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Die
Erfindung betrifft eine Hubkolbenmaschine mit gleitgelagertem Kurbeltrieb
und mit einer Betriebsparameter der Gleitlager des Kurbeltriebs über zumindest
einen mit einer Auswerteeinrichtung in Verbindung stehenden Sensor überwachenden Überwachungseinrichtung.
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Der
Kurbeltrieb und insbesonders die Kurbelwelle mit Pleueln und zugehörigen Lagern
ist das mechanische Zentrum einer Hubkolbenmaschine, wie z. B. einer
Verbrennungskraftmaschine oder eines Kompressors. An ihr und ihren
Haupt- und Pleuellagern werden die erzeugten Kräfte aller Zylinder wirksam
und addieren sich zur gesamten abgegebenen Leistung. Deshalb hat
eine diagnostische Überwachung
in diesem Bereich eine besonders hohe Bedeutung. Die vorliegende
Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß sich anbahnendes Fehlverhalten einzelner,
voneinander getrennt angeordneter Lager und Zylinder hier relativ
konzentriert in einem Bereich erkennen läßt.
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Es
ist bekannt, daß Lagerschäden unterschiedlicher
Ursache an der einsetzenden und an Intensität zunehmenden akustischen Emission,
insbesondere im hochfrequenten Schall- bzw. Ultraschallbereich,
erkannt werden können.
Vgl. z. B.:
- - A.Sturm et al.: Verfahren und
Anordnung zur Ursachenerkennung von Anstreiferscheinungen in Gleitlagern. DE 41 23 576 A1 & DE 40 28 559 A1 , Prior.:
2.4.1990.
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Für die Schallemissionsanalyse
an Festkörperstrukturen
werden üblicherweise
Körperschallsensoren
mit einem piezoelektrischen Meßelement eingesetzt.
So zeigt die
DE 39
33 947 C1 einen Piezo-Sensor zur Messung des Lagerdruckers
im Kurbelwellenlager. Aber auch z. B. resistive, kapazitive, induktive,
piezomagnetische oder optische Körperschallsensoren
können
verwendet werden. Dabei zeigt die
DE 21 36 809 A einen magnetfeldempfindlichen
Temperaturübermacher
im Pleuellager. Dabei ist zwischen „aktiven" Sensoren, die keine Hilfsenergie benötigen, und „passiven" Sensoren, die mit
z. B. elektrischem Strom oder mit Anregungslicht versorgt werden
müssen,
zu unterscheiden. Die Sensoren sind im Allgemeinen für die Montage
an Strukturoberflächen
und für
den Empfang der von der Struktur übertragenen und an die Oberfläche gelangenden Körperschallsignale
konstruiert. Dabei gibt es Unterschiede in der Richtcharakteristik
und in der modalen Empfindlichkeit. Beispielsweise kann ein Sensor
ausgelegt sein, bevorzugt die radial oder axial ankommenden Schallwellen
mit einer longitudinalen oder in einer oder der anderen Richtung
transversalen Polarisation zu detektieren.
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Fehler
im Einzelzylinderverhalten einer Brennkraftmaschine, wie z. B. Zündaussetzer,
Klopfen oder Unterschiede zu den übrigen Zylindern können mit
Hilfe der üblichen
Indiziertechnik aus den gemessenen Gasdrücken im Brennraum erkannt und für eine auch
zylinderindividuelle Regelung und Überwachung herangezogen werden.
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Nachteilig
an bekannten Verfahren und Vorrichtungen ist jedoch, daß die eingesetzten Überwachungssensoren
im Allgemeinen außen
an den in Ruhe befindlichen Strukturen angebracht werden müssen und
daher vom mechanischen Zentrum des Geschehens, nämlich der Kurbelwelle mit ihren
Lagern, weit entfernt sind. Daraus resultiert eine im allgemeinen
schlechte Aussagekraft für
sich anbahnende Lagerschäden
und für
Fehler im Einzelzylinderverhalten.
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Die übliche Anbringung
der Schallemissions-Sensoren außen
an Teilen mit Körperschallkontakt
zu den in Ruhe befindlichen äußeren Lagerstrukturen,
bewirkt durch lange Schallwege – relativ
zur Wellenlänge
der hochfrequenten Schallereignisse – eine starke Signalabschwächung und
eine geringe örtliche
Differenzierung der Schallquelle. Beides resultiert in einem ungünstigen
Verhältnis
der Stärke von
Nutzsignal zu Untergrund- und Störsignal
und damit in einer geringen Aussagekraft der Überwachung.
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Weiters
können
mit solchen Anordnungen nur die Hauptlager, nicht aber die Pleuellager überwacht
werden. Die in den Pleuellagern generierten Schallsignale werden
nämlich
auf ihrem Weg zu den Sensoren durch die komplexen Strukturen, Fügestellen
und Schmierölfilme
des Kurbeltriebs und des Gehäuses
so geschwächt,
daß sie
praktisch nicht mehr genutzt werden können.
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Die
Anwendung von Brennraumdruckaufnehmern für die Indizierung des Einzelzylinderverhaltens
leidet unter den extremen Beanspruchungen, denen diese Sensoren
ausgesetzt sind. Zumindest die kostengünstigeren Varianten haben weiters
eine für Überwachungsaufgaben
im Allgemeinen nicht ausreichende Betriebssicherheit und Lebensdauer, sodaß nach alternativen
Lösungen
gesucht werden muß.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Überwachungseinheit
für eine
Hubkolbenmachine mit gleitgelagertem Kurbeltrieb vorzuschlagen,
die insbesondere eine hohe Aussagekraft für sich anbahnende Schäden nicht
nur der Haupt- sondern auch der Pleuellager sowie auch für das Leistungsverhalten
der einzelnen Zylinder der Hubkolbenmaschine ermöglicht.
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Die
Aufgabe wird durch eine Überwachungseinheit
für eine
Hubkolbenmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dies
wird gemäß der vorliegenden
Erfindung bei einer Anordnung der eingangs genannten Art dadurch
erreicht, daß zumindest
ein Sensor in der Nähe
der (des) zu überwachenden
Gleitlager(s) an einem sich im Betrieb gegenüber dem Maschinengehäuse bewegenden
Teil des Kurbeltriebes angeordnet und die Verbindung des Sensors
mit der Auswerteeinrichtung zumindest zum Teil über die Kurbelwelle geführt ist.
Durch die beschriebene Anordnung kann der Sensor in entsprechende
Nähe zum
zu überwachenden
Ereignis gebracht werden, sodaß dieses
zuverlässig
lokalisiert bzw. detektiert und ausgewertet werden kann. Die Herausführung der
Sensorsignale über
die Kurbelwelle ermöglicht
die vorteilhafte Nutzung dieses mechanisch sehr stabilen Konstruktionselementes wobei
beispielsweise auch vorgesehen sein kann, daß einzelne Signalleitungen
in den üblicherweise
in der Kurbelwelle vorhandenen Schmiermittelbohrungen angeordnet
sind. Insgesamt ergibt sich eine sehr einfache Möglichkeit zur zuverlässigen Überwachung
der Gleitlager bzw. auch verschiedener am Kurbeltrieb sich auswirkender
Meßgrößen.
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In
weiters bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
daß zur
Ein- und/oder Ausspeisung
der Sensorsignale in die und/oder aus der in bzw. an der Kurbelwelle
verlaufenden Verbindungsstrecke eine berührungslos und vorzugsweise ohne
Hilfsenergie, vorzugsweise kapazitiv, arbeitende Übertragungseinrichtung
vorgesehen ist. Damit können beispielsweise
im Bereich des Pleuellagers am Pleuel bzw. dessen Lager selbst Sensoren
vorgesehen sein, die über
eine beispielsweise kapazitive Übertragungseinrichtung
entsprechende Meßsignale in
die Kurbelwelle übertragen,
von wo sie beispielsweise über
in den Schmierölbohrungen
verlaufende Signalleitungen nach außen, beispielsweise im Bereich
des Zahnkranzes am Schwungrad, geführt werden. Dort kann wiederum über eine
berührungslose Übertragungseinrichtung
die Auskoppelung an die Überwachungseinrichtung
erfolgen. Es kann damit eine laufende Überwachung, beispielsweise
des Pleuellagers erfolgen, wobei die entsprechenden Meßsignale
quasi kontinuierlich nach außen übertragen
werden können.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß zumindest
ein Sensor als Körperschallsensor
für hochfrequente
Schallwellen ausgebildet ist, was Vorteile im Zusammenhang mit der Überwachung
sich anbahnender Lagerschäden
bietet.
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Zumindest
ein Sensor kann nach einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der
Erfindung zur Aufnahme von niederfrequenten mechanischen Spannungen
und Deformationen ausgebildet und vorzugsweise am Pleuellager angeordnet
sein, was über
die damit möglichen
Messungen der Pleuelbelastung die Bereitstellung eines Maßes für den Brennraumdruck
im zugehörigen
Zylinder und damit die Einzelzylinderbeurteilung einer Brennkraftmaschine
ermöglicht.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß zumindest
ein Sensor zur Aufnahme des niederfrequenten hydraulischen Schmieröldruckes
an zumindest einem der Gleitlager des Kurbeltriebes ausgebildet
ist. Dies ermöglicht
einerseits die Überwachung
des Schmieröldruckes
und andererseits auch des Lagerspiels und damit der Abnutzung.
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Zumindest
ein Sensor ist nach einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der
Erfindung als Kombinationssensor zur Aufnahme unterschiedlicher,
einerseits niederfrequenter und andererseits hochfrequenter Meßgrößen und
zur gemeinsamen Übertragung
der überlagerten
Signalteile an die Auswerteeinrichtung ausgebildet.
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Besonders
vorteilhaft kann der Überwachungssensor
als Kombinationssensor für
die Ultraschallemission und für
den am Lager vorhandenen Schmieröldruck
ausgeführt
werden. Neben der Empfindlichkeit für den niederfrequenten Schmieröldruck und
hochfrequente Schallemission der benachbarten Lager kann dadurch
besonders vorteilhaft eine zusätzliche
hohe Empfindlichkeit für
eine z. B. kavitationsbedingte Schallemissionen des Schmieröls erreicht
werden.
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Der
hochfrequente Signalanteil repräsentiert den
empfangenen Körperschall
und der niederfrequente Anteil eine weitere physikalische Meßgröße wobei
die beiden Signalteile einander überlagert
sind und gemeinsam übertragen
werden. Erst bei der Auswertung werden die beiden Signalteile frequenzmäßig separiert
und weiter verarbeitet. Die niederfrequente Meßgröße kann dabei beispielsweise
die von der Pleuelstange über
das Pleuellager an die Kurbelwelle übertragenen Kräfte charakterisieren,
sodaß aus
dem Meßsignal
unter anderem Zündaussetzer, Klopfen
und Abweichungen vom Verhalten der übrigen Zylinder einer Brennkraftmaschine
zylinderspezifisch erkannt werden können. Die niederfrequente Meßgröße kann
aber auch den am Lager vorhandenen Schmieröldruck charakterisieren, sodaß aus dem
Meßsignal
Anzeichen für
eine mangelhafte Schmierölversorgung
und/oder Schmierung erkannt werden können.
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Nach
einer anderen bevorzugten weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann
vorgesehen sein, daß zumindest
ein Sensor in die Festkörperstruktur des
Kurbeltriebs, vorzugsweise im Bereich eines zu überwachenden Gleitlagers, einer
Kurbelwange oder der Pleuelstange, eingebettet ist. Infolge der
relativ guten Schallübertragung
in der kompakten Struktur der Kurbelwelle wird ein in die Kurbelwelle
eingebetteter Köperschallsensor
dominante Signale liefern, die von den nächstgelegenen Schallquellen
stammen. Daher genügt
unter Umständen
ein Sensor für die Überwachung
der angrenzenden Hauptlager und Pleuellager. Durch eine korrelative
Auswertung der Signale eines Sensors mit den Signalen zumindest eines
zweiten – etwa
des nächstgelegenen,
z. B. in der benachbarten Kurbelwange angebrachten – Sensors,
kann die Schallquelle dann lokalisiert werden. Auf diese Art kann
somit unterschieden werden, von welchem Lager die erkannten Signale
herrühren,
womit bei einer ausreichenden Qualität der Schallübertragung
in der Kurbelwelle in vorteilhafter Weise einige Sensoren und damit
Kosten eingespart werden können.
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Damit
gibt es praktisch keine herausragenden zusätzlichen Teile am Kurbeltrieb.
Der Sensor ist allseits vom Meßobjekt
und seiner Temperatur umgeben und daher in hohem Maße geschützt. Außerdem kann
er optimal an seine Meßaufgabe
angepaßt
werden. Im Falle eines Körperschallsensors
kann beispielsweise eine hohe Sensitivität und Selektivität auf die
im Inneren der Struktur vorhandenen longitudinal und transversal
gerichteten Schallwellen erreicht werden. Außerdem kann die Bauart des
Sensors und die Art seiner Anbringung vorteilhaft für eine bestimmte
Richtcharakteristik und Modenempfindlichkeit ausgelegt werden, sodaß für einen
gewählten Anbringungsort
und für
die interessierenden Orte der Ultraschallemission eine optimale
Nutzungsempfindlichkeit und Störsignalunterdrückung erreicht
werden können.
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Im
letztgenannten Zusammenhang besonders vorteilhaft ist eine weitere
Ausgestaltung, gemäß welcher
der Sensor als Verschlußstopfen
für eine
an der Kurbelwange nach außen
geführte
Bohrung zur Schmierölversorgung
der Gleitlager ausgebildet ist. Dies ermöglicht eine einfache Ausgestaltung
und Anbringung des Überwachungssensors.
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Nach
einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß zumindest
ein Sensor als Temperatursensor ausgebildet ist, womit sowohl niedrig
als auch bedarfsweise zeitlich höher
aufgelöste
Temperaturüberwachungen
der Lager möglich sind.
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In
besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen
sein, daß am
Sensor oder zumindest in der Nähe
der Anbringung des Sensors am Kurbeltrieb elektrische bzw. elektronische Komponenten
zur zumindest teilweisen Signalbe- bzw. verarbeitung vorgesehen
und einerseits mit dem Sensor und andererseits mit der Auswerte-
bzw. Überwachungseinrichtung
verbunden sind. Damit kann zumindest ein Teil der Signalverarbeitung
mit den bekannten diesbezüglichen
Vorteilen in unmittelbarer Sensornähe erfolgen, womit die weitere
Signalherausleitung wesentlich einfacher bzw. unkritischer wird.
So kann bei spielsweise auch eine in den Sensor selbst integrierte
elektrische Filterschaltung zur Unterdrückung störender Frequenzkomponenten des
Sensorsignals vorgesehen sein oder unmittelbar bei einem Körperschallsensor
eine Hochpaßfilterung zur
Unterdrückung
von niederfrequenten Signalkomponenten erfolgen. Andererseits kann
bei einem Sensor für
eine niederfrequente Meßgröße vorweg eine
Tiefpaßfilterung
zur Unterdrückung
von hochfrequenten Signalkomponenten vorgenommen werden. Im Falle
eines Kombinationssensors können
z. B. die hochfrequenten und die niederfrequenten Signale von getrennten
Meßelementen
vor ihrer Zusammenführung
in einem Fall hochpaß-
und im anderen Fall tiefpaßgefiltert
werden. Vorzugweise können
derartige elektrische Filterschaltungen nur passive Komponenten
(Widerstände,
Kondensatoren, Induktivitäten) enthalten,
was keine zusätzliche
Spannungsversorgung für
diese Komponenten erfordert.
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Für die Übertragung
der überlagerten
Signale mehrerer Sensoren kann in weiters bevorzugter Ausgestaltung
der Erfindung eine gemeinsame Verbindungsstrecke zur Auswerteeinrichtung
vorgesehen sein, falls nur eine allgemeine Überwachung und keine diagnostische
Zuordnung der Signale zum signalabgebenden Sensor erforderlich ist.
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Die
Sensoren selbst können
in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung elektrisch aktive,
vorzugsweise piezoelektrische, Meßelemente enthalten, womit
die verschiedensten Meßaufgaben
zuverlässig und
präzise
erfüllt
werden können,
da derartige Sensoren auch relativ unempfindlich gegenüber hohen Temperaturen,
Vibrationen und ähnlichen
Betriebsbedingungen sind.
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Die
Erfindung wird im folgenden noch anhand eines in der Zeichnung schematisch
dargestellten Ausschnittes aus einer erfindungsgemäß ausgebildeten
Hubkolbenmaschine mit gleitgelagertem Kurbeltrieb näher erläutert.
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Dargestellt
ist nur der linke Bereich einer mehrzylindrigen Hubkolbenmaschine,
deren Kurbelwelle 1 in als Gleitlager 2 ausgebildeten
Hauptlagern 3 (von denen nur die linken beiden dargestellt
sind) gelagert ist. Der in der Darstellung obere Teil der Gleitlager 2 ist
an Lagerwänden 4 des
nicht weiter dargestellten Maschinen- oder Kurbelgehäuses bzw. Zylinder blocks
angeordnet – die
unteren Teile sind mit üblicherweise
abnehmbar aufgeschraubten Lagerbügeln 5 verbunden.
Zwischen den Kurbelwangen 6 mit Gegengewichten 7 sind
Pleuellager 8 für nur
angedeutete Pleuelstangen 9 vorgesehen, wobei die Pleuellager 8 selbst
wiederum ähnlich
wie bei den Hauptlagern 3 beschrieben geteilt ausgeführt sind.
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Nur
schematisch dargestellt ist eine Reihe von Sensoren (s. Bezugzeichen 10 bis 18)
jeweils in der Nähe
der zu überwachenden
Gleitlager 3, 8 an sich gegenüber dem hier durch die Lagerwände 4 repräsentierten
Maschinengehäuse
bewegenden Teilen des Kurbeltriebs, deren Verbindung mit einer nur angedeuteten,
außen
liegenden Auswerteeinrichtung 19 zumindest zum Teil über die
Kurbelwelle 1 geführt ist.
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Der
Sensor 10 im Bereich des linken Pleuellagers 8 ist über eine Übertragungseinrichtung 20 beispielsweise
kapazitiv mittels zweier konzentrischer Zylinderflächen oder
eines entsprechenden Voll-Zylinders und eines zugeordneten Teil-Zylinders mit
der weiter in der Kurbelwelle 1 (beispielsweise in der Ölbohrung 29)
verlaufenden Verbindungsleitung 21 verbunden, welche dann
links mit einer Signalaufbereitungs- und Verstärkungseinheit 22, 23 verbunden
ist. Diese Einheit 22, 23 kann dann über eine wiederum
nur angedeutete drahtlose Übertragungseinrichtung 24 (z.
B. passiv, kapazitiv oder aktiv durch Funk) mit der Auswerteeinrichtung 19 in
Verbindung stehen.
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Der
Sensor 11 kann beispielsweise nach einer Änderung
der Pleuelform um den Platz für
die Signalübertragung
mittels der Übertragungseinrichtung 25 zu
bekommen an anderer Stelle als der Sensor 10 am Pleuellager
angeordnet werden. Die weitere Signalleitung bzw. Herausleitung
erfolgt wiederum ähnlich
wie zum Sensor 10 beschrieben.
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Der
Sensor 12 auf der Kurbelwellenseite des Pleuellagers 8 benötigt keine
berührungslose Übertragung
und kann unmittelbar beispielsweise über die Schmierölbohrung 29 bzw.
eine darin verlaufende Verbindungsleitung 21 nach außen kontaktiert
sein.
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Ähnliches
gilt auch für
den Sensor 13, der hier im Bereich einer Verschlußschraube
der Ölbohrung 29 oder
in dieser selbst eingesetzt ist. Die Sensoren 14 und 15 sind
wiederum ähnlich
wie die oben beschriebenen Sensoren 10 und 11 auf
der Pleuelseite des Pleuella gers 8 angeordnet und müssen somit
wiederum berührungslos
ihre Signale in die Kurbelwelle 1 und von dort beispielsweise
wiederum über
die Verbindungsleitung 21 übertragen.
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Der
Sensor 16 auf der Kurbelwellenseite des rechten Hauptlagers 3 kann ähnlich wie
zu den Sensoren 12 und 13 beschrieben, direkt über die
Verbindungsleitung 21 kontaktiert werden.
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Der
Sensor 17 in der Pleuelstange 9 (bzw. auch weitere über die
Leitung 26 im Bereich des nicht dargestellten Pleuelauges
bedarfsweise vorgesehene Sensoren) ist über eine Verbindungsleitung 27 mit einer
berührungslosen Übertragungseinrichtung 28 verbunden,
welche beispielsweise mittels ebener Ringflächen, Kammstrukturen oder dergleichen
eine passive oder aktive Signalübertragung
in die Kurbelwelle 1 und von dort über die Verbindungsleitung 21 nach
außen
ermöglicht.
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Der
Sensor 18 ist wiederum ähnlich
wie der Sensor 13 im Bereich einer Verschlußschraube
der Schmierölleitung 29 in
der Kurbelwelle 1 oder in dieser Verschlußschraube
selbst eingesetzt und kann über
in oder parallel zu den Ölbohrungen
verlaufende Verbindungsleitungen 21 nach außen verbunden werden.
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Abgesehen
von der dargestellten und besprochenen beispielhaften Ausführung könnten natürlich auch
nur einzelne der Sensoren oder aber noch wesentlich mehr davon vorgesehen
und entsprechend den jeweiligen Gegebenheiten kontaktiert bzw. mit
der Signalaufbereitungs- und Verstärkungseinheit 22, 23 bzw.
der Auswerteeinrichtung 19 verbunden sein. Auch könnten abweichend
von der dargestellten Ausführung
zumindest einzelne der Sensoren unmittelbar zugeordnete bzw. benachbarte
Signalaufbereitungseinrichtungen oder dergleichen besitzen. Weiters
ist darauf hinzuweisen, daß es
sowohl möglich
ist, einzelne oder alle der Sensoren über eine gemeinsame Verbindungsleitung
zu kontaktieren, als auch einzelne oder alle Sensoren mit separaten,
derartigen Verbindungsleitungen mit der Auswerteeinrichtung zu verbinden.
Die Bauweise bzw. das Arbeitsprinzip der einzelnen Sensoren ist
in weiten Grenzen frei wählbar
bzw. an die jeweiligen Anforderungen anpaßbar. Insgesamt ergibt sich
eine sehr einfache und zuverlässige Überwachungsmöglichkeit
für die
Funktion der Gleitlager des Kurbeltriebes bzw. auch weiterer maschinenspezifischer
Größen.