Optische Schwingungsmessung zur Optimierung von Wälzlagern
Ganz genau hingehört
Laser-Doppler-Vibrometer werden sowohl bei der akustischen Designoptimierung, als auch zunehmend bei der vibroakustischen Qualitätskontrolle im Akustikprüfstand eingesetzt, um das akustische Verhalten zu verbessern bzw. zu überprüfen. Vorteile gegenüber traditioneller taktiler Sensorik sind aussagekräftigere Messergebnisse, einfache Prüfstandsintegration, Taktzeitoptimierung sowie Schnittstellenvielfalt.
Bild: Polytec GmbHFür immer mehr Produkte gilt der Anspruch, diese leiser zu gestalten. Nicht nur im Bereich PKW, sondern auch für LKW, Baumaschinen und Landmaschinen versuchen die Entwickler stetig die Geräusche, speziell im Fahrzeuginnenraum, zu reduzieren.
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Idealer Sensor für die Produktion
Heute werden in der Fertigung die Montage- und Überwachungsschritte nicht mehr manuell, sondern vollautomatisch durchgeführt. Dieser Wandel führt zu immer komplexeren Fertigungslinien und Prüfständen und auch zu veränderten Anforderungen an die Sensorik zur Schwingungsmessung und Akustikprüfung. Konventionelle, taktile Methoden wie die Messung mit Beschleunigungsaufnehmern werden dabei häufig durch berührungslos messende Laservibrometer abgelöst, wie z.B. das Industrie-Vibrometer IVS-500. Der kompakte Messkopf enthält neben dem Laserinterferometer die komplette digitale Signalverarbeitung, die das optische Doppler-Signal digital (via Ethernet) oder als analoges Geschwindigkeitssignal (via BNC) verfügbar macht. Das System kann über Ethernet oder RS232 ferngesteuert werden. Der integrierte Autofokus unterstützt bei der Einrichtung, und die einstellbaren Messbereiche sorgen für ein optimales Signal-Rausch-Verhältnis. Die Verwendung von Hoch- oder Tiefpassfiltern hilft bei der Analyse des definierten Messbereichs. Aber warum eignet sich Laservibrometrie besser für die vollautomatische vibro-akustische Prüfung als Beschleunigungsaufnehmer? Bei der manuellen Prüfung wäre es unproblematisch, den Beschleunigungssensor von Hand an das Bauteil anzubringen und die Messung durchzuführen. Bei der vollautomatischen Produktion und Kontrolle würde man eine komplexe mechanische Zustelleinheit benötigen, die den Aufnehmer z.B. mit Tastspitze immer mit gleicher Kraft an exakt dieselbe Position fährt. Das Vibrometer hingegen misst völlig berührungslos, die mechanische Zustellung als Kostenfaktor und Quelle für Fehler entfällt.
Bild: Polytec GmbHLaservibrometer vs. Beschleunigunsgaufnehmer
- • Keine Messfehler, da rückwirkungsfrei: Durch die berührungslose Messung werden keine Zusatzmassen und -kräfte auf das Bauteil aufgebracht, somit wird die Messung, anders als bei Beschleunigungsaufnehmern mit Tastspitze, nicht beeinflusst.
- • Schnellere Messung, kürzere Taktzeiten: Beim Zustellen der Tastspitze und dem folgenden Einschwingvorgang und Entladevorgang des Beschleunigungsaufnehmers geht Zeit verloren, die nicht zum Messen genutzt werden kann. Ein Vibrometer misst, sobald das Objekt in der Position angekommen ist.
- • Unabhängig von Oberflächenform: Beschleunigungsaufnehmer oder Tastspitzen können nur schwer an gekrümmten oder runden Oberflächen angebracht werden.
- • Höhere Frequenzen: Je nach Wahl von Tastspitze und Anpresskraft an das Bauteil können beim Gesamtaufbau Koppelresonanzen entstehen. Diese liegen typisch bei 2 bis 8kHz, was Messungen oberhalb dieser Frequenz verfälscht und unsicher macht. Laservibrometer messen berührungslos und haben zudem eine hohe Bandbreite, was Messungen von Frequenzen bis zu 100kHz ermöglicht.
- • Bessere Auflösung: Besonders bei geringen Frequenzen z.B. <10Hz werden Beschleunigungen immer kleiner, somit sinkt das Signal-Rausch-Verhältnis für Beschleunigungsaufnehmer. Laservibrometer messen sowohl die Geschwindigkeit als auch den Weg; besonders der Schwingweg ist bei kleinen Frequenzen (<1Hz) vergleichbar groß und somit sehr genau zu messen.
- • Digitale Signalverarbeitung und Übertragung: Vibrometer nutzen eine digitale Signalverarbeitung, d.h. die Schwingungssignale können, anders als bei Beschleunigungssensoren, direkt ohne A/D-Wandlung digital übertragen werden. Somit entfallen Kosten und Zusatzrauschen durch die A/D-Wandlung.
- • Autofokus für variierende Abstände: Die Laservibrometer bieten eine Auto- bzw. Remote-Focus-Funktion. Hiermit fokussiert der Laser automatisch auf unterschiedliche Produkttiefen im Prüfstand.
- • Flexible Ausgabe von Weg, Geschwindigkeit oder Beschleunigung
- • Einfache Messung auch an rotierenden, heißen oder filigranen Oberflächen
Laservibrometer vs. Mikrofone
Anders als Mikrofone, die den Luftschall integral messen, misst ein Laservibrometer direkt punktgenau den Körperschall. Möchte man mit einem Mikrofon Fehler in der Produktion mittels Geräuschmessung finden, erschweren die in der Produktion allgegenwärtigen Störgeräusche aussagekräftige Messungen und können Fehler im Ergebnis hervorrufen. Eine Mikrofonmessung in der Produktion ist also häufig nur mit einer aufwendigen und teuren Schallschutz-Umhausung möglich. Vibrometer haben demgegenüber den Vorteil, den Körperschall direkt an der Geräusch-Quelle zu messen, sodass Umgebungsgeräusche normalerweise keinen Einfluss haben. Wo werden aber Vibrometer und hier speziell das IVS-500 in der Produktion eingesetzt und warum?
Prüfung von Wälzlagern
Die Flexibilität der Vibrometer ermöglicht unzählige Anwendungen, beispielhaft gehen wir auf die Prüfung von Wälzlagern ein. Diese werden in vielen Industrieprodukten eingesetzt, die rotierende Bauteile besitzen. Vorteile sind ihre geringe Reibung, sowie der geringe Schmierstoffbedarf und Wartungsaufwand. Ein kleiner Nachteil von Wälzlagern ist aber oftmals die vergleichsweise hohe Geräuschentwicklung. Bei führenden Wälzlager-Herstellern wird jedes Lager während der Produktion einer akustischen Kontrolle (gemäß DIN ISO 15242-1:2011-09) im vollautomatischen Geräusch-Prüfstand unterzogen. Das Schwingverhalten des Lagers wird bei einer Drehzahl von 1.800U/min am feststehenden Außenring gemessen. Die Zeitrohsignale der Schwinggeschwindigkeit werden gemäß der Norm einer Frequenzanalyse unterzogen. Die Pegel von drei Frequenzbändern (50 bis 300Hz, 300 bis 1.800Hz und 1.800 bis 10.000Hz) werden für eine Gut-Schlecht-Bewertung herangezogen. Mögliche Fehler wie Kugelumlauffehler, Käfigfehler usw. können ebenfalls anhand diskreter Frequenzen gefunden und zugeordnet werden. Aufgrund steigender Anforderungen werden bei der Wälzlagerprüfung zunehmend optische Messverfahren gegenüber taktiler Sensorik favorisiert. Die Vorteile von Laservibrometern wie die rückwirkungsfreie Messung und die hohe Genauigkeit bei sowohl hohen (5 bis 10kHz) als auch niedrigen Frequenzen (100Hz) spielen eine wichtige Rolle. Vor allem aber die kürzeren Taktzeiten durch Wegfall der Wartezeit für die Positionierung der Tastspitze und die damit verbundene Kostenreduzierung beim vollautomatischen Test sind als Hauptgrund zu nennen, denn gerade auch in der Produktion gilt: Zeit ist Geld. In der Elektromobilität wird auch das leise Lager noch weiter in den Fokus rücken. Maskierende Geräusche durch den Verbrennungsmotor entfallen und somit müssen auch Wälzlager noch leiser werden. Die im Vergleich zum Verbrenner deutlich höheren Drehzahlen der Elektromotoren (z.B.24.000U/min) führen zu entsprechend höheren Umdrehungszahlen der hierfür verwendeten Lager, sodass auch die zu analysierenden Frequenzen im Umfeld der Elektromobilität weiter steigen und Vibrometer hierfür die ideale Lösung bieten.
Laser-Doppler-Effekt
Wird ein Lichtstrahl von einem bewegten Objekt reflektiert, so ändert sich die Frequenz des Lichts proportional zur Geschwindigkeitskomponente in Strahlrichtung. Aus dem Alltag kennt man den Effekt bei der Ausbreitung von Schallwellen. Jeder hat im Straßenverkehr schon die Erfahrung mit Einsatzfahrzeugen von Polizei oder Feuerwehr gemacht, dass der Ton des Signalhorns mit einer höheren Frequenz wahrgenommen wird, wenn das Fahrzeug sich nähert, und die Frequenz tiefer klingt, wenn es sich wieder entfernt. In dieser Frequenzverschiebung ist die Geschwindigkeitsinformation kodiert, dies gilt für Lichtwellen genauso wie für Schallwellen. Die Doppler-Verschiebung wird in der Laservibrometrie als Messsignal genutzt. Ein Präzisionsinterferometer und eine digitale Dekodierungselektronik wandeln die Frequenzverschiebung in ein der Schwinggeschwindigkeit proportionales Signal um, das über analoge oder digitale Schnittstellen zur Verfügung steht. Die Geschwindigkeitsinformation ist unabhängig von der Lichtintensität. Somit eignet sich das Messprinzip auch für Messobjekte, die einen geringen Reflexionsgrad haben.
Laser-Doppler-Vibrometer werden sowohl bei der akustischen Designoptimierung, als auch zunehmend bei der vibroakustischen Qualitätskontrolle im Akustikprüfstand eingesetzt, um das akustische Verhalten zu verbessern bzw. zu überprüfen. Vorteile gegenüber traditioneller taktiler Sensorik sind aussagekräftigere Messergebnisse, einfache Prüfstandsintegration, Taktzeitoptimierung sowie Schnittstellenvielfalt.
Bild: Polytec GmbHFür immer mehr Produkte gilt der Anspruch, diese leiser zu gestalten. Nicht nur im Bereich PKW, sondern auch für LKW, Baumaschinen und Landmaschinen versuchen die Entwickler stetig die Geräusche, speziell im Fahrzeuginnenraum, zu reduzieren.Bild: Polytec GmbH
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Dieser Artikel erschien in SPS-MAGAZIN SPS-Messe 2019 - 20.11.19.Für weitere Artikel besuchen Sie www.sps-magazin.de
