DE102010034749A1

DE102010034749A1 - Vorrichtung zur Überwachung eines rotierenden Maschinenteils

Info

Publication number: DE102010034749A1
Application number: DE102010034749A
Authority: DE
Inventors: Dr. Kessler Hans-Willi; Klaus Vaehsen
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2010-08-19
Filing date: 2010-08-19
Publication date: 2012-02-23
Also published as: CN103069258A; US9605996B2; WO2012022602A1; US20130305827A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung eines sich relativ zu einer Basis bewegenden und um eine eigene Achse rotierenden Maschinenelementes (02) mit einem Sensor (06) und einer Auswerteelektronik (09). Erfindungsgemäß sind der Sensor (06) und die Auswerteelektronik (09) sowie eine Energieversorgungseinheit und eine Sendeeinheit (12) auf dem sich bewegenden Maschinenelement (02) angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung eines um eine eigene Achse bewegenden oder rotierenden und sich relativ zu einer Basis bewegenden Maschinenteils gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Im Bereich der Schwingungsdiagnose ist es üblich, innere Bauteile von Umlaufgetrieben oder artverwandte Bauteile mit einer Sensorik zu überwachen, die an feststehenden Bauteilen angeordnet ist. Als Sensoren hierfür kommen vor allem Beschleunigungsaufnehmer und Körperschallsensoren in Betracht.
Schon seit längerer Zeit ist es Praxis, zur Erhöhung der Betriebssicherheit und Planbarkeit der Wartung und Verfügbarkeit der Anlage diese einer Geräuschanalyse zu unterziehen. Damit ist es möglich, beginnende Schäden beispielsweise an Getriebekomponenten oder Wälzlagern durch die Geräuschanalyse rechtzeitig zu erkennen und eine Reparatur entsprechend planen zu können.
Aus der DE 44 32 808 A1 ist ein Sensorsystem zur Werkzeugüberwachung wie z. B. der Überwachung von Bohrwerkzeugen, Gewindeschneidwerkzeugen, Reibwerkzeugen oder Fräswerkzeugen bekannt. Es werden Schwingungs- oder Körperschallsignale von translatorisch oder auch rotatorisch bewegbaren Maschinenelementen, auf denen sich Werkzeuge, Werkstücke oder Geräusch erzeugende Bauteileinheiten befinden, an einem relativ zum Werkzeug ruhenden Gehäuse, drahtlos abgegriffen und an eine entsprechende Überwachungs- oder Überprüfungseinrichtung weitergeleitet. Das Sensorsystem besitzt sensorseitig lediglich einen Gehäusekörper, einen piezoelektrisches oder elektrodynamisches Schwingungselement und eine Primärspule. Empfängerseitig ist eine Sekundärspule in einem entsprechenden Gehäuse vorhanden.
Aus der DE 103 25 801 A1 ist ein Schallaufnehmer bekannt, der zur akustischen Diagnose von Maschinen, beispielsweise zur Leckagedetektion bei Ventilen oder zur Lagerdiagnose verwendet wird. Der Schallaufnehmer umfasst ein piezoelektrisches Messelement und eine elektronische Schaltung, die das Messsignal in eine zur Übertragung einer Auswerteeinrichtung geeignete Form aufbereitet. Der Schallaufnehmer entnimmt die zum Betrieb der elektronischen Schaltung erforderliche Energie seiner Umgebung. Diese Hilfsenergie wird aus dem aufzunehmenden Schallsignal erzeugt. Die Übertragung des Ausgabesignals kann über Kabel oder alternativ drahtlos über Funk oder Infrarotlicht erfolgen. Als Mittel zur Erzeugung der Hilfsenergie kann beispielsweise eine mit einer seismischen Masse versehene Piezokeramik vorgesehen werden, die zusätzlich zu dem piezoelektrischen Messelement im Schallaufnehmer angeordnet ist. Die Hilfsenergie kann bei dieser Variante aus dem elektrischen Messsignal des piezoelektrischen Messelements erzeugt werden.
Aus der DE 199 24 955 A1 ist ein akustisches Messgerät zur Messung eines Getriebegeräusches bekannt. Mithilfe dieses Messgerätes soll ein dem subjektiven Hörempfinden angepasstes Messergebnis gewonnen werden, welches als aussagekräftige Vergleichsgröße herangezogen werden kann. Das Messgerät umfasst wenigstens einen Sensor zur Erfassung eines Luftschallsignals und wenigstens einen Sensor zur Erfassung eines Körperschallsignals. Das Luftschallsignal und das Körperschallsignal und ggf. Messsignale, wie ein Drehzahlsignal, können in einfacher Weise mittels eines zweikanaligen DAT-Rekorders aufgezeichnet werden. Dabei sind in einem Kraftfahrzeug der Körperschallaufnehmer direkt am Getriebegehäuse, ein Mikrofon als Luftschallaufnehmer im Fahrgastraum sowie ein Drehzahlmesser zur Erfassung der Motordrehzahl im Motorraum angeordnet. Die Sensoren können wahlweise drahtlos oder leitend mit dem DAT-Rekorder verbunden sein.
Aus der DE 10 2006 058 689 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Diagnostizieren des Zustandes eines Maschinenbauteils bekannt, bei denen als Schwingungsdaten der Körperschall von Funktionseinheiten ausgewertet wird, um den Zustand von Maschinen oder Maschinenbauteilen zu diagnostizieren. Das aufgenommene Körperschallsignal wird dazu einer bekannten Geräuschanalyse unterzogen. Die Sensoren sind am Gehäuse der zu überwachenden Maschine angeordnet.
Die DE 10 2009 010 709 A1 beschreibt einen beweglichen drahtlosen Sensor und ein Verfahren für dessen Anwendung in einem Zustands- und Einsatzüberwachungssystem für ein Fahrzeug. Es werden eine Vielzahl drahtloser Sensoren in einem Fahrzeug verwendet, die dafür konfiguriert sind, eine oder mehrere Komponenten des Fahrzeugs zu überwachen und Zustandsdaten und/oder Einsatzdaten an einen Data-Access-Point zu übermitteln, wenn diese Sensoren durch eine Schwingung des Fahrzeugs aktiviert werden. Im System ist ein beweglicher drahtloser Sensor angeordnet, der zeitweise an einer ersten Position platziert werden kann, um eine oder mehrere Komponenten des Fahrzeugs zu überwachen und der dann zu einer anderen Position bewegt werden kann, um eine oder mehrere andere Komponenten des Fahrzeugs zu überwachen. Dadurch wird die Gesamtzahl der zur Überwachung des Fahrzeuges verwendeten Sensoren reduziert.
Aus der DE 41 01 985 A1 ist ein Verfahren zum Ermitteln von Unregelmäßigkeiten zweier miteinander arbeitender Elemente bekannt. Mithilfe dieses Verfahrens sollen insbesondere Schäden an Zahnrädern und/oder Lagern an Zahnradgetrieben erkannt und lokalisiert werden. An dem zu untersuchenden Zahnradgetriebe ist ein Beschleunigungsaufnehmer angesetzt. Das Körperschallsummensignal wird mit dem Beschleunigungsaufnehmer in ein elektrisches Signal gewandelt. Dieses Signal wird weiter verarbeitet und in einen Rechner eingegeben. Zu Beginn der Messung wird außerdem das Verhältnis der Frequenz des interessierenden Elementarsignals zur Eingangsdrehfrequenz eingestellt. Im Rechner erfolgt dann die Verarbeitung der Signale entsprechend den Beziehungen für das Körperschallbeschleunigungssignal sowie die Mittelwertbildung. Das Signal wird durch Fourieranalyse ausgewertet.
Bei Sensoren, welche an einem Getriebegehäuse angeordnet sind, kommt es zu einer undefinierten Übertragungsfunktion der Schallausbereitung, weil konstruktionsbedingt die am bewegenden (z. B. schenkenden) oder rotierenden Bauteil entstehenden Schwingungen über einen sich bewegenden Rollkontakt (z. B. Zahneingriff) übertragen werden. Hinzu kommt der sich ständig ändernde Abstand zur montierten Sensorik, welcher wiederum Einfluss auf die Übertragungsfunktion des Signals zum Sensor hat. Bei einem Planetengetriebe beispielsweise kommt als weitere wesentliche Beeinträchtigung hinzu, dass die Phasenlage der Planetenräder das Messergebnis der am Sensor letztendlich auftretenden Schwingung negativ beeinflusst. In den meisten Fällen ist daher eine Auswertung des Schwingungssignals mit dem Ziel einer sicheren Diagnose einzelner Bestandteile eines derartigen Systems äußerst kritisch und unzuverlässig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Überwachung eines um eine eigene Achse bewegenden oder rotierenden und sich relativ zu einer Basis bewegenden Maschinenteils, insbesondere eines Getriebes, zu schaffen, die die genannten Nachteile vermeidet und eine sichere Diagnose und Überwachung solcher Maschinenteile gewährleistet.
Die Lösung der Aufgabenstellung gelingt durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Überwachung eines sich relativ zu einer Basis bewegenden und um eine eigene Achse bewegenden oder rotierenden Maschinenteils umfasst zunächst einen Sensor und eine Auswerteelektronik. Erfindungsgemäß sind Sensor, Auswerteelektronik und eine Energieversorgungseinheit sowie eine Sendeeinheit auf dem bewegten Maschinenteil angeordnet.
Besonders bevorzugt wird die Erfindung angewendet zur Überwachung eines Getriebeelementes in einem Getriebe. Bei einem Planetengetriebe kann somit ein sich relativ zur Basis bewegendes und um eine eigene Achse rotierendes Planetenrad überwacht werden.
Die Erfindung kann aber auch in Konstruktionen eingesetzt werden, bei denen beispielsweise Innenring und Außenring eines Wälzlagers drehen (u. a. Flugturbinen, Separatoren zur Stofftrennung, ...), da hier ähnliche messtechnische Probleme bestehen, wie bei den Planetengetrieben.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist der Sensor ein so genannter Smartsensor bzw. intelligenter Sensor. Dies ist ein Sensor, der neben der eigentlichen Messgrößenerfassung auch die komplette Signalaufbereitung, -bewertung und eine weitgehende Signalverarbeitung in einem Gehäuse vereinigt. Der Smartsensor beinhaltet vorteilhafterweise neben dem Schwingungssensorelement eine analoge und/oder digitale Signalverarbeitung, einen Datenspeicher sowie eine vorzugsweise standardisierte Schnittstelle zur Kommunikation mit übergeordneten Systemen.
Vorzugsweise ist die standardisierte Schnittstelle durch passive oder aktive Funktechniken wie beispielsweise WLAN, WPAN (z. B. Bluetooth als Standard für die Funkübertragung zwischen Geräten über kurze Distanz), Mobilfunk (z. B. GSM, UMTS) oder RFID gebildet. Der Fachmann kennt die hier anwendbaren Techniken und kann diese geeignet auswählen und konfigurieren.
Die Energieversorgung des Smartsensors erfolgt vorzugsweise über einen sogenannten ”energy harvester”. Als ”energy harvesting” (wörtlich übersetzt ”Energie ernten”) bezeichnet man die Erzeugung von Strom aus Quellen wie Umgebungstemperatur, Vibrationen oder Luftströmungen. Als Möglichkeiten hierfür sind unter anderem piezoelektrische Kristalle bekannt, welche bei Krafteinwirkung elektrische Spannungen erzeugen. Beispielsweise können Sensoren in einem Fahrzeug die vorhandenen Karosserieschwingungen oder Rotationen von Lagern zu Energiegewinnung ausnutzen oder über einen thermoelektrischen Generator die Abwärme beispielsweise eines Motors ausnutzen.
Bei Rotation der Zahnräder um ihre eigene Achse kann beispielsweise über ein elektrisches Generatorlager die benötigte elektrische Energie gewandelt werden. Solche Generatorlager sind bekannt. Als Generatorlager kommen beispielsweise permanent erregte Schenkelpol- oder Klauenpolgeneratoren in Frage, bei denen die Generatorspule und entsprechende nachgeschaltete Elektronik direkt auf dem rotierenden Maschinenteil angeordnet sind. Damit kann eine Energieversorgung des Sensors und der Sendeeinheit gewährleistet werden. Ein solcher Generator könnte beispielsweise in die Lagerung des betreffenden Planetenrades integriert werden oder in das Planetenrad selbst.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Sensor ringförmig gestaltet. Der Sensor kann beispielsweise auch direkt in ein Planetenrad integriert sein.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1: ein Planetengetriebe in einer Draufsicht;
2: ein Planetenrad als Detail aus 1.
1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand eines Planetengetriebes in einer schematischen Darstellung. Das Planetengetriebe umfasst in bekannter Weise ein zentral angeordnetes Sonnenrad 01 sowie daran eingreifende Planetenräder 02, welche an einem Planetenträger 03 rotierbar befestigt sind. Das Planetengetriebe umfasst weiterhin ein außen liegendes Hohlrad 04, in dessen Innenverzahnung die Planetenräder 02 eingreifen.
Das Hohlrad 04 ist feststehend mit einer Basis bzw. einem Getriebegehäuse verbunden. Wird der Planetenträger 03 angetrieben, so bildet das Sonnenrad 01 den Abtrieb des Getriebes. Es ist aber ebenso umgekehrt möglich, das Sonnerad 01 anzutreiben, wobei der Planetenträger 03 den Abtrieb darstellt. In jedem der Fälle führen die Planetenräder 02 eine Rotation um ihre eigene Achse und eine Umlaufbewegung bezüglich des Hohlrades 04 aus, d. h. es ändert sich ihr Abstand zu einem festen Punkt auf dem Hohlrad 04 während einer Umdrehung der Antriebswelle.
Vorzugsweise auf jedem der Planetenräder 02 ist ein Smartsensor 06 angeordnet. Am Hohlrad 04 ist ein Empfänger 07 vorgesehen, der die Signale der Smartsensoren 06 empfängt.
2 zeigt als Detaildarstellung ein einzelnes Planetenrads 02 (Detail A aus 1) des Planetengetriebes mit dem darauf angeordneten Smartsensor 06.
Der Smartsensor 06 umfasst ein Schwingungssensorelement 08, eine analoge und/oder digitale Signalverarbeitungseinheit 09, einen Datenspeicher 11 sowie eine integrierte Sendeeinheit 12. Diese Elemente sind nur symbolisch dargestellt. Dem Fachmann sind entsprechende Umsetzungen bekannt.
Je nach vorhandenem Bauraum in der zu überwachenden Konstruktion können die Komponenten auch anders verteilt auf dem Planetenrad angeordnet oder in dieses integriert werden, sofern kein integrierter Smartsensor verwendet wird.
Die Energieversorgung des Smartsensors 06 wird vorzugsweise von einem nicht dargestellten Generatorlager übernommen, welches beispielsweise in die Lagerstelle des Planetenrades im Planetenträger 03 integriert sein kann.
Bezugszeichenliste

01: Sonnenrad
02: Planetenrad
03: Planetenträger
04: Hohlrad
05
06: Smartsensor
07: Empfangseinheit
08: Schwingungssensor
09: Signalverarbeitung
10
11: Datenspeicher
12: Sendeeinheit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4432808 A1 [0004]
DE 10325801 A1 [0005]
DE 19924955 A1 [0006]
DE 102006058689 A1 [0007]
DE 102009010709 A1 [0008]
DE 4101985 A1 [0009]

Claims

Vorrichtung zur Überwachung eines sich relativ zu einer Basis bewegenden und um eine eigene Achse bewegendes oder rotierenden Maschinenelementes (02) mit einem Sensor (06) und einer Auswerteelektronik (09), dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (06) und die Auswerteelektronik (09) sowie eine Energieversorgungseinheit und eine Sendeeinheit (12) auf dem Maschinenelement (02) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Maschinenelement (02) ein Getriebeelement ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe ein Planetengetriebe und das Maschinenelement ein Planetenrad (02) ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein Smartsensor (06) ist, der eine Messgrößenerfassung, eine Signalaufbereitung, -bewertung und eine Signalverarbeitung in einem Gehäuse umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieversorgungseinheit ein in eine Lagerung des Maschinenelementes integrierter Generator, eine Energy-Harvester-Lösung oder ein Energiespeicher ist ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ringförmig ist oder einen Ringformabschnitt einnimmt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (06) in das Planetenrad (02) integriert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeeinheit (12) eine Funksendeeinheit ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Funkesendeeinheit (12) mittels WPAN-, WLAN-, UMTS-Protokoll arbeitet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mehrer sich bewegende Maschinenelemente (02) jeweils einen eigenen Sensor (06) besitzen und eine gemeinsame Empfangseinheit (07) gehäusefest angeordnet ist.