Akustische Qualitätskontrolle

Dipl.-Inform. (FH) Michael Kiefer, Geschäftsführer bei RTE Akustik + Prüftechnik GmbH und Dipl.-Chem. Andreas Zeiff, Redaktions Büro Stutensee

Moderne Motoren sollen sparsam arbeiten, um die begrenzten Ressourcen zu schonen. Je nach Leistungsanforderung wird aber mehr oder weniger Abwärme im Aggregat erzeugt. Führt man zu viel Wärme ab, so verschlechtert sich der Verbrauch des Motors, gleiches gilt auch für zu hohe Motortemperaturen. Um eine zuverlässige, variable Kühlung sicherzustellen entwickelte Siemens VDO eine elektrisch angetriebene Wasserpumpe (Bild 1). Hauptvorteil dabei: Der Pumpenantrieb ist vom Motor mechanisch entkoppelt und so besser regelbar. Der bisherige wartungsintensive Riemen am Motor schrumpft, das spart Platz und erhöht zusätzlich die Zuverlässigkeit. Um das hohe Niveau an Zuverlässigkeit in der Praxis zu halten, arbeitet der Hersteller mit dem Prüfspezialisten RTE zusammen. So konnten schon bei den Abstimmungsgesprächen für die neue Fertigungslinie die wichtigsten Grundlagen für die spätere umfassende Endprüfung der Wasserpumpen gelegt werden.

Da im normalen Fahrbetrieb die Abwärmebelastung im Kühlsystem stark schwankt, andererseits aber die Bauteiltemperaturen im Motor möglichst auf Idealtemperatur bleiben müssen, ist eine intelligente Kühlung erforderlich. Statt mechanisch starr gekoppelter herkömmlicher Pumpen setzt der Ausrüstungsspezialist hier auf einfach zu regelnde Wasserpumpen mit elektrischem Antrieb. Dadurch ist die Motordrehzahl ohne Belang für die Kühlung; der 400-Watt-Elektromotor wird rein nach dem erforderlichen Abwärmestrom geregelt. So kann die Kühlung, falls nötig nicht nur den elektrischen Kühlerventilator, sondern auch die Wasserumwälzpumpe nach dem Abstellen des Motors noch weiterlaufen lassen. Auch dreht die Pumpe bei Leerlauf oder im Teillastbereich immer exakt mit der notwendigen Drehzahl. So wird genau der nötige Wasserstrom gefördert, der das Triebwerk auf optimalem Temperaturniveau hält. Das spart Treibstoff und reduziert somit den CO2-Ausstoß, verlängert die Lebensdauer des Motors und reduziert die Wartungskosten gegenüber herkömmlichen Riemenpumpen. Um dies sicher zu erreichen muss die kompakte Pumpe eine hohe Leistung über die gesamte Fahrzeuglebensdauer erbringen.

Die kompakten Abmessungen geben Konstrukteur und Designer zusätzlich mehr Freiraum für einen besseren, verbrauchssenkenden CW-Wert; zudem ist die elektrische Pumpe nicht mehr fix an einen bestimmten Platz am Motor gebunden wie beim konventionellen Riemenantrieb. Andererseits bedeuten kompakte Abmessungen bei elektrischen Strömungsmaschinen einen erhöhten Aufwand bei der Einhaltung der kleineren Toleranzen. Abweichungen setzen hier den Wirkungsgrad schnell herab, im Extremfall auch die Lebensdauer. Um solche Fehler bei der Fertigung sofort zu erkennen und abzustellen, bedarf es eines exakt abgestimmten Messverfahrens. Im Fall der Wasserpumpen müssen sowohl der elektrische als auch der mechanische Aufbau der Pumpen im vorgegebenen Toleranzfeld liegen, eine Herausforderung für jeden Prüfspezialisten.

Der Traum vieler Qualitätsabteilungen, das gläserne Produkt, ist heute gar nicht mehr so exotisch. Der Akustik-Prüfspezialist aus Pfinztal bei Karlsruhe hat Methoden entwickelt, mit denen man in komplexe, gekapselte Bauteile hinein horchen kann. Dank Körperschallaufnahme und Auswertung der so erhaltenen Frequenzspektren ergibt sich eine deutliche Aussage über den Zustand des jeweiligen Prüflings. Man kann das entfernt mit einem medizinischen Ultraschallbild in Echtzeit vergleichen, bei dem neben statischen auch dynamische Abläufe (Herzschläge usw.) sichtbar werden.

Bei den Wasserpumpen wird nun der fertig gestellte Prüfling noch in der Fertigungslinie geprüft (Bild 2). Ein spezieller, in die Linie integrierter Prüfstand übernimmt diese Aufgabe. Im konkreten Fall wird per Körperschallanalyse das Laufgeräusch der Pumpe und die Wuchtgüte des Rotors ermittelt. Das ist noch leicht zu verstehen, handelt es sich doch um rein mechanische Parameter.

Aber auch die Magnetisierung des Rotors, die Güte des Stators (der Wicklung und deren Lage nach Zusammenbau) sowie die Güte der Motoransteuerung lassen sich akustisch bestimmen. Hintergrund dabei ist, dass alle magnetischen Flussänderungen immer mechanische Impulse auf Feld oder Anker ausüben und damit gleichzeitig auch Körperschall anregen. Über geeignete Frequenzanalysen (Filteroperationen und eine Fast Fourier Transformation) kann man aus dem Frequenzgemisch gezielt einzelne, wichtige Bereiche herausschneiden. Um die Messung nicht durch Drehzahlschwankungen zu verfälschen, werden die Schwingungen drehzahlbezogen über eine sogenannte Ordnungsanalyse (Bild 3) ausgewertet, die diese Schwankungen eliminiert. So sind in einem Messdurchgang dann sowohl die mechanischen Parameter von Pumpenteil und E-Motor als auch die magnetischen Parameter im Motor auf Abweichungen überprüft.

Als zusätzlicher externer, also nicht akustischer Parameter kommt noch die Stromaufnahme des Motors hinzu. Mit dem so erhaltenen, komplexen Datenpaket ist dann ein schneller Vergleich mit einem Normdatenpaket OK/ nicht OK möglich. In der Fertigung selbst ist dafür kein großer Zeitaufwand mehr nötig, also ein ideales Messverfahren für eine online-Kontrolle in der Fertigungslinie.

Wie das Beispiel zeigt bietet moderne akustische Produktkontrolle also gleich mehrere Vorteile für die Praxis: Sie ist schnell und sicher in der Bewertung, sieht auch in komplexe Systeme hinein und kann oft sogar nichtmechanische Komponenten mit auswerten. Da sie bei Körperschallauswertung unabhängig von Außengeräuschen ist, spielt auch der Lärm der Umgebung keine Rolle, eine aufwändige Kapselung wie bei anderen Verfahren entfällt. Dank kompakter Abmessungen und schneller Auswertung bietet sie dem Fertigungspraktiker sowohl ein ideales Hilfsmittel für Optimierung der Produktion in Einzelbereichen als auch für die gleichzeitige Qualitätskontrolle des kompletten Produkts.

RTE Akustik + Prüftechnik, Pfinztal

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