Motorprüfung Geräusch- und Funktionsprüfung von Elektromotoren in der Fertigung mit

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1 Motorprüfung Geräusch- und Funktionsprüfung von Elektromotoren in der Fertigung mit

2 Elektromotoren und Antriebe der verschiedensten Größe und Leistung finden sich in praktisch allen Aggregaten - von miniaturisierten Servo- und Schrittmotoren über Geräte für Haushalt, Büro, Klima und Auto bis hin zu industriellen Großmaschinen. Auch im privaten Bereich achtet der Kunde heute immer mehr auf die Umweltbelastung durch Lärm und nimmt das Geräusch eines Gerätes nicht nur als störend wahr, sondern befürchtet bei auffälligen Geräuschen durchaus auch eine Fehlfunktion oder gar einen drohenden Ausfall. Durch eine integrierte Geräusch- und Funktionsprüfung in der Fertigung lässt sich die Kundenzufriedenheit erheblich verbessern und die Daten können nebenbei noch für die Dokumentation der Produktion und in der Entwicklung zur Verbesserung der Produktqualität genutzt werden. Das letzte Urteil hat jedoch immer der Käufer. Durch eine kontinuierliche Überwachung und Dokumentation der Produktion wird die Kundenreklamation auf ein Minimum reduziert. SonicTC.Drives ist speziell für diese Anforderungen ausgelegt. Neben den gängigen Verfahren zur akustischen Qualitätssicherung sind weitere Verfahren implementiert, die speziell für die Betrachtung von Elektromotoren geeignet sind. Dies sind neben psychoakustischen Verfahren zur gehörgerechten Bewertung z. B. Filter zur Amplituden-Demodulation. Damit lassen sich gezielt Schwergängigkeiten und Gleichlaufschwankungen untersuchen. Um die üblichen Drehzahlschwankungen in der Serie auszugleichen ist selbstverständlich auch eine drehzahlkorrigierte Spektralauswertung oder Ordnungsanalyse möglich. Als Highlight wird dabei die Drehzahl aus dem Akustiksignal berechnet. Dies spart die zum Teil aufwändige Ankopplung einer Drehzahlmessung und ermöglicht damit auch die Ordnungsanalyse an Motoren, bei denen keine Möglichkeit besteht, die Drehzahl durch eine externe Sensorik zu erfassen. Ihr Nutzen Auf den modernen globalen Märkten sind Konzepte und Lösungen gefragt, die zu messbaren Kosten- und Wettbewerbsvorteilen verhelfen. Die fertigungsintegrierte akustische Mess- und Prüftechnik verfügt hier über großes Potential. Kunden, die akustische Prüftechnik einsetzen, bestätigen bedeutende Nutzen- und Marktvorteile: Sie verbesserten messbar ihre Lieferqualität und vermeiden dadurch hohe Reklamationskosten. Sie sichern sich wichtige Wettbewerbsvorteile, weil die Prüftechnik Daten für eine stetige Verbesserung von Produkt und Produktionsprozess liefert. Vorgeschädigte Bauteile werden rechtzeitig erkannt und gelangen nicht zum Kunden. Das vermeidet einen Vertrauensverlust und sichert eine reibungslose Zusammenarbeit. Investitionen amortisieren sich bei einer technisch ausgereiften und wirtschaftlichen Lösung oft innerhalb weniger Monate. Für eine professionelle, zuverlässige Lösung ist es wichtig, dass der Prüftechnik- Partner über eingehende Erfahrung auf den Gebieten der Akustik, Prüftechnik und Automatisierung verfügt.

3 Inhalt Akustische Prüfung in der Fertigung Nur ein Motor? Anforderungen Qualität und Qualitätsprüfung Prüfgrößen Akustik Geräuscharten und Analyseverfahren... 7 Anwendungsbeispiele... 8 Rohrmotore... 8 Elektronische Feststellbremsen... 8 Getriebemotor... 9 Cabrio Verdeckverschluss EC Motoren Quietschende Lager an Motoren... 11

4 Akustische Prüfung in der Fertigung 1. Nur ein Motor? Elektromotoren dienen heute lange nicht mehr lediglich zur Entlastung des Menschen bei schweren körperlichen Arbeiten (Bohrmaschine, Kreissäge), sondern werden im täglichen Gebrauch zur Verbesserung der Lebensqualität eingesetzt. Denken Sie dabei nur an Ihren morgendlichen Ablauf: nachdem Sie Ihr Radiowecker aus dem Schlaf gerissen hat, putzen Sie sich die Zähne mit der elektrischen Zahnbürste, kürzen evtl. Ihren Bart mit einem Elektrorasierer, föhnen sich die Haare und lassen sich einen Kaffee mit frisch gemahlenen Bohnen an Ihrer neuen Maschine aufbrühen. Nun beinhaltet das Geräusch aber durchaus auch Informationen, die der Mensch als Rückmeldung für eine ordentliche Funktion des Gerätes benötigt. So vermittelt mir ein leiser Staubsauger das Gefühl, wenig Leistung zu besitzen und damit schlechter zu reinigen. Es kommt also nicht darauf an, möglichst wenig Geräusch zu verursachen, sondern das Richtige. Man spricht dann auch von wertadäquaten Geräuschen. Die nebenstehende Grafik zeigt einen Geräuschkorridor, der das Geräusch als Ganzes sowohl nach oben, als auch nach unten bewertet und damit eine charakteristische Verteilung der spektralen Zusammensetzung. 2. Anforderungen Eine automatisierte Serienfertigung mit hohen Stückzahlen erfordert bei dem heutigen Kostendruck eine rechnergestützte Steuerungs-, Mess- und Prüftechnik. Grund hierfür sind nicht alleine die Stückzahlen oder die Ausbildung der Mitarbeiter, sondern die Dokumentation der Prüfergebnisse und der schnelle Eingriff in die Fertigung, wenn wiederholt Fehler festgestellt werden. Fertigungsdaten müssen jederzeit zur Verfügung stehen und unter verschiedenen Gesichtspunkten auswertbar sein. 3. Qualität und Qualitätsprüfung Dokumentation, Archivierung, Nachprüfbarkeit, Rückführbarkeit, diese Forderungen gelten selbstverständlich auch für die Geräusch- und Vibrationsbeurteilung von Produkten. Allerdings ist die Umsetzung in die Praxis schwieriger als z. B. beim Messen von physikalischen Größen wie Strom, Spannung oder Drehzahl und Drehmoment. Eine Herausforderung ist hierbei weniger die messtechnische Erfassung, als die Auswahl der geeigneten Verfahren und die Bewertung der akustischen Signale,

5 denn als Referenz stehen nur die subjektiven Wahrnehmungen der Prüfer und deren Beurteilung zur Verfügung. Die subjektive Bewertung bildet die Grundlage für die objektive Entscheidung durch das Prüfsystem. Will man sich nicht auf die subjektive Bewertung als Referenz verlassen, so bietet der integrierte Lernmodus der Software SonicTC.Drives eine Möglichkeit, die Bewertungsgrenzen aufgrund von Messdaten aus der Produktion statistisch zu berechnen. 4. Prüfgrößen Die nachfolgende Tabelle zeigt die typischen Größen einer umfassenden Antriebsprüfung: Prüfgröße Hochspannungsprüfung Schutzleiter Erdwiderstand Drehzahl Drehmoment (Lastsimulation) Strom Geräusch, Vibration Elektronikprüfung Bedeutung Sicherheit nach VDE Schwergängigkeit, Montagefehler Leistungstest Schwergängigkeit, Sicherheit Montagefehler, Bauteilfehler, Geräuschqualität z.b. Hallsensorik, Funkfernsteuerungen uvm. Tabelle 1: Prüfgrößen einer umfassenden Prüfung 5. Akustik Grundlagen Die Akustik beschäftigt sich mit der Beschreibung von Schallfeldern und deren Phänomenen (siehe Tabelle 2). Akustik Schallentstehung u. a. durch Stöße, Reibung Schallausbreitung Körperschall Schallabstrahlung Luftschall Schallaufnahme Sensorik, Ohr Tabelle 2: Kategorien der Akustik Wir können verschiedene Schallarten (siehe Tabelle 3) unterscheiden, die letztendlich als elastodynamische Schwingungen und Wellen im jeweiligen Medium zu definieren sind.

6 Schallarten Körperschall Luftschall Flüssigkeitsschall Schwingung, Vibration Geräusch, Lärm Pulsation Beschleunigungssensor Kraftsensor Nerven Tabelle 3: Kategorien der Schallarten Mikrofon Gehör Drucksensor Hydrophon Für die Qualitätsprüfung ist insbesondere die Art der Schallbeurteilung wichtig. Die subjektive Schallbeurteilung bedeutet hierbei die Zuordnung eines Urteils zu einem Produkt durch den menschlichen Prüfer aufgrund seines Empfindens (hören und fühlen). Diese Wahrnehmungen unterliegen zahlreichen, nicht genau bestimmbaren Einflussfaktoren. Die "objektive" Schallbeurteilung basiert auf Sensoren für die unterschiedlichen Schallarten und versucht die Einflussfaktoren zu minimieren bzw. algorithmisch zu berücksichtigen. Um eine Beurteilung durchzuführen, müssen möglichst gut trennbare Merkmale gefunden werden, deren Werte einzeln oder verknüpft das Beurteilungsmaß bilden [Röpke, Filbert 1995] Subjektiv Schallbeurteilung Objektiv bzw. messtechnisch Wahrnehmung und Beurteilung (aufgrund Erfahrung) durch den Menschen Hörempfinden physische und psychische Einflussfaktoren Vorteile Erkennen komplexer Geräusche Lernen neuer Geräusch Nachteile keine Absolutbewertung Reproduzierbarkeit 85 % Aussagesicherheit 85 % keine Automatisierung individueller Beurteilungsmaßstab Signalerfassung, -verarbeitung und Klassifikation durch einen Rechner / Maschine Messgrößen, berechnete Merkmale technische Einflussfaktoren Reproduzierbarkeit Dokumentierbarkeit Automatisierbarkeit Standardisierbarkeit bekannter Beurteilungsmaßstab Aufwand bei kleinen Losgrößen identische Prüfbedingungen zwingend Tabelle 4: Kategorien der Schallbeurteilung

7 Unter Geräuschprüfung in der Fertigung wird die Bewertung des Luftschalls verstanden, während die Schwingungsanalyse des Körperschallsignals sowohl die Vibrationen des Prüflings als auch dessen Einkopplung in die umgebende Struktur zum Gegenstand hat. Voraussetzung Akustische Prüftechnik lässt sich nur dann erfolgreich im industriellen Umfeld einsetzen, wenn die nachfolgenden Voraussetzungen gegeben sind und die Zielrichtung klar definiert ist. Hierzu bedarf es einer exakten Aufgabenanalyse und Konzeption der gesamten Prüfanlage. Für eine erfolgreiche Schallbeurteilung unter Fertigungsbedingungen müssen gemäß Tabelle 4 die Einflussfaktoren minimiert und reproduzierbare Bedingungen geschaffen werden. Sensorik: Prüfstand: Messbedingungen: Merkmalsfindung: robust, industriegerecht, einflussarm Schwingungsentkopplung von Umgebung auf Schwingungsprüfung abgestimmte Prüflingshalterung reproduzierbar, vergleichbar, Heranziehung sinnvoller Messgrößen trennwirksam, handhabbare Anzahl, aussagekräftig 6. Geräuscharten und Analyseverfahren Beispielsweise lassen sich folgende Fehler über die Geräusch- und Schwingungsprüfung mit sinnvoll konzipierter Sensorik bzw. Prüfstandsgestaltung detektieren: Geräuschart Beschreibung Mögliche Analyseverfahren Schlagen / Tackern Brummen Quietschen Schnarren Jaulen usw. Tieffrequente, periodische Anregung einer Strukturresonanz Disharmonisches Gemisch von tieffrequenten, modulierten Anteilen Hochfrequentes Signal, tieffrequente Anregung einer Strukturresonanz Nasaler Ton im mittleren Frequenzbereich Schwankende höhere Motorordnungen, tieffrequente AM-Modulation Tabelle 5: Beispiele für Geräuscharten und mögliche Analyseverfahren Frequenzband im Leistungsspektrum, Kurtosis, Crestfaktor Hochaufgelöstes Leistungsspektrum, Modulationsspektrum Schärfe, Leistungsspektrum Modulationsspektrum Rauhigkeit, Modulationsspektrum Ursache hierfür sind z. B. fehlerhafte Montage bzw. das Verwenden schadhafter Teile (z. B. Zahneingriff, Zahnstange mit Schweißperlen, Bürstenfehler, Kollektorfehler).

8 Anwendungsbeispiele Rohrmotore Rohrmotore für Rollläden und Markisen wer- den nach der Montage einer automatischen Funktions- und Geräuschprüfung unterzogen. Die Prüfplätze sind manuell bestückt. Eine mechanische Belastungseinheit simuliert die Lastverhältnisse im Betrieb Die Prüfung der Vibrationen erfolgt parallel zur Stromaufnahme mit Hilfe von Beschleu- nigungssensoren. Elektronische Feststellbremsen Die Elektrische Feststellbremse, welche die heutige konventionell mechanisch betätigte Handbremse ersetzt, erfüllt gleichzeitig die ständig steigenden Ansprüche an Fahrkom- und Platzbe- fort, Funktionalität, Haltbarkeit darf im Fahrgastraum. Die Feststellbremsen werden mit dem Prüf- auf unerwünschte system SonicTC.Drives Schwingungen in der Linie geprüft. Über die Auswertung des Körperschalls wird eine um- Schwingverhaltens fassende Bewertung des vorgenommen. In einem umfangreichenn Engineering in Zu- OEM, Zulieferer sammenarbeit zwischen und RTE wurden die Grundvoraussetzungen für die optimale Messung ermittelt. Dabei wurden im Vorfeld unter Anderem umfang- um die ide- reiche Messreihen durchgeführt, ale Sensorposition an der komplexen Gehäusestruktur fest zu legen.

9 Getriebemotor Getriebemotore der unterschiedlichsten Varianten und Bauformen werden wie hier auf kompakten Prüfadaptern auf Funktion und Schwingungen geprüft. Eine Magnetpulverbremse simuliert die Lastverhältnisse der späteren Einbausituation in den unterschiedlichen Betriebszuständen heben, senken, öffnen, schließen. Während des vollautomatischen Ablaufes fertigt der Werker den nächsten Antrieb. Durch das Konzept der parallelen Prüfung und Produktion hat der Werker immer eine unmittelbare Rückmeldung über seine Produktion.

10 Cabrio Verdeckverschluss Der elektromechanische Fanghaken eines Cabriolet Verdeckverschlusses ist im Dach integriert und befindet sich damit in unmittelbarer Nähe des Fahrers. In diesem Bereich ist eine Geräuschentwicklung sehr kritisch. Über ein Proportionalventil wird mit Hilfe eines Pneumatikzylinders die Lastkurve der Verschlussbewegung simuliert. Die dabei entstehenden Geräusche werden aufgezeichnet und analysiert. Vergleichmessungen im Fahrzeug und im Prüfstand unterstützten die Einrichtung der Parameter. EC Motoren Schnelle und präzise EC-Motoren eignen für alle Anwendungen, die eine präzise Regelbarkeit, hohe Dynamik und eine lange Lebensdauer verlangen, z. B. bei Operationstischen, die für eine optimale Patientenlagerung in nahezu alle denkbaren Richtungen verstellbar sind. Da die EC-Antriebe in unterschiedlichen Varianten und kleineren Losgrößen produziert werden, wurde der Prüfstand modular aufgebaut. Je nach zu prüfendem Antriebstyp lässt sich das entsprechende Modul mit der passenden Motorhalterung innerhalb weniger Sekunden einsetzen. Ein Umrüsten auf eine andere Antriebsvariante ist damit jederzeit einfach und schnell möglich. Da sich die Drehzahl der Antriebe während der Prüfung ändert, bewertet SonicTC.Drives sowohl den Zeit- und Frequenzbereich als auch die Motordrehzahl (Ordnungsanalyse).

11 Quietschende Lager an Motoren Für den Benutzer sehr unangenehm sind Quietschgeräusche, die sporadisch auftreten. Durch den Einbau in Gehäuse entsteht zusätzlich ein Resonanzkörper, der jede Schwingung verstärkt. Die nebenstehende Grafik zeigt im oberen Teil den zeitlichen Verlauf der spektralen Zusammensetzung des Geräusches eines Elektromotors. Die blau dargestellten Bereiche stellen einen niedrigen Pegel dar. Die eingekreisten grünlichen bis roten Linien sind schmalbandig auftretende Quietsch- oder Pfeifgeräusche. Der unten aufgezeichnete frequenzselektive Pegelverlauf verdeutlicht den Anstieg des Pegels über der Zeit. Mit Hilfe des Prüfsystems SonicTC.Drives lassen sich solche und viele weitere Geräuschfehler sicher erkennen und bewerten.