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Schwingungsmessung

Motoren akustisch prüfen

Antriebssysteme stellen hohe Anforderungen an die Erfassung, Verarbeitung und Auswertung von Messdaten in Motorenprüfständen. Um Schwingungen und Vibrationen zu bewerten, müssen sie hochfrequent mit bis zu 100 Kilohertz abgetastet und in Digitalsignale gewandelt werden. Die Iba AG kombiniert Schwingungsanalyse und Prozessdatenerfassung, um neben Condition Monitoring-Parametern auch Betriebsdaten des Prüflings zu beurteilen. Mit diesen Eigenschaften wurde die Lösung in mehreren Motorenprüfständen zur Akustiküberwachung von Verbrennungsmotoren integriert.

Bild: Iba AG

Neben dem Test von mechanischen Eigenschaften werden Motorenprüfstände in End of Line-Tests zunehmend auch für sogenannte NVH-Messungen eingesetzt. NVH steht dabei für Noise, Vibration, Harshness oder (Geräusch, Vibration, Rauheit) und ist die Bezeichnung für als Geräusch hörbare oder als Vibration spürbare Schwingungen in Kraftfahrzeugen oder an Maschinen. Rauheit beziehungsweise Harshness bezeichnet den hör- und fühlbaren Übergangsbereich im Bereich von 20 bis 100 Hertz. Generell ist die Ursache für Schwingungen an Maschinen die lokale Krafteinleitung einer Schwingungsquelle in schwingungsübertragende Medien wie mechanische Strukturen in Kraftfahrzeugen. Bei der Akustikprüfung werden Bauteile untersucht, welche im Betrieb Vibrationen erzeugen, die sich als störende Geräusche bemerkbar machen. Die Akustikprüfung kann Aufschluss über fehlerhafte Funktionsweisen und über Fehler im Produktionsprozess geben. Bei NVH-Messungen werden sowohl der Luftschall über Messmikrophone als auch der Körperschall an der Maschine über 3D-Beschleunigungssensoren gemessen. Das Prozessdatenaufzeichungssystem IBAPDA der Iba AG lässt sich den gängigen Automatisierungsplattformen verbinden.

Durch diese Konnektivität und die Erfassungsrate von bis zu 100 Kilohertz ist es in der Lage, das Verhalten komplexer und schneller Prozesse übergreifend zu analysieren und damit zu verbessern. Mit dem Add-On Iba-In-Spectra stellt der Anbieter eine Lösung zur Erfassung, Anzeige und Analyse mechanischer Schwingungen in Maschinen und Anlagen zur Verfügung. Das System für die Schwingungsüberwachung und Spektralanalyse ist nicht herstellerspezifisch ausgelegt oder auf einzelne Maschinen beschränkt, sondern nutzt die Konnektivität von IBAPDA-V6 und dessen Hardware. Damit ist es besonders auf den Einsatz in Prüfständen ausgelegt, die bereits über eine eigene Steuerung verfügen und um Messaufgaben ergänzt werden sollen. Aufgrund der Integration in das Prozessdatenaufzeichungssystem des Herstellers können sowohl Schwingungsmessdaten als auch andere relevante Maschinen- und Steuerungsdaten zentral erfasst und in Beziehung gesetzt werden. Somit lassen sich neben der Schwingungsanalyse auch Zusammenhänge mit dem jeweiligen Betriebszustand des Prüflings erkennen. Mit der Erfassungslösung können die Sensoren zeitsynchron und kontinuierlich eingekoppelt, die aktuellen Frequenzanalysen in Echtzeit angezeigt und Kennwerte in festgelegten Frequenzbändern in Echtzeit berechnet werden. Kritische Zustände oder Grenzwertverletzungen lassen sich signalisieren, um zum Schutz von Mensch und Maschine beizutragen.

Prüfstände nachrüsten

Ein bekannter Prüfstandsbauer hatte die Aufgabe, seine in einem Motorenwerk eines Automobilherstellers laufenden Prüfstände mit einer Akustikanalyse nachzurüsten. Die Prüfstände dienen in einem End-of-Line-Test dazu, die gefertigten Verbrennungsmotoren stichprobenartig im Dauerbetrieb zu testen. Die Langzeitprüf-läufe mit über 300 Stunden mussten in der Nacht unterbrochen werden, da die Prüfstände nur zweischichtig mit Personal besetzt sind. Mit einer Überwachung von Schwingungs- und Geräuschpegeln und einer automatischen Abschaltung bei der Überschreitung regulärer Grenzwerte könnte der Prüfstand ohne Personal durchlaufen. Daher war der Hersteller der Prüfstände auf der Suche nach einem nachrüstbaren System zur zuverlässigen und automatischen Überwachung der Prüfstände über Schwingungssensoren und Mikrofone. Die Entscheidung für das System der Iba AG wurde aufgrund seiner Flexibilität und Parametrierbarkeit getroffen. Außerdem ließ sich das System nahtlos in die bereits vorhandene Prüfstandsautomatisierung des Herstellers integrieren.

„Vom Ansatz her ist diese Anwendung eigentlich kein klassisches Condition Monitoring. Die eingesetzte Technik ist jedoch identisch“, sagt Günter Spreitzhofer, Applikations- und Consulting Spezialist bei der Iba AG aus. Beim Condition Monitoring ginge es darum, ein bestimmtes Bauteil über einen längeren Zeitraum zu prüfen und zu vergleichen. Die Messungen seien immer auf das gleiche Teil bezogen, man will wissen, wann im Messverlauf ein Ausreißer oder ein Trend auftritt, der eine Alterung anzeigt. Die eingesetzte Messtechnik im Motorenprüfstand analysiere die Schwingungssignale in Echtzeit und gebe beim Überschreiten von Grenzwerten in kritischen Frequenzbändern ein Signal zur Abschaltung des Prüfstandes aus. Der Unterschied zwischen Condition Monitoring und End-of-Line-Prüfung liegt also in den der Schwingungsüberwachung zugrunde liegenden Parametern. Die Abschaltung erfolgt über das Schwingungsüberwachungssystem der Lösung. Die Schwingungsmessung wird dabei über die Prüfstandssteuerung bedient und gesteuert. Die Messdaten werden zeitlich hochaufgelöst auf dem Messrechner der Lösung abgespeichert um bei Auffälligkeiten Tiefenanalysen durch Spezialisten anzustoßen.

Hohe Abtastraten

Das technologische Herzstück der messtechnischen Lösung stellten die Hard- und Software-Komponenten dar. Im Prüfstand war das Datenerfassungssystem die Basis für die Einkopplung und Aufzeichung aller Messdaten. Die Condition Monitoring-Software bildete die Basis für die Schwingungsanalyse. Die Einkopplung der Sensorik bestehend aus IEPE-Beschleunigungssensoren und IEPE-Mikrofonen erfolgte durch ein Acht-Kanal-IEPE-Modul im modularen I/O-System IBAPADU-S mit einer Abtastrate von 40 Kilohertz. Die Abschaltung des Prüfstandes erfolgt über Digitalausgänge im selben System. Das System ist über LWL bidirektional mit dem Messrechner verbunden. Die Übertragung von schnellen Signalen vom Prüfstandleitsystem zum Messsystem erfolgt über CAN-Bus. Das externe CAN-Modul des Software-Herstellers empfängt die Daten vom CAN-Bus und überträgt diese via LWL zum Messrechner.

Über eine Ethernet TCP/IP-Verbindung wird auch der auf dem Leitsystem integrierte Client zur Visualisierung der Schwingungssignale und zur Bedienung des Messsystems angebunden. Als Analyse-Werkzeug hinter dem Messsystem ist das Werkzeug Iba-Analyzer im Einsatz. Die am Prüfstand aufgenommenen Daten stehen dem Fachleuten für Schwingungsanalyse am Bildschirm in seinem Büro zur Verfügung und können mit dem Analyse-Werkzeug unmittelbar ausgewertet werden. Die Daten werden automatisch, online und in Echtzeit erfasst. „Der Prüfprozess wird so weitaus nachvollziehbarer und besser dokumentierbar“, schildert Günter Spreitzhofer. Mit dem System verfügt der Motorenprüfstand über einen definierten und reproduzierbaren Messablauf, der dennoch auf die Gegebenheiten abgestimmt und auch für weitere Anforderungen erweiterbar ist.

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