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.

WARUM MÜSSEN DREHSCHWINGUNGEN GEMESSEN WERDEN?

Die genaue Messung und Analyse von Drehschwingungen ist oft eine Anforderung in der Fahrzeugentwicklung, -verfeinerung und -optimierung[1 – 7]. 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 zu vermindern, ist eine kontinuierliche Optimierung der Motor- und Antriebsstrangkomponenten 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.

DREHSCHWINGUNGEN IM VERBRENNUNGSMOTOR

Drehschwingungen entstehen unter vor allem im Verbrennungsmotor. Die Umwandlung von Hubkraft in Drehkraft durch den Kurbeltrieb erzeugt aufgrund der Geometrie des Systems ein variables Drehmoment. Jeder Zylinder beschleunigt zum Zeitpunkt der Verbrennung und erzeugt einen Drehmomentimpuls, dem eine Verzögerung durch den Abgas- und Einlasshub folgt. Die daraus resultierenden Kurbelwellendrehschwingungen verdienen besondere Aufmerksamkeit, da sie über Riemen-, Ketten- und/oder Zahnradantriebe auf die Nockenwelle(n) und Nebenantriebskomponenten übertragen werden. Darüber hinaus können sie auch das Getriebe, die Kardanwelle, die Differenziale und die Seitenwellen erreichen. Kurbelwellendämpfer, Zweimassenschwungräder und Schwingungsdämpfer im Antriebsstrang können als Mittel zur Reduzierung oder Beseitigung unzulässiger Drehschwingungen eingesetzt werden.

DREHSCHWINGUNGS- UND ROTATIONSANALYSE MIT ROTEC

Vispiron Rotec, mit Sitz in München, Deutschland, liefert Spezialgeräte für die Messung und Analyse von Drehschwingungen. Das Kernprodukt des Unternehmens ist das Rotation Analysis System (ROTEC-RASdelta), ein PC-basiertes Signalerfassungs- und Analysesystem[8].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 (10 GHz, 40 Bit), 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 10GHz-Geschwindigkeitskanälen 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).

MESSAUFBAU: DREHZAL- UND LASERSENSOREN

Das Messen der Drehzahl (Winkelgeschwindigkeit) einer rotierenden Welle wird im Allgemeinen mit einem von drei Verfahren durchgeführt (Abbildung 1): – Montieren eines Präzisionsgetriebes auf der Welle und Verwenden eines stationären, berührungslosen magnetischen Abtastkopfes, um jedes Mal, wenn ein Zahnrad den Abtastkopf passiert, einen Impuls zu erzeugen – Reflektieren einer Laserlichtquelle von einem an der Welle befestigten, beschichteten Band (analog zu den vom Zahnrad erhaltenen Impulsen und besonders nützlich an schwer zugänglichen Stellen) – Montieren eines magnetischen oder optischen Inkrementalgebers auf der Welle[9]. Die Sensorelektronik muss ein Winkelgeschwindigkeitssignal in Form einer TTL-Impulsfolge ausgeben. Die Entscheidung für einen bestimmten Sensor hängt von der Anwendung, den physikalischen Gegebenheiten bei der Anwendung des Sensors sowie der erforderlichen Genauigkeit und Auflösung ab. Die Genauigkeit verschiedener Methoden, Fehlerquellen wie Zahnteilung usw. wurden an anderer Stelle ausführlich diskutiert[1].

Informationsgrafik Zahnrad, Reflexionsziel und inkrementaler Drehgeber

Abbildung 1: Ferromagnetisches Zahnrad als Ziel für die magnetische Aufnahme (links). Gestreiftes Band als Reflexionsziel für Lasersensor (Mitte), inkrementaler Drehgeber (rechts).

3.1 ABTASTEN EINES ZAHNRADES

Abbildung 2 zeigt schematisch das Prinzip der berührungslosen Geschwindigkeitsmessung mit einem differentiellen Magnetsensor. Der Sensorkopf besteht aus zwei Magnetwiderständen und einem Permanentmagneten, die eine Messbrückenschaltung bilden, die durch eine Brückenspannung mit Strom versorgt wird. Der Sensor erfasst die Bewegung von ferromagnetischen Materialien wie beispielsweise Zahnrädern. Ein Zahn oder eine Lücke, die sich am Sensor vorbei bewegt, verändert das Magnetfeld. Dies führt zu Veränderungen der inneren Brückenwiderstände. Die Signalkonditionierungselektronik wandelt die resultierende sinusförmige Spannung in ein digitales Rechtecksignal um, dessen Vorder- und Rückflanken dann als TTL-Pulsfolge mit schmalen Impulsen ausgegeben werden. Das Differentialprinzip stellt sicher, dass die Vorder- und Hinterkante der Mitte der Spitzen und Wurzeln der Verzahnung entsprechen. Die Anzahl der Datenpunkte pro Umdrehung verdoppelt sich damit gegenüber der Anzahl der Zähne. Dies ist für die Analyse höherer Ordnungen von Bedeutung, da die Genauigkeit der berechneten Amplituden von Oberwellen der Rotationsordnung von der Anzahl der Datenpunkte pro Umdrehung abhängt. Das Verhältnis zwischen der Anzahl der Zähne und der maximal messbaren Ordnung ist in[1] angegeben.

Abbildung 2: Drehzahlmessung mit Differenzsensor, Winkelgeschwindigkeit = Dq / DT. A: Rotierendes Zielrad. B: Stationärer, differentieller Drehzahlsensor. C: Sinusförmiges Signal vom Sensor. D: Zwischen-Rechteckwelle von der Sensorelektronik. E: TTL-Ausgang Impulsfolge von der Sensorelektronik.

3.2 DREHRICHTUNGSWECHSEL

Eine Umkehrung der Drehrichtung einer Welle kann beim Starten und Stoppen eines Motors auftreten. Die Drehrichtung kann mit einem Vierfachsensor erfasst werden. Die Magnetwiderstände sind paarweise als zwei Differenzsensoren angeordnet (Bild 3). Die Signalkonditionselektronik erzeugt zwei phasenverschobene Geschwindigkeitssignale und eine logische Verknüpfung bestimmt die Drehrichtung. Der Impulszug #1 (Geschwindigkeitssignal) und ein Richtungsbit werden dann ausgegeben.

Abbildung 3: Sensor mit Drehrichtungserkennung. A: Rotierendes Zielrad. B: Stationärer, vierfacher Sensor mit zwei Differenzsensoren 1 und 2. C: Zwei phasenverschobene Impulsfolgen von der Sensorelektronik.

3.3 ABSOLUTE WINKELVERLAGERUNG

Die Berechnung der Winkelverschiebung zwischen zwei Drehzahlkanälen ist eine häufige Anforderung. In der Standardanalyse wird dieser Winkel zu Beginn des Berechnungsprozesses auf Null gesetzt (Relativwinkel). Für die Berechnung des absoluten Winkels werden einmal pro Umdrehung Referenzmarken auf beiden Kanälen benötigt. Der Winkel zwischen diesen Markierungen wird dann geschätzt und vor Beginn der Messung in die RAS-Software eingegeben. Bei Verwendung von Zahnrädern als Ziel kann ein einzelner Zahn durch maschinelle Bearbeitung entfernt werden, um die einmal pro Umdrehung zu erzeugen. Fehlt ein Zahn am Zielrad, wird einmal pro Umdrehung ein Drehzahlwert gemessen, der etwa 50% niedriger ist als die tatsächliche Drehzahl, da die Periodendauer des TTL-Signals über den fehlenden Zahnspalt um den Faktor zwei zunimmt (Abbildung 4).

Abbildung 2: Drehzahlmessung mit Differenzsensor, Winkelgeschwindigkeit = Dq / DT. A: Rotierendes Zielrad. B: Stationärer, differentieller Drehzahlsensor. C: Sinusförmiges Signal vom Sensor. D: Zwischen-Rechteckwelle von der Sensorelektronik. E: TTL-Ausgang Impulsfolge von der Sensorelektronik.

Abbildung 5: Ausgangssignale eines inkrementalen Drehgebers. Zwei phasenverschobene Rechteckwellen A & B. Referenzmarke C.

ACKNOWLEDGEMENTS

The author wishes to thank Ralf Till of ZF Sachs AG, Schweinfurt and Thomas Kirch of Gates GmbH, Aachen for providing the measurement data presented in section 4. REFERENCES1. Seán Adamson. Improved Approaches to the Measurement and Analysis of Torsional Vibration. SAE Technical Paper 2004-01-1723 (ISBN 0-7680-1319-4) 2. Michael Lauer, Jörg Gindele and Roland Ries. Hochauflösende Drehschwingungsmessungzur Analyse von Verzahnungsgeräuschen im Triebsstrang. Haus der Technik Fachbuch, Band 79. expert verlag 2007 (ISBN 978-3-8169-2686-3) 3. Carsten Weber, Dirk Beismann, Seán Adamson and Markus Prem. Drehschwingungsanalyse an Verbrennungsmotoren. MTZ 62 (2001) 3 (ISSN 0024-8525) 4. Seán Adamson. Verbesserte Verfahren zur Messung und Analyse von Drehschwingungen. Haus der Technik Fachbuch, Band 25. expert verlag 2003 (ISBN 3-8169-2260-0) 5. Seán Adamson. Messung und Analyse von Drehschwingungen in der Kfz-Entwicklung. VDI-Berichte No. 2077, VDI Verlag Düsseldorf 2009, pages 237-248 (ISBN 978-3-18- 092077-1)6. Jeff. G. Sczepanski. New Equipment and Methodology to Perform High Speed Valvetrain Dynamics Testing and Analysis. SAE Technical Paper 2004-01-1720 (ISBN 0-7680- 1319-4) 7. J. Derek Smith. Gear Noise and Vibration, Marcel Dekker, 1999 (ISBN 0-8247-6005-0)8. Steve Goldmann. Vibration Spectrum Analysis. Industrial Press Inc., New York, N.Y. 1999, pages 223-232. (ISBN 0-8311-3088-1) 9. Vispiron Rotec GmbH, Munich, Germany. ROTEC-RAS 2009 User‘s Manual. www.vispironrotec.de 10. Heidenhain GmbH, Traunreut, Germany. Rotary Encoders Catalogue 2008. www.heidenhain.de