DREHSCHWINGUNGS- UND ROTATIONSANALYSE

WAS SIND DREHSCHWINGUNGEN, WIE ENTSTEHEN SIE UND ZU WELCHEN SCHÄDEN FÜHREN SIE?

Drehschwingungen sind mechanische Schwingungen, die durch zeitabhängige Wechselmomente verursacht werden, die der ansonsten konstanten Drehzahl einer rotierenden Welle überlagert werden. Im Automobilbau werden Drehschwingungen vor allem durch die Schwankungen der Motorleistung verursacht. Dies führt zu Winkelgeschwindigkeitsschwankungen der Kurbelwelle, die ein Verdrehen und Aufdrehen der Welle verursachen. Die Auswirkungen von Drehschwingungen werden durch eine Drehresonanz verstärkt, die entsteht, wenn die Eigenfrequenz einer Welle mit ihrer Torsionsfrequenz übereinstimmt. Übermäßige Drehschwingungen können zu unerwünschten Geräuschen, Verschleiß der Antriebsstrangkomponenten und in schweren Fällen zu Wellenbrüchen führen. Um solche Effekte im Voraus zu erkennen und Maßnahmen zu ergreifen, um sie zu vermeiden, bevor exzessive Schäden aufgetreten sind, benötigt der Entwicklungsingenieur ein spezielles, hochmodernes Messgerät mit anwendungsspezifischer Software, das den Messaufbau vereinfacht und eine schnelle Analyse ermöglicht.

WIE KANN MAN SICH DREHZAHLSCHWANKUNGEN UND DAZUGEHÖRIGER SCHWINGWINKEL BILDLICH VORSTELLEN?

KEINE DREHZAHLSCHWANKUNG

Das Zahnrad dreht sich mit 200 Umdr./min. Im Trickfilm ist die Geschwindigkeit 10-fach verlangsamt.

Ohne Drehzahlschwankung scheint das Zahnrad in der Trickaufnahme stillzustehen, wenn man die Zähne betrachtet. Das sich das Zahnrad dennoch dreht, ist an den umlaufenden gelben Strich zu erkennen.

KLEINE DREHZAHLSCHWANKUNG

Mit periodischer, sinusförmiger Drehzahlschwankung läuft das Zahnrad während einer Umdrehung nicht mit konstanter Drehzahl. Auf der einen Hälfte der Umdrehung ist es langsamer als die mittlere Drehzahl und auf der anderen Hälfte schneller.

Die Drehzahlschwankung selber ist in der Trickaufnahme nicht zusehen aber ihre Auswirkung. Mathematisch ist diese Wirkung das Integral über die Drehzahlschwankung und wird Schwingwinkel genannt. Der Schwingwinkel ist das periodische Vor- und Nacheilen der ungleichförmig drehenden Welle gegenüber einer gleichförmigen Bewegung. Dieser Schwingwinkel ist in der Trickaufnahme als die Schaukelbewegung des Zahnrades deutlich erkennbar. Hier sind es ein Schwingwinkel von 6 Grad, was genau einer Zahnteilung entspricht.

WARUM MÜSSEN DREHSCHWINGUNGEN GEMESSEN WERDEN?

Die genaue Messung und Analyse von Drehschwingungen ist eine Anforderung in den Entwicklungsabteilungen von Maschinen- und Fahrzeugbau. In den letzten Jahren haben Torsionsanregungsquellen an Leistung und Komplexität zugenommen. Darüber hinaus macht die Verwendung leichterer Materialien in Motoren und Antriebssträngen anfälliger für Torsionsanregungen. Um die daraus resultierenden Komfort- und Haltbarkeitsprobleme bei der Entwicklung neuer Fahrzeuge und rotierender Komponenten zu vermindern, ist eine kontinuierliche Optimierung des Motors, Antriebsstrangs und rotierender Komponenten erforderlich. Mit Hilfe von Antriebsstrangsimulationsmodellen können Entwicklungsingenieure z.B. Torsionsresonanzszenarien vorhersagen und identifizieren und die Probleme während der Entwicklungsphase auslegen. Detaillierte und genaue Daten sind unerlässlich für die Feinabstimmung, Kontrolle und Bestätigung aller Maßnahmen zur Fahrzeugverbesserung. Ohne entsprechende Daten ist eine genaue und aussagekräftige Modellierung nicht möglich, da dynamische Testdaten Voraussetzung für die Parametrisierung und Verifizierung der Modellierungsannahmen sind.

WO TRETEN DREHSCHWINGUNGEN AUF?

MIT WELCHER SENSORIK ERFOLGT DIE DREHZAHLMESSUNG?

Die Messung der Drehzahl bzw. der Winkelgeschwindigkeit erfolgt in der Regel durch

  • Verwendung eines optischen oder magnetischen Inkremental-Drehgebers auf der Welle
  • Abtastung von schwarz-weiß Markierungen mittels Laseroptik

Die Verwendung des jeweiligen Sensors hängt ab vom jeweiligen Anwendungsfall, den Umgebungsbedingungen sowie der erforderlichen Auflösung.

DREHSCHWINGUNGS- UND ROTATIONSANALYSE MIT ROTEC

Wir entwickeln und vertreiben das RASdelta-Messsystem für die Messung und Analyse von Drehschwingungen. Mit der Drehschwingungsmessung werden die Zeiten des Auftretens von gleichmäßig beabstandeten Winkellagen um eine rotierende Welle herum (z.B. Messung von Zahnrad- oder Geberimpulsdurchgangsfrequenzen) erfasst. Verschiedene Arten von Elektroniken können verwendet werden, um Impulssignale bereitzustellen, die proportional zur Drehfrequenz einer Welle sind. Die RAS-Drehzahlkanäle verwenden digitale Zähler mit einem Hochfrequenztakt (12.3 GHz), um die Zeitintervalle zwischen den Impulsen aufzuzeichnen. Diese Winkelabtastung liefert eine feste Anzahl von Datenpunkten pro Umdrehung, die unabhängig von der Drehzahl ist. Dabei wird die momentane Winkelgeschwindigkeit von rotierenden Wellen gemessen, d.h. die mittlere Geschwindigkeit von Impuls zu Impuls. Der Schwingungswinkel und die Winkelbeschleunigung werden durch Integration bzw. Differenzierung der gemessenen Winkelgeschwindigkeit berechnet. Diese beiden Berechnungen sind wichtig für die Untersuchung von Drehschwingungsproblemen. Eine weitere wichtige Berechnung ist der Winkel zwischen zwei Drehzahlkanälen (Verdrehwinkel einer Welle, Übertragungsfehler zwischen zwei gekoppelten Wellen). Die RAS-Analysesoftware, die hauptsächlich im Winkelbereich arbeitet, bietet umfassende Analysen im Zeit- und Spektralbereich (FFT-Ordnungs- und Frequenzanalyse). Die nahezu Echtzeitfähigkeit des RAS mit Anzeige und Analyse aller Kanäle ermöglicht die Anpassung der Testparameter während der Messung. Neben den digitalen Drehzahlkanälen sind die RAS-Systeme auch mit zusätzlichen Messkanälen ausgestattet, die die Aufbereitung und Erfassung einer Vielzahl von analogen Signalen mit Abtastraten bis zu 400kHz ermöglichen. Die Besonderheit von ROTEC-RAS ist die phasenangepasste Erfassung aller Signale: Drehzahlsignalerfassung mit variabler Diskretisierung der Zeit (winkeläquidistante Abtastung) und Erfassung von Analogsignalen – Beschleunigung, Kraft, Druck, Drehmoment, etc. – in konstanten Zeitabständen (zeitäquidistante Abtastung).

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