DE10060609A1 - Verfahren und Einrichtung zur Maschinendiagnose und insbesondere zur Getriebediagnose - Google Patents

Abstract

Im Rahmen des Verfahrens zur Maschinendiagnose und insbesondere zur Getriebediagnose mittels der Analyse des Maschinen- bzw. Getriebeöls und insbesondere zur Deaktivierung von ferritischem Abrieb (8), wird ein Hallsensor (10) verwendet, dessen Ausgangsspannung ein Maß für die Konzentration der ferritischen Abriebspartikel (8) im Maschinen- bzw. Getriebeöl ist.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Ein alternatives Verfahren zur Öldiagnose wird in H. Kaden, W. Fichtner und K. Ahlborn, "Sensorik zur Online- Messung von Schmieröleigenschaften", MTZ Motortechnische Zeitschrift 61 (2000) 3, S. 164-169 vorgestellt. Demnach besteht das Messsystem auf seiner öldurchströmten kapaziti­ ven Meßzelle, die mit einem elektrischen Widerstand zu ei­ nem Tiefpaß erster Ordnung verschaltet ist.

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 die­ leketrischen Verlustfaktor des Öls verändern. Diese Verän­ derungen werden mittels eines Impedanzspektroskops ermit­ 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.

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 Oszillatlonsfrequenz um.

Auch in diesem Fall erscheint ein erfolgreicher Ein­ satz dieses Sensors fraglich, da auch er mit dem Nachteil behaftet ist, dass eine Reihe von ölqualitätsbestimmenden Verunreinigungen fester und flüssiger Art aus einem einzi­ gen Meßsginal identifiziert werden müssen.

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. Des weiteren soll eine Ein­ richtung zur Durchführung des Verfahrens angegeben werden.

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 10 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Demnach wird vorgeschlagen, zur Maschinen- bzw. Ge­ triebediagnose ein Messverfahren einzusetzen, welches auf dem Hall-Effekt basiert, wobei das Messsystem in einen öl­ führenden Kanal bzw. in eine Rinne eines Getriebes oder einer Maschine eingebaut wird.

Bevorzugterweise wird ein Sensor verwendet, wobei das Sensorgehäuse ein Unterteil und ein Oberteil aufweist, und wobei im Unterteil ein Fangmagnet angeordnet ist, auf des­ sen Oberfläche sich die zu detektierenden ferritisschen Abriebpartikel anlagern. Erfindungsgemäß ist im Oberteil ein Hallsensor angeordnet, wobei die magnetische Flussdich­ te, die den Hallsensor durchsetzt, mit wachsender Schicht­ dicke der sich am Fangmagneten befindlichen ferritischen Abriebpartikel geringer wird, so dass das Ausgangssignal des Hallsensors abnimmt, derart, dass das Ausgangssignal ein Maß für die Konzentration der ferritischen Abriebparti­ kel im Maschinen- bzw. Getriebeöl ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der beigefügten Figur näher erläutert, die eine schematische Darstellung des Aufbaus und der Funktionsweise einer Ausführungsform des Messsystems gemäß der Erfindung zeigt.

In der Figur ist ein Längsschnitt durch ein Teilstück eines ölführenden Kanals eines Getriebes gezeigt. Das Sen­ sorgehäuse 1 weist eine zylindrische Form auf und wird durch eine Bohrung in der Wandung des getriebeölführenden Kanals 2 gesteckt. Es besteht vorzugsweise aus einem magne­ tisch neutralen Werkstoff, beispielsweise Aluminium oder Messing. Der Sensor wird öldicht montiert, wobei die öl­ dichte Montage bevorzugterweise duch Einschrauben erfolgt. Als Dichtung dient hierbei eine Kupferscheibe 3.

Des weiteren weist das Sensorgehäuse 1 ein Unterteil 4 und ein Oberteil 5 auf, die über drei Bolzen 6 miteinander verbunden sind. Diese Bolzen 6 dienen als Abstandshalter und gewährleisten, dass die Ölströmung nahezu ungehindert in den Sensor eindringen kann.

Im Sensorgehäuseunterteil 4 ist ein Permanentmagnet 7 angeordnet, der in das Unterteil 4 eingeklebt ist. Der Per­ manentmagnet 7 dient als Fangmagnet und ist senkrecht zu seiner Mittelebene einfach polarisiert. Die zu detektieren­ den ferritischen Abriebpartikel 8 lagern sich auf der Ma­ gnetoberfläche an und werden somit dem Ölkreislauf entzo­ gen. Im Oberteil 5 des Gehäuses 1 befindet sich ein Sack­ loch mit Feingewinde. In dieses Gewinde wird ein Gewinde­ stift 9 aus Messing eingeschraubt. Erfindungsgemäß ist stirnseitig auf dem Gewindestift 9 ein Hallsensor 10 ange­ ordnet. Zudem weist der Gewindestift 9 eine durchgehende eingefräste Nut 11 auf, in der die frei elektrischen Kon­ takte 12 des Hallsensors 10 verlegt sind. Zur Montage des Hallsensors 10 auf dem Gewindestift 9 und zum Ausgießen der als Kabelkanal dienenden Nut 11 wird erfindungsgemäß ein Zweikomponenten-Klebstoff 13 verwendet.

Des weiteren sind am Ende des Gewindestiftes 9 zwei planparallele Flächen 14 für die Aufnahme eines Gabel­ schlüssels angefräst. Erfindungsgemäß wird der Gewinde­ stift 9 mittels einer Kontermutter 15 gegen unbeabsichtig­ tes Verdrehen gesichert. Zur Abdichtung des Gewindestiftes im unteren Gehäuseteil 4 wird ein handelsübliches und nach kurzer Zeit aushärtendes flüssiges Schraubensicherungsmit­ tel eingesetzt. Der Gewindestift 9 und der Fangmagnet 7 weisen zueinander einen lateralen Versatz auf, der für die Effektivität und Empfindlichkeit des Sensors entscheidend ist.

Durch die erfindungsgemäße Konstruktion wird gewähr­ leistet, dass der Abstand h_0 der Hallzelle 10 von der Oberfläche des Fangmagneten 7 stufenlos einstellbar ist. Auf diese Weise wird eine Adaption des Abriebsensors an die magnetische Feldstärke des Fangmagneten 7 und an die herr­ schenden Strömungsverhältnisse ermöglicht. Zur Temperatur­ kompensation des Hallsensorsignales kann ein Temperatursen­ sor in das untere Gehäuseteil 4 integriert werden bzw. in die Rohrwandung in unmittelbarer Nähe des Abriebsensors angeordnet werden.

Das erfindungsgemäße Messverfahren funktioniert wie folgt: Der Innenraum des Abriebsensors wird von einem Teil der Ölströmung (durch den Pfeil in der Figur verdeutlicht) durchspült. In der Ölströmung befinden sich ferritische Abriebpartikel, die sich am Fangmagneten anlagern, wenn die auf sie wirkende Magnetkraft groß genug ist, um sie vom Öl zu separieren. Mit steigender Betriebsdauer des erfindungs­ gemäßen Sensors lagern sich immer mehr Eisenabriebpartikel am Fangmagneten an, sodass sich eine Partikelschicht mit kontinuierlich wachsender Dicke h ausbildet. Dementsprechend verringert sich der anfangs konstante Abstand h_0 zwischen der Magnetoberfläche und der Oberfläche des Hall­ sensors 10. Je geringer die lichte Weite h_0 - h wird, de­ sto geringer wird die magnetische Flussdichte, die den Hallsensor 10 durchsetzt, wobei dieser Effekt an den Kanten des Fangmagneten 7 besonders ausgeprägt ist. Dies liegt daran, dass sich die Feldlinien durch die Anlagerung der Eisenpartikel verkürzen. Folglich wird die räumliche Aus­ dehnung des Magnetfeldes, das den Fangmagneten 7 umgibt, reduziert, sodass die vom Hallsensor 10 erfaßte Normalkom­ ponente der magnetischen Flussdichte abnimmt.

Somit nimmt das Ausgangssignal des Hallsensors 10 mit wachsender Schichtdicke der sich am Fangmagneten befindli­ chen ferritischen Abriebpartikel ab.

Erfindungsgemäß wird das Ausgangssignal des Hallsen­ sors 10 gemessen und dient als Maß für die Konzentration der ferritischen Abriebpartikel im zu untersuchenden Öl. Dieses Ausgangssignal kann aufgrund seiner Größe ohne zu­ sätzliche Abschirmmaßnahmen in einem Getriebesteuergerät verarbeitet werden, wobei eine mögliche Temperaturkompensa­ tion des Sensorsignals ebenfalls erst im Getriebesteuerge­ rät erfolgen kann.

Im Rahmen einer weiteren Variante (nicht dargestellt) wird anstelle des Permanentmagneten 7 ein Elektromagnet eingesetzt. Dadurch ist es möglich, bei konstantem Ab­ stand h_0 der Hallzelle 10 von der Oberfläche des Elektro­ magneten die magnetische Feldstärke an den Sensor zu adap­ tieren und an die herrschenden Strömungsverhältnisse anzu­ passen. Diese Ausführungsform weist den Vorteil auf, dass kein Gewindestift benötigt wird und dass die Anpassung nicht mechanisch, sondern elektrisch erfolgt.

Die hier vorgestellte Erfindung weist außerdem folgen­ de Vorteile auf: Die Montage des Abriebsensors in den öl­ führenden Kanal ist sehr einfach, wobei die für den Hall­ sensor erforderliche Versorgungsspannung von 5 Volt DC von jedem elektronischen Getriebesteuergerät standardmäßig be­ reitgestellt wird.

Zudem ist das erfindungsgemäße Messsystem günstig her­ zustellen und äußerst kompakt, sodass wenig Bauraum bean­ sprucht wird. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass das Messverfahren unabhängig von der Geometrie des Kanalquer­ schnitts ist.

Das Sensorsignal weist eine lineare Abhängigkeit von der Dicke der Partikelschicht auf dem Fangmagneten auf. Dies bedeutet, dass durch eine entsprechende Wahl der ma­ gnetischen Feldstärke bzw. der Energiedichte des Fangmagne­ ten der Partikelfangwirkungsgrad einstellbar ist, wodurch der Abriebsensor an die herrschenden Strömungsverhältnisse im ölführenden Kanal adaptierbar ist.

Mittels des erfindungsgemäßen Abriebsensors ist auch eine Online-Getriebediagnose möglich.

Bezugszeichen

1

Gehäuse

2

ölführender Kanal

3

Kupferscheibe

4

Unterteil

5

Oberteil

6

Bolzen

7

Fangmagnet

8

Abriebpartikel

9

Gewindestift

10

Hallsensor

11

Nut

12

elektrische Kontakte

13

Zweikomponenten-Klebstoff

14

planparallele Fläche

15

Kontermutter
h Dicke der Abriebpartikelschicht
h_0 Abstand zwischen der Fangmagnetoberfläche und der Oberfläche des Hallsensors

Claims (23)

1. Verfahren zur Maschinendiagnose und insbesondere zur Getriebediagnose mittels der Analyse des Maschinen- bzw. Getriebeöls und insbesondere zur Detektierung von fer­ ritischem Abrieb (8), dadurch gekennzeich­ net, dass ein Hallsensor (10) verwendet wird, dessen Ausgangssignal ein Maß für die Konzentration von ferriti­ schen Abriebpartikel (8) im Maschinen- bzw. Getriebeöl ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass als Messsystem ein Sensor verwen­ det wird, der in einen ölführenden Kanal einer Maschine bzw. eines Getriebes eingebaut ist, wobei das Sensorgehäu­ se (1) ein Unterteil (4) und ein Oberteil (5) aufweist, und wobei im Unterteil (4) ein Fangmagnet (7) angeordnet ist, auf dessen Oberfläche sich die zu detektierenden ferriti­ schen Abriebpartikel (8) lagern und im Oberteil (5) ein Hallsensor (10) angeordnet ist, wobei die magnetische Flussdichte, die den Hallsensor (10) durchsetzt, mit wach­ sender Schichtdicke der sich am Fangmagneten (7) befindli­ chen ferritischen Abriebpartikel geringer wird, so dass das Ausgangssignal des Hallsensors (10) abnimmt, derart, dass das Ausgangssignal ein Maß für die Konzentration der ferri­ tischen Abriebpartikel (8) im Getriebeöl ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Effektivität und Empfindlich­ keit des Sensors mittels des lateralen Versatzes des Hall­ sensors (10) und des Fangmagneten (7) zueinander einge­ stellt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch ge­ kennzeichnet, dass als Fangmagnet (7) ein Permanentmagnet eingesetzt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand des Hall­ sensors (10) von der Oberfläche des Fangmagneten (7) stu­ fenlos einstellbar ist, so dass eine Adaption des Sensors an die magnetische Feldstärke des Fangmagneten (7) und an die herrschenden Strömungsverhältnisse ermöglicht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch ge­ kennzeichnet, dass als Fangmagnet (7) ein Elektromagnet eingesetzt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, dass bei konstantem Abstand zwischen Hallsensor (10) und Fangmagneten (7) mittels einer stufen­ losen Regelung der Energiedichte des Elektromagneten (7) eine Adaption des Sensors an die herrschenden Strömungsver­ hältnisse ermöglicht wird.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aus­ gangssignal des Hallsensors (1) ohne zusätzliche Abschirm­ maßnahmen in einem Getriebesteuergerät verarbeitet wird.

8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Tempe­ raturkompensation des Sensorsignals erfolgt.

9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass duch eine entsprechende Wahl der magnetischen Feldstärke bzw. der Energiedichte des Fangmagneten (7) der Partikelfangwir­ kungsgrad eingestellt wird.

10. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, dass sie ein Gehäuse (1) mit einem Un­ terteil (4) und einem Oberteil (5) aufweist, wobei im Un­ terteil (4) ein Fangmagnet (7) angeordnet ist, auf dessen Oberfläche sich die zu detektierenden ferritischen Ab­ riebpartikel (8) anlagern und im Oberteil (4) ein Hallsen­ sor (10) angeordnet ist, dessen Ausgangsspennung ein Maß für die Konzentration der ferritischen Abriebpartikel im Öl ist.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch ge­ kennzeichnet, dass das Unterteil (4) und das Oberteil (5) über Bolzen (6) miteinander verbunden sind.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der Fangmagnet (7) senk­ recht zu seiner Mittelebene einfach polarisiert ist.

13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 10-12, da­ durch gekennzeichnet, dass der Fangma­ gnet (7) ein Permanentmagnet ist.

14. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch ge­ kennzeichnet, dass das Oberteil (5) des Ge­ häuses (1) ein Sackloch mit Feingewinde aufweist, wobei in diesem Gewinde ein Gewindestift (9) eingeschraubt ist, auf dessen Stirnseite ein Hallsensor (10) angeordnet ist.

15. Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der Gewindestift (9) eine durchgehende eingefräste Nut (11) aufweist, in der die elektrischen Kontakte (12) des Hallsensors (10) verlegt sind, wobei zur Montage des Hallsensors (10) auf dem Gewin­ destift (9) und zum Ausgießen der als Kabelkanal dienenden Nut (11) ein Zweikomponenten-Klebstoff (13) verwendet wird.

16. Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch ge­ kennzeichnet, dass am Ende des Gewindestif­ tes (9) zwei planparallele Flächen (14) für die Aufnahme eines Gabelschlüssels angefräst sind.

17. Einrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Gewinde­ stift (9) mittels einer Kontermutter (15) gegen unbeabsich­ tigtes Verdrehen gesichert ist, wobei zur Abdichtung des Gewindestiftes (9) im unteren Gehäuseteil (4) ein nach kur­ zer Zeit aushärtendes flüssiges Schraubensicherungsmittel eingesetzt wird.

18. Einrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Hallsen­ sor (10) und der Fangmagnet (7) zueinander einen lateralen Versatz aufweisen.

19. Einrichtung nach einem der Ansprüche 10-12 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Fangmagnet (7) ein Elektromagnet ist.

20. Einrichtung nach einem der Ansprüche 10-19, da­ durch gekennzeichnet, dass das Gehäu­ se (1) eine zylindrische Form aufweist und durch eine Boh­ rung in der Wandung eines ölführenden Kanals (2) gesteckt wird.

21. Einrichtung nach Anspruch 20, dadurch ge­ kennzeichnet, dass das Gehäuse (1) aus einem magnetisch neutralen Werkstoff besteht.

22. Einrichtung nach Anspruch 21, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der magnetisch neutrale Werkstoff Aluminium oder Messing ist.