
Diese Einrichtung 40 umfaßt ein Element 42,
welches auf den Schwingungssensor 34 wirkt, um diesen definiert bezüglich der
Welle 12 zu halten. Zwischen dem Schwingungssensor 34 und
dem Element 42 ist dabei vorzugsweise ein Dämpfungselement 44 vorgesehen,
welches die Einrichtung 40 schwingungsmäßig von der Welle 12 entkoppelt.
Dieses Dämpfungselement 44 ist
beispielsweise aus Gummi hergestellt.
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Die
Einrichtung 40 umfaßt
vorzugsweise ein oder mehrere Gewichtskraftelemente 46,
welche mit ihrer Gewichtskraft auf das Element 42 wirken,
wodurch das Lagersystem 15 zwischen dem Piezoschwinger 22 und
dem Schwingungssensor 34 eingespannt wird, ohne die Schwingungskopplung
in die Welle 12 und die Schwingungsauskopplung aus der
Welle 12 wesentlich zu beeinflussen.
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Es
kann vorgesehen sein, daß ein
Gewichtskraftelement entweder selber bezüglich seiner Masse variabel
ist oder es ist ein Satz von Gewichtskraftelementen vorgesehen,
mit denen eine definierte Einspannung einstellbar ist.
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Erfindungsgemäß wird die
Schwingungsanregung der Welle 12 des Lagersystems 15 als
Meßobjekt über ein
erstes Ende und insbesondere stirnseitiges Ende 26 eingeleitet
und am anderen zweiten Ende 32 wird das Schwingungsmeßsignal
abgenommen. Dadurch ist sichergestellt, daß die Resonanzeigenschaften
des Meßobjekts
durch die Einkopplung und Auskopplung nicht wesentlich verändert werden. Potentielle
Einflußgrößen, die
aus unterschiedlicher Ankopplung und Anregung resultieren können, sind dadurch
im wesentlichen vermindert. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung
und durch das erfindungsgemäße Verfahren
lassen sich die Eigenfrequenzen des Lagersystems 15 mit
hoher Meßgenauigkeit
und hoher Reproduzierbarkeit bestimmen.
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Das
Lagersystem 15 wird mit unterschiedlichen Frequenzen in
einem Frequenzband angeregt. Beispielsweise wird ein Sinus-Sweep
durchgeführt. Dabei
wird eine Sinusschwingungfrequenz moduliert. Beispielsweise wird
bei einer festen Amplitude und einer Grundfrequenz von 100 Hz eine
Frequenz bis 8 kHz durchgefahren und dann auf die Grundfrequenz zurückgesprungen.
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Es
ist auch möglich,
daß ein
Periodic-Random-Noise-Verfahren verwendet wird, bei dem innerhalb
der Bandbreite eine Anregung mit einer hohen Anzahl von Frequenzen
erfolgt. Dadurch läßt sich eine
hohe Genauigkeit erreichen.
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In
den 2 bis 4 sind Transferfunktionen
in ihrer Frequenzabhäniggkeit
gezeigt, welche mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelt wurden:
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2 zeigt eine Transferfunktion 48,
welche für
einen Wälzlager-Elektromotor
mit einer internen Vorspannung von 12 N ermittelt wurde. In diesem Falle
ist der Elektromotor als Ganzes das Lagersystem. Man erkennt einen
Frequenz-Peak 50, der auf eine Eigenschwingung des Systems
zurückzuführen ist.
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3 zeigt eine Transferfunktion 52 für das gleiche
Lagersystem, bei welchem jedoch jetzt die Vorspannung 5 N beträgt. Man
erkennt einen Peak 54, welcher gegenüber dem Peak 50 gemäß 2 zu tieferen Frequenzen
verschoben ist. Darüber
hinaus ist die Peak-Höhe
erheblich kleiner als für
den Peak 50.
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4 zeigt schließlich eine
Transferfunktion 56, welche für das gleiche Lagersystem (Elektromotor
mit Wälzlager)
ermittelt wurde, bei dem die interne Vorspannung kleiner als 2 N
ist. Man erkennt, daß innerhalb
des gezeigten Frequenzbereichs kein Peak vorliegt, das heißt daß hier keine
Eigenfrequenzen vorliegen.
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Aus
dem Vergleich der 2 bis 4 ist erkennbar, daß interne
Vorspannungen, welche bei dem Einbau der Welle 12 erzeugt
werden (und auch definiert erzeugbar sind) sich stark auf das Eigenfrequenzspektrum
des Elektromotors auswirken.
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Dadurch
ist es aber wiederum möglich, über die
gemessene Transferfunktion indirekt Vorspannungen in dem Lagersystem
zu ermitteln, da eben die Transferfunktion, wie die 2 bis 4 zeigen,
von den Vorspannungen abhängt.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
ist es erstmals gelungen, zerstörungsfrei
und reproduzierbar die in einem Wälzlagersystem eingefrorene
Vorspannung zu ermitteln.
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- 10
- Vorrichtung
- 12
- Welle
- 14
- Lager
- 15
- Elektromotor/Lagersystem
- 16
- Kugelelemente
- 18
- Basis
- 20
- Schwingungsanregungseinrichtung
- 22
- Piezoschwinger
- 24
- Übertragungselement
- 26
- stirnseitiges
Ende
- 27
- Schwingungssensor
- 28
- Generator
- 30
- Auswertungseinrichtung
- 32
- stirnseitiges
Ende
- 34
- Schwingungssensor
- 36
- Übertragungselement
- 38
- axiale
Richtung
- 40
- Einspannungseinrichtung
- 42
- Element
- 44
- Dämpfungselement
- 46
- Gewichtskraftelement
- 48
- Transferfunktion
- 50
- Frequenz-Peak
- 52
- Transferfunktion
- 54
- Peak
- 56
- Transferfunktion