Anwendung der Schwingungsdiagnose
zur akustischen Qualitätssicherung
in der Produktion

1. Einleitung

Autokäufer möchten in der Regel ein Fahrzeug mit möglichst wenig störendem Geräusch. Früher überdeckte das Motorgeräusch alle anderen Geräusche weitgehend. Durch zunehmende Kapselung der Motoren treten nun aber andere Geräusche in den Vordergrund. So emittieren etwa schlecht produzierte Getriebe hörbare tonale Geräusche, die als besonders kritisch bei der Beurteilung des Gesamtgeräuschpegels im Fahrzeug gelten. Eine schwingungsdiagnostische Qualitätssicherung der Motoren- und Getriebeproduktion kann verhindern, dass schlecht produzierte Getriebe mit akustisch wahrnehmbaren Fehlern wie heulen, pfeifen und klopfen oder akustisch auffällige Motoren im Fahrzeug verbaut werden und zum Endkunden gelangen.

2. Schwingungsdiagnose in der Produktion

Trotz vieler vorgelagerter Kontrollen kommt es bei der Produktion von Motoren und Getrieben hin und wieder zu Montagefehlern und/oder zum Verbau von fehlerhaften Teilen. Die Addition von Toleranzen mehrerer Bauteile kann zudem auch beim Zusammenbau einwandfreier Komponenten dazu führen, dass ein besonders geräuschauffälliger Motor oder ein heulendes Getriebe (im weiteren Verlauf als Produkt bezeichnet) entsteht.

Abbildung 1: Prüfstand zur akustischen Qualitätssicherung bei Automatikgetrieben.

Im Rahmen der Endfunktionsprüfung wird das zusammengebaute Produkt umfangreich geprüft. Meistens „hört“ ein menschlicher Prüfer das Produkt zusätzlich ab – er unterzieht es damit einer subjektiven Geräuschprüfung.

Schwingungsdiagnosemesssysteme werden meist zur Erhöhung der Prozesssicherheit und Nachvollziehbarkeit der Geräuschprüfung eingesetzt. Damit leistet die Schwingungsdiagnose eine akustische Qualitätssicherung (AQS) an den Produktprüflingen. Hierfür bietet red-ant das hoch spezialisierte Messsystem MIG16 AQS an.

Abbildung 2: Messsystem MIG16 zur akustischen Qualitätssicherung (Abbildung zeigt portable Version zur Fahrzeugmessung, auch als 19-Zoll-Einbaugehäuse lieferbar).

2.1 Wie funktioniert AQS?

Zur AQS werden Messdaten vom Produktprüfling sowie Betriebsdaten des Prüflaufs erfasst. Die Haupteingangssignale sind hierbei die Schwingungen an verschiedenen Punkten des Prüflings (gemessen als Schwingbeschleunigung) und Drehzahlen. Hinzu kommen können noch Drehmomente, Übersetzungen und Temperaturen.

Die folgende Abbildung zeigt ein mögliches Schema zur Erfassung dieser Signale an einem End-of-Line-Prüfstand für ein automatisiertes Schaltgetriebe mit integrierter Achse und Radkopfgetrieben eines schweren Nutzfahrzeugs. Für die Prüfung von Motoren gilt ein ähnliches Anschlussschema.

Abbildung 3: Anschlusschema eines AQS-Messsystems am End-of Line-Prüfstand zum Funktions- und Geräuschtest von Getrieben und Achsgetrieben.

Zum Start der Messung übermittelt der Prüfstandsrechner dem AQS-Messsystem über eine Schnittstelle Typ und Seriennummer des Prüflings sowie den Start der einzelnen Prüfschritte (z.B. 1. Gang Schub, 1. Gang Zug etc.).

Die Messsignale werden daraufhin mit dem AQS-Messsystem erfasst und digitalisiert. Aus den digitalisierten Signalen werden so genannte NVH-Indikatoren in Echtzeit berechnet und mit Grenzwerten verglichen. Überschreitet ein Indikator einen Grenzwert im Verlaufe der Prüfung, so wird der Prüfling als n.i.O. (nicht in Ordnung) markiert. Bleiben die NVH-Indikatoren innerhalb der Grenzwerte, so ist der Prüfling i.O. (in Ordnung). Abschließend werden die Prüfergebnisse des AQS-Messsystems über die Schnittstelle an den Prüfstandsrechner und eventuell weitere Rechner (z.B. Produktionsleitrechner) übermittelt.

Abbildung 4: Ablauf einer AQS-Messung am End-of-Line-Prüfstand zum Funktions- und Geräuschtest von Motoren, Getrieben und Achsgetrieben.

Ein wichtiger Punkt ist die Einstellung der Grenzwerte für die NVH-Indikatoren. Das System lernt die Grenzwerte für verschiedene Betriebspunkte (Drehmoment, Drehzahl) in der Regel automatisiert mit Hilfe von Gut- und Schlechtmustern.

Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, mit statistisch ermittelten Größen die Grenzwerte ohne Musterprüfung bei laufender Produktion automatisiert zu lernen. Hier hat sich ein einfaches statistisches Verfahren bewährt: Es wird eine Anzahl Produkte aus der laufenden Produktion bestimmt, aus der für jeden Kennwert Mittelwert, Varianz und Standardabweichung errechnet werden. Aus diesen statischen Größen wird das Gutmuster definiert, mit dem der Rest der Produktion verglichen wird.

2.2 Was leistet AQS?

Folgende vier Punkte werden von einem AQS-Messsystem geleistet:

  • Erkennung und Markierung von geräuschauffälligen Prüflingen
  • Bestimmung des Fehlers
  • Dokumentation des Auslieferungszustandes des Prüflings
  • Schutz des Personals und des Prüfstandes vor Prüflingsdefekten
  • Erkennung von geräuschauffälligen Prüflingen

Geräuschauffällige Prüflinge entstehen zumeist durch Montagefehler oder durch den Verbau von fehlerhaften Komponenten wie Zahnrädern oder Lagern. Seltener führt ein Zusammenbau von Komponenten mit grenzwertigen Toleranzwerten dazu, dass Getriebe oder Motor geräuschauffällig werden. Bei Verzahnungen unterscheidet man hierbei zwischen tonalen (heulen, pfeifen), periodisch wiederkehrenden (klopfen, rattern) und aperiodischen Geräuschen (Schaltgeräusche, rasseln).

Bestimmung des Fehlers

Ein AQS-Messsystem kann die oben genannten Fehler objektiv erfassen und dokumentieren. Durch die Analyse der Messdaten mit modernen schwingungsdiagnostischen Verfahren, wie digitaler winkelsynchroner Ordnungsanalyse und 3D-Körperschallortung, kann auch die Ursache des Geräusches diagnostiziert werden. Die folgende Abbildung zeigt den umfangreichen Datensatz eines Handschaltgetriebes mit integrierter Achse, aus dem der Fehler bestimmt wird.


Abbildung 5: NVH-Indikator Ordnungsspektrum für ein Handschaltgetriebe mit angeflanschter Achse.

Aus diesen Datensätzen kann eine Reparaturanweisung für die der Prüfung nachgelagerte Reparaturstation automatisiert ausgegeben werden.

Dokumentation des Auslieferungszustandes des Prüflings

Der Vorteil einer objektiven akustischen Geräuschprüfung ist, dass der Zustand des Prüflings bei Verlassen des Werkes dokumentiert worden ist. Sollte es später vom Endkunden zu Beanstandungen kommen, kann eine erneute Prüfung eventuelle Abweichungen und deren Ursachen ermitteln (Transport, falsche Befüllung mit Schmierstoffen etc.).

Die objektive Geräuschprüfung verhindert die Auslieferung und Weiterverarbeitung geräuschauffälliger Produkte. Dadurch werden so genannte Rückbaukosten eingespart, die in der Regel der Lieferant des Produktes tragen muss.

Abbildung 6: Prüfbericht über das Produkt mit Seriennummer, Typ, Datum, Zeichnung, Funktionsprüfergebnissen, Ergebnissen der Schwingungsmessung in Kurzform (linke Seite) sowie allen detaillierten NVH-Indikatoren (Tabelle rechte Seite).

Schutz des Personals und des Prüfstands vor großen Prüflingsdefekten

Die Endfunktionsprüfung von Motoren und Getrieben erfordert in der Regel die Nähe von Personal zur Bestückung. Gleichzeitig bestehen hohe kinetisch gebundene Energien (hohe Drehzahlen und Drehmomente). Erfolgte der Zusammenbau des Produktes unsachgemäß, so dass der Prüfling beschädigt oder zerstört wird, kann dies zu Sach- und Personenschäden am Prüfstand führen.

Eine Besonderheit des Messsystems MIG16 AQS von red-ant ist, dass die gesamte Prüfung in Echtzeit überwacht wird. Sollte sich im Laufe der Prüfung ein Schaden entwickeln, so löst das Messsystem eine Notfall-Abschaltung des Prüfstands aus, bevor es zum Bruch einer Komponente des Prüflings kommt.

Folgende Abbildung zeigt den Verlauf einer AQS-Prüfung aus Sicht der Notfallabschaltung.

Abbildung 7: Notfallabschaltung nach permanenter Körperschallüberwachung während der AQS-Prüfung eines Schaltgetriebes mit angeflanschter Achse. Oberer Graph: Drehzahlprofil während der gesamten Messung, 1. Gang Zug, 1. Gang Schub, 2. Gang Zug und 2. Gang Schub. Untere drei Graphen: schwarze Linie: NVH-Indikatoren unterschiedlicher Messpunkte (von oben nach unten: linker Radkopf, Schaltgetriebe, rechter Radkopf), rote Linien: Grenzwerte.

2.3 Was kostet AQS?

Die Investitionskosten eines AQS-Messsystems liegen in der Regel zwischen 30.000 und 80.000 Euro, je nach Komplexitätsgrad der Prüfung und der Prüflinge sowie der Anzahl der Kanäle und Sensoren. In Relation zu den Kosten für einen Prüfstand ein geringer Preis, denn er beträgt nur etwa zwei bis fünf Prozent der Gesamtinvestition.

Abbildung 8: Kosten eines vollautomatisierten Endfunktionsprüfstands für Handschaltgetriebe eines deutschen Herstellers

In der Regel amortisiert sich die Investition in ein AQS-Messsystem innerhalb von zwei bis drei Jahren durch Verringerung der Rückbaukosten und weniger abzuwickelnde Garantieleistungen durch vorzeitige Produktausfälle beim Endkunden.

3. Zusammenfassung

Der Bericht verdeutlicht, dass sich der Einsatz schwingungsdiagnostischer Messsysteme zur Qualitätssicherung in der Produktion sowohl in wirtschaftlicher Hinsicht als auch mit Blick auf optimierte Produktionsprozesse sowie die Arbeitssicherheit des Personals positiv auswirkt.

Aus den Beschreibungen der Anwendung und des Leistungsvermögens der AQS-Messsysteme lässt sich deren hohe Präzision und die daraus entstehende Aufwertung des Produktionsbetriebes ableiten.

Die abschließende wirtschaftliche Betrachtung zeigt die vergleichsweise geringen Kosten in Relation zum Umfeld auf.