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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Prüfen einer Hydraulikmaschine in einem Hydraulikprüfstand.
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Stand der Technik
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Das Prüfen von Hydraulikmaschinen, wie z.B. Hydraulikpumpen und/oder Hydraulikmotoren, in Hydraulikprüfständen, ist bekannt. In dem Prüfstand wird eine Hydraulikmaschine mit einer Belastung beaufschlagt und interessierende Messgrößen werden dabei erfasst. Der Hydraulikprüfstand kann dazu mittels einer Ansteuersequenz angesteuert werden, welche beispielsweise einen zeitlichen Ablauf von Ansteuergrößen, wie insbesondere Drehzahlen, Förderdrücke und Förder- oder Schluckvolumina, beinhalten. Während eines Prüflaufs können unterschiedliche Messgrößen, wie Drücke, Drehzahlen, Drehzahlschwingungen, Druckschwingungen, Körperschall usw. ermittelt werden, woraus sich Rückschlüsse auf eine Prüfgröße, wie z.B. eine Schädigung oder eine Lebensdauer der Hydraulikmaschine ziehen lassen. Ein beispielhafter Hydraulikprüfstand ist in der
US 4,368,638 A beschrieben.
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Die vorliegende Erfindung befasst sich mit dem Prüfen einer Hydraulikmaschine in einem Hydraulikprüfstand, insbesondere zur Lebensdauerabsicherung.
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Eine Lebensdauerabsicherung hat die Aufgabe, ein gefordertes Lebensdauerziel möglichst effizient innerhalb der Entwicklungszeit nachzuweisen. Hierzu existieren verschiedene Prüfmethoden, welche abgestimmt auf die individuellen Randbedingungen zum Einsatz kommen können.
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Die Prüfplanung berücksichtigt das definierte und nachzuweisende Lebensdauerziel. Dieses besteht üblicherweise aus einem maximal zugelassenen Anteil ausgefallener Bauteile nach einer bestimmten Nutzungsdauer ergänzt um die geforderte Aussagesicherheit des Nachweises. Basierend auf dieser Forderung erfolgt oftmals die Prüfplanung auf Basis der Binomialstatistik, welche bei hohen Zuverlässigkeitsforderungen zu sehr hohen Prüfaufwänden führt. Dementsprechend besteht ein hohes Interesse an der Reduktion des Prüfaufwandes, also daran, ein Prüfverfahren in möglichst kurzer Zeit durchführen zu können.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Prüfen einer Hydraulikmaschine in einem Hydraulikprüfstand mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Vorteile der Erfindung
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Eine Möglichkeit zur Prüfzeitverkürzung ist das Prüfen unter erhöhten Belastungen. Dieses allgemein als "Raffung" bezeichnete Vorgehen dient dazu, in möglichst kurzer Zeit eine Aussage bezüglich der Produktzuverlässigkeit zu erhalten. Die Erfindung ermöglicht, die für einen Prüflauf einer Hydraulikmaschine in einem Hydraulikprüfstand benötigte Zeit drastisch zu reduzieren, indem Ansteuerzeitabschnitte, welche für eine Prüfgröße, beispielweise eine Schädigung, nicht relevant sind, aus der Ansteuersequenz für den Hydraulikprüfstand entfernt werden. Dies wird als Raffung bezeichnet. Nicht relevante Ansteuerzeitabschnitte können beispielsweise durch Auswertung wenigstens einer Messgröße identifiziert werden, bei einer Schädigung beispielsweise durch Auswertung eines Last-Zeit-Verlaufs. Dabei stützt sich die Identifikation vorzugsweise auf wenigstens eine aus einer Messgröße abgeleitete Größe aus der Gruppe bestehend aus Materialermüdung mittels Schwingfestigkeitsanalyse, Mitteldrücke, Maximaldrücke, Druckgradienten, Drehzahlbereiche, Drehzahlgradienten, Schwenkwinkel, Schwingungen.
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Ein Prüflauf umfasst die Iteration von Ansteuersequenzen, wobei vorzugsweise in einem früheren Iterationsschritt als nicht relevant ermittelte Ansteuerzeitabschnitte aus den späteren Iterationsschritten entfernt werden. Dadurch können die späteren Iterationsschritte und damit der Prüflauf insgesamt verkürzt werden. Die Erfindung führt zu einer Zeit- und damit zu einer Energie- und Kostenersparnis bei solchen Prüfläufen.
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Die Erfindung eignet sich grundsätzlich für die Prüfung aller Arten von Hydraulikmaschinen, insbesondere jedoch für die Prüfung hydraulischer Fahrantriebe, hydraulischer Drehwerke, von Hydraulikzylindern oder von Hydraulikventilen.
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Voraussetzung für die Raffung durch gezielte Eliminierung von nicht schädigenden Zeitanteilen im Lastkollektiv ist ein bekannter Einfluss auf den jeweiligen Schadensmechanismus. Lebensdauermodelle beschreiben die Zeit bis zum Auftreten des Ausfallkriteriums (engl. End of Life) in Abhängigkeit von einer oder mehreren Einflussgrößen. Lebensdauermodelle basieren auf der Physik der Ausfallmechanismen (engl. Physics of Failure), z.B. Diffusionsvorgängen. Die Kenntnis eines produkt- bzw. technologiespezifischen Lebensdauermodells erlaubt im Hinblick auf die Produktentwicklung eine Reduktion des Testaufwandes, da es möglich ist, die Ergebnisse von beschleunigten Lebensdauertests auf Feldbeanspruchungen umzurechnen. Bekannte Modellansätze sind z.B. Arrhenius, Eyring, Wöhler, Inverse Power Law, Coffin Manson, Paris-Erdogan und Black’s Law, die der Fachmann hier anwendungsbezogen verwenden kann.
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Die Durchführung der Erfindung erfolgt, wie in 2 dargestellt, iterativ in mehreren Schritten. Dabei wird zunächst ein Prüfdurchlauf ohne Raffung durchgeführt und ein Lastkollektiv erfasst. Das Lastkollektiv wird in die Ansteuerzeitabschnitte unterteilt und die sich ergebende Schädigung wird in den einzelnen Ansteuerzeitabschnitten getrennt voneinander bewertet. Dann können die Ansteuerzeitabschnitte, welche eine festgelegte Schädigung nicht erreichen, entfernt werden. Diese Schritte werden wiederholt, bis eine gewünschte Raffung erreicht wird. Dabei ist die iterative Vorgehensweise nicht zwingend notwendig. Es kann jedoch bei der gleichzeitigen Eliminierung zu vieler Zeitanteile zu ungewünschten Effekten, wie Druckspitzen, kommen. Versuche haben dabei gezeigt, dass die Einhaltung zweier vorteilhafter Nebenbedingungen, neben der Hauptbedingung einer minimalen Schädigung je Zeitabschnitt, zu einem meist problemlosen Ablauf führt. Diese vorteilhaften Nebenbedingungen sind, dass die Entfernung eines Ansteuerzeitabschnitts nicht zu einer sprunghaften Änderung in den An- und Abtriebsdrehzahlen führen darf und dass je Iteration keine zwei benachbarten Ansteuerzeitabschnitte entfernt werden dürfen.
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Vorzugsweise wird die Ansteuersequenz anhand eines realen Vorbilds vorgegeben. Beispielsweise kann dazu die Hydraulikmaschine im Einsatz überwacht und dabei auftretende Ansteuergrößen können erfasst werden. Dadurch kann eine reale Ansteuersequenz aufgenommen und für den Prüflauf verwendet werden. Dadurch kann vorzugsweise ein Prüflauf, insbesondere zur Lebensdaueranalyse, anhand der tatsächlichen Belastungen durchgeführt werden.
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Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Hydraulikprüfstands, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
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Auch die Implementierung der Erfindung in Form von Software ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten ermöglicht, insbesondere wenn eine ausführende Recheneinheit noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere Disketten, Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, CD-ROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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Figurenbeschreibung
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1 zeigt schematisch einen Hydraulikprüfstand zum Prüfen einer Hydraulikmaschine.
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2 zeigt schematisch einen Verfahrensablauf gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
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In 1 ist ein Hydraulikprüfstand, wie er der Erfindung zu Grunde liegenden kann, in einer schematischen Ansicht dargestellt und mit 100 bezeichnet. In dem Hydraulikprüfstand 100 ist eine Hydraulikmaschine 200 angeordnet, welche hier als ein hydraulischer Fahrantrieb umfassend eine Hydraulikpumpe 210 und einen mit dieser in einem geschlossenen Kreislauf über zwei Hydraulikverbindungsleitungen verbundenen Hydraulikmotor 220 ausgebildet ist. Der Hydraulikprüfstand 100 verfügt über eine als Ansteuereinheit 110 ausgebildete Recheneinheit sowie über eine als Auswerteeinheit 140 ausgebildete Recheneinheit. Es versteht sich, dass die Ansteuereinheit 110 und die Auswerteeinheit 140 auch in einer gemeinsamen Recheneinheit verkörpert sein können.
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Die Hydraulikpumpe 210 wird von einem Motor 150, insbesondere einem Elektromotor, mit einer Antriebsdrehzahl angetrieben, wobei zwischen Elektromotor 150 und Hydraulikpumpe 210 eine Drehmomentmesseinrichtung 160 angeordnet ist.
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Von dem Hydraulikmotor 220 wird ein elektrischer Generator 120 mit einer Abtriebsdrehzahl angetrieben, wobei zwischen dem Hydraulikmotor 220 und dem elektrischen Generator 120 ebenfalls eine Drehmomentmesseinrichtung 130 angeordnet ist.
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Die Ansteuereinheit 110 verfügt über eine Steuereinrichtung 111 für die Förder- und Schluckvolumina der Hydraulikeinheiten. Es kann sich sowohl bei der Hydraulikpumpe 210 als auch bei dem Hydraulikmotor 220 um Axialkolbenmaschinen in Schrägscheibenbauart handeln, bei denen Fördervolumen bzw. Schluckvolumen über einen Schwenkwinkel vorgegeben werden.
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Die Ansteuereinheit 110 verfügt weiterhin über eine Vorgabeeinrichtung 112 zur Vorgabe der Ansteuersequenz umfassend einen Drehmomentverlauf und/oder einen Drehzahlverlauf. Die Vorgabeeinrichtung 112 gibt ein Antriebsmoment für die Hydraulikpumpe 210 an den Elektromotor 150 sowie ein Lastmoment für den Hydraulikmotor 220 an den elektrischen Generator 120 vor.
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Die Drehmomentmesseinrichtungen 130 und 160 messen das jeweilige Drehmoment in der Verbindungswelle und übermitteln den Messwert an eine Erfassungseinheit 141 zum Erfassen von Messgrößen. Dieser werden weiterhin Drehzahl-Messwerte von Drehgebern 121 am elektrischen Generator und 151 am Elektromotor zugeführt. Die Drehzahl-Messwerte werden auch an die Steuereinrichtung 111 und Vorgabeeinrichtung 112 übertragen. Sie können als Rückführwerte für eine Drehzahlregelung und als Drehzahlwerte der Hydraulikpumpe und des Hydraulikmotors verwendet werden (falls ein Getriebe vorhanden ist nach entsprechender Umrechnung).Die Hydraulikleitungen zwischen Hydraulikpumpe 210 und Hydraulikmotor 220 sind mit Drucksensoren ausgerüstet, um den Hydraulikdruck in den Verbindungsleitungen zu messen und an die Erfassungseinrichtung 141 zu übermitteln.
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Die Auswerteeinheit 140 verfügt über eine Simulationseinrichtung 142, welche einen Ablauf einer Ansteuersequenz simuliert. Beispielsweise hängt in einem realen Fahrzeug der sich einstellende Systemdruck hauptsächlich von der Trägheit des Gesamtsystems, einer Fahrbahnsteigung und von der Gesamtreibung ab. Der Systemdruck wiederum beeinflusst über die Hydraulikpumpe das vom Motor (bei einem Fahrzeug meist ein Verbrennungsmotor) bereitzustellende Antriebsmoment. Diese Beeinflussung kann simuliert werden.
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Die Auswerteeinheit 140 verfügt auch über eine Auswerteeinrichtung 143 zur Auswertung von aufgenommenen Messgrößen. Es handelt sich vorzugsweise um eine sogenannte Hardware-in-the-Loop-Prüfung (HIL), bei der der Hydraulikprüfstand als Nachbildung der realen Umgebung der Hydraulikmaschine betrieben wird. Hardware-in-the-Loop Simulationen besitzen den Vorteil, realitätsnahe Prüfstandsversuche zu ermöglichen. Des Weiteren besteht innerhalb einer HIL-Simulation die Möglichkeit, die Umgebungsbedingungen in Echtzeit zu verändern. Diese Vorteile können eingesetzt werden, um Belastungen in Abhängigkeit von spezifischen Anwendungen zu bestimmen oder Ausfallzeiten des zu untersuchenden Produktes zu generieren.
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Im Folgenden wird nun unter Bezugnahme auf 2 beschrieben, wie ein Prüflauf gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in einem Hydraulikprüfstand, wie beispielsweise dem Hydraulikprüfstand 100 gemäß 1, durchgeführt wird.
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Das Verfahren kann in mehrere zeitlich nacheinander stattfindende Phasen gegliedert werden.
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Grundsätzlich kann ein Prüflauf aus mehreren Iterationen bestehen, die sich jeweils dadurch auszeichnen, dass der Hydraulikprüfstand mit einer Ansteuersequenz betrieben wird und währenddessen Messgrößen, wie z.B. Drücke, Drehzahlen, Drehzahlschwingungen, Druckschwingungen, Körperschall usw. erfasst werden.
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Das Verfahren beginnt mit der Vorgabe einer Ansteuersequenz 301, die sich aus mehreren Ansteuerzeitabschnitten zusammensetzt. Die Ansteuersequenz wird vorzugsweise anhand eines realen Vorbilds vorgegeben, wobei dazu beispielsweise eine Hydraulikmaschine im Einsatz überwacht und dabei auftretende Ansteuergrößen über die Zeit erfasst werden. Weiterhin können Randbedingungen 302 berücksichtigt werden. Dabei kann es sich beispielsweise um anwendungsspezifische Parameter, wie z.B. das Gewicht, die Umgebungsbedingungen, Reibzustände usw., des simulierten Fahrzeugs handeln. Die Randbedingungen 302 werden zusammen mit der Ansteuersequenz 301 einem Simulationsrechner 303 zugeführt, der auf Grundlage der Ansteuersequenz sowie der Randbedingungen den Hydraulikprüfstand in einem Schritt 304 ansteuert und die Messgrößen erfasst.
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In einem Schritt 305 werden die erfassten Messgrößen ausgewertet und daraus beispielsweise ein Last-Zeit-Verlauf bzw. ein Lastkollektiv gebildet, um eine Schädigung oder Lebensdauer als Prüfgröße zu prüfen. Ein solcher Last-Zeit-Verlauf ist beispielsweise mit 306 bezeichnet.
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In einem Schritt 307 wird der Last-Zeit-Verlauf ausgewertet, wobei vorzugsweise jeder Ansteuerzeitabschnitt auf seine Schadenswirkungen hin überprüft wird. Nicht schadensrelevante Ansteuerzeitabschnitte, welche überdies eine Einhaltung von Nebenbedingungen erlauben, werden entfernt und eine neue, zeitlich verkürzte Ansteuersequenz 308 wird gebildet.
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Nebenbedingungen, die bei der Entfernung von nicht schadensrelevanten Ansteuerzeitabschnitten zweckmäßigerweise berücksichtigt werden, sind, dass die Entfernung eines Ansteuerzeitabschnitts nicht zu einer sprunghaften Änderung in den An- und Abtriebsdrehzahlen führen darf und dass je Iteration keine zwei benachbarten Ansteuerzeitabschnitte entfernt werden dürfen.
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Die neue Ansteuersequenz 308 wird erneut mit den Randbedingungen 302 dem Simulationsrechner 303 zugeführt, welcher den Hydraulikprüfstand in dem Schritt 304 erneut ansteuert und Messgrößen erfasst.
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In dem Schritt 305 werden die Messgrößen ausgewertet und ein neuer Last-Zeit-Verlauf 309 wird erhalten. Der neue Last-Zeit-Verlauf 309 enthält im Vergleich zum Last-Zeit-Verlauf 306 einen höheren Anteil an schadensrelevanten Ansteuerzeitabschnitten.
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Für eine Lebensdauerbestimmung kann nun die verkürzte Ansteuersequenz 308 wiederholt angelegt werden. Dabei kann (muss aber nicht) nach jedem Anlegen eine erneute Entfernung von dann als nicht schadensrelevant ermittelten Ansteuerzeitabschnitten erfolgen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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