Auf der Jagd nach Vibrationen: neuronale Netze für leisere Lenkgetriebe

Ingenieurskunst | Smart Factory | Technologietrends | Kugelgewindetriebe haben großen Einfluss auf das akustische Verhalten von Lenkgetrieben. thyssenkrupp hat ein neues Verfahren entwickelt, das ihre Qualität wesentlich präziser als zuvor bestimmen kann. Neuronale Netze erkennen dabei komplizierte Zusammenhänge.

Geht es um das akustische Erlebnis beim Autofahren, dürften die meisten Menschen zuerst an Motorgeräusche denken. Dabei gibt es eine weitere Komponente, die das Fahrerlebnis stark beeinflusst: das Lenkgetriebe, das einen erheblichen Einfluss auf die Geräuschkulisse im Fahrzeug hat. Das liegt unter anderem daran, dass es die Bewegungen der Räder durch Vibrationen ins Fahrzeuginnere weiterleitet. Dabei sollen als unangenehm empfundene Geräusche möglichst leise sein, während Warnsignale bis zum Fahrer dringen müssen.

Innerhalb des Lenkgetriebes sorgt der Kugelgewindetrieb in Kombination mit der Zahnstange dafür, dass die Lenkbewegung unterstützt wird: Schaut man an der Zahnstange entlang, sind die kleinen Kugeln des Kugelgewindetriebs erkennbar

Innerhalb des Lenkgetriebes sorgt der Kugelgewindetrieb in Kombination mit der Zahnstange dafür, dass die Lenkbewegung unterstützt wird: Schaut man an der Zahnstange entlang, sind die kleinen Kugeln des Kugelgewindetriebs erkennbar

Lenkgetriebe unterliegen in der Produktion daher nach Fertigstellung eines Teils aufwendigen Endkontrollen, bei denen ihre akustischen Eigenschaften präzise gemessen werden. Sie bestehen allerdings aus Dutzenden beweglichen und starren Komponenten, von denen viele einen Einfluss auf die Qualität haben. Besonders wichtig ist dabei der Kugelgewindetrieb. Er überträgt nach dem Prinzip eines Schraubgetriebes die Lenkbewegung auf die Achse. Damit hat es einen erheblichen Anteil an den vibroakustischen Eigenschaften des Gesamtsystems.

Lenkgetriebe-Akustik: Keine Glaskugel für die Straße

In der Produktion untersucht man darum zunächst die Eigenschaften des Kugelgewindetriebes. Dazu wird er in einem Prüfstand in Drehung versetzt, wobei die auftretenden Vibrationsfrequenzen gemessen werden. Wenn ihre Amplitude innerhalb bestimmter Bereiche des betrachteten Spektrums die von Akustikexperten vorgegebenen Grenzwerte überschreitet, gilt der Kugelgewindetrieb als Ausschuss. Besteht er hingegen den Test, kann er in das Lenkgetriebe verbaut werden – das dann idealerweise ebenfalls ohne Beanstandung durch die akustische Prüfung kommen sollte.

Neueste Fertigungsmethoden: Trotz aller Präzision bei der Herstellung müssen sämtliche Kugelgewindetriebe am Ende auf ihre Qualität überprüft werden

Neueste Fertigungsmethoden: Trotz aller Präzision bei der Herstellung müssen sämtliche Kugelgewindetriebe am Ende auf ihre Qualität überprüft werden

Doch in der Praxis ist das nicht so einfach: Auch ein als für gut befundenes Kugelgewindetrieb kann dazu führen, dass das Lenkgetriebe im Test trotzdem durchfällt. Dafür gibt es mehrere Gründe: Einerseits ist es schwierig, eine Korrelation zwischen der Qualität der einzelnen Komponenten und dem gesamten Lenkgetriebe herzustellen, sodass dafür statistische Verfahren herangezogen werden müssen. Andererseits werden die Grenzwerte für die Amplituden der Vibrationsfrequenzen subjektiv durch Versuchsfahrten mit Vorserien-Komponenten ermittelt. Und schließlich beruht das Vorgehen bei der Endkontrolle auf der Annahme, dass bereits das einmalige Überschreiten eines einzigen akustischen Grenzwertes auf ein minderwertiges Bauteil hinweist – das kann zu sogenanntem „Pseudoausschuss“ führen.

KI-Unterstützung: Das künstliche neuronale Netz lauscht

Die Lenkungs-Experten bei thyssenkrupp im liechtensteinischen Eschen haben darum ein Verfahren entwickelt, bei dem ein künstliches neuronales Netz darauf trainiert wird, gemeinsame Muster im vibroakustischen Verhalten von Kugelgewindetrieben und Lenkgetrieben zu erkennen und so zu verlässlicheren Testergebnissen zu kommen.

Ein künstliches neuronales Netz besteht aus unzähligen informationsverarbeitenden Einheiten, die über Ebenen in einem Netzwerk verbunden sind. Die Einheiten werden – angelehnt an das menschliche Gehirn – Neuronen genannt. Neuronale Netze sind besonders stark in der Mustererkennung – etwa bei akustischen Signalen

Ein künstliches neuronales Netz besteht aus unzähligen informationsverarbeitenden Einheiten, die über Ebenen in einem Netzwerk verbunden sind. Die Einheiten werden – angelehnt an das menschliche Gehirn – Neuronen genannt. Neuronale Netze sind besonders stark in der Mustererkennung – etwa bei akustischen Signalen

Dabei werden nicht mehr nur einzelne Abschnitte des Frequenzspektrums betrachtet, sondern alle. So kann das Netz komplizierte Zusammenhänge zwischen den Eigenschaften der Bauteile erkennen. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse dienen dann wie gewohnt dazu, zunächst den Kugelgewindetrieb zu testen, um dadurch auf die Qualität des späteren Lenkgetriebes zu schließen.

Neuronales Netz führt zu neuen Erkenntnissen über Produktqualität

Das neue Verfahren hat Erfolg. So kann das künstliche neuronale Netzwerk Datenbereiche aufspüren, die bei der Qualitätsmessung bislang nicht berücksichtigt wurden. Genau diese Bereiche geben aber ebenfalls Aufschluss über die Qualität des Kugelgewindetriebes, sodass das Augenmerk auf dem Prüfstand entsprechend angepasst wurde. Die Ergebnisse des Lernprozesses im Netzwerk sind keine abstrakten Muster, sondern ließen sich auf physikalische Effekte im Produktionsprozess zurückführen.

Gefragtes Produkt: thyssenkrupp fertigt in Schönebeck große Mengen an KugelgewindetriebenGefragtes Produkt: thyssenkrupp fertigt in Schönebeck große Mengen an Kugelgewindetrieben

Für thyssenkrupp ist das neue Verfahren auch wirtschaftlich von großer Bedeutung, denn das Unternehmen produziert am Standort Schönebeck jedes Jahr große Mengen an Kugelgewindetrieben. Von dort gehen sie an weitere Standorte in Europa und der ganzen Welt, wo sie in Lenkgetriebe eingebaut werden. Zwei bis drei Tage dauert der Transport innerhalb Europas – sechs Wochen nach Mittelamerika und Asien. Umso wichtiger ist es, dass die Komponenten während der Endmontage in die Lenkgetriebe keine Probleme machen.

Testpilot macht Lenkgetriebe verlässlicher und günstiger

Noch ist das künstliche neuronale Netz in der Erprobungsphase, doch positive Effekte machen sich bereits bemerkbar: Sein Einsatz hat zu größerer Verlässlichkeit bei der Beurteilung der Kugelgewindetriebs und damit des Gesamtsystems Lenkgetriebe geführt. Das bedeutet eine spürbare Kostenersparnis. Kein Wunder, dass es auch in anderen Bereichen Projekte mit künstlichen neuronalen Netzen gibt – denn durch ihre höhere Vorhersagekraft sie beispielsweise auch verwendet werden, um die Testzeit bei industriellen Endkontrollen zu verkürzen.

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