DE2310145B2 - Verfahren zum feststellen von fehlern in einem aus magnetisch leitendem material bestehenden pruefling, insbesondere einer bremstrommel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Feststellen von Fehlern in einem aus magnetisch leitendem Material bestehenden Prüfling, insbesondere einer Bremstrommel, bei dem durch Erregen einer ersten Spule der Prüfling zu Resonanzschwingungen angeregt wird und diese zur Gewinnung eines Prüfkriteriums mittels einer unter einem vorgegebenen Winkel gegen die erste Spule liegenden zweiten Spule induktiv erfaßt werden. Ein derartiges Verfahren sowie eine zu seiner Durchführung geeignete Anordnung sind aus der britischen Palentschrift 9 04 061 bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren wird als Prüfkriteri'im die Amplitude der Schwingungen des Prüflings ausgenutzt, indem die meßtechnisch erfaßte Amplitude mit der bei einem in Ordnung befindlichen Musterstück verglichen wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, daß die Notwendigkeit des Vergleichs mit der entsprechenden Meßgröße eines Musterstücks vermeidet und darüber hinaus nicht nur schlechthin eine Aussage über das eventuelle Vorliegen eines Fehlers liefert, sondern auch Rückschlüsse auf Art und Größe des Fehlers gestattet. Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, daß Relativdrehungen zwischen der zu prüfenden Oberfläche des Prüflings und den Spulen erzeugt werden sowie der Verlauf der induktiv erfaßten Resonanzschwingungen während der Relativdrehungen als Prüfkriterium ausgewertet wird.

Die Erfindung unterscheidet sich also ebenso wie das Verfahren nach der britischen Patentschrift 9 04 061 von anderen, mit magnetischer Induktion arbeitenden Verfahren, bei denen mittels einer magnetischen Tastspule die Oberfläche des Prüflings abgetastet wird, wobei die Rückwirkung der durch Wirbelströme in dem Prüfling erzeugten Magnetfelder auf die Tastspulen ein Maß für die Oberflächengüte des Prüflings ist. So verändert beispielsweise ein an der Oberfläche des Prüflings erscheinender Riß die physikalischen Eigenschaften des betreffenden Bereichs der Oberfläche in charakteristischer Weise.

Bei der Erfindung erfolgt vielmehr eine Anregung des frei gehaltenen Prüflings zu Eigenschwingungen auf elektromagnetischem Wege, indem mittels einer ersten Spule die Anregung des Prüflings, beispielsweise einer Bremstrommel oder einer Bremsscheibe für eine Kraftfahrzeugbremse, vorgenommen wird, während mittels der erwähnten zweiten Spule der Spulenanordnung ein den Schwingungsamplituden an einer ganz bestimmten Stelle bezüglich des Ortes der ersten Spule entsprechendes elektrisches Signal gewonnen wird. Wie sich nämlich gezeigt hat, bleibt bei einem in Ordnung befindlichen Prüfling, d. h. beispielsweise einem rißfreien Prüfling, während der Reiativdrehungen zwischen dem Prüfling und der Spulenanordnung die sich infolge der Anregung ausbildende Schwingungsfigur relativ zu der Spulenanordnung stehen, so daß während der Relativdrehangen am Ort der ersten Spule, die zum Erregen dient, ein Schwingungsmaxirnum und am Ort der zweiten Spule, die also zur Gewinnung eines der Schwingungsamplitude proportionalen Signals dient, beispielsweise ebenfalls dauernd ein Schwingungsmaximum vorliegt Die erwähnten Relativdrehungen zwischen Prüfling und Spulenanordnung haben bei einem rißfreien Prüfling also Relativdrehungen zwischen Schwingungsfigur und Prüfling zur Folge. Anders bei einem einen Riß aufweisenden Prüfling: Hier wird von vornherein die geometrische Aufteilung der Schwingungen innerhalb der Trommel fixiert, und an der Rißstede können die beiden dem Riß benachbarten Bereiche des Prüflings nur noch Schwingungsmaxima zeigen. Eine Anregung durch die erste Spule ist — wenn überhaupt — nur noch bei bestimmten Lagen des Prüflings relativ zu den Spulen möglich, und bei den Reiativdrehungen zwischen der Spulenanordnung und dein Prüfling wandern die Schwingungsmaxima und -minima vor den Spulen vorbei. Aus der Gleichförmigkeit des mit der zweiten Spule gewonnenen Signals kann also auf das Vorliegen bzw. Fehlen von Rissen in der geprüften Oberfläche geschlossen werden.

Die auf magnetischem Wege erfolgende Anregung des Prüflings zu Resonanzschwingungen und die Ausnutzung der Tatsache, daß bei Fehlerfreiheit die Schwingungsbilder gleichsam vor den Spulen stehenbleiben, unterscheiden die Erfindung auch von dem in der US-Patentschrift 36 19 770 offenbarten Verfahren zur Ermittlung der geometrischen Abmessungen von Prüflingen. Insbesondere ist dabei an die Rundheit von Prüflingen gedacht, als deren Maß die Konstanz des Abstandes zwischen der Prüflingsoberfläche einerseits und einem Magnetkern andererseits dient. Dieser Magnetkern trägt eine Primärwicklung, durch die ein nur die Oberfläche des Prüflings einschließendes magnetisches Wechselfeld erzeugt wird. Über eine von demselben Magnetkern getragene Sekundärwicklung wird ein auch von der Ausbildung von Wirbelströmen und damit vom Zustand der Oberfläche des Prüflings, vor allem aber von dem Abstand zwischen Prüflingsoberfläche und Magnetkern abhängiges Signal gewonnen, dessen Verlauf bei Drehungen der Spulenanordnung um das Werkstück herum Aufschlüsse über die Geometrie des Prüflings zuläßt

Grundsätzlich gibt es auch andere Anregungsmöglichkeiten für Resonanzschwingungen von Prüflingen So kann man tine Klangprüfung vornehmen. Eine derartige Prüfung ist jedoch aus verschiedenen Gründer für eine Serienprüfung, wie sie beispielsweise für Bremstrommeln und Bremsscheiben erforderlich ist wenig zweckmäßig. So müßte der Prüfling in definierter Lage angeschlagen und das entstehende Schallspektrum analysiert werden-, dabei müßten störende Nebengeräusche ferngehalten werden. Demgegenüber bietei

⁶S die bei der Erfindung gewählte Anregung die Möglich keit einer genauen Lokalisierung der Anregungsstelle da diese identisch ist mit dem Ort der ersten Spule Weiterhin können auf elektromagnetischem Wege re

iativ große Anregungskräfte ohne störenden Geräteaufwand aufgebracht werden.

Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren an Hand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Dabei dienen r>ie s

F i g. 1 und 2 zur Veranschaulichung des Prinzips des erfindungsgemäßen Verfahrens, während

Fig.3 eine Anordnung zur Durchführung in ihrer Gesamtheit zeigt;

Fig.'? gibt einen Schnitt durch eine der Spulen wieder, die

F i g. 5 und 6 zeigen den Verlauf der Spannung in der zweiten Spule (Empfängerspule) bei fehlerfreiem und fehlerbehaftetem Prüfling, und die

Fig.7 bis 9 schließlich zeigen die Verhältnisse an einem Prüfling, der, wie eine Bremsscheibe, die Form eines Scheibenrades besitzt.

Betrachtet man zunächst die F i g. 1 und 2, so ist der Prüfling mit 1 bezeichnet; an dem Pfeil 2 befindet sich die der Anregung der Schwingungen dienende erste Spule, durch den Pfeil 3 ist die der Abnahme der Schwingung entsprechender Signale dienende zweite Spule angedeutet. Als Prüfling ist hier eine Bremstrommel für eine Kraftfahrzeugbremse angenommen, wobei die zu prüfende Oberfläche die äußere Fläche des Bremstrommelrandes ist. Man kann die Querschnittsform der Bremstrommel bekanntlich als glockenähnlich bezeichnen, da sie einen senkrecht zur Zeichenebene weisenden Rand besitzt. Der zu prüfenden äußeren Oberfläche dieses Randes stehen also die Spulen 2 und 3 in einem vorgegebenen, konstanten Abstand gegenüber. Durch die Spule 2 werden Schwingungen erregt, die einer Resonanzfrequenz des Prüflings entsprechen. Mit 4 und 5 sind in F i g. 1 zwei um 180° unterschiedliche Phasen dieser Schwingung bezeichnet. Man erkennt, daß im Falle der F i g. 1 eine Schwingungsform mit vier Knoten 6 bis 9 vorliegt, während die durch die Phasen 10 und 11 gekennzeichnete Schwingung in Fig.2 sechs Knoten 12 bis 17 aufweist. In den hier angenommenen Fällen schließen die Spulen 2 und 3 einen Winkel von 90° (F i g. 1) bzw. 120° (F i g. 2) ein, so daß also die zweite Spule 3 am Ort eines Schwingungsmaximums liegt.

Bei einem fehlerfreien Prüfling nimmt nun diese Schwingungskonfiguration an Drehungen des Prüflings ! relativ zu der Spulenanordnung 2, 3 nicht teil. Wird also der Prüfling 1 zur Gewinnung dieser Relativdrehungen gegenüber der Spulenanordnung 2, 3 in einer zentralen Halterung verdreht, so halten die Spulen 2 und 3 die Schwingungskonfiguration 4, 5 bzw. 10, 11 gleichsam fest, so daß diese sich relativ zum Prüfling 1 dreht. Am Ort der zweiten Spule 3 liegt daher immer ein Schwingungsmaximum vor, so daß ein praktisch konstantes Ausgangssignal erzeugt wird.

Betrachtet man dagegen den in F i g. 2 angedeuteten Fall, daß bei 18 ein Riß im Rand des Prüflings vorliegt, so kann sich die Schwingungskonfiguration 10, 11 nur dann in der gezeichneten Weise ausbilden, wenn die Rißstelle 18 zusammenfällt mit einem Maximum der Schwingung. Sobald aber der Prüfling 1 relativ zu der Spulenanordnung 2, 3 verdreht wird, hält diese die Schwingungskonfiguration nicht mehr fest, vielmehr ist diese gegeben durch die Rißstelle 18, so daß, sofern sich überhaupt eine Schwingung ausbilden kann, die Schwingungskonfiguration relativ zu der zweiten Spule 3 wandert. Das Ausgangssignal der zweiten Spule während der Reiativdrehung ist demgemäß nicht mehr konstant, und diese Nichtkonstanz ist ein Anzeichen für das Vorliegen eines Fehlers. Verständlicherweise kann dieses Ausgangssignal auch zur Lokalisierung des — häufig schwer mit dem Auge erkennbaren — Fehlerr. herangezogen werden.

In Fig.3, die die gesamte Anordnung zeigt, ist als Prüfling 1 wiederum eine Bremstrommel angenommen, deren zu prüfender Umfangsfläche die erste Spule 2 und die zweite Spule 3 in einem vorgegebenen, konstanten Abstand so gegenüberstehen, daß sie zwischen sich einen Winkel von 120° einschließen. Man hat also wieder die bereits an Hand F i g. 2 erläuterten Verhältnisse. Während der durch den Pfeil 19 symbolisierten Drehung des Prüflings 1 um eine seine Achse 20 stützende Halterung werden in der zweiten Spule 3 also dauernd Spannungen induziert, die dem Schwingungsbild entsprechen. Diese Signale werden über einen Frequenzanalysator 21, dessen Durchlaßkurve als Pegel μ über der Frequenz f angedeutet ist, und den Verstärker 22, der Verluste in diesem Schaltungskreis ausgleichen soll, der ersten Spule 2 zugeführt, so daß sie der erneuten Anregung des Prüflings 1 zu mechanischen Schwingungen dienen. Der Verstärker 22 besitzt mehrere Ausgänge, nämlich außer dem mit der Mitkopplungsleitung 23 bestückten ersten Ausgang einen zweiten Ausgang, der über die Gleichrichteranordnung 24 das Relais 25 mit dem Selbsthaltekontakt 26 und dem Betätigungskontaki 27 im Kreise der Kontrollampe 28 speist. Bei Beginn des Prüfvorganges wird durch die Bedienungsperson die Taste 29 gedruckt, so daß das Relais 25 anzieht und sich über seinen Kontakt 26 selbst hält. Das bedeutet, daß die Lampe 28 nicht brennt, da der Kontakt 27 umgelegt hat. Sobald aber infolge Vorliegens eines Risses in dem Prüfling 1 das Ausgangssignal des Verstärkers unter einen vorgegebenen Wert absinkt, fällt auch das Relais 25 ab, öffnet seinen Haltekontakt 26, so daß ein erneuter Prüfvorgang über die Taste 29 eingeleitet werden muß, und legt den Kontakt 27 im den Stromkreis für die Kontrollampe 28 schließenden Sinne um.

Schließlich besitzt der Verstärker 22 noch einen niederohmigen dritten Ausgang, an den die weitere Lampe 30 angeschlossen ist, die anzeigt, ob überhaupt eine Resonanzschwingung vorliegt.

Das frequenzbestimmende Glied bei der Anordnung ist also der Prüfling 1 mit seiner mechanischen Resonanzfrequenz. Demgemäß ist das Filter 21 abgestimmt auf die zur Prüfung ausgenutzte mechanische Resonanzfrequenz eines in Ordnung befindlichen Prüflings.

F i g. 4 zeigt im Prinzip den Aufbau einer der Spulen 2 oder 3, hier der Spule 2. Man erkennt, daß die Spulenwicklung 31 einen Permanentmagneten 32 umgibt, so daß eine Vormagnetisierung vorliegt, die eine Frequenzverdopplung durch Anziehen des Prüflings 1 sowohl bei der positiven als auch bei der negativen Halbwelle der zugeführten Spannung 33 unterbindet. Mit 1 ist hier strenggenommen die statische Lage des Prüflings bezeichnet, die durch diese Vormagnetisierung gewährleistet ist. Durch die polarisierte erste Spule 2 weiden Auslenkungen des Prüflings aus dieser statischen Lage in die mit 34 und 35 bezeichnete Auslenkungslage mit einer Frequenz vorgenommen, die gleich der Frequenz der Erregerspannung 33 ist.

In den F i g. 5 und 6 ist der Verlauf des Auswertesignals, das also in F i g. 3 am mittleren Ausgang des Verstärkers 22 ansteht, während einer mit a bezeichneten Drehung des Prüflings 1 relativ zur Spulenanordnung wiedergegeben. Verständlicherweise ist es grundsätzlich auch möglich, die Spulenanordnung um den stillste-

henden Prüfling zu verdrehen. In der Regel wird es im Hinblick auf die elektrischen Leitungen zu den Spulen 2 und 3 jedoch sinnvoller sein, die Spulenanordnung fest und den Prüfling drehbar anzuordnen. Auf der Ordinate ist der Pegel ρ in dB aufgetragen.

Betrachtet man zunächst Fig. 1, die das Auswertesignal bei einem fehlerfreien Prüfling zeigt, so ist dieses Signal praktisch konstant; es schwankt während der Umdrehung a lediglich um wenige dB, und da die Auswerteeinrichtung so ausgelegt ist, daß sie erst bei größeren Pegelschwankungen ein einen Fehler anzeigendes Signal erzeugt, wird dieser Prüfling als fehlerfrei gemeldet.

Dagegen zeigt das Auswertesignal bei dem F i g. 6 zugrundeliegenden, einen Riß aufweisenden Prüfling nach den Erläuterungen, die oben an Hand der F i g. 1 und 2 gegeben wurden, große Schwankungen, die zu einem Absinken des Pegels hinzutreten. Hier erfolgt eine Fehleranzeige mittels der Auswerteeinrichtung, da deren Schwellwert weit überschritten wird.

Während in den bisher behandelten Ausführungsbeispielen der Anordnung zur Durchführung des (erfindungsgemäßen) Verfahrens ein Prüfling nach Art einer Bremstrommel angenommen wurde, dessen zu prüfende Oberfläche durch die Mantelfläche des Randes gebildet ist, betreffen die F i g. 7 bis 9 die Anwendung der Erfindung bei einem scheibenförmigen Prüfling 36, beispielsweise einer Bremsscheibe. Die interessierende Oberfläche ist jetzt die in F i g. 9 untere, in F i g. 7 vordere Stirnfläche des Prüflings 36. Dieser Fläche stehen wiederum die erste Spule 37 zur Schwingungsanregung und die zweite Spule 38 zur Gewinnung eines Auswertesignals entsprechend den in F i g. 8 mit 39 und 40 bezeichneten Schwingungsamplituden gegenüber. Die Auswerteeinrichtung selbst kann dieselbe wie an Hand F i g. 3 beschrieben sein. Hier können tangentiale Risse erfaßt werden, wie sie in F i g. 7 bei 41 angedeutet sind. Im übrigen bilden sich auch hier Knotenlinien 42 bis 48 aus, und auch hier bleiben die Knotenlinien und Schwingungsmaxima bei Relativdrehungen zwischen Prüfling 36 und Spulenanordnung 37,38 feststehend bezüglich der Spulenanordnung, wenn ein fehlerfreier Prüfling vorliegt.

Das erfindungsgemäße Verfahren gibt nun nicht nur schlechthin eine Aussage darüber, ob ein Fehler vorliegt oder nicht, sondern gestattet auch Rückschlüsse auf Art und Größe des Fehlers. Betrachtet man nochmals die F i g. 5 und 6, so äußert sich ein feiner Riß durch Maxima und Minima im Verlauf des Pegels ρ während der Umdrehung a. Ein starker Riß vertieft dagegen entweder die Minima oder verhindert das Anschwingen der Resonanz. Wie die angestellten Untersuchungen und Überlegungen ferner gezeigt haben, kann man einen Prüfling nach Art einer Bremstrommel als schwingenden Reifen, einen Prüfling nach Art einer Bremsscheibe dagegen als schwingende Hutkrempe ansprechen. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß bei ihr nicht nur ein kleiner Oberflächenbereich abgetastet, sondern ein größerer Bereich des Prüflings geprüft wird.

Mit der Erfindung können außer Rissen und Oberflächenfehlern auch Unsymmetrien in einer Wandstärke, Lunker, Materialänderungen usw. festgestellt werden. Wenn also von der zu prüfenden Oberfläche gesprochen wurde, bezieht sich dies nicht notwendigerweise auf die Ermittlung von Oberflächenfehlern, sondern soll veranschaulichen, daß der zweiten Spule eine Oberfläche gegenübersteht.

In dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 3 können die Spulen auch an der inneren Wandfläche des Prüflings 1 angeordnet werden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Verfahren zum Feststellen von Fehlern in einem aus magnetisch leitendem Material bestehenden Prüfling, insbesondere einer Bremstrommel, bei dem durch Erregen einer ersten Spule der Prüfling zu Resonanzschwingungen angeregt wird und diese zur Gewinnung eines Prüfkriteriums mittels einer unter einem vorgegebenen Winkel gegen die erste Spule liegenden zweiten Spule induktiv erfaßt werden, dadurch gekennzeichnet, daß Relativdrehungen zwischen der zu prüfenden Oberfläche des Prüflings (1) und den Spulen (2, 3) erzeugt werden sowie der Verlauf der induktiv erfaßten Resonanzschwingungen während der Relativdrehungen als Prüfkriterium ausgewertet wird.