DE10218332A1

DE10218332A1 - Verfahren zur Analyse von Schwingungen rotierender oder oszillierender Teile

Info

Publication number: DE10218332A1
Application number: DE10218332A
Authority: DE
Inventors: Karl-Rainer Feuring
Original assignee: Rotec Pruefsysteme fur Den Maschinenbau GmbH; Rotec Pruefsysteme fur D GmbH
Current assignee: Rotec Pruefsysteme fur Den Maschinenbau GmbH; Rotec Pruefsysteme fur D GmbH
Priority date: 2002-04-10
Filing date: 2002-04-24
Publication date: 2003-10-30
Anticipated expiration: 2022-04-25
Also published as: DE10218332B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein 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 Flanken von Verzahnungen und/oder Bestimmung von Helligkeitswechseln, von Markierungen an oder auf den rotierenden oder oszillierenden Teilen, wobei die tatsächliche Teilung der Verzahnung oder der Markierung, welche zur Abtastung herangezogen wird, über mehrere Umdrehungen ermittelt wird. Hierfür wird ein Datensatz aus der Winkelgeschwindigkeit über der Zeit erstellt und dieser einer Hochpaßfilterung unterzogen, anschließend wird der derart von langwelligen Komponenten befreite Datensatz in aufeinanderfolgende Abschnitte von Schwingungswinkeln je mindestens einer Umdrehung-Breite zerlegt und es erfolgt eine Mittelung der Winkelgeschwindigkeit sowie eine Integration der gemessenen Winkelgeschwindigkeit zum Schwingwinkel. Aus den erhaltenen Integrationswerten wird der jeweilige Teilungsfehler jedem Zahn oder jeder Markierung zugeordnet und zur Online- oder Offline-Korrektur abgespeichert.

Description

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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.

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.

Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einem Verfahren gemäß Definition nach Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen.

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.

Von besonderem Vorteil ist, daß die notwendigen Teilungskorrekturwerte direkt aus dem Meßdatensatz ermittelt werden können.

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.

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.

Der jeweilige Teilungsfehler jedes Zahnes oder jeder Markierung kann dann online oder offline zur Korrektur herangezogen werden.

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.

Insofern keine Veränderungen zwischen dem Geberzahnrad und dem eingesetzten Sensor erfolgen, kann die erstellte Teilungsfehler- oder Korrekturtabelle für jede weitere Messung unverändert Anwendung finden.

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.

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.

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.

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.

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.
Hierbei zeigen:
Fig. 1 eine prinzipielle Anordnung umfassend ein Geberzahnrad mit Drehzahlsensor und Meßsystem zur Anwendung bei einer Schwingungsanalyse;
Fig. 2 eine beispielhafte Korrekturtabelle für ein Zahnrad mit der Zähnezahl 11;
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;
Fig. 4 eine Darstellung der meßtechnisch ermittelten Winkelgeschwindigkeit über der Zeit als Voraussetzung für die Korrekturwertebestimmung;
Fig. 5 eine Darstellung der Winkelgeschwindigkeit über der Zeit ohne langwelligen Signalanteil;
Fig. 6 eine aufgelöste Darstellung von Winkelgeschwindigkeit und Winkelabweichung über der Zeit;
Fig. 7 eine Darstellung der Winkelgeschwindigkeit jeweils gemittelt über eine Umdrehung-Breite;
Fig. 8 eine Darstellung der ermittelten Teilungsabweichung noch ohne Ordnungskorrektur und
Fig. 9 eine Darstellung der Teilungsabweichung bzw. des Teilungsfehlers nach Ordnungskorrektur.
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.
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.
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.
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.
Die eigentliche Korrektur kann offline, d. h. nachträglich anhand der Korrekturwertetabelle erfolgen, bei dem Zurverfügungstehen geeigneter Rechnerkapazität aber auch online realisiert werden.
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.
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.
Solange die mechanische Anordnung zwischen Geberrad und Sensor nicht verändert wird, kann dieselbe Korrekturwertetabelle für jede weitere Messung angewendet werden.
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.
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.
Nach Integration der als Meßwerte vorliegenden Drehgeschwindigkeit zum Schwingwinkel ergibt sich die Winkelgeschwindigkeit, gemittelt über je eine Umdrehung-Breite nach Fig. 7.
Wenn hier die Messung ohne Antriebseinflüsse durchgeführt werden konnte, liegt jetzt bereits der eigentliche Korrektordatensatz vor.
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°.
Dann, wenn Antriebseinflüsse vorliegen, ist wie folgt zu verfahren.
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.
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.
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.

Claims

1. 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 Flanken von Verzahnungen und/oder Bestimmung von Helligkeitswechseln, von Markierungen an oder auf den rotierenden oder oszillierenden Teilen, dadurch gekennzeichnet, daß die tatsächliche Teilung der Verzahnung oder der Markierung, welche zur Abtastung herangezogen wird, über mehrere Umdrehungen ermittelt wird, wobei hierfür ein Datensatz aus der Winkelgeschwindigkeit über der Zeit erstellt und dieser einer Hochpaßfilterung unterzogen wird, anschließend der derart von langwelligen Komponenten befreite Datensatz in aufeinanderfolgende Abschnitte von Schwingungswinkeln je mindestens einer Umdrehung-Breite zerlegt wird und eine Mittelung der Winkelgeschwindigkeit sowie eine Integration der gemessenen Winkelgeschwindigkeit zum Schwingwinkel erfolgt, sowie aus den erhaltenen Integrationswerten der jeweilige Teilungsfehler jedem Zahn oder jeder Markierung zugeordnet und zur Online- oder Offline-Korrektur abgespeichert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Vorliegen von Maschineneinflüssen, die sich in zu untersuchenden Ordnungen widerspiegeln, diese Ordnungen mittels an sich bekannter Fourier-Transformation mit nachfolgender Darstellung nach Betrag und Phase bestimmt und bei der Korrekturermittlung ausgenommen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die sinusförmigen Verläufe interessierender Ordnungen von dem Verlauf der Teilungsabweichungswerte abgezogen werden, um auf diese Weise bereinigte Korrekturdaten zu erhalten, welche dann jedem Zahn oder jeder Markierung entsprechend zugeordnet werden.

4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch dessen Verwendung bei der Herstellung und Qualitätssicherung von rotationssymmetrischen Teilen mit gleichmäßigen Teilungsstrukturen, wie z. B. Zahnräder, Zahnriemenscheiben oder mit entsprechenden Markierungen versehenen Maschinenteilen.