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Die Erfindung betrifft einen Zugmitteltrieb nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erfassung des Verschleißes eines endlosen Zugmittels eines derartigen Zugmitteltriebs nach dem Oberbegriff des Anspruchs 8 sowie ein endloses Zugmittel für einen derartigen Zugmitteltrieb nach dem Oberbegriff des Anspruchs 14.
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Stand der Technik
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Bei heutigen Verbrennungsmotoren, aber auch bei anderen Antrieben werden heute sehr häufig Zugmitteltriebe eingesetzt. Dabei kommen Keilriementriebe mit Keilriemen aus Kunststoff, Gummi oder ähnlichen Materialien zur Kraftübertragung von zum Beispiel der Kurbel- zur Nockenwelle oder von einer Hauptwelle zu einer Nebenwelle, um z. B. einen Lader, einen Kompressor oder dergleichen anzutreiben, zum Einsatz. Die Antriebsriemen unterliegen einem hohen Verschleiß und müssen deshalb in regelmäßigen Wartungsintervallen ausgetauscht werden. Das Verschleißbild zeigt sich dabei in den meisten Fällen in einer Änderung der Elastizität des Antriebsriemens, Bildung von Haarrissen, einer Abnutzung der Verzahnung im Falle von Zahnriemen oder dem Ausfall einzelner Zähne und teilweise auch in einer Dickenänderung. Ein Nichteinhalten der Wartungsintervalle kann zu erheblichen Störungen führen. So kann z. B. bei einer Steuerung des Ventiltriebes in einem Verbrennungsmotor mittels eines Zahnriemens bei einem Bruch des Zahnriemens der Kolben auf die Ventile aufschlagen, wodurch der Motor zerstört wird. Als Folge davon ist ein Austausch des Motors erforderlich, zumindest aber aufwendige und damit auch teurere Reparaturen.
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Es besteht daher der Wunsch, den Momentanzustand eines endlosen Zugmittels, insbesondere eines Keilriemens oder Zahnriemens hinsichtlich des Erreichens der Verschleißgrenze zu überwachen, um derartigen Schäden vorzubeugen.
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Aus der
DE 102 16 354 A1 ist ein gattungsgemäßer Zugmitteltrieb bekannt geworden, bei dem alle Bauteile bzw. Einzelteile des Zugmitteltriebs unabhängig von dem verwendeten Werkstoff eine elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Hierdurch kann bei laufender Brennkraftmaschine kontinuierlich durch eine Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit der Verschleißzustand des Zugmittels bestimmt werden. Da sich der Widerstandswert des Zugmittels über die Lebensdauer im Vergleich zum Neuzustand ändert, kann durch die Festlegung eines Grenzwertes der Austausch des endlosen Zugmittels vorgenommen werden, bevor es zu einem Ausfall des Zugmittels kommt. Zur Erfassung des Widerstandswerts sind hierbei die Reibung erhöhende Schleifkontakte oder aufwendige berührungslos induktiv wirkende Meßeinrichtungen erforderlich. Problematisch ist nun, daß sich beispielsweise bei einer Verschmutzung der Oberfläche der Widerstandswert ändern kann, was zu fehlerhaften Schlüssen hinsichtlich des Verschleißes führen kann.
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Aus der
DE 10 2004 060 067 A1 gehen ein gattungsgemäßer Zugmitteltrieb sowie ein Verfahren zur Erfassung des Verschleißes eines endlosen Zugmittels und ein endloses Zugmittel für einen solchen Zugmitteltrieb hervor, mit einer optischen Abtasteinrichtung, welche zur Abtastung der Oberfläche des Zugmittels vorgesehen ist. Eine optische Abtastung stellt gegenüber der Erfassung beispielsweise des Widerstandswerts, wie er aus der
DE 102 16 354 A1 hervorgeht, eine wesentliche Verbesserung dar. In vielen Fällen ist jedoch eine optische Abtastung nicht möglich. Insbesondere kann diese auch gestört sein, wenn zwischen Sender und Empfänger für Lichtstrahlen undurchsichtige oder Lichtstrahlen stark dämpfende Substanzen auftreten.
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Aus der
DE 100 29 442 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung von Strukturinhomogenitäten in Blattgut, namentlich von Einzelblättern wie Geldscheinen, bekannt geworden, bei dem das Blattgut mit einer verhältnismäßig geringen Geschwindigkeit einer Ultraschallsensorik in einer sehr speziellen Weise zugeführt wird. Das Blattgut wird mit Ultraschall beaufschlagt und der durch das Blatt transmittierte oder am Blatt reflektierte Ultraschall wird gemessen, wobei ein für den transmittierten bzw. reflektierten Ultraschall charakteristischer erster Wert erzeugt wird, und aus dem ersten Wert ein Maß für die Strukturinhomogenität in Blattgut bestimmt wird.
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Aus der
DE 28 54 562 A1 ist eine Vorrichtung zur berührungslosen Überwachung von Fördergurten, insbesondere zum Feststellen von Längsschlitzen bekannt geworden, welche einen verhältnismäßig aufwendigen Aufbau aufweist und in Fahrzeugen nicht ohne Weiteres einsetzbar ist.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Zugmitteltrieb der eingangs beschriebenen Art sowie ein Verfahren zur Erfassung des Verschleißes eines Zugmittels eines derartigen Zugmitteltriebs dahingehend weiterzubilden, daß eine berührungslose und von äußeren Einflüssen weitestgehend unabhängige Überwachung des Zugmitteltriebs und insbesondere eine Überwachung des Verschleißes des endlosen Zugmittels realisierbar ist.
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Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein endloses Zugmittel derart weiterzubilden, daß es zum Einsatz in einem derartigen Zugmitteltrieb einsetzbar ist.
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Vorteile der Erfindung
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Die Erfindung löst diese Aufgaben mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche 1, 8 und 14.
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Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweils auf diese unabhängigen Ansprüche rückbezogenen Unteransprüche.
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Grundidee der Erfindung ist es, das Zugmittel mittels eines Schallsignals entweder im Stillstand oder permanent während des Betriebs oder auch nur in bestimmten Zeit- oder Winkelintervallen akustisch abzutasten und anhand des auf diese Weise erfaßten Abtastsignals auf den Zustand des endlosen Zugmittels, insbesondere eines Keilrippenriemens oder Zahnriemens, zu schließen.
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Hierzu weist das Zugmittel wenigstens eine beschichtete, Schallsignale reflektierende Oberfläche auf.
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Um eine optimale Abtastung des Zugmittels zu ermöglichen, ist eine Spannvorrichtung vorgesehen, die der Abtasteinrichtung derart gegenüberliegend angeordnet ist, daß das Zugmittel im Bereich der Abtasteinrichtung über eine Spannrolle so umgelenkt wird, daß die beschichtete Seite des Zugmittels der Abtasteinrichtung zugewandt ist. Eventuell vorhandene Risse werden durch die Spannrolle besonders stark aufgeweitet, wodurch eine verbesserte Abtastung der Oberfläche möglich ist. Die Umlenkung über eine Spannrolle erfolgt insbesondere auf der den Zähnen oder Keilrippen abgewandten Seite des Zahnriemens bzw. Keilrippenriemens.
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Es werden vorzugsweise gespeicherte Referenzsignale eines unverschlissenen Zugmittels mit dem Abtastsignal verglichen und aus diesem Vergleich auf den momentanen Zustand des Zugmittels, also des Antriebsriemens, der beispielsweise ein Zahnriemen ist, geschlossen. Bei Überschreiten eines vorgebbaren Kriteriums wird der Austausch des Zugmittels signalisiert, um so Schäden an der Maschine, in der der Zugmitteltrieb eingesetzt wird, beispielsweise einer Brennkraftmaschine, zu vermeiden.
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Die Abtastung erfolgt dabei bevorzugt durch eine Sendeeinrichtung zum Senden des Schallsignals und durch wenigstens eine Empfangseinrichtung zum Empfangen des an dem Zugmittel reflektierten Schallsignals.
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Das Schallsignal kann von der Sendeeinrichtung permanent gesendet werden. Bei einer Ausführungsform ist vorgesehen, daß das Schallsignal von der Sendeeinrichtung gepulst gesendet wird.
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Das gepulste Senden erfolgt dabei vorteilhafterweise synchronisiert mit der Drehzahl des Antriebselements.
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In einer Schaltungseinrichtung, die vorteilhafterweise Teil eines vorhandenen an sich bekannten Motor-Steuergeräts ist, werden die empfangenen Schallsignale verarbeitet und ausgewertet.
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Dabei erfolgt vorzugsweise ein Vergleich des Abtastsignals mit einem gespeicherten Abtastsignal eines unverschlissenen Zugmittels. Aus diesem Vergleich wird auf den Verschleiß dann geschlossen, wenn ein vorgebbarer Verschleiß-Schwellenwert überschritten ist. In diesem Falle wird ein optisches und/oder akustisches Verschleißsignal von der Schaltungseinrichtung erzeugt und ausgegeben, so daß beispielsweise der Fahrer eines Fahrzeugs auf einen bevorstehenden Ausfall des Zugmittels hingewiesen wird. Darüber hinaus kann das Verschleißsignal auch in einem Fehlerspeicher gespeichert und beispielsweise bei Wartungsarbeiten ausgelesen werden, so daß ein Austausch des Zugmittels erfolgt, bevor es zu Störungen des Zugmitteltriebs und in Folge davon beispielsweise zu einem erheblichen Defekt einer Brennkraftmaschine kommt.
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Das bei einem solchen Zugmitteltrieb eingesetzte endlose Zugmittel, also beispielsweise ein Keilrippenriemen oder Zahnriemen, weist auf wenigstens einer seiner Oberflächen wenigstens eine Schallsignale besonders gut reflektierende Schicht auf. Bevorzugt ist diese Schicht auf der Keilrippen- bzw. Zahnseite des Keilrippenriemens oder Zahnriemens angeordnet.
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Zeichnung
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Darstellung eines Ausführungsbeispiels.
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In der Zeichnung zeigen
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1 schematisch die Stirnansicht einer Brennkraftmaschine mit einer akustischen Abtastvorrichtung zur Erfassung des Verschleißes eines endlosen Zugmittels;
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2a schematisch eine akustische Abtasteinrichtung zur Erfassung des Verschleißes des Zugmittels und Abtastsignale gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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2b die Schallintensität über der Frequenz eines verschlissenen endlosen Zugmittels;
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2c die Schallintensität über der Frequenz eines neuen, unverschlissenen Zugmittels;
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3a schematisch eine akustische Abtasteinrichtung zur Erfassung des Verschleißes des Zugmittels und Abtastsignale gemäß einem zweiten und dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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3b die Schallintensität über der Frequenz eines verschlissenen endlosen Zugmittels und
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3c die Schallintensität über der Frequenz eines neuen, unverschlissenen Zugmittels.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist schematisch ein Motor 100, beispielsweise eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, dargestellt, dessen Kurbelwelle 110 eine Riemenscheibe 115 antreibt, über welche beispielsweise ein Keilrippenriemen 120 läuft, der zusätzlich über Riemenscheiben 130, 140, 150 auf den Antriebswellen beispielsweise einer Wasserpumpe 135, einer Servopumpe 145 sowie einer Lichtmaschine 155 gelegt ist. Zum Spannen des Keilrippenriemens 120 ist eine Spannvorrichtung vorgesehen, welche eine Spannrolle 180 aufweist, über die der Keilrippenriemen 120 gelegt ist und welche eine Spannkraft auf den Keilrippenriemen 120 in an sich bekannter Weise ausübt.
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Die gesamte Anordnung aus Riemenscheiben 115, 130, 140, 150 sowie der Spannrolle 180 stellt einen Zugmitteltrieb dar, wobei das Zugmittel durch den Keilrippenriemen 120 gebildet wird. Neben einem Keilrippenriemen 120 werden als Zugmittel sehr oft auch Zahnriemen verwendet, die wie der Keilrippenriemen 120 ebenfalls einen formschlüssigen Zugmitteltrieb ermöglichen und so auch den Antrieb einer Vielzahl von Aggregaten, beispielsweise Generatoren, Ventilatoren, Wasserpumpen, Klimakompressoren, Lenkhilfspumpen und dergleichen ermöglichen.
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An dem Motor 100 ist stirnseitig im Bereich des Zugmitteltriebs eine akustische Abtasteinrichtung 170 angeordnet, welche ein Schallsignal 172 aussendet und auch wieder empfängt. Die abgetasteten Signale werden über eine elektrische Signalleitung 210 einer Auswerteelektronik, beispielsweise einem an sich bekannten Steuergerät 200 zugeführt, in dem die Abtastsignale auf nachfolgend beschriebene Weise ausgewertet werden.
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Gemäß vorliegender Erfindung wird nun ein Antriebsriemen 120 verwendet, dessen Unterseite mit wenigstens einer Schallsignale besonders gut reflektierenden Oberfläche 122 beschichtet ist. Das von der Abtasteinreichung 170 ausgesandte Schallsignal 172 wird so an dieser Beschichtung 122 reflektiert und von einem in der Abtasteinrichtung angeordneten Sensor (in 2 nicht sichtbar) empfangen.
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Als Schallquelle kommt dabei eine Ultraschallquelle oder auch eine Infraschallquelle in Frage. Die reflektierten Schallwellen werden detektiert oder ausgewertet. Dabei wird in einem Auswertealgorithmus, der Teil des Steuergeräts 200 ist, aufgrund von Laufzeitunterschieden, Intensitätsschwankungen oder Intensitätsabnahmen, der Anregung von Oberschwingungen, Störfrequenzen und dergleichen der momentane Verschleißzustand des Antriebsriemens 120 ermittelt. Die Auswertung erfolgt dabei mittels eines Auswertealgorithmus, eines neuronalen Netzes, einer Fuzzy-Logik und dergleichen. Es ist darauf hinzuweisen, daß die Abtasteinrichtung 170 rein prinzipiell an einer beliebigen Stelle des Motors 100, an welcher der Antriebsriemen 120 vorbeiläuft, angeordnet sein kann.
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Bei einem neuen, unverschlissenen Antriebsriemen, der keinerlei Haarrisse 125 aufweist, entsteht ein in 2c dargestelltes und mit ”N” bezeichnetes Signal mit einem charakteristischen Frequenzmuster der reflektierten Schallwellen. Mit zunehmendem Verschleiß, d. h. wenn beispielsweise Haarrisse 125 (vergl. 2a) zwischen den Zähnen 124 aufgrund der starken Walkbewegungen beim Umlauf des Antriebsriemens 120 über die verschiedenen Riemenscheiben 115, 130, 140, 150 sowie über die Spannrolle 180 entstehen, ändert sich dieses Signal, beispielsweise ändert sich die Anzahl der verschiedenen Peaks bei unterschiedlichen Frequenzen, die Signalintensität und dergleichen. So treten beispielsweise bei einem neuen unverschlissenen Antriebsriemen 120 im Signal N charakteristische Frequenzpeaks 220, 221, 222, 223 auf. In dem Signal A eines verschlissenen Keilriemens, der eine Mehrzahl von Haarrissen 125 aufweist, werden neben diesen Frequenzpeaks 220, 221, 222 und 223 Störfrequenzen 227, 228 detektiert. Aufgrund der Änderungen im Frequenzspektrum wird auf den Verschleißzustand des Antriebsriemens 120 geschlossen. Änderungen im Frequenzspektrum, die auf einen Verschleiß des Antriebsriemens 120 schließen lassen, können neben dem Auftreten der Störfrequenzen 227, 228 auch die Anregung von Oberwellen einer Grundschwingung/-frequenz und/oder Phasenverschiebungen zwischen gesendeten und reflektierten Frequenzen und/oder Wellenlängenänderungen zwischen gesendeten und reflektierten Frequenzen und/oder Laufzeitunterschiede zwischen gesendeten und reflektierten Frequenzen sein. Als Vergleichsmethoden kommen Muster-, Signalpegel-, Häufigkeits-, Widerholraten- oder Differenzvergleiche und dergleichen in Frage.
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In der Auswerteelektronik, die Teil des Steuergeräts 200 ist und beispielsweise als Programm implementiert sein kann oder in Form eines neuronalen Netzes ausgebildet ist, wird nun das erfaßte Signal ”A” mit dem Signal ”N” des unverschlissenen Antriebsriemens 120 verglichen und hieraus auf den Verschleiß des Antriebsriemens 120 geschlossen.
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In 2a ist die Anordnung der Abtasteinrichtung 170 an der Unterseite, also ”Zahnseite”, eines im wesentlichen ungekrümmt verlaufenden Antriebsriemens 120 schematisch dargestellt. Die Abtastpräzision läßt sich weiter dadurch steigern, daß die Abtasteinrichtung 170 gegenüberliegend der Spannrolle 180 angeordnet ist, welche den Antriebsriemen 120 so umlenkt, daß seine Unterseite der Abtasteinrichtung 170 zugewandt ist (1). Durch die Spannrolle 180 wird die Unterseite des Antriebsriemens 120 besonders stark gedehnt, was zu einer Aufweitung eventuell vorhander Haarrisse führt, wodurch diese durch die Abtasteinrichtung 170 besser detektiert werden können.
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Nach erfolgtem Vergleich der Signalfolge ”N” eines neuen, unverschlissenen Antriebsriemens und der Signalfolge ”A” des abgetasteten Antriebsriemens 120 wird auf den Verschleiß beispielsweise dadurch geschlossen, daß das Erreichen eines vorgebbaren Verschleiß-Schwellenwerts beispielsweise einem Fahrer eines Fahrzeugs, in welchem der vorbeschriebene Zugmitteltrieb angeordnet ist, durch einen akustischen oder optischen Warnhinweis angezeigt wird. Des weiteren kann auch eine Fehlermeldung in einem Speicher gespeichert und z. B. bei späteren Wartungsarbeiten auf an sich bekannte Weise ausgelesen werden.
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Die Abtastung kann dabei entweder im Stillstand des Motors 100 oder während dessen Betriebs fortlaufend oder auch nur in bestimmten Zeit- oder Winkelintervallen erfolgen.
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Das eingesetzte Schallsignal 172 kann permanent, gepulst oder mit der Drehzahl beispielsweise der Kurbelwelle 110 synchronisiert ein- und ausgeschaltet werden.
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Bei einem in 3a bis 3c dargestellten Ausführungsbeispiel der Abtastung eines Antriebsriemens 120 und der dabei gewonnenen Signale sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen wie bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel bezeichnet, so daß bezüglich deren Beschreibung auf das Vorstehende vollinhaltlich Bezug genommen wird.
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Im Unterschied zu den in 2a bis 2c dargestellten Ausführungsbeispielen wird bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel die Oberseite der Zähne 124 abgetastet. Neben der Oberseite der Zähne 124 können auch zusätzlich oder als Alternative deren Flanken abgetastet werden. Bei zunehmendem Verschleiß nimmt die Zahn-/Flankenbreite ab, so daß sich das abgetastete Rechtecksignal A (3b) mit zunehmendem Verschleiß signifikant gegenüber dem Signal N eines neuen, unverschlissenen Antriebsriemens 120 (3c) ändert. So nimmt die Breite tneu der Rechteckflanke des Signals N eines unverschlüsselten, neuen Antriebsriemens 120 mit zunehmendem Verschleiß, in dem die Zähne abgeschliffen werden, ab, so daß die Breite talt der Rechteckpulse 265 eines verschlissenen Antriebsriemens 120 kleiner wird, wie es in 3b anhand des Signals A schematisch dargestellt ist. Diese Änderung wird in dem Steuergerät 200 ausgewertet. In diesem Falle korreliert die Zahnzeit mit der Drehzahl des Antriebs. Abhängig von der Drehzahl entstehen spezifische Zahnzeiten, die in einem Kennfeld oder einer Wertetabelle oder auf entsprechende Weise gespeichert werden können. Bei zunehmenden Verschleiß werden die Zahnzeiten deutlich kürzer als die Referenzwerte bei gleicher Drehzahl. Die Unterschiede der Zahnzeiten können somit zur Diagnose herangezogen werden.
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Sind fertigungsbedingte Toleranzen der Zahnbreite nicht zu verhindern, können auch gemittelte Zahnzeiten als Diagnosesignal verwendet werden.
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Zusätzlich entsteht z. B. bei einem Zahnausfall auf dem Antriebsriemen 120 eine Lücke und als Folge davon eine Pause in der Abfolge der Zahnzeiten, die auf diese Weise ebenfalls erkannt wird.
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In 3a ist des weiteren ein weiteres, drittes Ausführungsbeispiel mit einer Abtasteinrichtung 170' dargestellt, welche nicht der Unterseite des Antriebsriemens 120 gegenüberliegt, sondern so angeordnet ist, daß der Schall von schräg unten einfällt und beispielsweise an einer Zahnflanke reflektiert und in einer (nicht dargestellten) Empfangseinheit empfangen wird.
