Objektive Geräuschbewertung im End-of-Line-Test von Lenksystemen Anforderungen des Kunden und Chancen für den Betreiber

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1 M. Meyer, et al. Erfahrungsbericht Objektive Geräuschbewertung im End-of-Line-Test von Lenksystemen Anforderungen des Kunden und Chancen für den Betreiber Martin Meyer, ThyssenKrupp Presta Pierre Rosenfeld ThyssenKrupp Presta France S.A.S Dipl.-Ing. Olaf Strama, MEDAV GmbH, Uttenreuth 1 Abstract - ein Erfahrungsbericht Vibroakustische Qualitätssicherung im End-of-Line-Test von Lenksystemen, Erfahrungen bei der Einführung vibroakustischer Methoden in der End-of-Line-Prüfung in der Produktion, Fehleridentifikation, Erfahrungen bei der Anwendung klassischer und psychoakustischer Methoden in der Praxis. 2 Einleitung Die vibroakustische Bewertung im End-of-Line-Test von Kraftfahrzeug-Lenksystemen und deren Komponenten konnte sich in den vergangenen Jahren etablieren. Triebkraft ist vor allem die Kundenforderung nach einer objektiven 100%-Kontrolle hinsichtlich auffälliger Geräusche und Schwingungen. Zunächst als Mehraufwand gesehen, bieten bei der Prüfung gewonnene Informationen die Chance, die Qualitätsstandards der jeweiligen Produktionslinie gezielt zu verbessern. Zusätzlich zur schnellen Amortisation der vibroakustischen Prüftechnik wird so die Stellung des Zulieferers durch einen hohen Qualitätsstandard gefestigt. Ausgehend von diesen Zielsetzungen wird die Definition der Messkette anhand physikalischer Zusammenhänge bei der Schwingungs- und Geräuschentstehung bis zur Merkmalsextraktion beschrieben. Dabei wird darauf eingegangen, wie die vergleichsweise komplexe vibroakustische Prüfung für die Produktionslinie beherrschbar wird. 3 Zielsetzungen Die vibroakustische Qualitätsprüfung von Lenksystemen wird heute meist mit dem Ziel eingeführt, Prüflinge auszusortieren, welche hinsichtlich auftretender Schwingungen oder Geräusche nicht den Qualitätsanforderungen genügen. Die Definition dieser Qualitätsanforderungen basiert oft auf dem subjektiven Geräusch- oder Vibrationsempfinden von Testpersonen. Ausgehend von den Anforderungen des jeweiligen Fahrzeugherstellers und den Qualitäts- sowie Modellstandards werden Grenzwerte für messbare 11. Forum Akustische Qualitätssicherung 7-1

2 Erfahrungsbericht M. Meyer, et al. Schwingungs- oder Geräuschkomponenten spezifiziert. Phänomene, welche sich nicht signifikant in den klassisch definierbaren Messkurven und Messwerten widerspiegeln, werden über Grenzmuster beschrieben, wobei die Prüfmethode gemeinsam abgestimmt wird. Auf Lieferantenseite bedeutet die Einführung der vibroakustischen Prüfung zunächst Mehraufwand. Geeignete Methoden liefern jedoch parallel dazu Kriterien zur Bewertung der an der Geräuschentstehung beteiligten Komponenten des Prüflings. Dies ermöglicht im Fehlerfall die Identifikation von fehlerhaften Bauteilen. Die Nutzung dieser Information verringert direkt den Arbeitsaufwand in der Nacharbeit. Statistisch ausgewertet, steigern gezielt eingesetzte Maßnahmen schließlich effektiv die Qualität des Produktionsprozesses. Die Anforderungen an ein geeignetes vibroakustisches werden im Folgenden anhand der üblichen Messkette aus Sensorik, Signalerfassung, Analyse und Merkmalsberechnung bis hin zur Merkmalsextraktion erläutert. 4 Von subjektiven Qualitätskriterien zu objektiven Merkmalen Die Kundenanforderungen an die Schwingungs- und Geräuschqualität fließen in das Prüfkonzept des Lieferanten ein. Ausgehend von spezifizierten Kennwerten beziehungsweise Grenzmustern wird das Augenmerk zunächst auf den Prüfaufbau, das Prüfregime und das Sensorkonzept gerichtet. Danach werden klassische Merkmale zur Schwingungs- und Geräuschbewertung betrachtet. 4.1 Prüfaufbau Meist liegt ein Endfunktionsprüfstand vor, welcher um eine vibroakustische Prüfung erweitert wurde. Für Schwingungs- und Geräuschmessungen ist dies aus messtechnischer Sicht selten das Optimum. Vor allem ökonomische Gründe erlauben auch an reinen Schwingungs- oder Akustikprüfständen nicht die Bedingungen eines reflexionsarmen Raumes. Auch im Vergleich zur Einbausituation im Fahrzeug existieren Unterschiede mit Auswirkungen auf die spezifizierten Schwingungs- und Geräuschkennwerte. Generell muss ein Schwingungs- und Geräuschprüfstand den Anspruch der Prüfmittelfähigkeit erfüllen. Anforderungen an Reproduzierbarkeit, Schwingungsund Geräuschentkopplung werden in einer detaillierten MSA (Messsystemanalyse) sichergestellt. Prüfungen von Komponenten mit geringer Geräuschemission sind heute möglich. Beispielsweise werden Schwingbeschleunigungspegel an Lenkungskomponenten von etwa m m db prozesssicher bewertet. db ( 2 ) bei einem Grundgeräuschpegel von ca. ( 2 ) s Die Grenzwerte von Qualitätsmerkmalen, welche unter Labor- oder Fahrzeugbedingungen spezifiziert wurden, sind in der Regel an die veränderte Prüfumgebung anzupassen. 4.2 Prüfregime Zur Bewertung von Geräusch- und Schwingungsphänomenen sollte das Prüfregime, also zum Beispiel die Betriebslast, generell dem Einsatz im Fahrzeug entsprechen. Abweichungen davon sind prinzipiell nur möglich, wenn alle signifikanten Einflussfaktoren auf das Schwingungsund Geräuschverhalten bekannt sind. Dann lässt sich das gesuchte Verhalten im interessierenden Betriebspunkt aus dem gemessenen Verhalten im Prüfpunkt errechnen. Dafür benötigte Modelle sind besonders hinsichtlich ihrer Abhängigkeit von Materialeigenschaften in der Regel sehr komplex. s Forum Akustische Qualitätssicherung

3 M. Meyer, et al. Erfahrungsbericht 4.3 Sensorkonzept Am End-Of-Line-Prüfstand können sowohl Schwingungen als auch Geräusche produktionssicher gemessen werden. Oft ist der konstruktive Aufwand am Prüfstand für die Schwingungsmessung geringer als für eine prozesssichere Geräuschmessung. Da das emittierte Geräusch aufgrund der Schwingungen des Prüflings entsteht, ist eine Geräuschmessung oft durch eine Schwingungsmessung ersetzbar. 4.4 Merkmale zur Schwingungs- und Geräuschbewertung Der einfachste Ansatz ist sicherlich die Verwendung des Schalldruckpegels p 5 L = 20log db ; p = 2 oder des Schwingbeschleunigungspegels L p a ( p ) 0 Pa 0 a 6 m ( ) db ; a = = 20log. Beide Größen bewerten das Gesamtsignal. Aufgrund 10 a s der aktuellen Qualität von Lenkungskomponenten sind beide Kenngrößen praktisch nur noch bedingt geeignet. Terz-Oktav-Spektren erlauben eine frequenzselektive Bewertung bei gleichzeitig einfacher Grenzwertdefinition basierend auf den Fahrzeuganforderungen. Ist eine Bewertung der Geräuschqualität allein aufgrund von spezifizierbaren Signalamplituden und Amplitudenverhältnissen nicht möglich, bieten sich oft psychoakustische Parameter an. Zu beachten ist, dass diese Kennwerte aufgrund von Nichtlinearitäten eine sehr genaue Definition der Prüfbedingungen erfordern. Psychoakustische Parameter sind nur für Luftschall definiert. In den folgenden Bildern ist beispielhaft dargestellt, wie sich ein Fehler an einem Verstellmechanismus im Schwingbeschleunigungspegel, im Terz-Oktav-, Frequenz-, und Hüllkurvenspektrum sowie im psychoakustischen Parameter Rauhigkeit äußert. Abbildung 1: Schwingbeschleunigungspegel Produktion (blau), Fehler (rot) Der Fehler hat nur geringe Auswirkungen auf den Gesamtpegel, Grenzwerte sind schwer definierbar. 11. Forum Akustische Qualitätssicherung 7-3

4 Erfahrungsbericht M. Meyer, et al. Abbildung 2: Terz-Oktav-Spektrum Produktion (blau), Fehler (rot) Im Terzspektrum lassen sich die Auswirkungen des Fehlers erkennen. Die Frequenz- und Amplitudencharakteristik des auffälligen Geräuschs kann beschrieben werden. Aussagen über die Ursache sind nicht möglich. Abbildung 3: Frequenzspektrum, Seitenbandlinien um Eingriffsordnung im Fehlerfall (rot) gegenüber Produktion (blau) erlauben Zuordnung zum Bauteil Forum Akustische Qualitätssicherung

5 M. Meyer, et al. Erfahrungsbericht Abbildung 4: Hüllkurvenspektrum, Informationen zur Modulation im Fehlerfall (rot) ) gegenüber Produktion (blau) Frequenz- und Hüllkurvenspektren erlauben die Zuordnung zur Komponente und eine Beschreibung des Fehlers. Abbildung 5: Rauhigkeit Produktion (blau), Fehler (rot) Der psychoakustische Parameter Rauhigkeit erlaubt eine sichere Erkennung des Fehlers basierend auf dem Luftschall. Eine Fehleridentifikation ist nicht möglich. 5 Erweiterung der objektiven Merkmale hin zur Fehleridentifikation Ursache für Geräusche sind immer Schwingungen. Diese entstehen durch transiente Anregungen oder periodisch veränderliche Kräfte, welche im normalen Betrieb auftreten und zum typi- 11. Forum Akustische Qualitätssicherung 7-5

6 Erfahrungsbericht M. Meyer, et al. schen Arbeitsgeräusch führen. Abweichungen vom normalen Geräusch entstehen im Umkehrschluss nur dann, wenn atypische Schwingungen und damit Änderungen im Kräftespiel auftreten. Dies gilt für alle Phänomene, auch wenn sie beispielsweise nur durch psychoakustische Parameter beschreibbar sind. Gelingt die Zuordnung des auffälligen Geräuschs zu einer Prüflingskomponente, ist die Fehlerursache identifizierbar. Die Merkmalsdefinition erfolgt anhand eines kinematischen oder physikalischen Modells der Komponente zur Schwingungsentstehung. Je nach Ursache haben die Schwingungen typische Signalcharakteristika. Diese erlauben eine Unterscheidung von anderen Schwingungskomponenten, eine geeignete Methode zur Isolation vorausgesetzt. Abbildung 6: Die Kinematik des Zahneingriffs bestimmt die entstehenden Schwingungen Die Wahl einer geeigneten Signalverarbeitungsmethode zur Fehleridentifikation hängt direkt von der Charakteristik des Signals ab: Periodisch oder transient Oberwellenbehaftet Zeit- oder drehwinkelsynchron Auftreten von Modulationen Zur Merkmalsextraktion bieten brauchbare Prüfsysteme eine Reihe geeigneter Signalverarbeitungsalgorithmen, wie beispielsweise Spektralanalyse, Ordnungsspektralanalyse, Hüllkurvenanalyse, drehwinkelsynchron gemittelte Einhüllende, Seitenbandanalyse oder drehwinkelsynchrone Cepstralanalyse. Im Gegensatz zu den Methoden für die reine Geräuschbewertung zeichnen sich zur Fehleridentifikation verwendbare Algorithmen durch hohe Selektivität im Frequenz-, Ordnungs-, Winkel Forum Akustische Qualitätssicherung

7 M. Meyer, et al. Erfahrungsbericht oder Zeitbereich aus. Diese ist zur Trennung von Signalkomponenten vieler verschiedener Teile des Prüflings nötig. Ein taugliches Prüfsystem erlaubt die flexible Parametrierung unterschiedlicher Signalverarbeitungsmethoden parallel zueinander. 6 Zusammenfassung und Ausblick Die Schwingungs- und Geräuschprüfung von Lenksystemen erfüllt die Anforderungen der Kunden hinsichtlich Geräuschverhalten und gleichzeitig die der Zulieferer nach Optimierung der Produktionsprozesse und Erhöhung der Gesamtqualität. Aufgrund dieser beiden grundsätzlichen Anforderungen spezifizierte Prüfsysteme haben sich etabliert und sind im Einsatz. Die benötigte Systemtechnik ist verfügbar, modular angelegt und somit an verschiedene Anwendungsszenarien adaptierbar, ohne an Bedienbarkeit einzubüßen. Bei der Spezifikation der Prüfstände erlangen Schwingungs- und Geräuschprüfung zunehmend einen hohen Stellenwert. In Zukunft wird eine weitere Verbreitung der Methodik ebenso eine Rolle spielen wie die Entlastung des Prüfstandspersonals durch ausgefeilte Automatismen bei der Definition neuer Merkmale zur Fehleridentifikation. Die vibroakustische Beurteilung über Laufzeit wird zukünftig die Produktqualität steigern. Eine engere Verknüpfung von Entwicklung und Serienprozessen kann dazu beitragen, das Know-How aus der Entwicklung besser auf kommende Produktgenerationen zu übertragen. 7 Literatur [GOERLICH1998] [STRAMA1997] [KÜCÜKAY1997] Goerlich, J.; Strama, O.; Thomä, R.: Ein modellbasierter Ansatz zur Analyse mechanischer Schwingungen und Geräusche. 43. Internationales Wissenschaftliches Kolloquium der TU Ilmenau (1998), S Strama, O.; Thomä, R.; Groppe, H.: Order Selective Vibration Analysis for Diagnosis and Quality Control of Gear Boxes. Internoise (1997), Vol. 3 S Kücükay F.: Dynamik der Zahnradgetriebe Modelle, Verfahren, Verhalten. Springer-Verlag (1987) [FASTL2007] Fastl H., Zwicker E.: Psychoacoustics. Springer-Verlag (2007) Firma: MEDAV GmbH, Abteilung IAS Titel, Vorname, Name: Dipl.-Ing. Olaf Strama Straße, PLZ, Ort: Gräfenberger Straße 32-34, Uttenreuth Telefon/Telefax: / Olaf.Strama@medav.de 11. Forum Akustische Qualitätssicherung 7-7

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