Schwingungsprüfung Elektrodynamisches Schwingprüfsystem mit drei Achsen verkürzt die Prüfzeit

Redakteur: Udo Schnell

Mit einem elektrodynamischem 3-achsigen Schwingprüfsystem können laut Anbieter künftig Tests mit simultaner Anregung in 3-Achsen bis 2000 Hz durchgeführt werden. Aufgrund der drei Achsen könne schneller geprüft werden und die Prüfungen seien realistischer.

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Mit dem 3-Achs-Shaker können künftig Tests mit simultaner Anregung in 3-Achsen bis 2.000 Hz durchgeführt werden.
Mit dem 3-Achs-Shaker können künftig Tests mit simultaner Anregung in 3-Achsen bis 2.000 Hz durchgeführt werden.
(Bild: IMV)

Messtechnik – us. IMV will nach eigenen Angaben in diesem Sommer in München eine Europa-Neuheit vorstellen: ein elektrodynamisches 3-achsiges Schwingprüfsystem.

Mit dem 3-Achs-Shaker können laut IMV künftig Tests mit simultaner Anregung in 3-Achsen bis 2000 Hz durchgeführt werden. „Im servohydraulischen Bereich gibt es diese Art von Prüfungen schon sehr lange“, sagt Martin Engelke, Marketing and Sales Manager IMV Europe. „Bei elektrodynamischen Prüfverfahren ist die 3-achsige Anregung europaweit neu.“ Dies sei so neu, dass es noch nicht einmal Prüfnormen dafür gebe.

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Der 3-D-Shaker funktioniert laut IMV wie folgt: Drei Schwingprüfsysteme sind jeweils im rechten Winkel zueinander aufgebaut und über einen Schwingtisch und ein Lager miteinander verbunden. In dieser Anordnung kann eine translatorische Anregung (gleichmäßige Bewegung) in drei Achsen reproduziert werden. Das Besondere ist, dass man in einem sehr hohen Frequenzbereich prüfen kann. Während bei der hydraulischen Anregung die unteren Frequenzbereiche bis typisch 150 Hz bedient werden, kann der 3-Achs-Shaker bis 2 kHz testen. Weil für die meisten Komponenten die maximale Prüffrequenz bei 500 Hz oder darüber liegt, haben sich elektrodynamische Schwingprüfsysteme seit Jahren für diese Prüfungen etabliert.

Funktionsprinzip Lautsprecher

Elektrodynamische Schwingprüfsysteme funktionieren laut IMV nach dem gleichen Prinzip wie ein Lautsprecher: Eine Strom durchflossene Spule ist in einem magnetischen Feld (Ständerfeld) gelagert und kann sich entlang einer Achse bewegen. Fließt durch die Spule Strom, entstehe ein magnetisches Feld, das sich vom Ständerfeld wie bei den Polen von zwei Magneten abstoße oder anziehe. Dabei sind Stärke und Richtung der Kraft proportional zum fließenden Strom.

Anders als bei hydraulischen Systemen werde keine hydraulische Energie, sondern elektrische Energie in Bewegung umgesetzt. So haben elektrodynamische Schwingprüfsysteme eine sehr hohe Linearität, wodurch sich Signale mit hoher Güte, einem geringen Fehler und guter Reproduzierbarkeit auch gerade bei hohen Frequenzen erzielen lassen, heißt es weiter.

Das Prüfen mit der 3-Achs-Technik hat den Vorteil, dass die mechanischen Umwelteinwirkungen auf eine Struktur künftig noch realistischer abgebildet werden können und die Tests dreimal schneller laufen, führt IMV aus. Sei eine Nachbildung eines Schadensbildes mit dem 1-achsigen Shaker nicht möglich, könne eine 3-achsige Prüfung das sogenannte Fehlermuster realistischer abbilden.

Bisher wurde, wie IMV erläutert, nur die zu erwartende Beschleunigung für jede Richtung abgeprüft, das heißt, die bei der Verwendung des Produktes zu erwartenden Beschleunigungen, wurden in den drei Raum-Achsen nacheinander simuliert. Dabei kann der Bezug der Beschleunigungen zueinander (die Phase der Signale) naturgegeben nicht berücksichtigt werden, und so die Beeinflussung und Überlagerung der Beschleunigungen nicht im Versuch abgebildet werden. Das ist bei einer simultanen Anregung aller 3-Achsen anders: Auch die durch Wechselwirkung der Achsen entstehenden Schadensbilder können nun im Labor erzeugt werden.

Simultanes Prüfen spart Zeit

Viele Prüfungen im Automobilbereich erfordern laut IMV lange Prüfzeiten für jede Raum-Achse, beispielsweise 96 h pro Raum-Achse. Damit betrage die reine Netto-Laufzeit der Prüfung schon zwölf Tage. Hinzu kommen Rüstzeiten und Umbauarbeiten. Es könne schnell bis zu drei Wochen dauern, bis Prüfergebnisse vorliegen.

Mit der simultanen Anregung der 3-Achsen lassen sich so etwa zwei Wochen einsparen. Für die immer kürzer werdenden Entwicklungszyklen, ist das schon fast eine Ewigkeit. Außer der verkürzten Prüfzeit werden auch noch die Zeiten für den Umbau der Prüfungen für die einzelnen Achsen eingespart. Und auch das könne ganz erheblich sein. Bei dieser Art komplexer Aufbauten können Fehlerquellen ausgeschlossen werden, weil der Aufbau nur einmal eingerichtet werden muss – und nicht dreimal

Die Technik sei in Asien schon mehrfach im Einsatz, betont IMV. In Deutschland hat die Physikalisch Technische Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig bisher einen 3-Achs-Shaker in Gebrauch. Eine Herausforderung: „Es gibt noch kaum Erfahrungen mit der neuen Technologie“, so Engelke. Damit liegen die Vorteile der Zeitersparnis und besseren Abbildung der Umgebungsbedingungen zwar auf der Hand, was fehlt, ist die praktische Erfahrung bei der täglichen Arbeit.

„Außerdem ist die Bedienung komplexer. Sie erfordert vom Bediener ein hohes Verständnis für die zugrunde liegenden Prinzipien“, so Engelke. „Zum Beispiel müssen die Anforderungen der Kunden gründlicher auf ihre Durchführbarkeit geprüft werden.“ Mit dem neuen Shaker-System können alle üblichen Testverfahren angewendet werden: Anregung mit Gleitsinus, Rauschen oder auch das Nachfahren von gemessenen Zeit-Beschleunigungsdaten.

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Hinzu komme, dass die Normen und Prüfrichtlinen der Hersteller über Jahre etabliert sind. Diese zu ergänzen und zu ersetzen, könne nur langsam erfolgen. Auch müsse der Nachweis erbracht werden, dass das neue Prüfverfahren auch vergleichbare Ergebnisse liefern wie die alten. Wenn diese Vergleiche fehlten, passe auch keine Norm.

Zustände und Ausfälle reproduzieren

IMV möchte dies lösen und der Industrie ein geeignetes System für 3-Achs-Prüfungen zur Verfügung stellen, damit zum Beispiel der Nachweis zur Vergleichbarkeit von Prüfverfahren geführt werden kann. Und auch die Möglichkeit Zustände, Schäden, Ausfälle des Prüflings oder zu prüfenden Produktes zu reproduzieren, die mit 1-achsigen Verfahren nicht zu reproduzieren waren.

„Shaker werden künftig noch weiter integriert“, sagt Martin Engelke: „Der Bediener gibt seine technischen Anforderungen ein. Sollte etwas nicht passen, wird das vom System erkannt und dem Bediener mitgeteilt.“ Auch die Überwachung während der Prüfung wird verbessert, so dass beispielsweise der Bedarf für eine Wartung nicht wie heute allgemein abgeschätzt wird (etwa nach 1000 h eine Wartung durchführen) sondern das anhand konkreter Anlagenparameter ein bestimmtes Verschleiß-Niveau erkannt wird.

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