DE102006015461A1

DE102006015461A1 - Arrangement for measuring crankshaft parameters has first transceiver on first crankshaft cheek, reflector or second transceiver on second cheek opposite first cheek to quantitatively determine minor parallel offset of crankshaft journals

Info

Publication number: DE102006015461A1
Application number: DE102006015461A
Authority: DE
Inventors: Hanns-Michael Bierig
Original assignee: Prueftechnik Dieter Busch AG
Current assignee: Prueftechnik Dieter Busch AG
Priority date: 2005-04-20
Filing date: 2006-03-31
Publication date: 2006-11-02

Abstract

The arrangement has an optoelectronic transceiver used in combination with an inclinometer. A first transceiver (100) is fixed to a first crankshaft cheek (30) while a reflector (130) or a second transceiver is fastened to a second cheek (32) opposite the first cheek (30) to quantitatively determine a minor parallel offset of crankshaft journals relative to each other and determine an angular displacement of the normal of both optoelectronic devices or the associated cheeks relative to one another depending on the rotational crankshaft position.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und zugehörige Verfahren zur Messung von Kurbelwellen-Kennwerten. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Meßgerät, mit welchem die sogenannte Wangenatmung (engl.: web deflection), auch Kurbelwellenatmung genannt, an einer Kröpfung einer Kurbelwelle in präziser Weise gemessen werden kann.The The present invention relates to an apparatus and related methods for measuring crankshaft characteristics. In particular, the invention relates a measuring device with which the so-called cheek breathing (Engl.: Web deflection), also crankshaft respiration called, at a bend a crankshaft in more precise Way can be measured.

Bekanntlich unterliegen Kurbelwellen von Motoren, Kompressoren o.ä. während des Betriebes gewissen und z.T. hohen Beanspruchungen. Es ist daher wichtig, daß zusätzliche mechanische Spannungen, die bereits statisch auf eine Kurbelwelle aufgebracht werden, auf ein Minimum gebracht werden.generally known are subject to crankshafts of engines, compressors or similar. during the Operation certain and z.T. high loads. It is therefore important that extra mechanical stresses already static on a crankshaft be applied, kept to a minimum.

In diesem Zusammenhang ist es seit langem eine wichtige, wenn auch mühsame Testprozedur; die Wangenatmung einer Kurbelwelle über einen möglichst großen Drehwinkel einer quasi betriebsbereiten Kurbelwelle eines Motors, insbesondere eines Schiffsdieselmotors, zu vermessen. Dies geschieht am besten bei einer Temperatur der Kurbelwelle und der Lager, welche der Betriebstemperatur entspricht oder nahekommt.In In this context, it has long been an important, albeit tedious Test procedure; the cheek breathing of a crankshaft over a possible huge Angle of rotation of a quasi operational crankshaft of an engine, in particular a marine diesel engine, to measure. This happens on best at a temperature of the crankshaft and the bearings, which the operating temperature is equal to or near.

Ein zeitgemäßes Testgerät für die Bestimmung der Wangenatmung an einer Kurbelwelle wird beschrieben in der Patentschrift US 4,473,950 , Erfinder Finn und Wilde. Dort wird auch kritisch Bezug genommen auf älteren bzw. einfacheren Stand der Technik, der mechanische Meßuhren zur Lösung des o.g. Meßproblems vorsieht. Gemäß der US 4,473,950 wird ein elektromechanischer Meßwandler in Form eines Differentialtransformators vorgesehen, um die Wangenatmung über den Drehwinkel einer Kurbelwelle zu bestimmen. Zusätzlich wird ein in der Nähe des Differentialtransformators angebrachtes Winkelmeßgerät auf Basis eines Potentiometers vorgesehen. Die geringen zur Verfügung stehende Drehmomente zum Betrieb des Potentiometers, dessen Reibmoment sowie die Störung durch das Anschlußkabel des Meßwandlers lassen diese Art der Winkelmessung unpraktisch erscheinen. Dementsprechend wird derzeit vom Patentinhaber der US 4,473,950 auch lediglich eine Ausführungsform vermarktet, bei der ein separater, außen am zu testenden Motor bzw. dessen Kurbelwelle anzubringender Winkelencoder vorgesehen ist.A contemporary test device for the determination of cheek breathing on a crankshaft is described in the patent US 4,473,950 , Inventor Finn and Wilde. There is also critical reference to older or simpler state of the art, which provides mechanical dials to solve the above measurement problem. According to the US 4,473,950 An electromechanical transducer in the form of a differential transformer is provided to determine the cheek breathing over the rotational angle of a crankshaft. In addition, an angle measuring device mounted near the differential transformer is provided based on a potentiometer. The small available torques for operation of the potentiometer, the friction torque and the interference caused by the connecting cable of the transducer make this type of angle measurement seem impractical. Accordingly, currently the patentee of the US 4,473,950 also merely markets an embodiment in which a separate angle encoder to be attached to the outside of the engine to be tested or its crankshaft is provided.

Es ist Aufgabe der Erfindung, sowohl die in der US 4,473,950 beschriebenen erheblichen Nachteile der mechanischen Meßmittel auszuschalten, als auch die Nachteile der in jener Patentschrift beschriebenen Vorrichtung zu reduzieren.It is an object of the invention, both in the US 4,473,950 to eliminate significant disadvantages described the mechanical measuring means, as well as to reduce the disadvantages of the device described in that patent.

Hierzu wird gemäß der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, einerseits ein vollständig berührungslos arbeitendes Meßsystem zur Erfassung der Wangenatmung an Kurbelwellen vorzusehen, andererseits zur Erfassung der Drehlage der Kurbelwelle einen oder mehrere kontaktlos arbeitende und in das Meßsystem integrierte Neigungssensoren auf elektronischer Basis zu verwenden, und darüberhinaus zur Lösung der gestellten Aufgabe ein für andere Meßzwecke vorgesehenes Meßinstrument zu verwenden, so daß der Aufwand für die Entwicklungsarbeiten zur Lösung der Aufgabe auf ein praktisch nicht ins Gewicht fallendes Minimum beschränkt wird.For this is in accordance with the present Invention proposed, on the one hand a completely non-contact measuring system to provide for the detection of cheek breathing on crankshafts, on the other hand for detecting the rotational position of the crankshaft one or more contactless working and in the measuring system to use integrated tilt sensors on an electronic basis, and beyond to the solution the task set for other measuring purposes provided measuring instrument to use, so that the Effort for the development work to the solution the task to a practically insignificant minimum limited becomes.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt dadurch, daß anstelle herkömmlicher Meßapparaturen zur Bestimmung der Wangenatmung von Kurbelwellen über den Drehwinkel einer Kurbelwelle nunmehr ein optoelektronisches Meßgerät vorgesehen wird, welches normalerweise für die Bestimmung der Ausrichtung von Wellen an Motoren, Pumpen od. dgl. zum Einsatz kommt; insbesondere in einer Ausführungsform, in welcher ein berührungslos arbeitendes Inclinometer als Winkelmeßeinrichtung eingebaut ist. Als Beispiel solcher optoelektronischen Meßgeräte seien die Produkte "ROTALIGN" und "OPALIGN plus" der Fa. PRÜFTECHNIK AG genannt. Von besonderem Vorteil ist es, wenn eine spezielle Ausführungsform eines solchen Meßgerätes vorgesehen wird, bei der Lichtsender und – empfänger innerhalb eines einzigen Gehäuses angeordnet sind, wie bei den o.g. Produkten. In diesem Falle kann eine Wangenatmung über den Drehwinkel auf überraschend einfache Weise dadurch ermittelt werden, daß Lichtsender und – empfänger innerhalb einer Kurbelwellenkröpfung auf der einen Wange fixiert werden, während auf der gegenüberliegenden Wange lediglich ein Planspiegel fixiert werden muß. Die Benutzung eines Planspiegels anstelle eines optischen Prismas ist dadurch begründet, daß zur Lösung der gestellten Meßaufgabe es eigentlich nur erforderlich ist, die Winkelstellung von Wangen-Normalen relativ zueinander zu bestimmen, nicht notwendigerweise auch den Drillwinkel zweier Wangen (gemessen um die Kurbelwellenachse) in Abhängigkeit von der Drehlage ("Stellung") der Kurbelwelle. Es sei angemerkt, daß die genannten Prokukte ROTALIGN und OPTALIGN plus in der Lage sind, auch diese zusätzlich gestellte Meßaufgabe zu lösen, sofern dies erforderlich sein sollte.The solution The object is achieved by the fact that instead of conventional measuring equipment for determining the cheek breathing of crankshafts over the Angle of rotation of a crankshaft now an optoelectronic measuring device is provided, which usually for the determination of the alignment of shafts on motors, pumps od. Like. Is used; in particular in one embodiment, in which a contactless working Inclinometer is installed as angle measuring. When Examples of such optoelectronic measuring devices are the products "ROTALIGN" and "OPALIGN plus" from the company PRÜFTECHNIK Called AG. Of particular advantage is when a specific embodiment such a measuring device is provided, at the light transmitter and receiver within one single housing arranged as in the o.g. Products. In this case can a cheek breathing over the rotation angle to surprisingly simple Be determined by the light transmitter and receiver within a crankshaft throw be fixed on one cheek while on the opposite Cheek only a plane mirror must be fixed. The use of a Plane mirror instead of an optical prism is justified by the fact that to solve the Asked measuring task It really only requires the angular position of cheeks normal relative to each other, not necessarily the one Drill angle of two cheeks (measured around the crankshaft axis) in dependence from the rotational position ("position") of the crankshaft. It should be noted that the products ROTALIGN and OPTALIGN plus are able to these too asked measuring task to solve, if necessary.

Eine – als bevorzugtes Beispiel zu betrachtende – Ausführungsform der Erfindung wird in 1 gezeigt.An embodiment of the invention to be considered as a preferred example is disclosed in US Pat 1 shown.

Eine innerhalb eines Motors (nicht gezeigt), bevorzugt eines Schiffsdieselmotors, angeordnete Kurbelwelle 10, bestehend aus Wellenzapfen 12, Kurbelzapfen 20, 22 sowie Kurbelwangen (Wangen) 30, 32, 34, 36 wird temporär zu Meßzwecken an der ersten Kröpfung, an Wange 32, mit einem Planspiegel 130 versehen. Hierzu kann beispielsweise eine magnetisch wirkende Haltevorrichtung vorgesehen sein (nicht gezeigt). An der gegenüberliegende Wange 30 wird mit einer geeigneten, bevorzugt ebenfalls magnetisch wirkenden Haltevorrichtung ein Meßsystem 100 angebracht, wie es für das Wellenausrichten verwendet wird, beispielsweise ein OPTALIGN plus oder ein ROTALIGN Meßsystem. Ein solches Meßsystem 100 enthält bereits ein elektronisch wirkendes Inclinometer 104 zur korrekten Erfassung seiner Drehlage, bezogen auf eine Drehachse, die im wesentlichen parallel zum Lichtstrahl 110 liegt. Der Lichtstrahl 110 wird vom Meßsystem 100 bevorzugt als Laserstrahl bereitgestellt. Er trifft unter annähernd rechtwinkligem Einfallswinkel auf den Planspiegel 130, wird von dort reflektiert, erreicht das Meßsystem 100 und wird dort registriert. In Kenntnis der lichten Weite (d.h. des lichten Abstandes) von Wange 30 zu Wange 32 kann das Meßsystem sodann die Winkeldifferenz zwischen seiner Hauptachse (in Richtung des Laserstrahls) und der Flächennormalen des Spiegels 130 errechnen, wie es dies in seinem ursprünglichen Anwendungsbereich auch vornehmen würde. Bei Drehung der in einem Motor eingebauten Kurbelwelle 10 um ihre Achse können also sowohl deren Drehstellung als auch die Wangenatmung an einer Kröpfung gemessen werden. Hierzu wird typischerweise das Meßsystem 100 über ein Anschlußkabel 102 mit einem geeigneten Auswerteinstrument, z.B. einem Computer, in Verbindung gebracht. Es wird bevorzugt in zwei Drehstellungen der Kurbelwelle gemessen, welche mit der Lage des oberen bzw. des unteren Totpunktes eines zugehörigen Kolbens korrespondieren. Gemäß der Erfindung werden jedoch mit Vorteil Messungen in mindestens drei, bevorzugt in mehr als 10 Drehlagen der Kurbelwelle vorgenommen. Die weitere Auswertung der Messungen kann nach bekanntem Stand der Technik erfolgen. Insbesondere kann ein Angleich der Atmungs-Meßwerte in Abhängigkeit vom Drehwinkel der Kurbelwelle nach bekannten Verfahren der Fehler- und Ausgleichsrechnung vorgenommen werden; für diese sog. "sweep" – Messungen kann also durch sog. "least squares" – Anpassungen nach der Methode der kleinsten Quadratsummen eine besonders vorteilhafte Präzisierung der Meßresultate herbeigeführt werden. – Es versteht sich, daß zu zum Zwecke der Meßwererfassung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren die an einem Motor vorgesehenen Kontrollöffnungen genutzt werden sollten, oder zumindest eine entsprechende Wanne des Motors entfernt ist. – Weiterhin versteht es sich, daß nach der Vermessung der Wangenatmung an einer ersten Kurbelwellenkröpfung sogleich mit der Vermessung der Wangenatmung an einer zweiten oder weiteren Kurbelwellenkröpfung begonnen werden kann, ohne daß Pleuelstangen entfernt werden müßten. – Im Vergleich zu vorher bekannten Meßmethoden und – systemen ergibt sich somit eine erhebliche Einsparung an Arbeitszeit für die Erledigung der gestellten Meßaufgabe, bei gleichzeitig deutlicher Steigerung der Genauigkeit. Durch diese Vorteile ist es also möglich, die präzise Kontrolle von Kurbelwellen in Schiffsmotoren oder Großkompressoren bei äußerst geringem Mehrkostenaufwand und wesentlich häufiger vorzunehmen, als dies aus wirtschaftlichen Gründen bislang vertretbar oder möglich erschien. Die wirtschaftlichen Vorteile der Erfindung sind also direkt ersichtlich. Darüberhinaus ergibt sich im Falle von Schiffsmotoren eine Verbesserung der Sicherheit für das Schiff und seiner Besatzung auf hoher See, weil die empfohlenen Wangenatmungsmessungen kurzfristig angesetzt und daher häufiger durchgeführt werden können.One inside an engine (not shown), preferably a marine diesel engine, arranged crankshaft 10 consisting of shaft journals 12 , Crankpin 20 . 22 as well as crank cheeks (cheeks) 30 . 32 . 34 . 36 becomes temporarily for measuring purposes at the first bend, on cheek 32 , with a plane mirror 130 Mistake. For this purpose, for example, a magnetically acting holding device may be provided (not shown). On the opposite cheek 30 is a measuring system with a suitable, preferably also magnetically acting holding device 100 attached, as used for the shaft alignment, for example, an OPTALIGN plus or a ROTALIGN measuring system. Such a measuring system 100 already contains an electronically acting Inclinometer 104 for correctly detecting its rotational position, relative to a rotation axis, which is substantially parallel to the light beam 110 lies. The light beam 110 is from the measuring system 100 preferably provided as a laser beam. He hits the plane mirror at approximately right angles of incidence 130 , is reflected from there, reaches the measuring system 100 and is registered there. Knowing the clear width (ie the clear distance) of cheek 30 to cheek 32 The measuring system can then the angular difference between its main axis (in the direction of the laser beam) and the surface normal of the mirror 130 calculate how it would do this in its original scope. Upon rotation of the crankshaft installed in an engine 10 So both its rotational position and the cheek breathing can be measured at a bend around its axis. This is typically the measuring system 100 via a connection cable 102 associated with a suitable evaluation instrument, such as a computer. It is preferably measured in two rotational positions of the crankshaft, which correspond to the position of the upper and the lower dead center of an associated piston. According to the invention, however, measurements are advantageously carried out in at least three, preferably in more than 10 Rotary positions of the crankshaft made. The further evaluation of the measurements can be made according to known prior art. In particular, an adjustment of the respiratory measured values as a function of the angle of rotation of the crankshaft can be carried out according to known methods of error and compensation calculation; For these so-called "sweep" measurements, so-called "least squares" adjustments can be used to bring about a particularly advantageous refinement of the measurement results in accordance with the least squares method. - It is understood that for the purpose of Meßwererfassung with the inventive device and the method according to the invention, the control openings provided on a motor should be used, or at least a corresponding trough of the engine is removed. - Furthermore, it is understood that after the measurement of cheek breathing at a first Kurbelwellenkröpfung can be started immediately with the measurement of the cheek breathing on a second or further Kurbelwellenkröpfung without connecting rods should be removed. - Compared to previously known measurement methods and - systems thus results in a considerable saving in working time for the completion of the task, with a clear increase in accuracy. These advantages make it possible to carry out the precise control of crankshafts in marine engines or large compressors at a very low additional cost and much more frequently than was previously thought possible or reasonable for economic reasons. The economic advantages of the invention are thus directly apparent. Moreover, in the case of marine engines, there is an improvement in the safety of the vessel and its crew on the high seas, because the recommended cheek breathing measurements can be taken at short notice and therefore more frequently.

Die dargestellte Meßanordnung ist insofern als ein Beispiel zu verstehen, als auch andere handelsübliche Meßsysteme für das Wellenausrichten in direkt äquivalenter Weise gemäß der Erfindung verwendet werden können, auch wenn in einem solchen Falle es eventuell erforderlich ist, den Spiegel 130 durch ein zweites Meßsystem 100' (nicht gezeigt) zu ersetzen. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann es auch vorteilhaft sein, den Spiegel 130 durch ein reflektierendes Prisma mit rechtwinklig aufeinanderstehenden Kathetenflächen (englisch: right angle prism) zu ersetzen. Auf diese Weise kann ohne großen Mehraufwand geprüft werden, ob die Wangen über eine Kurbelwellendrehung gegebenenfalls einen Verdrehung gegeneinander erfahren, und zwar betreffend einen Drehwinkel, der um eine Drehachse parallel zur Kurbelwellenachse zu messen ist.The illustrated measuring arrangement is to be understood as an example insofar as other commercially available measuring systems for shaft alignment can be used in a directly equivalent manner according to the invention, even if in such a case it may be necessary to use the mirror 130 through a second measuring system 100 ' (not shown) to replace. According to a further embodiment of the invention, it may also be advantageous to use the mirror 130 to be replaced by a reflecting prism with right angle prism faces. In this way it can be checked without much additional effort, if the cheeks about a crankshaft rotation optionally undergo a rotation against each other, namely with respect to a rotation angle which is to be measured about an axis of rotation parallel to the crankshaft axis.

In diesem Sinne wird der Fachmann in der Lage sein, weitere äquivalente Meßsysteme bereitzustellen, welche berührungslos eine Distanz- und/oder Winkelmessung an Kurbelwellen-Wangen ausführen können und darüberhinaus eine berührungslose Messung der Drehlage von Kurbelwellen innerhalb eines Motorgehäuses zulassen, beispielsweise durch den Ersatz oder die Ergänzung von elektronischen Inclinometern durch elektronische Kreisel auf MEMS-Basis. Desgleichen kann der Fachmann mit Vorteil vorsehen, dass die Meßeinrichtung zusätzlich geeignet ist, die Temperatur der zu testenden Kurbelwelle oder des zugehörigen Motors zu bestimmen. Insbesondere kann es auch von Interesse sein, anstelle einer drahtgebundenen Übertragung von erfindungsgemäß erfaßten Meßdaten zu einem übergeordneten Rechner oder dergleichen eine drahtlose Übertragung vorzusehen. Eine solche drahtlose Übertragung kann mit Infrarotlicht oder mit radiofrequenten bzw. hochfrequenten Wellen (GHz-Bereich) vorgenommen werden, z.B. mit einer sog. Bluetooth-Schnittstelle.In this sense, the skilled person will be able to provide further equivalent measuring systems, which can perform a distance and / or angle measurement of crankshaft cheeks and also allow a non-contact measurement of the rotational position of crankshafts within a motor housing, for example by replacement or the addition of electronic inclinometers by electronic gyros based on MEMS. Likewise, the expert can advantageously provide that the measuring device is additionally suitable for determining the temperature of the crankshaft to be tested or of the associated engine. In particular, it may also be of interest to provide a wireless transmission instead of a wired transmission of measurement data acquired according to the invention to a higher-level computer or the like. Such a wireless transmission can be carried out with infrared light or with radiofrequency or high-frequency waves (GHz range), for example with a so-called blue tooth interface.

Claims

Device for the measurement of crankshaft characteristics, in particular for the measurement of so-called cheeks breathing on crankshafts, characterized by an opto-electronic device ( 100 ) for measuring the mutual relative position of crankshaft normal to crankshaft cranks ( 20 . 30 . 32 ; 22 . 34 . 36 ) as a function of the rotational position (phi) of a crankshaft to be measured ( 10 ).

Device according to Claim 1, in which the optoelectronic device ( 100 ) consists of the transmitting / receiving device of a commercially available measuring system for the alignment of machine shafts relative to each other.

Apparatus according to claim 2, in which, in addition to the transmitting / receiving device, a plane mirror ( 130 ) or reflecting prism is present, wherein the transmitting / receiving device on a first cheek (crankshaft web) ( 30 ) and the plane mirror or reflective prism on one of the first cheeks ( 30 ) opposite second cheek ( 32 ) is fixed so that a displacement of the normal of optolelektronischer device and plane mirror or reflective prism relative to each other quantitatively and in dependence on the rotational position of the crankshaft can be determined.

Device according to Claim 1, in which the optoelectronic device ( 100 ) consists of the combination of a first and a second transmitting / receiving device of a commercially available measuring system for the alignment of machine shafts relative to each other and wherein the first transmitting / receiving device on a first cheek (crankshaft cheek) ( 30 ) and the second transceiver on one of the first cheeks ( 30 ) opposite second cheek ( 32 ) is fixed so that a displacement of the normal of both optoelectronic devices relative to each other in dependence on the rotational position of the crankshaft is quantitatively determined.

Device according to one of the preceding claims, comprising at least one electronic miniature inclinometer ( 104 ) or miniature gyroscope for determining the rotational position (phi) of a crankshaft to be measured ( 10 ); or with a temperature gauge for approximating the temperature of such crankshaft.

Device according to one of the preceding claims to connect to a parent evaluation in the form of a computer, in particular a portable computer.

Use of the device according to one of the preceding claims in a marine diesel engine or a compressor.