DE19943481A1

DE19943481A1 - Verfahren und Anordnung zur Bestimmung von mechanischen Defekten in mechanischen Bauteilen

Info

Publication number: DE19943481A1
Application number: DE1999143481
Authority: DE
Inventors: Egmar Gaesler
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Daimler AG
Priority date: 1999-09-10
Filing date: 1999-09-10
Publication date: 2001-04-05

Abstract

Beschrieben wird eine Anordnung zur Bestimmung von mechanischen Defekten in mechanischen Bauteilen, bestehend aus einer mobilen Einheit, die beinhaltet DOLLAR A - mindestens ein Erregerelement zur Beaufschlagung des mechanischen Bauteils mit einer periodischen Krafteinwirkung, DOLLAR A - mindestens einen Sensor zur Erfassung der Vibrationsbewegung des mechanischen Bauteils. DOLLAR A Außerdem wird ein Verfahren zur Bestimmung von mechanischen Defekten in mechanischen Bauteilen beschrieben, wobei DOLLAR A - ein mechanisches Bauteil mit einer definierten sinusförmigen Krafteinwirkung beaufschlagt wird und DOLLAR A - die resultierende Vibrationsbewegung des mechanischen Bauteils erfaßt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Bestimmung mechanischen Defekten in mechanischen Bauteilen. Solche mechanischen Defekte können beispielsweise mechanische Strukturdefeke sein oder Spiel in Befestigungen, Lagern und Übertragungswegen.

Solche mechanischen Defekte sind unter Umständen nur schwer oder mit hohm Meßaufwand ermittelbar.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein effektives Verfahren und eine einfache und leicht handhabbare Anordnung zur Bestimmung mechanischen Defekten in mechanischen Bauteilen bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der vorliegenden Patentansprüche 1 und 15. Es ist dabei eine mobile Einheit vorgesehen, die beinhaltet

- mindestens ein Erregerelement zur Beaufschlagung des mechanischen Bauteils mit einer periodischen Krafteinwirkung,
- mindestens einen Sensor zur Erfassung der Vibrationsbewegung des mechanischen Bauteils.

Die mobile Einheit kann dabei von einem Gehäuse umschlossen, auf eine Bodenplatte montiert oder von zwei fest miteinander verbundenen Seitenplatten begrenzt sein oder durch eine andere Art von Träger stabilisiert sein. Es muß lediglich eine kraftschlüssige Verbindung zu dem zu prüfenden mechanischen Bauteil herstellbar sein. Eine solche kann durch ein direktes Aufbringen der Anordnung auf dem mechanischen Bauteil erfolgen, aber auch z. B. durch eine Verbindung mittels einer Gewindestange, die in ein Mutterngewinde in dem mechanischen Bauteil eingeschraubt wird. Die periodische Krafteinwirkung resultiert in einer Vibrationsbewegung, deren Verlauf für die mechanischen Eigenschaften des mechanischen Bauteils charakteristisch ist und insbesondere Aufschluß über mechanische Defekte gibt.

Somit ist die erfindungsgemäße Anordnung eine kompakte und abgeschlossene Einheit, die einfach auf ein mechanisches Bauteil zu dessen Vermessung montiert werden kann und aufgrund ihrer Mobilität leicht transportierbar ist. Sowohl Erregerelemente als auch Sensoren können in Baugrößen bereitgestellt werden, die eine ausreichende Mobilität garantieren. Beispiele für solche Erregerelemente und Sensoren werden im folgenden Text erläutert.

Es kann dabei das mindestens eine Erregerelement als mechanische, elektromechanische oder auch als elektroakustische Anordnung ausgebildet Es kann dabei das mindestens eine Erregerelement als mechanische, elektromechanische oder auch als elektroakustische Anordnung ausgebildet sein. Solche Anordnungen sind grundsätzlich bereits aus dem Stand der Technik bekannt und stellen damit eine leicht beherrschbare Technik dar.

Wird das Erregerelement als mechanische oder elektromechanische Anordnung ausgebildet, so kann das Erregerelement mindestens eine Welle und einen Wellenantrieb aufweisen, wobei der Wellenantrieb in jeder geeigneten Form ausgebildet sein kann, z. B. als Elektromotor. An mindestens einem Ende der Welle ist mindestens eine Exzenterscheibe oder ein vergleichbares Exzentergewicht mit der Welle verbunden. Solche Exzentergewichte können auch lösbar mit der Welle verbunden sein. Durch einen Austausch der Exzentergewichte kann dann die Art und Stärke der periodischen Krafteinwirkung und damit der Vibrationsbewegung des Bauteils variiert werden. Es kann jedoch auch die Welle selbst in nicht rotationssymetrischer Form ausgebildet sein, so daß bei einer Rotation der Welle um ihre Längsachse eine periodiche Krafteinwirkung entsteht, durch die eine Vibrationsbewegung des Bauteils erzielt werden kann.

Es kann lediglich eine durchgehende Welle vorgesehen sein, wobei der Wellenantrieb in der Mitte der Welle oder an einem Ende der Welle angeordnet ist. Es können jedoch auch mehrere Wellen vorgesehen sein, die unabhängig voneinander angesteuert werden können. Die einzelnen Wellen sollten jedoch im Regelfall simultane Bewegungen mit identischer Frequenz und fester Phasenbeziehung aufweisen, wobei die Bewegungen untereinander eine Phasenverschiebung von z. B. 180° aufweisen. Dadurch kann das Vibrationsverhalten der Anordnung variiert und an die speziellen Bedürfnisse des mechanischen Bauteils angepaßt werden, so daß das Bauteil z. B. an entgegengesetzten Enden des Gehäuses der Anordnung mit gleichsinnigen oder gegenläufigen Krafteinwirkungen beaufschlagt wird. Es kann aber auch eine konzentrische Wellenanordnung vorgesehen sein, mit

- einer ersten Welle, die als Hohlwelle ausgebildet ist,
- einer zweiten Welle, die durch die erste Welle geführt wird.

Durch eine solche Anordnung kann z. B. eine Krafteinwirkung erzielt werden, die fast ausschließlich in eine Raumrichtung wirkt, wodurch z. B. Lager, die in unterschiedliche Richtungen wirken, gezielt angesprochen werden können.

Ist das Erregerelement eine elektroakustische Anordnung, so kann diese z. B in Form eines elektrodynamischen, elektrostatischen oder piezoelektrischen Erregerelement ausgebildet sein. Das Erregerelement wirkt dabei im wesentlichen wie ein Lautsprecher.

Bei allen Formen von Erregerelementen sollte die Erregung des mechanischen Bauteils möglichst in Form einer reinen, monofrequenten Sinusschwingung erfolgen. Oberwellen sind möglichst zu vermeiden, da diese die weiteren Messungen stören können.

Der mindestens eine Sensor zur Erfassung der Vibrationsbewegung des mechanischen Bauteils kann beispielsweise als Wegsensor oder als Beschleunigungssensor ausgebildet sein.

Wird der Sensor als Wegsensor ausgebildet, so kann zur Analyse der Bewegungscharakteristik des mechanischen Bauteils vorgesehen werden, daß der Wegsensor mit einem Spektrumanalysator zur Zerlegung des Sensorsignals in einzelne Frequenzanteile verbunden ist. Ist die Bewegungsantwort des mechanischen Bauteils auf eine monofrequente sinusförmige Erregung durch das Erregerelement nicht eine reine Sinusschwingung, so treten Oberwellen in der Bewegungsantwort auf. Hat z. B. ein mechanisches Lager Spiel, so ist einer sinusförmigen Bewegungsantwort eine rechteckförmige Bewegungsantwort überlagert, deren Flanken mit den Nulldurchgängen der Sinusschwingung in etwa zusammenfallen. Die sich aus der Rechteckform ergebenden Oberwellen können durch die Zerlegung des Sensorsignals in einzelne Frequenzanteile erfaßt werden und es kann somit ein im Lager vorhandenes Spiel ermittelt werden. Analoges gilt für alle anderen Arten von mechanischen Defekten, aus denen eine Bewegungsantwort resultiert, die von einer reinen Sinusschwingung abweicht. Es kann das Sensorsignal jedoch auch mit Hilfe eines Oszilloskops analysiert werden, um den zeitlichen Verlauf des Sensorsignals zu betrachten.

Um die Erregungsschwingung aus dem Sensorsignal herauszufiltern, kann der Spektrumanalysator mit einem Hochpaßfilter gekoppelt sein, der entsprechend eingestellt wird, so daß nur die Oberwellen des Signals den Filter passieren. Wird dagegen ein Oszilloskop verwendet, so kann ebenfalls ein Hochpaßfilter mit dem Oszilloskop gekoppelt werden, um lediglich die Störkomponenten im Sensorsignal zu erhalten.

Um einen formschlüssigen Kontakt der Anordnung zu dem mechanischen Bauteil zu garantieren, kann die Oberfläche des Gehäuses an die äußere Form des mechanischen Bauteils angepaßt sein. Sollen unterschiedliche Bauteile mit einer Anordnung vermessen werden, so können unterschiedliche Teilbereiche der Oberfläche des Gehäuses - beispielsweise unterschiedliche Gehäuseseiten - an die äußere Form unterschiedlicher mechanischer Bauteile angepaßt sein.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenen Erfindung ist ein Verfahren zur Bestimmung von mechanischen Defekten in mechanischen Bauteilen, wobei

- ein mechanisches Bauteils mit einer definierten sinusförmigen Krafteinwirkung beaufschlagt wird und
- die resultierende Vibrationsbewegung des mechanischen Bauteils erfaßt wird.

Durch eine solche definierte Erregung des Bauteils kann auf einfache Weise aus der Vibrationsbewegung des Bauteils, also aus der Bewegungsantwort, ein Rückschluß auf die mechanische Struktur des Bauteils erfolgen. Speziell kann dabei das mechanische Bauteil mit einer rein monofrequent sinusförmigen Krafteinwirkung beaufschlagt werden.

Es sind verschiedene Möglichkeiten zur Analyse der Vibrationsbewegung denkbar. So kann z. B. eine Spektrumsanalyse der resultierenden Vibrationsbewegung des Bauteils erfolgen. Es kann aber auch vorgesehen werden, daß eine zeitliche Analyse der resultierenden Vibrationsbewegung des Bauteils erfolgt. Um Rückschlüsse allein auf mechanische Defekte in dem mechanischen Bauteil in noch deutlicherer Form ziehen zu können, kann vorgesehen werden, daß bei einer Analyse der Vibrationsbewegung diejenigen Anteile der Vibrationsbewegung, die dieselbe Frequenz besitzen wie die sinusförmige Krafteinwirkung, herausgefiltert werden.

Weitere Ausgestaltungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Verfahrens sind der übrigen Beschreibung entnehmbar.

Eine spezielle Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 5 erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 Prinzipieller Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung

Fig. 2 Alternativer Aufbau der Wellenanordnung als konzentrische Wellenanordnung

Fig. 3 Auf einem mechanischen Bauteil angebrachte erfindungsgemäße Anordnung

Fig. 4 Darstellung der Vibrationserregung der Anordnung und der Bewegungsantwort des mechanischen Bauteils

Fig. 5 Darstellung eines Exzentergewichts und eines Wellenquerschnittes

In Fig. 1 ist in schematischer Form eine erfindungsgemäße Anordnung dargestellt. Diese weist ein Gehäuse 1 auf, wobei die Oberfläche des Gehäuses 1 an die zu vermessenden mechanischen Bauteile angepaßt ist. Eine erste Seitenfläche 7a des Gehäuses 1 ist planar ausgebildet und kann somit formschlüssig auf planare Oberflächen von mechanischen Bauteilen montiert werden. Eine zweite Oberfläche 7b ist konkav gekrümmt ausgebildet und kann daher auf konvex gekrümmte Oberflächen mechanischer Bauteile formschlüssig montiert werden. Solche Oberflächen können beispielsweise die Oberflächen einer Tragfläche eines Flugzeugs sein.

In dem Gehäuse 1 befindet sich ein Wellenantrieb 5 in Form eines Elektromotors, der mit einer Welle 4 verbunden ist, die in Wellenlagern 10 drehbar gelagert ist und die an ihren Enden Exzenterscheiben 6 als Exzentergewichte trägt. Diese Exzenterscheiben 6 sind lösbar mit der Welle 4 verbunden und können daher ausgewechselt oder in unterschiedlicher Orientierung auf der Welle 4 befestigt werden. Ein Beispiel für solche Exzenterscheiben ist in Fig. 5 dargestellt. Die Exzenterscheibe 6 weist dabei eine Aussparung 11 zur Aufnahme einer Welle 4 auf, die weitgehend kreisförmig ausgebildet ist, jedoch an einer Stelle eine Abflachung auf. Die Welle 4 weist einen kreisförmigen Querschnitt mit zwei Abflachungen auf, die an die Abflachung der Aussparung 11 angepaßt ist. Die Exzenterscheibe 6 kann somit in zwei um 180° versetzte Stellungen auf die Welle 4 montiert werden.

Fig. 2 zeigt eine alternative Wellenanordnung, wobei der Wellenantrieb 5 mit einer Hohlwelle 4a und einer durch die Hohlwelle 4a geführten durchgehenden Welle 4b verbunden ist. Jede der beiden Wellen 4a, 4b trägt an ihren Enden Exzenterscheiben 6a, 6b. Die Wellen 4a, 4b und der Wellenantrieb 5 sind so ausgebildet, daß die Wellen 4a, 4b unabhängig voneinander angesteuert werden können und dabei simultan mit gleicher Frequenz, jedoch mit entgegengesetzter Drehrichtung rotieren können.

Fig. 3 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung, die mit einer Seitenfläche 7b formschlüssig auf ein mechanisches Bauteil 8, beispielsweise eine Tragfläche eines Flugzeuges, montiert ist. Das Bauteil 8 weist ein hier nur schematisch dargestelltes Lager 9 auf, das auf Spiel überprüft werden soll. Durch das Erregerelement 2 wird das mechanische Bauteil 8 und damit das Lager 9 mit einer Erregung in Form einer Krafteinwirkung beaufschlagt, die Bewegungsantwort wird durch die Sensoren 3 erfaßt.

In Fig. 4a) ist die Erregung als Sinusschwingung mit der Frequenz f dargestellt. Fig. 4b) zeigt die Bewegungsantwort, wie sie durch einen Wegsensor 3 ermittelt wird, wenn das Lager 9 Spiel aufweist. Es ist dabei der Sinusschwingung mit der Frequenz f ein Rechtecksignal gleicher Frequenz überlagert, das in Fig. 4c) separat dargestellt ist. Die Flanken des Rechtecksignals fallen in etwa mit den Nulldurchgängen der Sinusschwingung zusammen. Fig. 4d) zeigt die Oberschwingungen der Grundfrequenz f, die in dem überlagerten Rechtecksignal enthalten sind. Diese können durch eine Analyse des Frequenzsprektrums des Rechtecksignals ermittelt werden. Fig. 4e) zeigt ein solches Frequenzspektrum, das man aus einem Spektrumanalysator erhält, der mit den Sensoren 3 gekoppelt wird und dem das Sensorsignal zugeführt wird. Man erhält somit die spektrale Zerlegung des Sensorsignals in seine Frequenzanteile und damit einerseits einen Hinweis auf das Vorhandensein eines mechanischen Defektes, andererseits einen Hinweis auf die Art und das Ausmaß des mechanischen Defektes. Sofern zur Bewertung anstelle eines Spektrumanalysators ein Oszilloskop verwendet wird, ist die Kopplung mit einem Hochpaßfilter empfehlenswert, da dann aus dem Sensorsignal die Sinusschwingung mit der Frequenz f herausfiltert wird und man als Endsignal lediglich das Störsignal erhält. Hierbei ergibt dann der zeitliche Verlauf des Sensorsignals einerseits einen Hinweis auf das Vorhandensein eines mechanischen Defektes, andererseits einen Hinweis auf die Art und das Ausmaß des mechanischen Defektes.

Wird statt eines Wegsensors ein Beschleunigungssensor als Sensor 3 verwendet, so erhält man aus der Bewegungsantwort eine Beschleunigungsantwort, wie sie in Fig. 4f) dargestellt ist. Diese weist im Bereich der Extrema der Sinusschwingung, die der erregenden Sinusschwingung mit der Frequenz f und einer um 90° verschobenene Phasenlage entspricht, Spitzen auf, die einer Deltafunktion entsprechen. Diese können dann in analoger Form ermittelt und ausgewertet werden.

Claims

1. Anordnung zur Bestimmung von mechanischen Defekten in mechanischen Bauteilen, bestehend aus einer mobilen Einheit, die beinhaltet

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Erregerelement als mechanische oder elektromechanische Anordnung ausgebildet ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Erregerelement mindestens eine Welle und einen Wellenantrieb aufweist, wobei die Welle mindestens ein Exzentergewicht aufweist.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine konzentrische Wellenanordnung vorgesehen ist mit

5. Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Exzentergewicht lösbar mit der Welle verbunden ist.

6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Erregerelement als elektroakustische Anordnung ausgebildet ist.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Erregerelement als elektrodynamisches, elektrostatisches oder piezoelektrisches Erregerelement ausgebildet ist.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Sensor als Wegsensor ausgebildet ist.

9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Wegsensor mit einem Oszilloskop zur Analyse des Zeitverlaufs des Sensorsignals verbunden ist.

10. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Wegsensor mit einem Spektrumanalysator zur Zerlegung des Sensorsignals in einzelne Frequenzanteile verbunden ist.

11. Anordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Spektrumanalysator mit einem Hochpaßfilter gekoppelt ist.

12. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Sensor als Beschleunigungssensor ausgebildet ist.

13. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Gehäuses an die äußere Form des mechanischen Bauteils angepaßt ist.

14. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß unterschiedliche Teilbereiche der Oberfläche des Gehäuses an die äußere Form unterschiedlicher mechanischer Bauteile angepaßt sind.

15. Verfahren zur Bestimmung von mechanischen Defekten in mechanischen Bauteilen, wobei

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das mechanische Bauteil mit einer rein monofrequent sinusförmigen Krafteinwirkung beaufschlagt wird.

17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß eine Spektrumsanalyse der resultierenden Vibrationsbewegung des Bauteils erfolgt.

18. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß eine zeitliche Analyse der resultierenden Vibrationsbewegung des Bauteils erfolgt.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Analyse der Vibrationsbewegung diejenigen Anteile der Vibrationsbewegung, die dieselbe Frequenz besitzen wie die sinusförmige Krafteinwirkung, herausgefiltert werden.