Akustische Rissprüfung von Nockenringen in der Serienfertigung 1 ...

G. Wirth Akustische Rissprüfung
Akustische Rissprüfung von Nockenringen in der Serienfertigung
1 Einleitung
Dipl.-Ing. Georg Wirth
PNA Polytec Noise Analysis GmbH, D-76275 Ettlingen
Die Forderung nach immer höherer Qualität und Zuverlässigkeit von Produkten sowie ein
zunehmender Konkurrenzdruck zwingt die Hersteller von Komponenten und Endprodukten zur
Durchführung immer aufwendigerer Verfahren bei der Güteprüfung. Da insbesondere Produktionsfehler
bei stark beanspruchten und somit kritischen Komponenten zu Teil- oder Komplettausfällen
des Produktes führen können und somit zu Qualitätsbeanstandungen der Endverbraucher,
wird vor Auslieferung häufig jedes Produkt einer Kontrolle unterzogen um so eine
Nullfehlerrate gewährleisten zu können.
Bei Hochdruckeinspritzpumpen für Dieselmotoren die in PKWs und Nutzfahrzeugen Einsatz
finden, stellen die Nockenringe (siehe Abbildung 1), welche die Kolben zur Verdichtung des
Kraftstoffes steuern, kritische Komponenten dar.
Risse in den Nockenringen (Abbildung 2 und Abbildung
3) können zu einem Ausfall der Einspritzpumpe
und damit zum Totalausfall des Fahrzeuges
führen. Um die Auslieferung von Einspritzpumpen
mit fehlerhaften Nockenringen zu vermeiden, wurde
bei der Fa. Bosch eine Sichtprüfung durch Prüfpersonen
durchgeführt. Dabei ergab sich das Problem,
dass lediglich Fehler an der Oberfläche erkannt werden
konnten. Einschlüsse oder Risse im Innern des
Materials können mit einem solchen Testverfahren
nicht erkannt werden. Darüber hinaus stellt die subjek-
tive Prüfung hohe Anforderungen an die Konzentrationsfähigkeit
der Prüfpersonen und ist zusätzlich
Abbildung 1: Nockenring
stark abhängig von den individuellen Beurteilungsfähigkeiten der einelnen Prüfer. Zur
Erhöhung der Prüfsicherheit wurde eine leistungsfähige, objektive Alternative gefordert, die
eine 100%-Kontrolle ermöglicht und gleichzeitig eine Nullfehlerrate garantiert.
Abbildung 2: Riss am Aussendurchmesser Abbildung 3: Riss am Innendurchmesser
6. Forum Akustische Qualitätssicherung 05 - 1

G. Wirth Akustische Rissprüfung
Die akustische Güteprüfung stellt eine Alternative zur visuellen Beurteilung von Materialien
dar, mit der auch Fehler, die nicht an der Oberfläche zu erkennen sind, detektiert werden können.
Anhand des Klangs der Objekte ist eine Beurteilung des Zustandes und damit eine
Einteilung in Güteklassen möglich.
2 Grundlagen der akustischen Materialprüfung
Mechanische Strukturen besitzen charakteristische dynamische Eigenschaften die von der Form
und dem Material abhängig sind. Identische Objekte besitzen gleiche Eigenschaften – Abwe ichungen
der Form oder Strukturänderungen des Materials bewirken Änderungen der dynamischen
Eigenschaften. Werden die Strukturen angeregt, breiten sich im Material Schwingungen
aus, die als Körperschall bezeichnet werden. Dabei sind in Festkörpern unterschiedliche
Schwingungstypen möglich, die an Kanten, Grenzflächen und Materialinhomogenitäten ineinander
übergehen. Das schwingende Gebilde regt an seiner Oberfläche Luftschall an, der sich als
reine Longitudinalwelle ausbreitet.
Die dynamischen Eigenschaften von Strukturen werden mit Hilfe von Eigenfrequenzen, Dämpfungen
und Eigenformen beschrieben. Dabei stellen die Eigenformen die Verteilung der
Schwingungsamplituden auf der Strukturoberfläche dar. Zu ihrer Ermittlung ist somit eine flächenhafte
Messung der gesamten Strukturoberfläche oder zumindest charakteristischer Bereiche
notwendig, was eine aufwendige Sensorik und Auswertung erfordert. Dies ist für eine Serienprüfung
nicht effizient. Eigenfrequenzen und Dämpfungen können durch Auswahl geeigneter
Messpunkte an einzelnen Stellen bestimmt werden.
Abbildung 4 zeigt die zeitlichen Verläufe zweier gedämpfter harmonischer Schwingungen, deren
Dämpfung durch die jeweilige einhüllende Kurve beschrieben wird. Der Dämpfungsgrad ist
durch den Schnittpunkt der Tangente an die Signaleinhüllende mit der Abszisse bestimmt. In
Abbildung 5 sind die beiden entsprechenden Spektren dargestellt.
Abbildung 4: 4: Zeitverläufe zweier gedämpfter
Schwingungen
Abbildung 5: Spektren zweier gedämpfter
Schwingungen
Die zur Messung der dynamischen Eigenschaften notwendige Anregung der Prüflinge erfolgt
bei der Materialprüfung extern, da im allgemeinen keine Eigenanregung möglich ist. Hierbei
muss eine geeignete Lagerung gewählt werden, um die Dämpfungseigenschaften der Prüflinge,
insbesondere im Bereich der Resonanzfrequenzen, nicht zu beeinflussen.
05 - 2 6. Forum Akustische Qualitätssicherung

G. Wirth Akustische Rissprüfung
3 Anforderungen an das Prüfsystem für der Serienfertigung
Die Anforderungen an das Prüfsystem zum Einsatz in der Serienfertigung werden insbesondere
durch die folgenden Punkte bestimmt:
1. Zuverlässigkeit und Störsicherheit
Die Prüfergebnisse dürfen durch variable Messbedingungen nicht beeinflusst werden. Hierbei
spielt insbesondere die Lagerung der Prüflinge sowie der Ort der Anregung eine entscheidende
Rolle. Die Anschlagstärke ist dagegen weitestgehend irrelevant. Darüber hinaus
dürfen die Messsignale durch Geräusche oder andere Störungen aus der Produktionsumgebung
nicht beeinflusst werden.
2. Online-Fähigkeit
Das Prüfsystem darf den Produktionsablauf nicht beschränken. Sowohl die Signalerfassung,
als auch die Signalauswertung müssen daher so gewählt werden, dass die Taktzeiten des
Produktionsprozesses nicht überschritten werden. Derzeit werden etwa 3000 Teile pro Tag
gefertigt.
3. Nachvollziehbarkeit der Ergebnisse
Der Prüfverantwortliche soll durch Zusatzinformationen und Trendanalysen in der Lage
sein, die Prüfergebnisse zu kontrollieren und Fehler des Messsystems oder Abweichungen
durch Chargenschwankungen zu erkennen.
4. Schnelle Adaptierbarkeit auf andere Typen
Auf der Fertigungslinie werden unterschiedliche Nockenringe für verschiedene Einspritzpumpen
in variablen Zyklen und Losgrössen gefertigt. Das Prüfsystem muss daher einfach
und schnell auf die unterschiedlichen Nockenringtypen adaptiert werden können, um die
Umrüstzeiten der Fertigungslinie gering zu halten.
5. Messgerätefähigkeit
Die Messgerätefähigkeit dient dem Nachweis der Funktion, des Messbereichs und der
Messgenauigkeit des Prüfsystems durch quantitative Bewertung. Der Nachweis erfolgt anhand
von Kennwerten, die aus einer Reihe von Messwerten und den Toleranzen der zu prüfenden
Merkmale errechnet werden. Die Aufnahme der Messreihe muss dabei unter Wiederhol-
und Vergleichsbedingungen erfolgen.
4 Das Prüfsystem
4.1 Anregung der Nockenringe
Die Nockenringe müssen zur Anregung auf einem dämpfungsarmen Träger plaziert werden.
Eine Prüfperson legt die Prüflinge dazu in eine spezielle Aufnahme, die eine definierte Positionierung
der Nockenringe gewährleistet. Die Prüflinge werden pneumatisch, auf Gummi-Noppen
gelagert, aus der Aufnahme gehoben und anschliessend durch automatisches Anschlagen mit
einem Anschlaghammer angeregt.
4.2 Signalaufnahme
Die Analyse der dynamischen Eigenschaften von Werkstücken kann anhand von Luft- oder
Körperschallsignalen erfolgen. Im Gegensatz zu Luftschallsignalen sind dabei die Körperschallsignale
wenig anfällig gegenüber Störeinflüssen aus der Produktionsumgebung und werden
daher zur Analyse verwendet. Die Messung der Oberflächenschwingung wird mit einem Ein-
6. Forum Akustische Qualitätssicherung 05 - 3

G. Wirth Akustische Rissprüfung
punkt-Laservibrometer berührungslos durchgeführt, wodurch eine aufwendige Kontaktierung
zur zuverlässigen Signaleinkopplung wie bei herkömmlichen piezokeramischen Körperschallaufnehmer
überflüssig ist. Die Laservibrometrie ermöglicht eine Analyse im Bereich von
nahe 0Hz bis etwa 250 kHz, wobei die Signale mit hoher Präzision und weitestgehend frei von
Störeinflüssen gemessen werden.
Das Messprinzip der Laservibrometrie beruht auf dem Dopplereffekt. Monochromatisches Licht
der Frequenz fe eines HeNe-Lasers wird in einem optischen Strahlteiler, wie in Abbildung 6
dargestellt, in einen Mess- und einen Referenzstrahl aufgeteilt. Der Messstrahl wird auf die
Oberfläche des Prüflings gerichtet und reflektiert. Das Licht erfährt dabei eine Modulation der
Frequenz fr = fe + fd in Abhängigkeit von der Oberflächengeschwindigkeit vd des Prüflings,
fd=2vd/λ, wobei λ die Wellenlänge des Laserlichts bezeichnet. Im Laservibrometer wird das
reflektierte Licht mit dem in der Braggzelle um eine Frequenz fb verschobenen Referenzstrahl
interferiert. Der Detektor wandelt das resultierende Licht in ein zur Oberflächengeschwindigkeit
des Messobjektes proportionales elektrisches Signal um, das anschliessend analog demoduliert
wird.
4.3 Merkmalsextraktion
Abbildung 6: Funktionsweise eines Laservibrometers
Aus den Messsignalen können prinzipiell zwei unterschiedliche Arten von Merkmalen generiert
werden, die Resonanzfrequenzen sowie deren Dämpfungsgrade. Im vorliegenden Fall haben
Vorstudien ergeben, dass die Resonanzfreuqenzen für eine zuverlässige Unterscheidung zwischen
Nockenringen mit und ohne Riss ungeeignet sind. Dagegen stellen die Dämpfungsgrade
für das geforderte Fehlerkriterium eindeutige Merkmale dar. Gute Nockenringe besitzen geringere
Dämpfungsgrade und damit längere Ausklingzeiten als gerissenen Nockenringe.
Zunächst wird für jedes Signal das Maximum bestimmt und damit der Zeitpunkt der Erregung
als Referenzzeitpunkt festgelegt. Anschliessend wird der Betrag des Signals gebildet und durch
stückweise Maximumsuche die Signalhüllkurve approximiert. Die einzelnen lokalen Maxima
werden logarithmiert und aus den einzelnen Werten eine Regressionsgerade berechnet. Der
Schnittpunkt der Regressionsgeraden mit der Abszisse ergibt die Ausklingzeit.
05 - 4 6. Forum Akustische Qualitätssicherung

G. Wirth Akustische Rissprüfung
4.4 Klassifikation
Die Zuordnung von Prüflingen unbekannter Güte zu einer der beiden Klassen GUT oder
SCHLECHT findet anhand von Grenzwerten statt, die aus einer größeren Stichprobe von Prüflingen
mit und ohne Riss statistisch ermittelt werden. Für alle Prüflinge der Stichprobe werden
die Ausklingzeiten bestimmt und der Grenzwert gs für schlechte Nockenringe gerade so gewählt,
dass alle Ausklingzeiten ts von Nockenringen mit Riss der Lernstichprobe kleiner sind als
der Grenzwert:gs > max(ts) (siehe Abbildung 6). Der Grenzwert für Ausklingzeiten von Prüflingen
ohne Riss wird aus den guten Nockenringen der Lernstichprobe anhand der mittleren Ausklingzeit
mg sowie der Standardabweichung σg bestimmt. Um eine richtige Klassenzuordnung
bei mehr als 97% der Nockenringe ohne Riss zu erreichen, wird der Grenzwert zu gg=mg-2σg
gewählt. Prüflinge, deren Ausklingzeiten grösser als gg sind, werden als GUT eingeordnet, Prüflinge
mit Ausklingzeiten kleiner als gs gelten als SCHLECHT. Lediglich Prüflinge mit Ausklingzeiten
die zwischen gg und gs liegen müssen mit alternativen Methoden weiter untersucht
werden.
Mittelwert
SCHLECHT
Grenzwert
SCHLECHT
Grenzwert
GUT
Mittelwert
GUT
Abbildung 7: Bestimmung der Ausklingzeiten zur Unterscheidung zwischen GUT und SCHLECHT
Unterschiedliche Nockenringtypen können separat angelernt und die entsprechenden Grenzwerte
in einer Referenzdatenbank abgelegt werden. Die Adaption des Messsystems auf bereits angelernte
Nockenringtypen ist somit schnell und einfach möglich.
Das entwickelte Verfahren ermöglicht eine Prüfung von derzeit 200 Teilen pro Stunde, wobei
die Taktzeit durch die manuelle Bestückung des Prüfplatzes beschränkt ist.
Die Messgerätefähigkeit wurde gemäß den Forderungen der Fa. Bosch anhand von 50 Messungen
der Ausklingzeit eines Seriennockenrings nachgewiesen.
Durch unterschiedliche Darstellung sowie Dokumentation der Ausklingzeiten der Gut- und
Schlechtmuster ist eine Überwachung der Prüfeinrichtung gegeben.
6. Forum Akustische Qualitätssicherung 05 - 5

G. Wirth Akustische Rissprüfung
Zusammenfassung
Die akustische Güteprüfung stellt eine Alternative zur visuellen Materialprüfung dar, mit der
auch versteckte Fehler erkannt werden können. Auf Basis einer automatischen Analyse akustischer
Signale wurde ein System zur Rissprüfung von Nockenringen vorgestellt, in dem die speziellen
Anforderungen zum Einsatz in der Serienfertigung berücksichtigt wurden. Zuverlässigkeit
und Störsicherheit konnten durch problemspezifische Körperschallanregung und robuste
Sensorik sowie Auswahl geeigneter Merkmale erreicht und durch Nachweis der Messgerätefähigkeit
bestätigt werden. Schnelle Algorithmen garantieren kurze Prüfzeiten, die die Taktzeiten
der Produktion weit unterschreiten. Die Forderung nach einfacher Anpassung des Systems auf
unterschiedliche Prüflingstypen wurde durch automatisches Anlernen einer typenspezifischen
Referenzdatenbank realisiert. Darstellung und Dokumentation der Messergebnisse gewährleisten
die Überwachung der Prüfeinrichtung.
05 - 6 6. Forum Akustische Qualitätssicherung