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Frequency-Modulated and Single-Tone Excitation to Reveal Vibro-Acoustic Nonlinearities in Loosened Bolted Joints

Diese Arbeit schlägt ein vibroakustisches Verfahren vor, das ein- und frequenzmodulierte Anregungen nahe der Eigenfrequenz einer Struktur nutzt, um durch die Analyse des Auftretens hochfrequenter Spektralpeaks und von Verhältnissen der Harmonischen-Band-Leistung, die verschiedene Vorspannungszustände unterscheiden, eine Bolzenlockerung in Schienenfahrzeugsystemen zu erkennen.

Ursprüngliche Autoren: Berkay Kullukcu, Robin Pianowski, Dina Hannebauer

Veröffentlicht 2026-05-29

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CC BY 4.0

Ursprüngliche Autoren: Berkay Kullukcu, Robin Pianowski, Dina Hannebauer

Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Dies ist eine KI-generierte Erklärung des untenstehenden Papers. Sie wurde nicht von den Autoren verfasst oder gebilligt. Für technische Genauigkeit konsultieren Sie das Originalpaper. Vollständigen Haftungsausschluss lesen

Das große Ganze: Das Problem des "lockeren Schraubens"

Stellen Sie sich vor, ein Zug ist eine riesige, komplexe Lego-Konstruktion, die von tausenden Schrauben (Bolzen) zusammengehalten wird. Damit der Zug sicher und leise ist, müssen diese Schrauben genau richtig angezogen sein. Wenn eine Schraube auch nur ein winziges Stück locker wird, hören die Teile, die sie zusammenhält, auf, wie ein solider Block zu wirken, und beginnen wie ein Klappern zu wirken.

Wenn eine Schraube fest ist, ist die Verbindung steif und leise. Wenn sie locker ist, reiben die Metallteile aneinander, rutschen und klappern. Dies erzeugt zusätzlichen Lärm und schwächt die Struktur. Das Problem ist, dass man bei einem echten Zug nicht einfach jede Schraube herausdrehen kann, um zu prüfen, ob sie fest ist, und man auch keinen speziellen Sensor in jede einzelne Schraube einbauen kann.

Die Lösung: Den Zug "schütteln", um zuzuhören

Die Forscher der Technischen Universität Wildau haben sich einen cleveren Weg ausgedacht, um lose Schrauben zu überprüfen, ohne etwas auseinanderzubauen. Sie behandelten den Zugteil wie ein Musikinstrument.

Der Aufbau:

Der Schüttler: Sie verwendeten einen mechanischen Arm (einen Schüttler), um die Metallstruktur sanft zu vibrieren, ähnlich wie man ein Weinglas antipft, um zu hören, ob es Risse hat.
Die Ohren: Sie befestigten einen Vibrationssensor (Beschleunigungssensor) am Metall und ein Mikrofon in der Nähe, um den Klang zu hören.
Das Versuchstier: Sie bauten ein Metallmodell eines Zugteils und testeten es mit einer bestimmten Schraube, die auf vier verschiedene Stufen angezogen war: komplett locker (0%), leicht fest, mittel fest und sehr fest (80%).

Das Experiment: Zwei Arten zu "singen"

Die Forscher versuchten zwei verschiedene Methoden, um das Metall zu vibrieren und zu sehen, wie die lose Schraube reagierte.

1. Der einzelne Ton (Ein-Ton)
Sie ließen das Metall bei einer bestimmten Tonhöhe vibrieren: 130 Hz (ein tiefes Summen).

Die feste Schraube: Wenn die Schraube fest war, summte das Metall sauber bei diesem einen Ton.
Die lose Schraube: Wenn die Schraube locker war, begann das Metall, zusätzliche hohe Töne zu "singen", die nicht dort sein sollten. Es ist, als würden Sie einen einzigen Ton summen, aber Ihre lockeren Zähne beginnen zu klappern und erzeugen eine Reihe von hochfrequenten Quietsch- und Klappgeräuschen über Ihrer Stimme. Die Forscher stellten fest, dass diese "zusätzlichen Töne" (hochfrequente Spitzen) ein klares Zeichen dafür waren, dass die Schraube locker war.

2. Die Gleitpfeife (Frequenzmoduliert)
Anstatt einen festen Ton zu verwenden, ließen sie die Vibration zwischen 125 Hz und 135 Hz auf und ab gleiten, wie eine Gleitpfeife oder eine Sirene.

Warum dies tun? Eine lose Verbindung ist tückisch; sie könnte nur in einem ganz bestimmten Moment zu klappern beginnen. Indem sie die Frequenz auf und ab gleiten ließen, stellten sie sicher, dass sie den "Sweet Spot" trafen, an dem die lose Schraube zu spielen beginnt.
Das Ergebnis: Diese Methode war noch besser darin, den Unterschied zu erkennen. Sie maßen die "Lautstärke" des Haupttons im Vergleich zur "Lautstärke" der zusätzlichen hohen Töne (Obertöne).
- Bei einer losen Schraube waren die zusätzlichen hohen Töne im Vergleich zum Hauptton sehr laut.
- Bei einer festen Schraube waren die zusätzlichen hohen Töne fast stumm.
- Der Unterschied war enorm: bis zu 36,5 Dezibel (was einen massiven Unterschied in der Lautstärke darstellt) zwischen dem losen und dem festen Zustand.

Das "Warum": Reibung ist der Übeltäter

Warum erzeugt eine lose Schraube diese zusätzlichen Geräusche?
Stellen Sie sich eine feste Schraube wie zwei Holzstücke vor, die zusammengeklebt sind. Wenn Sie sie schütteln, bewegen sie sich als eines.
Stellen Sie sich eine lose Schraube wie zwei Holzstücke vor, die nur aufeinander liegen. Wenn Sie sie schütteln, haften sie für einen Bruchteil einer Sekunde aneinander, dann rutschen sie, dann haften sie wieder. Diese "Haft-Rutsch"-Aktion ist chaotisch. Sie wirkt wie ein nichtlinearer Mischer, der die niedrige, glatte Vibration in ein unordentliches, hochfrequentes Klappern verwandelt.

Was sie fanden

Lose Schrauben erzeugen "Lärmbelastung" in der Vibration: Sie verwandeln eine saubere, einzelne Vibration in ein unordentliches Gemisch aus hochfrequentem Quietschen.
Das Gleiten der Frequenz hilft: Das leichte Auf- und Abbewegen der Vibration (FM) macht diese unordentlichen Quietschgeräusche leichter hör- und messbar als das Halten eines einzigen Tons.
Es funktioniert ohne Sensoren im Inneren: Sie müssen keinen Sensor in die Schraube einbauen. Nur das Schütteln von außen und das Zuhören mit einem Mikrofon reicht aus, um festzustellen, ob die Schraube locker ist.

Das Fazit

Dieses Papier beweist, dass man eine lose Schraube an einem Zug (oder einer ähnlichen Struktur) erkennen kann, indem man sie einfach schüttelt und auf den Klang hört. Wenn die Struktur beim Schütteln bei einer bestimmten tiefen Tonhöhe seltsame, hochfrequente Klappgeräusche erzeugt, ist die Schraube wahrscheinlich locker. Es ist eine einfache, nicht-invasive Methode, um Züge sicher und leise zu halten.

Technisches Fazit: Frequenzmodulierte und Einkomponenten-Anregung zur Aufdeckung vibroakustischer Nichtlinearitäten in gelockerten Schraubenverbindungen

Problemstellung
Schraubenverbindungen sind in Schienenfahrzeugstrukturen von entscheidender Bedeutung und verlassen sich auf die Vorspannkraft (Klemmkraft), um den Reibungskontakt und die Steifigkeit aufrechtzuerhalten. Der Verlust der Vorspannkraft führt zum Lockern der Verbindung, was einen Übergang von einem steifen, linearen Zustand zu einem weichen, nichtlinearen Zustand bewirkt, der durch Mikrorutschen, Klappern und unvorhersehbare Dämpfung gekennzeichnet ist. Diese Degradation erhöht die Körperschallgeräusche, verändert die Schwingungsübertragung und birgt Sicherheitsrisiken. Während Normen wie DIN 65151 und ISO 16130 den Abbau der Vorspannkraft unter kontrollierter Querbewegung quantifizieren, erfordern sie häufig direkten Zugriff auf die Vorspannung oder Axialkraft, was für im Einsatz befindliche Fahrzeuge unpraktisch ist. Bestehende Überwachungstechniken versagen häufig darin, kontrollierte Shaker-Tests mit der Erfassung nichtlinearer Merkmale unter Verwendung minimaler, nicht-invasiver Sensoren zu kombinieren.

Methodik
Die Studie verwendet einen von Schienenfahrzeugen inspirierten Demonstrator, bestehend aus Kragarmträgern und Metallblöcken, die durch Schrauben verbunden sind. Das experimentelle Setup nutzt einen mechanischen Shaker (TMS K2007E01) zur Anregung, einen triaxialen Beschleunigungsaufnehmer (PCB 356A01) zur Überwachung der Strukturantwort und ein Mikrofon, das 300 mm von der Prüfschraube entfernt positioniert ist, zur akustischen Erfassung.

Die Methodik umfasst folgende Schritte:

Vorspannzustände: Eine spezifische Prüfschraube (S2) wird vier Vorspannzuständen unterzogen: 0 % (0 Nm, locker), 20 % (12,5 Nm), 40 % (25 Nm) und 80 % (50 Nm). Andere Verbindungsschrauben bleiben bei 80 % Vorspannung fixiert.
Modale Identifikation: Sinus-Sweeps (1–5000 Hz) und breitbandiges weißes Rauschen (100–350 Hz) als Anregung werden angewendet, um die dominante Eigenfrequenz des Systems zu identifizieren, die auf etwa 130 Hz bestimmt wurde.
Anregungsstrategien:
- Einkomponenten-Anregung: Ein 130 Hz sinusförmiges Signal wird angelegt.
- Frequenzmodulierte (FM) Anregung: Signale werden unter Verwendung der Gleichung $x(t) = A \sin (2\pi f_c t + \beta \sin (2\pi f_m t))$ generiert, wobei die Trägerfrequenz $f_c$ 130 Hz beträgt und die Frequenz zwischen 125 Hz und 135 Hz moduliert wird. Modulationsfrequenzen ( $f_m$ ) von 1, 2, 5, 10 und 20 Hz werden getestet.
Datenanalyse: Die Leistungsdichtespektren (PSD) werden analysiert, um zusätzliche spektrale Peaks und die Erzeugung von Oberwellen zu identifizieren. Ein Verhältnis der Oberwellenbandleistung ( $R_l$ ) wird berechnet, um den Unterschied zwischen der Trägerleistung (nahe 130 Hz) und der Leistung des $l$ -ten Oberwellenbands zu quantifizieren:
$R_l = 10 \log_{10} \left( \frac{P_{out}(130 \text{ Hz})}{P_{out}(l)} \right)$

Hauptergebnisse

Modales Verhalten: Der Demonstrator zeigt eine deutliche Resonanz bei 130 ± 2 Hz.
Einkomponenten-Antwort: Unter 130 Hz Einkomponenten-Anregung erzeugt der lockere Zustand (0 % Vorspannung) deutliche zusätzliche hochfrequente spektrale Peaks (z. B. bei 1599,5 Hz, 3314,8 Hz, 3919,0 Hz, 5698,9 Hz und 8451,1 Hz), die im festen Zustand (80 % Vorspannung) fehlen oder signifikant schwächer sind. Diese Peaks werden auf nichtlineare Energieübertragung durch reibungsbedingtes Mikrorutschen und intermittierenden Kontakt zurückgeführt.
FM-Anregung und Leistungsverhältnisse: Die FM-Anregung zwischen 125 und 135 Hz unterscheidet zusätzlich zwischen den Vorspannzuständen. Die Verhältnisse der Oberwellenbandleistung ( $R_l$ $R_{l}$ ) zeigen eine klare Trennung zwischen dem lockeren Zustand und dem Zustand mit 80 % Vorspannung.
- Für die 2. Oberwelle ( $l=2$ ) beträgt der Unterschied zwischen dem lockeren Zustand und dem Zustand mit 80 % Vorspannung 17,5 dB.
- Für die 6. Oberwelle ( $l=6$ ) erhöht sich der Unterschied auf 36,5 dB.
- Die Daten in Tabelle 1 zeigen, dass mit zunehmender Vorspannung die Werte des Leistungsverhältnisses negativer werden (was eine geringere Oberwellenleistung relativ zum Träger anzeigt), wobei der lockere Zustand den höchsten relativen Oberwelleninhalt aufweist.

Bedeutung und Behauptungen
Der Artikel schlägt eine Proof-of-Concept-Methode zur Erkennung von Schraubenlockerung unter Verwendung eines minimalen Sensorsatzes (Shaker, Beschleunigungsaufnehmer, Mikrofon) vor, ohne dass eine direkte Vorspannungsmessung erforderlich ist. Die Autoren behaupten, dass:

Nichtlineare Indikatoren: Das Vorhandensein zusätzlicher hochfrequenter spektraler Peaks und die Größe der Verhältnisse der Oberwellenbandleistung als zuverlässige Indikatoren für die Verbindungslösung dienen, angetrieben durch den Übergang vom Haft- zum Gleitkontakt.
FM-Vorteil: Frequenzmodulierte Anregung bietet Vorteile gegenüber der Einkomponenten-Anregung, indem sie den Resonanzbereich (125–135 Hz) durchläuft, was die Erfassung von Resonanzverschiebungen und Bandbreitenänderungen verbessert, die durch sich ändernde Randbedingungen verursacht werden. Darüber hinaus verbessert die zeitvariante Natur der FM-Anregung die Sichtbarkeit nichtlinearer Übertragungseffekte und Seitenbänder.
Praktische Anwendung: Die Methode zielt darauf ab, zuverlässige Indikatoren in Schwingungs- und Schallsignalen zu identifizieren, die mit minimalen Änderungen an Komponenten gewonnen werden können, und adressiert damit die Schwierigkeit, Sensoren an im Einsatz befindlichen Schienenfahrzeugen nachzurüsten.

Einschränkungen und zukünftige Arbeiten
Die Autoren stellen ausdrücklich fest, dass sich die Methode derzeit im „Proof-of-Concept"-Stadium befindet. Die Studie ist auf eine einzelne Schraube, diskrete Drehmomentstufen und eine spezifische Geometrie beschränkt. Als notwendig erkannte zukünftige Arbeiten umfassen die Verallgemeinerung der Methode auf verschiedene Geometrien, mehrere Schrauben und Befestigungsbedingungen, die die tatsächlichen Strukturen von Schienenfahrzeugkarosserien und Dächern besser nachbilden. Zusätzlich stellen die Autoren fest, dass zukünftige Iterationen idealerweise direkte Vorspannungs- oder Klemmkraftmessungen enthalten sollten, um den indirekten Erfassungsansatz zu validieren.