DE102011121789B4 - Method for determining a defective part in a transmission and device set up for carrying out the method - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Bestimmung eines schadhaften Teils in einem Getriebe,wobei ein Sensor zur Erfassung akustischer Schwingungen mit dem Getriebe in Kontakt gebracht wird,wobei das Getriebe im Leerlauf betrieben wird, wobei die eintreibende Welle des Getriebes mit einer Drehzahl betrieben wird,wobei das Sensorsignal einer Auswerteeinheit zugeführt wird,wobei (i) die Kurtosis des Zeitverlaufs des Sensorsignals bestimmt wird,wobei (ii) die Kurtosis einer Hüllkurve des Sensorsignals bestimmt wird,wobei (iii) ein Kurtogramm, also die Kurtosis als Funktion der Frequenz bestimmt wird, wobei ein von einem jeweiligen Zeitpunkt aus beginnender Zeitabschnitt des Sensorsignals Fouriertransformiert wird, wobei der Zeitpunkt nach jeder Fourier-Transformation verschoben wird und wiederum dann wiederum die Fourier-Transformation ausgeführt wird, so dass zu jedem Frequenzwert ein von der Zeit, also von den jeweiligen Zeitpunkten abhängiger Werteverlauf vorliegt, dessen Kurtosiswert bestimmt wird,wobei der jeweils bestimmte Kurtosiswert mit einem vorgegebenen Wert verglichen wird und die Hüllkurve des Sensorsignals bestimmt wird und bei Überschreiten des vorgegebenen Werts durch den Kurtosiswert die zu den aus dem Grundrauschen herausragenden Amplituden gehörigen Frequenzwerte bestimmt werden,wobei diese Frequenzwerte verglichen werden mit den bestimmten Drehzahlen der Verzahnungsteile des Getriebes und deren Oberschwingungen, also deren im erfassten Spektrum sich befindenden Harmonischen,wobei bei Übereinstimmung das schadhafte Teil bestimmt wird,und wobei bei Nicht-Übereinstimmung als schadhaftes Teil ein Lager gemeldet und/oder angezeigt wird.Method for determining a defective part in a gearbox, whereby a sensor for detecting acoustic vibrations is brought into contact with the gearbox, whereby the gearbox is operated in neutral, with the input shaft of the gearbox being operated at a speed, with the sensor signal being sent to an evaluation unit is supplied, where (i) the kurtosis of the time profile of the sensor signal is determined, where (ii) the kurtosis of an envelope of the sensor signal is determined, where (iii) a kurtogram, i.e. the kurtosis as a function of the frequency, is determined, with one of a respective point in time from the beginning of the time segment of the sensor signal is Fourier transformed, with the point in time being shifted after each Fourier transformation and the Fourier transformation then being carried out again in turn, so that a value profile dependent on time, i.e. on the respective points in time, is present for each frequency value, whose kurtosis value is determined, where the j the kurtosis value determined in each case is compared with a specified value and the envelope of the sensor signal is determined and if the kurtosis value exceeds the specified value, the frequency values associated with the amplitudes protruding from the background noise are determined, with these frequency values being compared with the determined speeds of the toothed parts of the Transmission and its harmonics, ie its harmonics located in the detected spectrum, where the defective part is determined if they match, and where a bearing is reported and/or displayed as a defective part if they do not match.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines schadhaften Teils in einem Getriebe und Vorrichtung eine Vorrichtung, eingerichtet zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method for determining a defective part in a transmission and a device set up for carrying out the method.

Es ist allgemein bekannt, akustische Wellen an einem Gehäuseteil mit einem Körperschallsensor zu erfassen.It is generally known to detect acoustic waves on a housing part with a structure-borne noise sensor.

Aus der Druckschrift Klein Ulrich: Schwingungsdiagnostische Beurteilung von Maschinen und Anlagen. In: 2000 Verlag Stahleisen GmbH, Düsseldorf, ISBN 3-514-00663-6, 2000, Seite 19 - 21 und 43 und 76 - 112 ist als nächstliegender Stand der Technik ein Verfahren zur Schallauswertung bekannt.From the publication Klein Ulrich: Vibration diagnostic assessment of machines and systems. In: 2000 Verlag Stahleisen GmbH, Düsseldorf, ISBN 3-514-00663-6, 2000, pages 19-21 and 43 and 76-112, a method for sound evaluation is known as the closest prior art.

Aus der Druckschrift Randall R.B.: Applications of Spectral Kurtosis in Machine Diagnostics and Prognostics. In: Key Engineering Materials Vols. 293 - 294, 2005, 21 - 30 ist ein Kurtogramm bekannt.From Randall R.B.: Applications of Spectral Kurtosis in Machine Diagnostics and Prognostics. In: Key Engineering Materials Vols. 293 - 294, 2005, 21 - 30 a kurtogram is known.

Aus der Druckschrift Immovilli F., Cocconcelli M., Bellini A., Rubini R.: Detection of Generatized-Roughness Bearing Fault by Spectral-Kurtosis Energy of Vibration or Current Signals. In: IEEE Transactions on Industrial Electronics. Vol. 56 No. 11, November 2009, 4710 - 4717 ist ein Fehlerdetektionssystem bekannt, das ein Kurtogramm verwendet.From the publication Immovilli F, Cocconcelli M, Bellini A, Rubini R: Detection of Generatized-Roughness Bearing Fault by Spectral-Kurtosis Energy of Vibration or Current Signals. In: IEEE Transactions on Industrial Electronics. Vol. 56 No. 11, November 2009, 4710-4717 a fault detection system is known that uses a kurtogram.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Schallauswertung weiterzubilden, wobei ein schadhaftes Teil erkennbar sein soll.The invention is therefore based on the object of further developing a method for sound evaluation, with a defective part being able to be identified.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem Verfahren zur Bestimmung eines schadhaften Teils in einem Getriebe nach den in Anspruch 1 und bei der Vorrichtung nach den in Anspruch 5 angegebenen Merkmalen gelöst.According to the invention, the object is achieved in the method for determining a defective part in a transmission according to the features specified in claim 1 and in the device according to the features specified in claim 5.

Wichtige Merkmale der Erfindung bei dem Verfahren sind, dass das Verfahren zur Bestimmung eines schadhaften Teils in einem Getriebe vorgesehen ist,
wobei ein Sensor zur Erfassung akustischer Schwingungen mit dem Getriebe in Kontakt gebracht wird,
wobei das Getriebe zumindest im Leerlauf betrieben wird, wobei die eintreibende Welle des Getriebes mit einer Drehzahl betrieben wird,
wobei das Sensorsignal einer Auswerteeinheit zugeführt wird,
wobei zumindest ein Wert für Kurtosis aus dem Sensorsignal bestimmt wird.
Important features of the invention in the method are that the method is intended to determine a defective part in a transmission,
a sensor for detecting acoustic vibrations being brought into contact with the transmission,
wherein the transmission is operated at least in neutral, with the input shaft of the transmission being operated at a speed,
the sensor signal being fed to an evaluation unit,
wherein at least one value for kurtosis is determined from the sensor signal.

Von Vorteil ist dabei, dass durch die Bestimmung einer statistischen Größe des diskretisierten Signals das schadhafte Teil bestimmbar ist, insbesondere also dasjenige schadhafte Teil bestimmbar ist, welches den Schaden verursacht. Somit ist ein Austauschen des Teils ermöglicht und daher eine kostengünstige Reparatur ausführbar.The advantage here is that the defective part can be determined by determining a statistical variable of the discretized signal, that is to say in particular that defective part which causes the damage can be determined. It is thus possible to replace the part and therefore a cost-effective repair can be carried out.

Erfindungsgemäß wird die Kurtosis des Sensorsignals bestimmt wird, insbesondere also die Kurtosis des Zeitverlaufs des Sensorsignals. Von Vorteil ist dabei, dass das diskretisierte Sensorsignal, also eine einfach erfasste Menge von Werten des Sensorsignals, insbesondere also zu jeweiligen Zeitpunkten zugehörig erfasste Beschleunigungswerte, verwendbar ist, um ein mit wenig Rechenaufwand bestimmbares Moment der Verteilung der Werte zu verwenden für die Bestimmung des schadhaften Teils.According to the invention, the kurtosis of the sensor signal is determined, in particular the kurtosis of the time profile of the sensor signal. The advantage here is that the discretized sensor signal, i.e. a simply recorded set of values of the sensor signal, in particular acceleration values recorded at respective times, can be used in order to use a moment of the distribution of the values that can be determined with little computing effort to determine the defective one Part.

Erfindungsgemäß wird die Kurtosis einer Hüllkurve des Sensorsignals bestimmt,
insbesondere wobei zur Bildung der Hüllkurve das Sensorsignal vorgefiltert, gleichgerichtet, tiefpassgefiltert und dann Fourier-transformiert wird. Von Vorteil ist dabei, dass die vom Schaden erzeugten Frequenzen mit einem signifikanten Signal-Rausch-Verhältnis bestimmbar sind.
According to the invention, the kurtosis of an envelope of the sensor signal is determined
In particular, the sensor signal is pre-filtered, rectified, low-pass filtered and then Fourier-transformed to form the envelope. The advantage here is that the frequencies generated by the damage can be determined with a significant signal-to-noise ratio.

Erfindungsgemäß wird ein Kurtogramm, also die Kurtosis als Funktion der Frequenz, bestimmt, wobei ein von einem jeweiligen Zeitpunkt aus beginnender Zeitabschnitt des Sensorsignals Fourier-transformiert wird, wobei der Zeitpunkt nach jeder Fourier-Transformation verschoben wird und wiederum dann wiederum die Fourier-Transformation ausgeführt wird,
so dass zu jedem Frequenzwert ein von der Zeit, also von den jeweiligen Zeitpunkten abhängiger Werteverlauf vorliegt, dessen Kurtosiswert bestimmbar ist. Von Vorteil ist dabei, dass ein sehr gutes signifikantes Signal-Rausch-Verhältnis erreichbar ist und somit eine geringe Fehleranfälligkeit.
According to the invention, a kurtogram, i.e. the kurtosis as a function of the frequency, is determined, with a time segment of the sensor signal beginning at a particular point in time being Fourier transformed, with the point in time being shifted after each Fourier transformation and the Fourier transformation then being carried out in turn becomes,
so that for each frequency value there is a value curve which is dependent on time, that is to say on the respective points in time, and whose kurtosis value can be determined. The advantage here is that a very good significant signal-to-noise ratio can be achieved and thus a low susceptibility to errors.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung werden aus dem Sensorsignal mehrere Werte für Kurtosis bestimmt. Von Vorteil ist dabei, dass eine noch sicherere Bestimmung ermöglicht ist.In an advantageous embodiment, several values for kurtosis are determined from the sensor signal. The advantage here is that an even more reliable determination is made possible.

Erfindungsgemäß wird der bestimmte Kurtosiswerte mit einem vorgegebenen Wert verglichen und bei Überschreiten des vorgegebenen Wertes auf ein schadhaftes Teil geschlossen. Von Vorteil ist dabei, dass eine einfache Erkennung des schadhaften Teils ermöglicht ist.According to the invention, the determined kurtosis value is compared with a predetermined value and, if the predetermined value is exceeded, a defective part is concluded. The advantage here is that a simple detection of the defective part is made possible.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der bestimmte Kurtosiswert mit einem vorgegebenen Wert verglichen und bei Überschreiten des vorgegebenen Wertes wird der zum Kurtosiswert zugeordnete Frequenzwert verwendet zur Bestimmung des schadhaften Teils, insbesondere wobei der Frequenzwert als Schadensfrequenzwert bezeichnet wird. Von Vorteil ist dabei, dass eine einfache schnelle Bestimmung des schadhaften Teils ermöglicht ist.In an advantageous embodiment, the determined kurtosis value is compared with a predefined value and if the predefined value is exceeded, the frequency value assigned to the kurtosis value is used to determine the defective part, in particular where the frequency value is referred to as the damage frequency value. The advantage here is that a simple, rapid determination of the defective part is made possible.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der jeweils bestimmte Kurtosiswert mit einem vorgegebenen Wert verglichen und die Hüllkurve des Sensorsignals bestimmt und, insbesondere bei Überschreiten des vorgegebenen Wertes durch den Kurtosiswert, die zu den aus dem Grundrauschen herausragenden Amplituden gehörigen Frequenzwerte bestimmt werden,
wobei diese Frequenzwerte verglichen werden mit den bestimmten Drehzahlen der Verzahnungsteile des Getriebes und deren Oberschwingungen, insbesondere also deren im erfassten Spektrum sich befindenden Harmonischen,
wobei bei Übereinstimmung das schadhafte Teil bestimmt wird
und wobei bei Nicht-Übereinstimmung als schadhaftes Teil ein Lager gemeldet und/oder angezeigt wird. Von Vorteil ist dabei, dass eine Bestimmung des schadhaften Teils, also Verzahnteil oder Lager ermöglicht ist.
In an advantageous embodiment, the kurtosis value determined in each case is compared with a predetermined value and the envelope of the sensor signal is determined and, in particular if the kurtosis value exceeds the predetermined value, the frequency values associated with the amplitudes protruding from the background noise are determined,
whereby these frequency values are compared with the determined speeds of the toothed parts of the gear and their harmonics, i.e. in particular their harmonics in the recorded spectrum,
where the defective part is determined if they match
and where a bearing is reported and/or displayed as a defective part in the event of non-compliance. The advantage here is that it is possible to determine the defective part, ie the toothed part or the bearing.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die Drehzahl einer Welle des Getriebes bestimmt,
insbesondere mittels eines mit der Welle verbundenen Drehzahlsensors, mittels eines mit der Welle verbundenen Winkelsensors oder mittels eines das Getriebe antreibenden drehzahlgeregelten Elektromotors, wobei die bei der Drehzahlregelung vorgesehene Solldrehzahl oder die bei der Drehzahlregelung bestimmte Istdrehzahl als Drehzahl der Welle des Getriebes verwendet wird. Von Vorteil ist dabei, dass eine Drehzahlwert ohne Aufwand bestimmbar ist.
In an advantageous embodiment, the speed of a shaft of the transmission is determined
in particular by means of a speed sensor connected to the shaft, by means of an angle sensor connected to the shaft or by means of a speed-controlled electric motor driving the transmission, the setpoint speed provided for the speed control or the actual speed determined during the speed control being used as the speed of the shaft of the transmission. The advantage here is that a speed value can be determined without any effort.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung werden aus den Verzahnungsdaten des Getriebes aus der bestimmten Drehzahl der Welle des Getriebes die Drehzahlwerte der anderen drehbar gelagerten Verzahnteile des Getriebes bestimmt
und es werden zugehörige Oberschwingungen, insbesondere also Harmonische, der Drehzahlwerte aller drehenden Verzahnteile des Getriebes bestimmt. Von Vorteil ist dabei, dass in einfacher Weise die möglichen Frequenzen bestimmbar sind und somit der Schaden eindeutig zuordenbar ist, wenn seine Frequenz mit einer der möglichen Frequenzen übereinstimmt, insbesondere im Wesentlichen, also im Rahmen der Messgenauigkeit und/oder Genauigkeit der Bestimmung.
In an advantageous embodiment, the speed values of the other rotatably mounted toothed parts of the gearbox are determined from the gearing data of the gearbox from the determined speed of the shaft of the gearbox
and associated harmonics, in particular harmonics, of the speed values of all rotating toothed parts of the transmission are determined. The advantage here is that the possible frequencies can be determined in a simple manner and the damage can therefore be clearly assigned if its frequency corresponds to one of the possible frequencies, in particular essentially, ie within the scope of the measurement accuracy and/or accuracy of the determination.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der zum Kurtosiswert zugeordnete Frequenzwert verglichen mit den bestimmten Drehzahlwerten der Wellen beziehungsweise Verzahnteile des Getriebes und mit den bestimmten Oberschwingungen
und daraus wird bei Übereinstimmung, insbesondere im Wesentlichen Übereinstimmung, somit das Verzahnteil als schadhaftes Teil bestimmt
und bei Nicht-Übereinstimmung wird ein Lager als schadhaftes Teil bestimmt. Von Vorteil ist dabei, dass ein einfaches Verfahren anwendbar ist.
In an advantageous embodiment, the frequency value assigned to the kurtosis value is compared with the determined speed values of the shafts or toothed parts of the transmission and with the determined harmonics
and if there is a match, in particular a substantial match, the toothed part is determined as the defective part
and if there is disagreement, a bearing is determined as a defective part. The advantage here is that a simple method can be used.

Wichtige Merkmale bei der Vorrichtung zur Durchführung eines vorgenannten Verfahrens sind, dass ein Körperschallsensor zur Erfassung des Sensorsignals verwendet wird, welcher an ein Gehäuseteil einer Vorrichtung, insbesondere Getriebe oder ein Getriebe umfassende Vorrichtung, berührend positioniert wird. Von Vorteil ist dabei, dass nur ein Körperschallsensor mit Auswerteeinheit notwendig ist, wobei die Auswerteeinheit einen Analog-Digital-Wandler aufweist und einen Rechner zur Auswertung der digitalen Daten aufweist.Important features of the device for carrying out an aforementioned method are that a structure-borne noise sensor is used to detect the sensor signal, which is positioned touching a housing part of a device, in particular a gear or a device comprising a gear. The advantage here is that only one structure-borne sound sensor with an evaluation unit is required, with the evaluation unit having an analog/digital converter and having a computer for evaluating the digital data.

Die Erfindung wird nun anhand von einer Abbildung näher erläutert:

  • In der 1 ist ein Ablauf zur Auswertung des erfassten Sensorsignals gezeigt.
The invention will now be explained in more detail using an illustration:
  • In the 1 a sequence for evaluating the detected sensor signal is shown.

Zum Verständnishintergrund der Erfindung wird darauf verwiesen, dass eine Normalverteilung statistisch schwankender Werte bestimmt ist durch p ( x ) = 1 2 π σ 2 e ( x x ¯ ) 2 2 σ 2 .

Figure DE102011121789B4_0001
Der Mittelwert einer Verteilung von statistisch schwankenden Werten beträgt x ¯ = 1 N i = 1 N x i
Figure DE102011121789B4_0002
und die Standardabweichung
σ 2 = 1 N 1 i = 1 N ( x i x ¯ ) 2
Figure DE102011121789B4_0003
ist, wobei N die Anzahl der Werte ist.For understanding the background of the invention, reference is made to the fact that a normal distribution of statistically fluctuating values is determined by p ( x ) = 1 2 π σ 2 e ( x x ¯ ) 2 2 σ 2 .
Figure DE102011121789B4_0001
The mean of a distribution of statistically varying values is x ¯ = 1 N i = 1 N x i
Figure DE102011121789B4_0002
and the standard deviation
σ 2 = 1 N 1 i = 1 N ( x i x ¯ ) 2
Figure DE102011121789B4_0003
where N is the number of values.

Die zugehörige Kurtosis ist ein höheres Moment bei einer Verteilung von N statisch schwankenden Werten und wird bestimmt gemäß. γ 3 [ 1 N i = 0 N 1 ( x i x ¯ σ ) 4 ] 3,

Figure DE102011121789B4_0004
wobei N die Anzahl der Werte ist.The associated kurtosis is a higher moment for a distribution of N statically varying values and is determined according to g 3 [ 1 N i = 0 N 1 ( x i x ¯ σ ) 4 ] 3,
Figure DE102011121789B4_0004
where N is the number of values.

Bei der Erfindung wird ein Sensor mit dem Gehäuse eines Getriebes in Berührung gebracht, so dass akustische Wellen erfassbar sind. Als Sensor ist ein Körperschallsensor geeignet, der Frequenzen bis 5 kHz oder bis 50 kHz mit gutem Signal-Rausch-Verhältnis erfassen kann. Der Sensor arbeitet bevorzugt auf Basis der Piezo-Technologie.In the case of the invention, a sensor is brought into contact with the housing of a transmission so that acoustic waves can be detected. A structure-borne noise sensor is suitable as a sensor, which can record frequencies up to 5 kHz or up to 50 kHz with a good signal-to-noise ratio. The sensor preferably works on the basis of piezo technology.

Das Sensorsignal entspricht also dem Beschleunigungsverlauf der Oberfläche des Getriebegehäuses im Berührpunkt des Sensors mit dem Getriebe.The sensor signal thus corresponds to the acceleration profile of the surface of the transmission housing at the point of contact between the sensor and the transmission.

Das Sensorsignal wird einer Auswerteeinheit zugeführt, die den zeitabhängigen Beschleunigungsverlauf auswertbar macht und die Detektion eines lokalen Schadens ermöglicht.The sensor signal is fed to an evaluation unit, which makes it possible to evaluate the time-dependent acceleration profile and enables local damage to be detected.

Als Schaden ist beispielsweise ein Schaden an einem Zahn eines Verzahnteils des Getriebes oder an einem Lager des Getriebes möglich.Damage to a tooth of a toothed part of the transmission or to a bearing of the transmission is possible as damage, for example.

Das Verzahnteil ist mit einer der Wellen des Getriebes drehfest verbunden, also mit der eintreibenden Welle, der abtreibenden Welle oder einer Zwischenwelle.The toothed part is non-rotatably connected to one of the shafts of the transmission, ie to the input shaft, the output shaft or an intermediate shaft.

Die eintreibende Welle wird mit einer Drehzahl von einem Motor angetrieben. Dabei ist das erfindungsgemäße Verfahren auch bei Leerlauf des Getriebemotors, also ohne anzutreibende Last, verwendbar. Bei Leerlauf ist die durch einen an einem drehenden Teil angeordneten Schaden bewirkte Impulshaltigkeit des Sensorsignals gering.The input shaft is driven at a speed by a motor. The method according to the invention can also be used when the geared motor is idling, ie without a load to be driven. When idling, the impulsiveness of the sensor signal caused by damage to a rotating part is low.

Bei einer ersten Auswertungsvariante wird von der Auswerteeinheit die Kurtosis des zeitlichen Verlaufs des Sensorsignals bestimmt. Das Sensorsignal ist dabei zeitlich diskret dargestellt und weist also eine Abfolge von zu einem jeweiligen Zeitpunkt erfassten Werten xi auf, wobei i die N Zeitpunkte durchzählt, wobei N eine ganze Zahl ist.In a first evaluation variant, the evaluation unit determines the kurtosis of the time profile of the sensor signal. The sensor signal is shown as discrete in time and thus has a sequence of values xi detected at a particular point in time, with i counting through the N points in time, with N being an integer.

Dabei wird die Kurtosis als Mittelwert der vierten Potenz der Abweichung zum Mittelwert bestimmt. Wenn die Kurtosis einen kritischen Wert überschreitet, wird ein Warnsignal erzeugt, da das Überschreiten auf das Vorhandensein eines Schadens schließen lässt.The kurtosis is determined as the mean value of the fourth power of the deviation from the mean value. If the kurtosis exceeds a critical value, a warning signal is generated, since exceeding it indicates the presence of damage.

Bei einer zweiten Auswertungsvariante wird von der Auswerteeinheit ein Zeitabschnitt des Sensorsignals fouriertransformiert, wonach der Zeitabschnitt in der zeitlichen Richtung um einen kleinen Betrag verschoben wird und dann wiederum fouriertransformiert wird. Dies wird wiederholt ausgeführt, so dass ein Fourierspektrum abhängig von der Zeit entsteht. Dabei wird jeweils als Fouriertransformation einen FFT (Fast Fourier Transformation) angewendet.In a second evaluation variant, a time section of the sensor signal is Fourier-transformed by the evaluation unit, after which the time section is shifted by a small amount in the time direction and is then Fourier-transformed again. This is repeatedly carried out, resulting in a Fourier spectrum as a function of time. An FFT (Fast Fourier Transformation) is used as the Fourier transformation.

Somit liegt also zu jedem Frequenzwert ein zeitlicher Verlauf der Amplitude vor, also eine Menge von Amplitudenwerten. Im nächsten Schritt wird zu jedem Frequenzwert die Kurtosis berechnet. Wenn kein Schaden vorliegt, hat die Kurtosis einen im Wesentlichen verschwindenden Wert. Bei Überschreiten eines kritischen Wertes, der wiederum vorgebbar ist, wird ebenfalls ein Warnsignal erzeugt, da das Überschreiten auf das Vorhandensein eines Schadens schließen lässt.Thus, for each frequency value there is a time profile of the amplitude, ie a set of amplitude values. In the next step, the kurtosis is calculated for each frequency value. When there is no damage, the kurtosis has an essentially vanishing value. If a critical value, which in turn can be specified, is exceeded, a warning signal is also generated, since exceeding it indicates the presence of damage.

Bei einer dritten Auswertungsvariante wird von der Auswerteeinheit die Kurtosis des Spektrums des Sensorsignals oder seiner Hüllkurve bestimmt.In a third evaluation variant, the evaluation unit determines the kurtosis of the spectrum of the sensor signal or its envelope.

Zur Bildung der Kurtosis im Frequenzspektrum wird das Sensorsignal fouriertransformiert, insbesondere mittels FFT, und dann die Kurtosis der Amplitudenwerte, welche zu jeder Frequenz bestimmt wurden, gebildet. Bei Überschreiten eines kritischen Wertes, der wiederum vorgebbar ist, wird ebenfalls ein Warnsignal erzeugt, da das Überschreiten auf das Vorhandensein eines Schadens schließen lässt.To form the kurtosis in the frequency spectrum, the sensor signal is Fourier transformed, in particular by means of FFT, and then the kurtosis of the amplitude values, which were determined for each frequency, is formed. If a critical value, which in turn can be specified, is exceeded, a warning signal is also generated, since exceeding it indicates the presence of damage.

Zur Bildung der Kurtosis der Hüllkurve wird das Sensorsignal zunächst bandpassgefiltert, gleichgerichtet, tiefpassgefiltert und danach fouriertransformiert, insbesondere mittels FFT, und dann die Kurtosis der Amplitudenwerte, welche zu jeder Frequenz bestimmt wurden, gebildet. Bei Überschreiten eines kritischen Wertes, der wiederum vorgebbar ist, wird ebenfalls ein Warnsignal erzeugt, da das Überschreiten auf das Vorhandensein eines Schadens schließen lässt. Mittels der genannten Hüllkurvenbildung, insbesondere mittels der Gleichrichtung mit nachfolgender Tiefpassfilterung werden die durch einen Schaden eingetragenen Impulsstöße, also Energiebeträge, aus dem Grundrauschen stärker hervorgehoben, so dass zur Erkennung der Impulshaltigkeit ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis erreichbar ist.To form the kurtosis of the envelope, the sensor signal is first bandpass filtered, rectified, lowpass filtered and then Fourier transformed, in particular by means of FFT, and then the kurtosis of the amplitude values, which were determined for each frequency, is formed. If a critical value, which in turn can be specified, is exceeded, a warning signal is also generated, since exceeding it indicates the presence of damage. By means of the envelope formation mentioned, in particular by means of rectification with subsequent low-pass filtering, the impulse surges introduced by damage, i.e. amounts of energy, are more strongly emphasized from the background noise, so that an improved signal-to-noise ratio can be achieved for recognizing the presence of impulses.

Die Auswerteeinheit führt also die genannten drei Auswertungsvarianten durch und erzeigt jeweils bei Überschreiten des jeweiligen kritischen Wertes eine Schadenswarnung.The evaluation unit thus carries out the three evaluation variants mentioned and generates a damage warning in each case when the respective critical value is exceeded.

Zur möglichst klaren und automatischen Bestimmung des schadhaften Teils wird zunächst die Drehzahl der eintreibenden Welle bestimmt. Hierzu wird entweder der bekannte, durch den Motor, insbesondere durch einen den Motor speisenden Umrichter bewirkte, vorgegebene Drehzahlwert der eintreibenden Welle der Auswerteeinheit übermittelt oder alternativ wird die Drehzahl der eintreibenden Welle von der Auswerteeinheit bestimmt. Zur Bestimmung der Drehzahl mittels der Auswerteeinheit wird bevorzugt im Frequenzspektrum des Sensorsignals die Eingriffsdrehzahl der eintreibenden Getriebestufe ermittelt, da die Zahneingriffsfrequenz der ersten Getriebestufe deutlich erkennbar ist im Spektrum. Aus den bekannten Verzahnungsdaten lässt sich dann die Drehzahl der eintreibenden Welle und die Drehzahl der abtreibenden Welle sowie der Zwischenwelle oder der Zwischenwellen bestimmen. Jedem Verzahnteil ist dabei die entsprechende Zahneingriffsfrequenz zugeordnet.In order to determine the defective part as clearly and automatically as possible, the speed of the input shaft is first determined. For this purpose, either the known, predetermined speed value of the input shaft caused by the motor, in particular by a converter feeding the motor, is transmitted to the evaluation unit or, alternatively, the speed of the input shaft is determined by the evaluation unit. To determine the speed using the evaluation unit, the meshing speed of the input gear stage is preferably determined in the frequency spectrum of the sensor signal, since the gear meshing frequency of the first gear stage is clearly recognizable in the spectrum. The rotational speed of the input shaft and the rotational speed of the output shaft as well as the intermediate shaft or intermediate shafts can then be determined from the known gearing data determine. The corresponding meshing frequency is assigned to each toothed part.

Zu den so bestimmten Drehzahlwerten werden zusätzlich die Harmonischen bestimmt, also diejenigen harmonischen Oberschwingungen, welche im Spektralbereich auftreten können. In einem nachfolgenden Schritt wird im Hüllkurvenspektrum überprüft, ob die bestimmte Schadensfrequenz einem der Drehzahlwerte einer der Wellen oder einer der Zahneingriffsfrequenzwerte oder einer der bestimmten Harmonischen im Wesentlichen entspricht. Wenn eine Übereinstimmung erkannt wird, wird eine Warnmeldung von der Auswerteeinheit angezeigt, welche das schadhafte Teil bezeichnet. Wenn keine Übereinstimmung erkennbar ist, wird angezeigt, dass ein Lagerschaden in einem der Lager einer der Wellen vorliegt.In addition to the speed values determined in this way, the harmonics are also determined, i.e. those harmonics that can occur in the spectral range. In a subsequent step, the envelope curve spectrum is checked to determine whether the damage frequency determined essentially corresponds to one of the rotational speed values of one of the shafts or one of the meshing frequency values or one of the determined harmonics. If a match is found, a warning message is displayed by the evaluation unit, identifying the defective part. If there is no match, it indicates that there is bearing damage in one of the bearings on one of the shafts.

Auf diese Weise ist also ein automatisches Erkennen eines Schadens ohne Erfahrensdatenbank möglich.In this way, an automatic detection of a damage is possible without an experience database.

In der 1 ist ein erfindungsgemäßer Ablauf der in der Auswerteeinheit ausgeführten Sensorsignalauswertung gezeigt.In the 1 a sequence according to the invention of the sensor signal evaluation carried out in the evaluation unit is shown.

Dabei wird zunächst das erfasste Sensorsignal zwei Auswertungen unterzogen, wobei die erste Auswertung in der linken Hälfte und die andere Auswertung in der rechten Hälfte verdeutlicht sind.The detected sensor signal is initially subjected to two evaluations, with the first evaluation being illustrated in the left half and the other evaluation in the right half.

Bei der ersten Auswertung wird zunächst die spektrale Beschleunigungsdichte, also das (gemittelte) diskrete FFT-Spektrum, des Sensorsignals bestimmt.In the first evaluation, the spectral acceleration density, i.e. the (averaged) discrete FFT spectrum, of the sensor signal is first determined.

Aus den Verzahnungsdaten und der vorgegebenen, zumindest ungefähren Drehzahl der eintreibenden Welle, insbesondere Synchrondrehzahl, wird die Zahneingriffsfrequenz der ersten Getriebestufe abgeschätzt. Im FFT-Spektrum wird dann der exakte zugehörige Frequenzwert gesucht und bestimmt. Somit ist dann der wirklich vorhandene beziehungsweise erfasste Zahneingriffsfrequenzwert bekannt.The meshing frequency of the first gear stage is estimated from the gearing data and the specified, at least approximate, speed of the input shaft, in particular the synchronous speed. The exact associated frequency value is then searched for and determined in the FFT spectrum. The actually existing or detected tooth meshing frequency value is thus then known.

Aus diesem Frequenzwert werden unter Berücksichtigung der bekannten Verzahnungsdaten die Frequenzwerte, insbesondere Drehzahlen, der Verzahnteile beziehungsweise Wellen des Getriebes, insbesondere eintreibende Welle, abtreibende Welle und zumindest eine Zwischenwelle bestimmt.From this frequency value, taking into account the known gearing data, the frequency values, in particular rotational speeds, of the geared parts or shafts of the transmission, in particular the input shaft, the output shaft and at least one intermediate shaft are determined.

Zusätzlich werden die harmonischen Oberschwingungen zu den genannten Wellendrehzahlen bestimmt.In addition, the harmonics of the specified shaft speeds are determined.

Die so bestimmten Wellendrehzahlwerte und zugehörigen Oberschwingungsfrequenzwerte werden im Folgenden auch als Schadensfrequenzen bezeichnet.The shaft speed values determined in this way and associated harmonic frequency values are also referred to below as damage frequencies.

Alternativ, in 1 mit ODER gekennzeichnet, ist auch eine direkte Übermittelung der Drehzahl der eintreibenden oder abtreibenden Welle an die Auswerteeinheit ermöglicht, so dass die zugehörigen Frequenzwerte der anderen Wellen und die zugehörigen Oberschwingungen bestimmbar sind Wiederum bilden dann diese Werte die Schadensfrequenzen.alternatively, in 1 marked with OR, the speed of rotation of the input or output shaft can also be transmitted directly to the evaluation unit, so that the associated frequency values of the other shafts and the associated harmonics can be determined. These values then form the damage frequencies.

Bei der anderen Auswertung, also der in der rechten Hälfte der 1 dargestellten Auswertung, wird das Sensorsignal auf Impulshaltigkeit untersucht.In the other evaluation, i.e. the one in the right half of the 1 shown evaluation, the sensor signal is examined for impulsiveness.

Hierzu wird zunächst das Sensorsignal vorgefiltert und/oder einer Rauschunterdrückung unterzogen. Vorzugsweise ist hierbei ein Bandpassfilter verwendbar. Zusätzlich oder alternativ sind aber auch ein Rauschunterdrückungsverfahren, wie Prewhitening, oder ein adaptierendes Rauschunterdrückungsverfahren, wie Adaptive Noise Cancellation, anwendbar.For this purpose, the sensor signal is first pre-filtered and/or subjected to noise suppression. A bandpass filter can preferably be used here. In addition or as an alternative, however, a noise suppression method such as prewhitening or an adaptive noise suppression method such as adaptive noise cancellation can also be used.

Sodann werden die drei Kurtosis-Werte bestimmt, also

  • - die Kurtosis des zeitabhängigen, insbesondere unbehandelten, Sensorsignals,
  • - die Kurtosis der Hüllkurve und
  • - das Kurtogramm.
Then the three kurtosis values are determined, i.e
  • - the kurtosis of the time-dependent, in particular untreated, sensor signal,
  • - the kurtosis of the envelope and
  • - the kurogram.

Dabei wird zur Bestimmung des Kurtogramms ein zu einem gleitenden Zeitabschnitt des Sensorsignals gehörendes Frequenzspektrum bestimmt, insbesondere mittels short time FFT, also einer FFT-Transformation, und danach zu jedem Frequenzwert die Kurtosis des zu diesem jeweiligen Frequenzwert gehörenden Amplitudenwerts.To determine the kurtogram, a frequency spectrum belonging to a sliding time segment of the sensor signal is determined, in particular by means of short-time FFT, i.e. an FFT transformation, and then for each frequency value the kurtosis of the amplitude value belonging to this respective frequency value.

Wenn einer der bestimmten Kurtosiswerte im Kurtogramm oder der Kurtosiswert des zeitabhängigen, insbesondere unbehandelten, Sensorsignals oder der Kurtosiswert der Hüllkurve des vorgefilterten und/oder rauschunterdrückten Sensorsignals einen zugehörigen Grenzwert überschreitet, wird die Warnung ausgegeben, dass ein lokaler Schaden vorliegt. Im anderen Fall wird angezeigt, dass kein lokaler Schaden vorliegt.If one of the kurtosis values determined in the kurtogram or the kurtosis value of the time-dependent, in particular untreated, sensor signal or the kurtosis value of the envelope of the pre-filtered and/or noise-suppressed sensor signal exceeds an associated limit value, a warning is issued that there is local damage. In the other case, it indicates that there is no local damage.

Bei Vorhandensein eines lokalen Schadens wird dasjenige Teil des Getriebes bestimmt, welches den Schaden aufweist. Aus der oben beschriebenen Kurtosis-gestützten Überwachung ist nur der Frequenzwert des Schadens bekannt, nicht aber das den Schaden aufweisende Teil. Die Bestimmung des Teils erfolgt dadurch, dass zunächst die Hüllkurve des Sensorsignals verwendet wird. Wie oben erläutert, wird die Hüllkurve erzeugt, indem das Sensorsignal bandpassgefiltert, gleichgerichtet, tiefpassgefiltert und Fourier-transformiert wird. Somit ragen die Amplituden der Wellendrehzahlen, Zahneingriffsfrequenzen und ihrer Harmonischen aus einem Grundrauschanteil deutlich hervor. Die aus dem Grundrauschanteil deutlich herausragenden Amplituden sind einfach zu bestimmen und somit sind auch die zugehörigen Frequenzwerte bestimmbar. Durch Vergleich mit dem Frequenzwert des Schadens ist somit die entsprechende Wellenfrequenz, Zahneingriffsfrequenz oder zumindest eine Harmonische, also Oberschwingung, einer Zahneingriffsfrequenz bestimmbar und daraus auf das Schadensteil rückschließbar.If there is local damage, the part of the transmission that has the damage is determined. From the kurtosis-based monitoring described above, only the frequency value of the damage is known, but not the part showing the damage. The part is determined by first using the envelope of the sensor signal. As above , the envelope is generated by bandpass filtering, rectifying, lowpass filtering and Fourier transforming the sensor signal. Thus, the amplitudes of the shaft speeds, meshing frequencies and their harmonics clearly stand out from a background noise component. The amplitudes that clearly stand out from the background noise component are easy to determine and thus the associated frequency values can also be determined. By comparison with the frequency value of the damage, the corresponding shaft frequency, meshing frequency or at least one harmonic, ie overtone, of a meshing frequency can be determined and the damaged part can be inferred from this.

Falls der Frequenzwert der Schadensfrequenz weit ab liegt von einem der Frequenzwerte einer der Wellen, eines Zahneingriffs oder einer Harmonischen hiervon, wird ein anderes drehendes Teil als Schadensteil angezeigt, insbesondere also Lagerschaden.If the frequency value of the damage frequency is far away from one of the frequency values of one of the shafts, a tooth mesh or a harmonic thereof, another rotating part is indicated as the damaged part, i.e. bearing damage in particular.

Vorzugsweise wird zur Rauschunterdrückung eine Bandpassfilterung und/oder eine Hochpassfilterung durchgeführt.Band-pass filtering and/or high-pass filtering is preferably carried out for noise suppression.

BezugszeichenlisteReference List

11
linke Hälfteleft half
22
rechte Hälfteright half

Claims (5)

Verfahren zur Bestimmung eines schadhaften Teils in einem Getriebe, wobei ein Sensor zur Erfassung akustischer Schwingungen mit dem Getriebe in Kontakt gebracht wird, wobei das Getriebe im Leerlauf betrieben wird, wobei die eintreibende Welle des Getriebes mit einer Drehzahl betrieben wird, wobei das Sensorsignal einer Auswerteeinheit zugeführt wird, wobei (i) die Kurtosis des Zeitverlaufs des Sensorsignals bestimmt wird, wobei (ii) die Kurtosis einer Hüllkurve des Sensorsignals bestimmt wird, wobei (iii) ein Kurtogramm, also die Kurtosis als Funktion der Frequenz bestimmt wird, wobei ein von einem jeweiligen Zeitpunkt aus beginnender Zeitabschnitt des Sensorsignals Fouriertransformiert wird, wobei der Zeitpunkt nach jeder Fourier-Transformation verschoben wird und wiederum dann wiederum die Fourier-Transformation ausgeführt wird, so dass zu jedem Frequenzwert ein von der Zeit, also von den jeweiligen Zeitpunkten abhängiger Werteverlauf vorliegt, dessen Kurtosiswert bestimmt wird, wobei der jeweils bestimmte Kurtosiswert mit einem vorgegebenen Wert verglichen wird und die Hüllkurve des Sensorsignals bestimmt wird und bei Überschreiten des vorgegebenen Werts durch den Kurtosiswert die zu den aus dem Grundrauschen herausragenden Amplituden gehörigen Frequenzwerte bestimmt werden, wobei diese Frequenzwerte verglichen werden mit den bestimmten Drehzahlen der Verzahnungsteile des Getriebes und deren Oberschwingungen, also deren im erfassten Spektrum sich befindenden Harmonischen, wobei bei Übereinstimmung das schadhafte Teil bestimmt wird, und wobei bei Nicht-Übereinstimmung als schadhaftes Teil ein Lager gemeldet und/oder angezeigt wird. Procedure for determining a defective part in a gearbox, a sensor for detecting acoustic vibrations being brought into contact with the transmission, wherein the gearbox is operated in neutral, with the input shaft of the gearbox being operated at a speed, the sensor signal being fed to an evaluation unit, where (i) the kurtosis of the time course of the sensor signal is determined, where (ii) the kurtosis of an envelope of the sensor signal is determined, where (iii) a kurtogram, i.e. the kurtosis, is determined as a function of the frequency, with a time segment of the sensor signal beginning at a particular point in time being Fourier transformed, with the point in time being shifted after each Fourier transformation and the Fourier transformation then being carried out in turn is, so that for each frequency value there is a value curve dependent on time, i.e. on the respective points in time, whose kurtosis value is determined, wherein the respectively determined kurtosis value is compared with a predetermined value and the envelope of the sensor signal is determined and when the predetermined value is exceeded by the kurtosis value, the frequency values belonging to the amplitudes protruding from the background noise are determined, whereby these frequency values are compared with the determined speeds of the toothed parts of the gear and their harmonics, i.e. their harmonics in the recorded spectrum, where the defective part is determined if there is a match, and where a bearing is reported and/or displayed as a defective part in the event of non-compliance. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweils bestimmte Kurtosiswert mit einem vorgegebenen Wert verglichen wird und die Hüllkurve des Sensorsignals bestimmt wird und bei Überschreiten des vorgegebenen Wertes durch den Kurtosiswert die zu den aus dem Grundrauschen herausragenden Amplituden gehörigen Frequenzwerte bestimmt werden, wobei diese Frequenzwerte verglichen werden mit den bestimmten Drehzahlen der Verzahnungsteile des Getriebes und deren Oberschwingungen, also deren im erfassten Spektrum sich befindenden Harmonischen, wobei bei Übereinstimmung das schadhafte Teil bestimmt wird und wobei bei Nicht-Übereinstimmung als schadhaftes Teil ein Lager gemeldet und/oder angezeigt wird.procedure after claim 1 , characterized in that the respectively determined kurtosis value is compared with a predetermined value and the envelope of the sensor signal is determined and when the predetermined value is exceeded by the kurtosis value, the frequency values belonging to the amplitudes protruding from the background noise are determined, these frequency values being compared with the specific speeds of the toothed parts of the transmission and their harmonics, i.e. their harmonics located in the detected spectrum, the defective part being determined if they match and a bearing being reported and/or displayed as the defective part if they do not match. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl einer Welle des Getriebes bestimmt wird mittels eines mit der Welle verbundenen Drehzahlsensors, mittels eines mit der Welle verbundenen Winkelsensors oder mittels eines das Getriebe antreibenden drehzahlgeregelten Elektromotors, wobei die bei der Drehzahlregelung vorgesehene Solldrehzahl oder die bei der Drehzahlregelung bestimmte Istdrehzahl als Drehzahl der Welle des Getriebes verwendet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the speed of a shaft of the transmission is determined by means of a speed sensor connected to the shaft, by means of an angle sensor connected to the shaft or by means of a speed-controlled electric motor driving the transmission, the setpoint speed provided for the speed control or the actual speed determined during speed control is used as the speed of the shaft of the gearbox. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Verzahnungsdaten des Getriebes und aus der bestimmten Drehzahl der Welle des Getriebes die Drehzahlwerte der anderen drehbar gelagerten Verzahnteile des Getriebes bestimmt werden und dass zugehörige Oberschwingungen, also Harmonische der Drehzahlwerte aller drehenden Verzahnteile des Getriebes bestimmt werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the speed values of the other rotatably mounted toothed parts of the gearbox are determined from the gearing data of the gearbox and from the determined speed of the shaft of the gearbox and that associated harmonics, i.e. harmonics of the speed values of all rotating toothed parts of the gearbox to be determined. Vorrichtung, eingerichtet zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Körperschallsensor zur Erfassung des Sensorsignals verwendet wird, welcher an ein Gehäuseteil einer Vorrichtung berührend positioniert wird.Device set up to carry out a method according to one of the preceding claims, characterized in that a structure-borne noise sensor is used to detect the sensor signal, which is positioned in contact with a housing part of a device.
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