DE102015210861A1

DE102015210861A1 - Verfahren zur Überwachung eines Zugmitteltriebs einer Brennkraftmaschine und Brennkraftmaschine zur Durchführung eines derartigen Verfahrens

Info

Publication number: DE102015210861A1
Application number: DE102015210861.9A
Authority: DE
Inventors: Denis Pendovski; David van Bebber; Hans Günther Quix
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2015-06-12
Filing date: 2015-06-12
Publication date: 2016-12-15

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines Zugmitteltriebs (10) einer Brennkraftmaschine mit Kurbelwelle, der neben dem Zugmittel (10a) ein auf der Kurbelwelle angeordnetes erstes antreibendes Rad (1) und mindestens ein weiteres, zweites angetriebenes Rad (2) umfasst, das auf einer Welle eines Nebenaggregats angeordnet ist, wobei das Zugmittel (10a) um das antreibende erste Rad (1) und das mindestens eine weitere zweite angetriebene Rad (2) geführt ist und ein zu einer Spanneinrichtung gehörendes bewegliches Spannmittel (5) vorgesehen ist, welches kraftbeaufschlagt in das Zugmittel (10a) eingreift und das Zugmittel (10a) zwecks Spannen entlang seiner Längsachse mit Zugkräften beaufschlagt. Es soll ein Verfahren aufgezeigt werden, mit dem der momentane Zustand des Zugmittels (10a), beispielsweise eine verschleißbedingte Längenänderung, überwacht und/oder ein Riss des Zugmittels (10a) detektiert werden kann. Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass – ein Schwingungsverhalten des Zugmittels (10a) messtechnisch erfasst wird, und – das messtechnisch erfasste Schwingungsverhalten des Zugmittels (10a) unter Verwendung einer Auswerteeinrichtung (6) bewertet wird, in der Art, dass eine Aussage über den Zustand des Zugmittels (10a) getroffen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines Zugmitteltriebs einer Brennkraftmaschine mit Kurbelwelle, der neben dem Zugmittel ein auf der Kurbelwelle angeordnetes erstes antreibendes Rad und mindestens ein weiteres, zweites angetriebenes Rad umfasst, das auf einer Welle eines Nebenaggregats angeordnet ist, wobei das Zugmittel um das antreibende erste Rad und das mindestens eine weitere zweite angetriebene Rad geführt ist und ein zu einer Spanneinrichtung gehörendes bewegliches Spannmittel vorgesehen ist, welches kraftbeaufschlagt in das Zugmittel eingreift und das Zugmittel zwecks Spannen entlang seiner Längsachse mit Zugkräften beaufschlagt.
Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschine zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.
Eine Brennkraftmaschine der genannten Art wird als Kraftfahrzeugantrieb eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine Dieselmotoren und Ottomotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, die ein Hybrid-Brennverfahren nutzen, und Hybrid-Antriebe, die neben der Brennkraftmaschine eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare Elektromaschine umfassen, welche Leistung von der Brennkraftmaschine aufnimmt oder als zuschaltbarer Hilfsantrieb zusätzlich Leistung abgibt.
Ein Zugmitteltrieb der eingangs genannten Art wird beispielsweise in einem Kraftfahrzeug verwendet. Dabei wird ein Teil der in der Brennkraftmaschine durch die chemische Umsetzung des Kraftstoffes gewonnenen Leistung genutzt, um die für den Betrieb der Brennkraftmaschine und des Kraftfahrzeuges erforderlichen Nebenaggregate, insbesondere die Einspritzpumpe, die Ölpumpe, die Kühlmittelpumpe, die Lichtmaschine und dergleichen oder die für die Steuerung der Ventile erforderlichen Nockenwellen eines Ventiltriebs anzutreiben.
Für den Antrieb werden in der Regel Riemenantriebe oder Kettenantriebe verwendet, wobei im Rahmen der vorliegenden Erfindung die verschiedenen Antriebsmittel – wie Riemen und Kette – unter dem allgemeinen Begriff des Zugmittels zusammengefasst werden, d. h. unter den Oberbegriff Zugmittel subsumiert werden. Im Folgenden ist daher auch allgemeingültig von einem Zugmittel die Rede.
Der Zugmitteltrieb soll unter möglichst geringen Energieverlusten und mit möglichst wenig Wartungsaufwand durch Nachspannen ein großes Drehmoment von der Kurbelwelle auf die Nebenaggregate, insbesondere die Nockenwellen und die Einspritzpumpe, übertragen. Häufig wird dabei der Antrieb mehrerer Nebenaggregate in einem Zugmitteltrieb zusammengefasst.
Um das Zugmittel unter Spannung zu halten und damit einen möglichst sicheren und verschleißfreien Antrieb zu gewährleisten, wird an geeigneter Stelle des Zugmitteltriebes eine Spanneinrichtung vorgesehen, welche das Zugmittel durch Eingreifen quer zur Laufrichtung mit einer Kraft beaufschlagt, so dass das Zugmittel ständig unter Spannung steht und gehalten wird. Dies ist für die sichere Übertragung eines genügend großen Drehmomentes bzw. Antriebsmomentes unumgänglich, insbesondere um einen Schlupf des Zugmittels zu vermeiden, d.h. insbesondere um einen schlupffreien Antrieb zu gewährleisten.
Ein Schlupf des Zugmittels kann auch dadurch vermieden werden, dass formschlüssige Zugmittel verwendet werden, d.h. Ketten oder Zahnriemen, wobei auch bei Verwendung formschlüssiger Zugmittel eine Spanneinrichtung vorzusehen ist, um ein Überspringen des Zugmittels über die außenverzahnten Räder des Zugmitteltriebs sicher zu verhindern.
Der Verschleiß des Zugmittels ist ein kontinuierlicher Vorgang, der sich unter anderem dadurch bemerkbar macht, dass sich die Länge des Zugmittels kontinuierlich vergrößert. Eine Spanneinrichtung der beschriebenen Art reagiert auf diese verschleißbedingte Längenänderung des Zugmittels während des Betriebes ständig und hält das Zugmittel trotz Längenänderung weiter unter Spannung.
Spanneinrichtungen der beschriebenen Art machen ein Nachspannen im Rahmen von Instandhaltungsmaßnahmen, beispielsweise einer Inspektion, entbehrlich, weshalb die Wartungsintervalle vergrößert werden können.
Dennoch gibt es weitere Aspekte und Effekte, die im Zusammenhang mit dem Einsatz von Zugmitteltrieben bei Brennkraftmaschinen zu berücksichtigen sind.
Infolge der verschleißbedingten Längenänderung ∆L des Zugmittels verändert sich die Lage der Räder des Zugmitteltriebs relativ zueinander, insbesondere die Lage der angetriebenen Räder relativ zum antreibenden Rad. Ein angetriebenes Rad verdreht sich gegenüber dem antreibenden Rad um einen Verdrehwinkel σ_i, während das Zugmittel die verschleißbedingte Längenänderung erfährt.
Das Verdrehen bzw. die Lageänderung um den Verdrehwinkel σ_i hat ganz unterschiedliche Konsequenzen und zwar in Abhängigkeit von dem betroffenen Nebenaggregat, auf dessen Welle das verdrehte angetriebene Rad angeordnet ist.
Handelt es sich bei dem betroffenen Nebenaggregat um die mechanische Einspritzpumpe der Brennkraftmaschine, führt das Verdrehen des angetriebenen Rades, welches auf der Welle der Einspritzpumpe angeordnet ist und über welches die Einspritzpumpe angetrieben wird, zu einer Veränderung der Einspritzparameter, insbesondere des Einspritzbeginns in °KW. D.h. die Kurbelwelle und damit die in den Zylindern der Brennkraftmaschine oszillierenden Kolben laufen nicht mehr synchron mit der Einspritzpumpe, sondern weisen eine ungewollte Phasendifferenz zur Einspritzpumpe und damit zu den von der Einspritzpumpe generierten Einspritzungen auf. Es können sich Nachteile hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs und der Schadstoffemissionen ergeben.
Handelt es sich bei dem betroffenen Nebenaggregat um einen Ventiltrieb der Brennkraftmaschine, führt das Verdrehen des angetriebenen Rades, welches auf einer Nockenwelle des Ventiltriebs angeordnet ist und über welches die Nockenwelle angetrieben und in Drehung versetzt wird, zu einer Veränderung der Steuerzeiten in °KW. D.h. die Kurbelwelle und damit die in den Zylindern der Brennkraftmaschine oszillierenden Kolben laufen nicht mehr synchron mit dem Ventiltrieb, sondern weisen eine ungewollte Phasendifferenz zum Ventiltrieb und damit zu den vom Ventiltrieb betätigten Ventilen auf. Es können Nachteile ganz unterschiedlicher Art beim Ladungswechsel auftreten, beispielsweise eine verschlechtere Restgasausspülung oder ein verminderter Füllungsgrad. Im Einzelfall, insbesondere bei hochverdichtenden Motoren, können die während des Ladungswechsels sich in den Zylinder öffnenden Ventile den Kolben berühren, d.h. mit dem durch den oberen Totpunkt durchlaufenden Kolben kollidieren, wodurch die Funktionstüchtigkeit des Ventiltriebs und letztendlich der Brennkraftmaschine gefährdet sein kann.
Insofern reicht es regelmäßig nicht aus, auf eine verschleißbedingte Längenänderung ∆L mit einer Spanneinrichtung zu reagieren, die lediglich das Zugmittel trotz Längenänderung weiter unter Spannung hält; zumal das Zugmittel auch reißen kann, wodurch der Zugmitteltreib und die von diesem Zugmitteltrieb angetriebenen Nebenaggregate ausfallen.
Vorteilhaft wäre ein Verfahren, mit dem der momentane Zustand des Zugmittels überwacht wird, und damit beispielsweise auch ein Verfahren, mit dem die momentane Länge des Zugmittels überwacht wird, um bei einer kritischen Längenänderung, welche durch einen Riss bzw. einen bevorstehenden Riss, aber auch durch einen kritischen Verdrehwinkel σ_i eines angetriebenen Rades bestimmt sein kann, einzugreifen, gegebenenfalls durch Austausch des Zugmittels.
Ein Verfahren zum Erkennen einer Längung einer Endloskette eines Kettentriebs beschreibt die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2007 025 731 A1 .
Ein Verfahren zum Feststellen eines Risses, d.h. Bruches eines Riemens beschreibt die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2014 009 509 A1 .
Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Überwachung eines Zugmitteltriebs gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aufzuzeigen, mit dem der momentane Zustand des Zugmittels, beispielsweise eine verschleißbedingte Längenänderung, überwacht und/oder ein Riss des Zugmittels detektiert werden kann.
Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Brennkraftmaschine zur Durchführung eines derartigen Verfahrens bereitzustellen.
Gelöst wird die erste Aufgabe durch ein Verfahren zur Überwachung eines Zugmitteltriebs einer Brennkraftmaschine mit Kurbelwelle, der neben dem Zugmittel ein auf der Kurbelwelle angeordnetes erstes antreibendes Rad und mindestens ein weiteres, zweites angetriebenes Rad umfasst, das auf einer Welle eines Nebenaggregats angeordnet ist, wobei das Zugmittel um das antreibende erste Rad und das mindestens eine weitere zweite angetriebene Rad geführt ist und ein zu einer Spanneinrichtung gehörendes bewegliches Spannmittel vorgesehen ist, welches kraftbeaufschlagt in das Zugmittel eingreift und das Zugmittel zwecks Spannen entlang seiner Längsachse mit Zugkräften beaufschlagt, das dadurch gekennzeichnet ist, dass

– ein Schwingungsverhalten des Zugmittels messtechnisch erfasst wird, und
– das messtechnisch erfasste Schwingungsverhalten des Zugmittels unter Verwendung einer Auswerteeinrichtung bewertet wird, in der Art, dass eine Aussage über den Zustand des Zugmittels getroffen wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Überwachung eines Zugmitteltriebs nutzt den Umstand, dass es sich sowohl bei der antreibenden Kurbelwelle als auch bei den angetriebenen Nebenaggregaten, beispielweise einem angetriebenen Ventiltrieb, um dynamische, schwingungsfähige Systeme handelt.
Die Kurbelwelle bildet zusammen mit den angekoppelten Triebwerksteilen ein schwingungsfähiges System. Dabei wird die Kurbelwelle durch die sich zeitlich verändernden Drehkräfte, welche über die an den einzelnen Kurbelzapfen angelenkten Pleuelstangen in die Kurbelwelle eingeleitet werden, zu Drehschwingungen angeregt. Die Drehschwingungen der Kurbelwelle werden ungewollt auf das Zugmittel und den Zugmitteltrieb übertragen und damit auch auf die Nebenaggregate, beispielsweise einen Ventiltrieb mit zugehöriger Nockenwelle, wobei die Nockenwelle selbst auch ein schwingungsfähiges System darstellt. So wird die umlaufende Nockenwelle mit einem Drehmoment entgegen ihrer Drehrichtung beaufschlagt, wenn der Nocken das Ventil entgegen der Vorspannkraft einer Ventilfeder in Richtung Ventiloffenstellung bewegt, wohingegen beim Schließvorgang, wenn das Ventil mittels der Ventilfeder in Richtung Ventilschließstellung gedrückt wird, die Nockenwelle über den Nocken mit einem zusätzlichen Drehmoment in Richtung Nockenwellendrehung beaufschlagt wird. Die Drehschwingungen der Nockenwelle beeinflussen wiederum die Kurbelwelle bzw. die Kurbelwellendrehschwingung.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Überwachung eines Zugmitteltriebs nutzt nun den Umstand, dass es sich bei dem Zugmittel als solchem ebenfalls um ein schwingungsfähiges System bzw. ein im Betrieb der Brennkraftmaschine schwingendes System handelt, welches zu unterschiedlichen Schwingungen angeregt wird.
Dabei wird erfindungsgemäß ausgenutzt, dass das Schwingungsverhalten des Zugmittels auch und in besonderer Weise vom Zustand des Zugmittels abhängt. Insbesondere geht das erfindungsgemäße Verfahren davon aus, dass eine verschleißbedingte Längenänderung des Zugmittels bzw. ein Defekt des Zugmittels Einfluss auf das Schwingungsverhalten hat und folglich zu einer Änderung im Schwingungsverhalten führt, die messtechnisch erfassbar ist.
Unter Verwendung einer Auswerteeinrichtung wird das messtechnisch erfasste Schwingungsverhalten des Zugmittels bewertet und zwar in der Weise, dass ausgehend vom Schwingungsverhalten auf den Zustand des Zugmittels geschlossen wird.
Als Auswerteeinrichtung kann die Motorsteuerung der Brennkraftmaschine dienen. Das messtechnisch erfasste Schwingungsverhalten des Zugmittels wird als Eingangssignal verwendet und der Zustand des Zugmittels stellt das Ausgangssignal dar. In der Auswerteeinrichtung können empirisch auf dem Prüfstand generierte Tabellen, Kennfelder, look-up-tables und/oder dergleichen hinterlegt sein, welche einem bestimmten Schwingungsverhalten des Zugmittels einen konkreten Zustand des Zugmittels, beispielsweise eine momentane Länge, eine Längenänderung, einen Verschleiß, eine verbleibende Lebensdauer und/oder Ähnliches zuordnen.
Ein Vergleich der Istlänge des Zugmittels mit der Solllänge des Zugmittels, beispielsweise der Länge eines neuen Zugmittels bzw. eines neu im Zugmitteltrieb montierten und gespannten Zugmittels, führt zu der relevanten Längenänderung, die vorliegend von Interesse ist. Die Längenänderung ∆L des Zugmittels kann weiterführend verwendet werden.
Im Einzelfall kann von einer verschleißbedingten Längenänderung ∆L des Zugmittels auf den Verdrehwinkel σ_i eines angetriebenen Rades gegenüber dem antreibenden Rad geschlossen werden. Dieser Verdrehwinkel σ_i wiederum kann dann dazu genutzt werden, um auf die betroffenen Nebenaggregate Einfluss zu nehmen. Die Kinematik des Zugmitteltriebs ist bekannt, insbesondere die Durchmesser und die Anordnung der Räder zueinander.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die erste der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich ein Verfahren zur Überwachung eines Zugmitteltriebs aufgezeigt, mit dem der momentane Zustand des Zugmittels, beispielsweise eine verschleißbedingte Längenänderung, überwacht und/oder ein Riss des Zugmittels detektiert werden kann.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen das Schwingungsverhalten des Zugmittels messtechnisch erfasst wird, indem die Frequenz der Schwingung des Zugmittels messtechnisch erfasst wird.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen das Schwingungsverhalten des Zugmittels messtechnisch erfasst wird, indem die Amplitude der Schwingung des Zugmittels messtechnisch erfasst wird.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen das Schwingungsverhalten des Zugmittels messtechnisch erfasst wird, indem die Frequenz der Schwingung des Zugmittels und die Amplitude der Schwingung des Zugmittels messtechnisch erfasst werden.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen das Schwingungsverhalten des Zugmittels messtechnisch mittels eines Beschleunigungssensors erfasst wird. Der Beschleunigungssensor wird vorzugsweise am Spannmittel der Spanneinrichtung befestigt, wobei das Spannmittel als Fühler bzw. Schwingungsüberträger fungiert. Das Schwingungsverhalten des Zugmittels wird dann indirekt erfasst, nämlich via Spannmittel.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen unter Verwendung der Auswerteeinrichtung ein Defekt des Zugmittels detektierbar ist.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen unter Verwendung der Auswerteeinrichtung ein Riss des Zugmittels detektierbar ist. Bei einem gerissenen Zugmittel wird in der Regel kein Schwingungsverhalten mehr feststellbar sein.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen

– unter Verwendung der Auswerteeinrichtung eine Istlänge L_AS‘ des Zugmittels bestimmt wird, und
– unter Verwendung der Istlänge L_AS‘ eine Längenänderung ∆L gegenüber einer vorgebbaren Solllänge L_AS rechnerisch bestimmt wird.

Unter Verwendung der Längenänderung ∆L und dem Wissen um die Kinematik des Zugmitteltriebs kann ein Verdrehwinkel σ₂ des zweiten angetriebenen Rades rechnerisch bestimmt werden, wobei dieser Verdrehwinkel σ₂ eine Lageänderung festlegt und angibt, um welchen Winkel sich das zweite angetriebene Rad gegenüber dem ersten antreibenden Rad bei stillstehendem Zugmitteltrieb verdreht hat, während das Zugmittel die Längenänderung ∆L erfahren hat.
Eine bestimmte Längenänderung kann auch als Indiz für einen kurz bevorstehenden Riss bzw. Bruch des Zugmittels gewertet werden, wobei ein Ausfall des Zugmittels durch Zerstörung unter allen Umständen zu vermeiden ist.
Umfasst der Zugmitteltrieb ein drittes angetriebenes Rad, das auf einer Welle eines weiteren Nebenaggregats angeordnet ist, kann unter Verwendung der Längenänderung ∆L und dem Wissen um die Kinematik des Zugmitteltriebs ein Verdrehwinkel σ₃ des dritten angetriebenen Rades rechnerisch bestimmt werden, wobei dieser Verdrehwinkel σ₃ eine Lageänderung festlegt und angibt, um welchen Winkel sich das dritte angetriebene Rad gegenüber dem ersten antreibenden Rad bei stillstehendem Zugmitteltrieb verdreht hat, während das Zugmittel die Längenänderung ∆L erfahren hat.
Die zweite der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe, nämlich eine Brennkraftmaschine zur Durchführung eines Verfahrens einer vorstehend beschriebenen Art bereitzustellen, wird gelöst mit einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8, die dadurch gekennzeichnet ist, dass

– mindestens ein Sensor zur messtechnischen Erfassung des Schwingungsverhaltens des Zugmittels vorgesehen ist, und
– eine Auswerteeinrichtung zur Bewertung des Zustandes des Zugmittels unter Verwendung des messtechnisch erfassten Schwingungsverhaltens des Zugmittels vorgesehen ist.

Das bereits für das erfindungsgemäße Verfahren Gesagte gilt auch für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine, weshalb an dieser Stelle im Allgemeinen Bezug genommen wird auf die vorstehend hinsichtlich des erfindungsgemäßen Verfahrens gemachten Ausführungen. Die verschiedenen Verfahrensvarianten erfordern teils unterschiedliche Brennkraftmaschinen.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das Spannmittel ein linear bewegliches Spannmittel ist.
Vorteilhaft können auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen das Spannmittel ein auf einem Kreisbogen bewegliches Spannmittel ist.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Spanneinrichtung einen drehbar gelagerten Hebel umfasst, welcher der Aufnahme des Spannmittels dient.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das Spannmittel eine drehbar gelagerte Rolle ist. Idealerweise ist die Relativgeschwindigkeit zwischen Rolle und Zugmittel bei umlaufendem Zugmitteltrieb gleich Null.
Vorteilhaft können auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen das Spannmittel ein leistenartig ausgebildetes Spannelement ist.
Vorteilhaft sind grundsätzlich Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Spanneinrichtung mitsamt Spannmittel auch als Führungseinrichtung für das Zugmittel dient.
Dann hat die Spanneinrichtung eine Doppelfunktion der Art, dass sie das Zugmittel führt und gleichzeitig mit einer Querkraft beaufschlagt. Die Spanneinrichtung kann hierzu modular aufgebaut sein, d.h. separate Führungsmittel umfassen, aber auch einteilig ausgebildet sein.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das Zugmittel eine Kette ist.
Vorteilhaft können auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen das Zugmittel ein Riemen ist, vorzugsweise ein Zahnriemen.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das Zugmittel ein formschlüssiges Zugmittel ist.
Ein formschlüssiges Zugmittel wie eine Kette oder ein Zahnriemen gewährleistet einen schlupffreien Betrieb des Zugmitteltriebs; anders als beispielsweise ein herkömmlicher Keilriemen, der ein Drehmoment kraftschlüssig mittels Reibung überträgt.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens ein Sensor zur messtechnischen Erfassung des Schwingungsverhaltens des Zugmittels ein Beschleunigungssensor ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Sensor zur messtechnischen Erfassung des Schwingungsverhaltens des Zugmittels an dem Spannmittel angeordnet und befestigt ist.
Bei Brennkraftmaschinen mit Motorsteuerung sind Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen die Motorsteuerung als Auswerteeinrichtung dient, die unter Verwendung des messtechnisch erfassten Schwingungsverhaltens des Zugmittels als Eingangssignal ein Ausgangssignal betreffend den Zustand des Zugmittels liefert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Zugmitteltrieb ein drittes angetriebenes Rad umfasst, das auf einer Welle eines weiteren Nebenaggregats angeordnet ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das Nebenaggregat oder das weitere Nebenaggregat, auf dessen Welle ein angetriebenes Rad angeordnet ist, eine Einspritzpumpe ist.
Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das Nebenaggregat oder das weitere Nebenaggregat ein Ventiltrieb ist, der mindestens eine Nockenwelle umfasst, auf der ein angetriebenes Rad angeordnet ist.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Ausführungsform eines Zugmitteltriebs gemäß 1 näher erläutert. Hierbei zeigt:
1 schematisch den Zugmitteltrieb einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine.
1 zeigt schematisch den Zugmitteltrieb 10 einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine und zwar mit dem Zugmittel 10a in zwei unterschiedlichen Längen L_AS‘, L_AS.
Der Zugmitteltrieb 10 umfasst neben dem Zugmittel 10a ein auf der Kurbelwelle angeordnetes erstes antreibendes Rad 1 und zwei weitere Räder 2, 3, nämlich ein zweites angetriebenes Rad 2, das auf einer Welle einer Einspritzpumpe angeordnet ist, und ein drittes angetriebenes Rad 3, das auf der Nockenwelle eines Ventiltriebs angeordnet ist.
Das Zugmittel 10a ist um das antreibende erste Rad 1 und die beiden angetriebenen Räder 2, 3 geführt und wird mittels Spanneinrichtung gespannt, d.h. auf Spannung gehalten. Die Spanneinrichtung verfügt vorliegend über eine drehbare Spannrolle 5a als bewegliches Spannmittel 5. Die Spannrolle 5a ist linear verschiebbar und damit beweglich und mittels Feder in der Art kraftbeaufschlagt, dass die Spannrolle 5a in das Zugmittel 10a eingreift und das Zugmittel 10a zwecks Spannen entlang seiner Längsachse mit Zugkräften beaufschlagt.
Zur messtechnischen Erfassung des Schwingungsverhaltens des Zugmittels 10a ist ein Sensor 7, vorliegend ein Beschleunigungssensor 7a, vorgesehen, der an der Spannrolle 5a angeordnet und befestigt ist und das Schwingungsverhalten des Zugmittels 10a indirekt erfasst.
Eine Auswerteeinrichtung 6 dient der Bewertung des Zustandes des Zugmittels 10a unter Verwendung des messtechnisch erfassten Schwingungsverhaltens des Zugmittels 10a.
Im Folgenden werden die Formeln zur Berechnung der Längenänderung ∆L des Zugmittels und der Verdrehwinkel σ₂ und σ₃ angegeben. Die verwendeten Ziffern beziehen sich auf die in 1 angegebenen Bezeichnungen.
Die Längen L_AS und L_AS‘ des Zugmittels 10a ergeben sich aus den einzelnen Trumlängen T_i und den Kreisbögen B_i und damit auch die Längenänderung ∆L des Zugmittels 10a. L_AS = T_1-2 + T_2-3 + T_3-S + T_S-1 + B₁ + B₂ + B₃ + B_s L_AS‘ = T_1-2 + T_2-3 + T_3-S‘ + T_S-1‘ + B_1‘ + B₂ + B_3‘ + B_S‘ ∆L = L_AS‘ – L_AS
Die Verdrehwinkel σ₂, σ₃ ergeben sich zu: σ₁ = ((B1‘/2 + T_1-2 + B2/2)·k∆L)/r₂ σ₂ = ((B1‘/2 + T_1-2 + B2 + T_2-3 + B3‘/2)·k∆L)/r₃
Dabei gilt für die Trumlängen T_i: T_1-2 = Da_1-2·(cos β_1-2) T_2-3 = Da_2-3·(cos β_2-3) T_3-S = Da_3-S·(cos β_3-S) T_S-1 = Da_S-1·(cos β_S-1) und für die Kreisbögen B_i: B₁ = α₁·r₁ B₂ = α₂·r₂ B₃ = α₃·r₃ B_S = α_S·r_S
Die Achsabstände D_a der Räder untereinander berechnen sich zu:
mit den Gleichungen für die Umschlingungswinkel α_i: α₁ = π – β_1-2 – γ_1-2 + β_S-1 – γ_S-1 α₂ = γ_2-3 + β_1-2 + γ_1-2 +/– β_2-3 α₃ = π – γ_2-3 + β_3-S + γ_3-S +/– β_2-3 α_S = β_S-1 – γ_S-1 + β_3-S + γ_3-S und die anderen Winkel γ und β: γ_1-2 = arctan((x2 – x1)/(y2 – y1)) γ_2-3 = arctan((x2 – x3)/(y3 – y2)) γ_3-S = arctan((xS – x3)/(y3 – ys)) γ_S-1 = arctan((x1 – xS)/(yS – y1)) β_1-2 = arcsin((r2 – r1)/Da_1-2) β_2-3 = arcsin((r3 – r2)/Da_2-3) β_3-S = arcsin((r3 + rS)/Da_3-S) β_S-1 = arcsin((rS + r1)/Da_S-1)
Bezugszeichenliste

1: erstes antreibendes Rad
2: zweites angetriebenes Rad
3: drittes angetriebenes Rad
5: Spannelement
5a: Spannrolle
6: Auswerteeinrichtung
7: Sensor zur messtechnischen Erfassung des Schwingungsverhaltens des Zugmittels
7a: Beschleunigungssensor
10: Zugmitteltrieb
10a: Zugmittel
L_AS: vorgebbare Solllänge des Zugmittels
L_AS‘: rechnerisch bestimmte Istlänge des Zugmittels
∆L: Längenänderung des Zugmittels
σ₂: Verdrehwinkel des zweiten angetriebenen Rades gegenüber dem ersten antreibenden Rad
σ₃: Verdrehwinkel des dritten angetriebenen Rades gegenüber dem ersten antreibenden Rad
°KW: Grad Kurbelwinkel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007025731 A1 [0018]
DE 102014009509 A1 [0019]

Claims

Verfahren zur Überwachung eines Zugmitteltriebs (10) einer Brennkraftmaschine mit Kurbelwelle, der neben dem Zugmittel (10a) ein auf der Kurbelwelle angeordnetes erstes antreibendes Rad (1) und mindestens ein weiteres, zweites angetriebenes Rad (2) umfasst, das auf einer Welle eines Nebenaggregats angeordnet ist, wobei das Zugmittel (10a) um das antreibende erste Rad (1) und das mindestens eine weitere zweite angetriebene Rad (2) geführt ist und ein zu einer Spanneinrichtung gehörendes bewegliches Spannmittel (5) vorgesehen ist, welches kraftbeaufschlagt in das Zugmittel (10a) eingreift und das Zugmittel (10a) zwecks Spannen entlang seiner Längsachse mit Zugkräften beaufschlagt, dadurch gekennzeichnet, dass – ein Schwingungsverhalten des Zugmittels (10a) messtechnisch erfasst wird, und – das messtechnisch erfasste Schwingungsverhalten des Zugmittels (10a) unter Verwendung einer Auswerteeinrichtung (6) bewertet wird, in der Art, dass eine Aussage über den Zustand des Zugmittels (10a) getroffen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwingungsverhalten des Zugmittels (10a) messtechnisch erfasst wird, indem die Frequenz der Schwingung des Zugmittels (10a) messtechnisch erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwingungsverhalten des Zugmittels (10a) messtechnisch erfasst wird, indem die Amplitude der Schwingung des Zugmittels (10a) messtechnisch erfasst wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwingungsverhalten des Zugmittels (10a) messtechnisch mittels eines Beschleunigungssensors (7a) erfasst wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unter Verwendung der Auswerteeinrichtung (6) ein Defekt des Zugmittels (10a) detektierbar ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass unter Verwendung der Auswerteeinrichtung (6) ein Riss des Zugmittels (10a) detektierbar ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – unter Verwendung der Auswerteeinrichtung (6) eine Istlänge L_AS‘ des Zugmittels (10a) bestimmt wird, und – unter Verwendung der Istlänge L_AS‘ eine Längenänderung ∆L gegenüber einer vorgebbaren Solllänge L_AS rechnerisch bestimmt wird.
Brennkraftmaschine mit Kurbelwelle zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche mit einem Zugmitteltrieb (10), der neben dem Zugmittel (10a) ein auf der Kurbelwelle angeordnetes erstes antreibendes Rad (1) und mindestens ein weiteres, zweites angetriebenes Rad (2) umfasst, das auf einer Welle eines Nebenaggregats angeordnet ist, wobei das Zugmittel (10a) um das antreibende erste Rad (1) und das mindestens eine weitere zweite angetriebene Rad (2) geführt ist und ein zu einer Spanneinrichtung gehörendes bewegliches Spannmittel (5) vorgesehen ist, welches kraftbeaufschlagt in das Zugmittel (10a) eingreift und das Zugmittel (10a) zwecks Spannen entlang seiner Längsachse mit Zugkräften beaufschlagt, dadurch gekennzeichnet, dass – mindestens ein Sensor (7) zur messtechnischen Erfassung des Schwingungsverhaltens des Zugmittels (10a) vorgesehen ist, und – eine Auswerteeinrichtung (6) zur Bewertung des Zustandes des Zugmittels (10a) unter Verwendung des messtechnisch erfassten Schwingungsverhaltens des Zugmittels (10a) vorgesehen ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens ein Sensor (7) zur messtechnischen Erfassung des Schwingungsverhaltens des Zugmittels (10a) ein Beschleunigungssensor (7a) ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Sensor (7) zur messtechnischen Erfassung des Schwingungsverhaltens des Zugmittels (10a) an dem Spannmittel (5) angeordnet und befestigt ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannmittel (5) eine drehbar gelagerte Rolle (5a) ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannmittel (5) ein leistenartig ausgebildetes Spannelement ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Spanneinrichtung mitsamt Spannmittel (5) auch als Führungseinrichtung für das Zugmittel (10a) dient.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Zugmittel (10a) eine Kette ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Zugmittel (10a) ein Riemen ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Zugmittel (10a) ein formschlüssiges Zugmittel ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 8 bis 16 mit einer Motorsteuerung, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorsteuerung als Auswerteeinrichtung (6) dient, die unter Verwendung des messtechnisch erfassten Schwingungsverhaltens des Zugmittels (10a) als Eingangssignal ein Ausgangssignal betreffend den Zustand des Zugmittels liefert.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 8 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Zugmitteltrieb (10) ein drittes angetriebenes Rad (3) umfasst, das auf einer Welle eines weiteren Nebenaggregats angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 8 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Nebenaggregat oder das weitere Nebenaggregat, auf dessen Welle ein angetriebenes Rad (2, 3) angeordnet ist, eine Einspritzpumpe ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 8 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Nebenaggregat oder das weitere Nebenaggregat ein Ventiltrieb ist, der mindestens eine Nockenwelle umfasst, auf der ein angetriebenes Rad (2, 3) angeordnet ist.