Fraunhofer-Gesellschaft
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Projekte

Fraunhofer Geschäftsbereich Adaptronik

Neue Prüfsysteme für Umwelt- und Vibrationsuntersuchungen

Elektroniken sind aus zahlreichen mobilen Anwendungen nicht mehr wegzudenken. Sie werden z. B. als Steuergeräte im Automobilbereich oder als Sensoren in bewegten und unter erhöhten Frequenzen beanspruchten Einsatzgebieten genutzt. Die transportable Umgebung definiert besondere Anforderungen an die Elektronik. Auf die Bauteile wirken andere Lasten als im quasistatischen Bereich bis 100 Hz. Gerade die hochfrequenten Lasten sind aber häufig der Grund für Ausfälle im Bereich sensibler Elektroniken und Sensoren.

Hochfrequente Schwingungserreger

Mit der zunehmenden Forderung, Bauteile in Leichtbauweise auszulegen, gewinnen neben klassischen Betriebsfestigkeitsuntersuchungen Schwingprüfungen zur Ermittlung des strukturdynamischen bis -akustischen Verhaltens immer mehr an Bedeutung. Zusätzlich werden Prüfstände, Motoren und somit die Anregung bzw. die Belastungen auf dort verbaute Bauteile (insbesondere Elektronikbauteile) immer hochfrequenter aufgrund einer erhöhten Zyklen- bzw. Drehzahl der Antriebe. Des Weiteren wird die Funktionsintegration von Bauteilen immer höher. Infolgedessen werden zum Beispiel Elektronikkomponenten direkt in Antriebnähe platziert und müssen somit bei weit höheren Vibrationen und vor allem bei höheren Frequenzen funktionieren. Bisher konnten diese Frequenzen aufgrund nur geringer Anregung im Betrieb im Hinblick auf die Systemzuverlässigkeit zumeist vernachlässigt werden. Mittlerweile sind aber häufig genau diese Frequenzen (bis 2000 Hz) der Grund für Ausfälle von Elektronikbauteilen, da unter Umständen die Leiterplatte oder die darauf applizierten Elektronikkomponenten in ihrer Resonanzfrequenz angeregt und damit beschädigt werden oder ihre Kontaktierung zur Platine verlieren.

Abb. 1: Leiterplatinentest auf der Shakereinrichtung des Fraunhofer LBF.
Abb. 2: Leiterplatinentest auf der Shakereinrichtung des Fraunhofer LBF.

Da die hohen Beschleunigungen und Frequenzen mit servohydraulischen Versuchsanlagen grundsätzlich nicht realisierbar sind, wurde die Versuchstechnik im Fraunhofer LBF systematisch um elektrodynamische Schwingerreger ergänzt. Diese dienen neben Betriebsfestigkeitsuntersuchungen der fußpunkterregten Einleitung typischer Störungen zur Analyse und Entwicklung aktiver Strukturlösungen, z. B. für NVH-Problemstellungen.

Folgende Schwingprüfungen können unter anderem mit den im Haus verfügbaren Schwingerregern realisiert werden: Umwelt- und Vibrationsuntersuchungen nach DIN EN60068, DIN EN60721, DIN EN61373 und nach den UN Recommendations on the transport of dangerous goods.

Zum Einsatz kommen dabei Schwingerreger mit einem maximal erzeugbaren Rauschkraftvektor von 18 N zur Anregung von Strukturschwingungen, transportable Schwingerreger zur Anregung größerer Bauteile oder zur Durchführung von Belastungsprüfungen bis 1,5 kN und fest installierte Schwingsysteme mit einem Rauschkraftvektor von ca. 26 kN. Die maximalen Anregungsfrequenzen beginnen bei 2 kHz bis zu 15 kHz, indirekt proportional zur Krafterzeugung. Die Systeme ab 100 N verfügen über einen automatischen Lastenausgleich, der es im Vertikalbetrieb ermöglicht, beim größten Shakersystem eine Gesamtmasse von 500 kg Auflast auszugleichen. Derartige Schwingprüfungen wurden an Leiterplatten, Sonderaktoren, Sensorkomponenten, Li-Ion-Akkus, 19-Zoll-Messtechnik-Baugruppenträgern u. a. m. durchgeführt. Ebenso wurden rein mechanische Lasten an kompletten Bremssystemen für Lkw-Achsen und Turboladern durchgeführt.

 

 

Kundennutzen

Den Kunden konnten mit den Prüfungen potenzielle Versagensstellen aufgezeigt werden. Diese konnten vor der Fertigung oder vor dem Einsatz beseitigt werden.