DE10058844A1 - Determination of the amount of ferritic wear material in motor vehicle gear oil, by use of a measurement transformer, that is simple and effective and can be linked to an online monitoring device - Google Patents
Determination of the amount of ferritic wear material in motor vehicle gear oil, by use of a measurement transformer, that is simple and effective and can be linked to an online monitoring deviceInfo
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Maschinendiagnose und insbesondere zur Getriebediagnose für eine Maschine bzw. ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.The present invention relates to a method for Machine diagnostics and in particular for gearbox diagnostics for a machine or a motor vehicle according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates a facility for performing the method.
Bei modernen Maschinen und Nutzfahrzeuggetrieben wird heutzutage eine Lebensdauerbefüllung mit Maschinenöl bzw. Getriebeöl angestrebt, wobei beispielsweise eine typische Kilometerleistung mit einem dieser verwendeten Getriebe in der Größenordnung von 1 Million Kilometer liegt.In modern machines and commercial vehicle transmissions nowadays a lifetime filling with machine oil or Gearbox oil aimed, for example a typical Mileage with one of these gearboxes used is on the order of 1 million kilometers.
Das Maschinenöl bzw. Getriebeöl dient zur Schmierung und Kühlung von sämtlichen Maschinenelementen. Da es nie gewechselt wird, ist es hervorragend zur Maschinen- bzw. Getriebediagnose geeignet, da im Öl im Laufe der Zeit Ab riebpartikel jeglicher Art gespeichert werden. Folglich gibt die Analyse des Maschinen- bzw. Getriebeöls Aufschluß über den Zustand der Maschine bzw. des Getriebes.The machine oil or gear oil is used for lubrication and cooling of all machine elements. Since it never is changed, it is excellent for machine or Suitable for gearbox diagnostics, as in the oil Ab any kind of grit particles are stored. consequently provides an analysis of the machine or gear oil about the condition of the machine or the gearbox.
Hierbei ist der ferritische Abrieb von besonders gro ßer Bedeutung, da bei nahezu jeder sich anbahnenden Schädi gung z. B. Wälzlagerverschleiß, Pittingbildung in der Ver zahnung bis hin zum Zahnbruch, Planetenträgerbolzenver schleiß usw. ferritischer Abrieb alleine oder in Kombinati on mit anderen Verschleißarten (Buntmetallverschleiß, Mo lybdänzerrüttung, etc.) entsteht. The ferritic abrasion is particularly great of great importance, since with almost every emerging pest supply z. B. roller bearing wear, pitting in the Ver toothing to tooth break, planet carrier bolt ver wear etc. ferritic abrasion alone or in combination on with other types of wear (non-ferrous metal wear, Mo Lybdenum pounding, etc.) arises.
Nach dem Stand der Technik existieren derzeit Öldia gnosesysteme, die Verschleißmetalle durch eine Leitfähig keitsmessung des Öls nachweisen, siehe "Qualität und Zu stand von Schmierstoffen bestimmen", Betriebstechnik aktu ell 41 (2000) 3, S. 58 und "Sensoren für Viskosität, Die lektrizitätszahl und Leitfähigkeit", Informationsblatt des Fraunhofer Instituts für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme, München.According to the state of the art, there are currently oil diagnostic systems that detect wear metals by measuring the conductivity of the oil, see "Determining the quality and condition of lubricants", Betriebsstechnik current 41 ( 2000 ) 3, p. 58 and "Sensors for viscosity, die Electricity number and conductivity ", information sheet of the Fraunhofer Institute for Microelectronic Circuits and Systems, Munich.
Eine Erprobung dieses Funktionsprinzips ergab jedoch, dass Eisenabrieb in einer Konzentration, wie sie bei einem sich anbahnenden Verzahnungsschaden auftritt, das Meßsignal nicht signifikant ändert. Dagegen reagierten diese Systeme stark auf eine Änderung der Partikelverteilung im Getriebe öl, was sie für den Einsatz in Fahrzeuggetrieben unbrauch bar erscheinen lässt, da die räumliche Verteilung der Ei senpartikel im Öl regellos ist.However, a test of this functional principle showed that iron abrasion in a concentration like one gearing damage occurring, the measurement signal does not change significantly. These systems reacted against this strongly on a change in the particle distribution in the transmission oil, what you need for use in vehicle transmissions bar appears because the spatial distribution of the egg particle in the oil is random.
Ein alternatives Verfahren zur Öldiagnose wird in H. Kaden, W. Fichtner und K. Ahlborn, "Sensorik zur Online- Messung von Schmnieröleigenschaften", MTZ Motortechnische Zeitschrift 61 (2000) 3, S. 164-169 vorgestellt. Demnach besteht das Messsystem aus einer öldurchströmten kapaziti ven Meßzelle, die mit einem elektrischen Widerstand zu ei nem Tiefpaß erster Ordnung verschaltet ist.An alternative method for oil diagnosis is presented in H. Kaden, W. Fichtner and K. Ahlborn, "Sensors for Online Measurement of Lube Oil Properties", MTZ Motortechnische Zeitschrift 61 ( 2000 ) 3, pp. 164-169. Accordingly, the measuring system consists of an oil-flow capacitive measuring cell, which is connected with an electrical resistor to a low-pass filter of the first order.
Dieses Messsystem wird zur Ölgütemessung an einem Ver brennungsmotor eingesetzt, wobei von der Tatsache Gebrauch gemacht wird, dass Verunreinigungen (Verbrennungsrückstän de, Wasser, Kraftstoff, Verschleißpartikel, etc.) den dielektrischen Verlustfaktor des Öls verändern. Diese Ver änderungen werden mittels eines Impedanzspektroskops ermit telt. This measuring system is used for oil quality measurement on a ver internal combustion engine used, taking advantage of the fact is made that impurities (combustion residues de, water, fuel, wear particles, etc.) den change the dielectric loss factor of the oil. This ver Changes are determined using an impedance spectroscope telt.
Dieser Sensor detektiert zwar Eisenabrieb im Öl; je doch führen Verbrennungsrückstände, Wassereintrag und Kraftstoff im Öl ebenfalls zu einer Veränderung, so dass die mangelnde Selektivität dieses Messsystems einen Einsatz in der Praxis ausschliesst. Außerdem hängt das gelieferte Sensorsignal sowohl von der Temperatur als auch von der Sorte des Neuöls ab.This sensor detects iron abrasion in the oil; ever but combustion residues, water entry and Fuel in the oil also change so that the lack of selectivity of this measurement system excludes in practice. In addition, the delivered one depends Sensor signal from both the temperature and the Variety of new oil.
Ähnliches gilt auch für den Ölgütesensor, der in dem Artikel von George S. Saloka and Allen H. Meitzler, "A Ca pacitive Oil Detoriation Sensor" SAE Technical Papers Se ries 910497, International Congress and Exposition Detroit, Michigan, February 25 - March 1, 1991, p. 137-145 vorge stellt wird. Es handelt sich dabei um einen kapazitiven Sensor, der inklusive Signalverarbeitungselektronik in den Anbauflansch eines Motorölfilters integriert wird. Eine Verschlechterung der Ölgüte bewirkt eine Erhöhung der Per mittivität des Öls. Der integrierte Sensor wandelt diese Permittivitätsveränderung über einen RC-Oszillator in eine analoge Verschiebung der Oszillationsfrequenz um.The same applies to the oil quality sensor, which is described in the article by George S. Saloka and Allen H. Meitzler, "A Ca pacitive Oil Detoriation Sensor" SAE Technical Papers Se ries 910497, International Congress and Exposition Detroit, Michigan, February 25 - March 1 , 1991 , p. 137-145 is presented. It is a capacitive sensor that is integrated into the mounting flange of an engine oil filter, including signal processing electronics. A deterioration in the oil quality causes an increase in the oil's permittivity. The integrated sensor converts this change in permittivity into an analog shift in the oscillation frequency using an RC oscillator.
Auch in diesem Fall erscheint ein erfolgreicher Ein satz dieses Sensors fraglich, da auch er mit dem Nachteil behaftet ist, dass eine Reihe von ölqualitätbestimmenden Verunreinigungen fester und flüssiger Art aus einem einzi gen Meßsignal identifiziert werden müssen.In this case too, a successful on appears sentence of this sensor questionable, since it also has the disadvantage is afflicted that a number of oil quality determinants Solid and liquid impurities from a single gene measurement signal must be identified.
Der vorliegenden Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, ausgehend von dem eingangs erwähnten Stand der Technik ein Verfahren zur Maschinendiagnose und insbesonde re zur Getriebediagnose anzugeben, welches Eisenabrieb se lektiv erfaßt und eine Online-Diagnose des Maschinen- bzw. Getriebezustandes ermöglicht. Desweiteren soll eine Ein richtung zur Durchführung des Verfahrens angegeben werden.The object of the present invention is accordingly based on the state of the art Technology a method for machine diagnosis and in particular to the gearbox diagnosis indicate which iron abrasion selectively recorded and an online diagnosis of the machine or Gear state enabled. Furthermore, an on direction to carry out the procedure.
Diese Aufgabe wird für ein Verfahren durch die Merkma le des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 und für die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 7 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.This task is for a procedure through the Merkma le of the characterizing part of claim 1 and for the facility for carrying out the procedure by the Features of the characterizing part of patent claim 7 solved. Further refinements of the invention result from the Sub-claims emerge.
Demnach wird vorgeschlagen, zur Maschinen- bzw. Ge triebediagnose ein induktives Meßverfahren einzusetzen, wobei das Messsystem eine Primär- und eine Sekundärspule aufweist und in einen ölführenden Kanal eines Getriebes eingebaut wird.Accordingly, it is proposed to machine or Ge drive diagnostics to use an inductive measuring method, the measuring system being a primary and a secondary coil has and in an oil-carrying channel of a transmission is installed.
Erfindungsgemäß sind die Primär- und die Sekundärspule des induktiven Messsystems an den sich gegenüberliegenden Seiten eines ölführenden Kanals oder einer ölführenden Rin ne eines Getriebes eingebaut und um einen weichmagnetischen Kern gewickelt, derart, dass ein Transformator gebildet wird, dessen Eisenkreis zwischen den beiden Spulen und auf getrennt ist, wobei die von der Primärspule in der Sekun därspule erzeugte Gegeninduktionspannung ein Maß für die Konzentration der ferritischen Abriebpartikel im Getriebeöl ist.According to the primary and secondary coils of the inductive measuring system on the opposite Sides of an oil-carrying channel or an oil-carrying rin ne built in a gear and a soft magnetic Core wound, so that a transformer is formed will, whose iron circle between the two coils and on is separated, with the primary coil in the sec counterinduction voltage generated a measure of the Concentration of the ferritic wear particles in the gear oil is.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der beigefügten Figur näher erläutert, die eine schematische Darstellung des Aufbaus und der Funktionsweise des Messsystems gemäß der Erfindung zeigt. The invention will now be described with reference to the accompanying Figure explained in more detail, which is a schematic representation the structure and functionality of the measuring system in accordance with of the invention shows.
In der Figur ist ein Längsschnitt durch ein Teilstück eines ölführenden Kanals 1 in einem Getriebe gezeigt. Der Ölstrom, der im Kanal fließt, ist mit ferromagnetischen Partikeln 2 (überwiegend Eisen) verunreinigt. Erfindungsge mäß ist auf einer Seite des ölführenden Kanals die Primär spule 3 des Messsystems angeordnet, die die Windungszahl N_1 aufweist und um einen weichmagnetischen Kern 4 gewic kelt ist. Gegenüber der Primärspule ist die Sekundärspule 5 angeordnet, die ebenfalls um einen weichmagnetischen Kern gewickelt ist und die Windungszahl N_2 besitzt.In the figure, a longitudinal section through a section of an oil-carrying channel 1 in a transmission is shown. The oil flow that flows in the channel is contaminated with ferromagnetic particles 2 (mainly iron). According to the invention, the primary coil 3 of the measuring system, which has the number of turns N_1 and is wound around a soft magnetic core 4, is arranged on one side of the oil-carrying channel. Compared to the primary coil, the secondary coil 5 is arranged, which is also wound around a soft magnetic core and has the number of turns N_2.
Durch diese Spulenanordnung wird ein Transformator ge bildet, dessen Eisenkreis zwischen den beiden Spulen 3 und 5 aufgetrennt ist, wobei der Abstand der Polflächen bzw. die Spalthöhe konstant h_0 beträgt. Gemäß der Erfindung befindet sich das Messsystem in einem Gehäuse 6. Desweite ren sind Hohlräume zwischen den Spulenkernen und dem Gehäu se 6 mit einer Vergußmasse 7 gefüllt.This coil arrangement forms a transformer, the iron circuit of which is separated between the two coils 3 and 5 , the distance between the pole faces and the gap height being constant h_0. According to the invention, the measuring system is located in a housing 6 . Furthermore Ren are voids between the coil cores and the hous se 6 filled with a sealing compound 7 .
Hierbei kann der Kanalquerschnitt beliebig ausgeführt sein, da die Funktion des erfindungsgemäßen Verfahrens da durch nicht beeinträchtigt wird. Es ist auch möglich, die Spulen um 90° um ihre Hochachse gedreht in den ölführenden Kanal einzubauen, ohne die Funktionalität zu beeinträchti gen.The channel cross-section can be of any design be there because the function of the method according to the invention is not affected by. It is also possible that Coils rotated by 90 ° around their vertical axis in the oil-carrying Install duct without impairing functionality gene.
Die Funkionsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens ist folgende: Die Primärspule 3 wird mit einer Wechselspannung U_1 versorgt, der ein Gleichanteil überlagert ist. Dieser Gleichanteil bewirkt, dass die Abriebpartikel überwiegend auf die Polflächen der Primärspule gezogen werden und dort verbleiben. In der Figur sind exemplarisch Trajektorien einzelner Abriebpartikel als gepunktete Linien schematisch dargestellt. Mit fortschreitender Betriebsdauer des Systems lagern sich weitere Abriebpartikel an den Polflächen ab, so dass sich eine ständig wachsende Partikelschicht mit der Höhe h ausbildet.The method of operation of the method according to the invention is as follows: The primary coil 3 is supplied with an alternating voltage U_1, on which a direct component is superimposed. This constant proportion means that the abrasion particles are predominantly drawn onto the pole faces of the primary coil and remain there. In the figure, trajectories of individual wear particles are shown schematically as dotted lines. As the system's operating time progresses, further abrasion particles are deposited on the pole faces, so that a constantly growing particle layer with the height h is formed.
Der von der Primärspule 3 erzeugte magnetische Fluß
Φ_1 breitet sich über den Spalt aus und durchflutet die
Sekundärspule 5. Der magnetische Fluß Φ_12, den die Primär
spule 3 sekundärseitig erzeugt, ist gegeben durch
The magnetic flux Φ_1 generated by the primary coil 3 spreads through the gap and floods the secondary coil 5 . The magnetic flux Φ_12, which the primary coil 3 generates on the secondary side, is given by
Φ_12 = Φ_1(1 - σ), mit 1 ≧ σ ≧ 0.Φ_12 = Φ_1 (1 - σ), with 1 ≧ σ ≧ 0.
Hierbei wird mit σ der Streukoeffizient bezeichnet. Dieser stellt eine integrale dimensionslose Größe dar und quantifiziert die Übertragungsverluste zwischen Primär- und Sekundärspule aufgrund der Auftrennung des Eisenkreises.Here the scattering coefficient is denoted by σ. This represents an integral dimensionless quantity and quantifies the transmission losses between primary and Secondary coil due to the separation of the iron circle.
Zwischen der Abriebmenge bzw. der Schichthöhe h und
dem Steukoeffizienten σ besteht eine gegenläufige Abhängig
keit. Eine Erhöhung der Schichtdicke h und damit eine Ver
ringerung der lichten Spalthöhe bewirkt eine Verringerung
des Streukoeffizienten: Je kleiner der Streukoeffizient
ist, desto fester wird die Kopplung zwischen Primär- und
Sekundärspule und desto größer wird der magnetische Fluß,
den die Primär- in der Sekundärspule hervorruft. Somit er
höht sich die Gegeninduktivität und damit die Gegenindukti
onsspannung, die sekundärseitig gemessen wird. Dieser Zu
sammenhang lässt sich mathematisch wie folgt formulieren:
L_12 = N_2[1 - σ(h)](dΦ_1/di_1), mit L_12 = Gegeninduk
tivität, Φ_1 = der von der Primärspule 3 erzeugte magneti
sche Fluß und i_1 = Primärspulenstrom.
There is an opposite dependency between the amount of abrasion or the layer height h and the control coefficient σ. An increase in the layer thickness h and thus a reduction in the clear gap height causes a reduction in the scattering coefficient: the smaller the scattering coefficient, the stronger the coupling between the primary and secondary coils and the greater the magnetic flux that the primary in the secondary coil causes. This increases the mutual inductance and thus the mutual inductance voltage that is measured on the secondary side. This relationship can be formulated mathematically as follows:
L_12 = N_2 [1 - σ (h)] (dΦ_1 / di_1), with L_12 = mutual inductivity, Φ_1 = the magnetic flux generated by the primary coil 3 and i_1 = primary coil current.
Die Sekundärspannung bzw. die Meßspannung U_2 setzt
sich aus dem ohmschen Spannungsabfall am Sekundärspulenwi
derstand R_2 der Selbstinduktionsspannung L_2(di_2/dt) und
der Gegeninduktionsspannung L_12(di_1/dt) zusammen:
The secondary voltage or the measuring voltage U_2 is made up of the ohmic voltage drop across the secondary coil resistor R_2, the self-induction voltage L_2 (di_2 / dt) and the counter-induction voltage L_12 (di_1 / dt):
U_2 = R_2i_2 + L_2(di_2/dt) + L_12(di_1/dt)U_2 = R_2i_2 + L_2 (di_2 / dt) + L_12 (di_1 / dt)
Das erfindungsgemäße System ist derart konstruiert, dass der ohmsche Spannungsabfall am Sekundärspulenwider stand R_2 und die Selbstinduktionsspannung im Vergleich zu der Gegeninduktionsspannung vernachlässigbar sind.The system according to the invention is constructed in such a way that the ohmic voltage drop across the secondary coils was compared to R_2 and the self-induction voltage the counter-induction voltage are negligible.
Daraus ergibt sich eine zur Dicke h der aus den ferro magnetischen Abriebpartikeln gebildeten Schicht proportio nale Meßspannung U_2.This results in a thickness h of the ferro magnetic abrasion particles formed layer proportio nale measuring voltage U_2.
Auf diese Weise ist die Beladung des Getriebeöls mit ferromagnetischem Abrieb quantifizierbar.In this way the gear oil is loaded with ferromagnetic abrasion quantifiable.
Im Rahmen einer weiteren Variante der vorliegenden Er findung kann zur Temperaturkompensation des sekundärseiti gen Meßsignals in Primär- und Sekundärspule jeweils ein Temperatursensor integriert werden, der die jeweilige Spu lentemperatur erfaßt.As part of another variant of the present Er can find for temperature compensation of the secondary side gene measurement signal in the primary and secondary coil Temperature sensor can be integrated, the respective Spu oil temperature detected.
Durch die Höhe des Gleichanteils der Primärspannung U_1 kann der Partikelfangwirkungsgrad in weiten Bereichen ein gestellt werden.By the level of the DC component of the primary voltage U_1 the particle capture efficiency can be in a wide range be put.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist den Vorteil auf, dass seine Funktionsweise vom Transportfluid unabhängig ist. Außerdem kann, da das Verfahren unabhängig vom Kanal querschnitt ist, das Messsystem so eingebaut werden, dass möglichst wenig Bauraum dafür beansprucht wird. Zudem ist das Verfahren weitgehend unabhängig von der Reynoldszahl und von Lufteinschlüssen im Transportfluid, beispielsweise im Getriebeöl.The method according to the invention has the advantage that its operation is independent of the transport fluid is. In addition, since the procedure is independent of the channel cross section, the measuring system should be installed in such a way that as little space as possible is required for this. In addition is the process is largely independent of the Reynolds number and air pockets in the transport fluid, for example in the gear oil.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass keine Signal verstärkung erforderlich ist, um das gemessene Spannungs signal auszuwerten. Another advantage is that there is no signal gain is required to measure the measured voltage evaluate signal.
11
ölführender Kanal
oil-carrying channel
22
ferromagnetische Partikel
ferromagnetic particles
33
Primärspule
primary coil
44
weichmagnetischer Kern
soft magnetic core
55
Sekundärspule
secondary coil
66
Gehäuse
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77
Vergußmasse
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