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Die Erfindung betrifft ein Gerät mit wenigstens einem elastisch verformbaren Bauteil als Strukturteil und/oder Lagerteil, insbesondere mit einem Gummi-Metall-Lager nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Feststellung des Beginns einer verschleißbedingten, vorgebbaren Bauteil-Restnutzungsdauer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 13.
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Es handelt sich um Geräte, bei denen auf elastisch verformbare Bauteile als Strukturteile und/oder Lagerteile, insbesondere auf Gummi-Metall-Lager, im Betrieb abhängig von wechselnden Betriebszuständen unterschiedliche Verformungskräfte einwirken, die letztendlich zu einem die Bauteilnutzungsdauer begrenzenden Bauteilverschleiß führen.
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Der Begriff „Gerät“ ist hier allgemein zu verstehen und weit auszulegen, wobei ortsfeste Maschinen ebenso wie Fahrzeuge umfasst sein sollen, die betriebsbedingt externen Kräften ausgesetzt sind und/oder selbst Kräfte erzeugen, die zu den Bauteil-Verformungen führen.
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Auch der Begriff „Gummi-Metall-Lager“ ist, wie in Fachkreisen üblich, allgemein zu verstehen und weit auszulegen, wobei unter „Gummi“ auch allgemein ein „Elastomermaterial“ und unter „Metall“ auch allgemein ein verformungssteifes Lagerbauteil insbesondere auch ein verformungssteifes Lagerbauteil aus Kunststoff verstanden werden kann.
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Elastisch verformbare Bauteile solcher Geräte können insbesondere Elastomerlager, insbesondere Gummi-Metall-Lager und/oder gegebenenfalls auch Kunststoffteile, insbesondere Faserverbundteile sein. Bekanntlich sind solche Bauteile bei richtiger Auslegung über eine lange Nutzungsdauer auch bei hohen schlagartigen, sprungförmigen oder oszillierenden Belastungen funktionssicher und im Prinzip verschleißfrei. Ein Kriterium für die Funktion solcher Bauteile ist die Größe einer rückstellenden Verformung bei einer bestimmten Krafteinwirkung bzw. die entsprechende Bauteilsteifigkeit.
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An Muster-Bauteilen solcher Geräte und/oder an Kontroll-Bauteilen einer Serie wird in bekannter Weise die Bauteilnutzungsdauer auf einem Prüfstand bei klar definierten Verhältnissen gemessen. Dazu wird beispielsweise ein Gummi-Metall-Lager mit oszillierenden Belastungen beaufschlagt. Es werden die Lastwechsel oder sich wiederholende Lastblöcke gezählt und dabei werden sowohl die Kraft als auch die zugeordnete Verformung gemessen, wobei einer der beiden Werte vorgegeben wird. Daraus wird ein Diagramm als Messkurve erzeugt, in dem eine abfallende Steifigkeit über die Zahl der Lastwechsel erkennbar ist. Die Zahl der Lastwechsel bis zum Versagen des Bauteils ist unmittelbar als Nutzungsdauer interpretierbar. Aus einem solchen Diagramm ist jeweils im Laufe der Nutzungsdauer eine Zunahme der Verformung entsprechend einem Abfall der Steifigkeit in charakteristischen drei Stufen erkennbar. In der ersten Stufe fällt die Steifigkeit sehr schnell, beispielsweise um zirka 30% ab, was als Fließen und Setzen bezeichnet wird. Anschließend wird über eine vergleichsweise sehr lange Nutzungsdauer nur ein sehr geringer Abfall der Steifigkeit gemessen entsprechend einem Plateauverlauf mit linearem und/oder leichtem Abfall der Steifigkeit. Daran schließt sich ein messbarer, vergleichsweise zügiger progressiver Abfall der Steifigkeit an, welcher ein nahes verschleißbedingtes Ende der Bauteilfunktion mit einem möglichen Ausfall und damit ein Ende der Nutzungsdauer markiert.
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Der Grund für dieses mit dem Prüfstand messbare Verhalten insbesondere eines Gummi-Metall-Lagers liegt darin, dass bei dauernden hohen Belastungen durch aufgezwungene Verformungen Molekülketten im Gummi aufreißen, die sich dann wegen der anliegenden Wechsellasten nicht mehr regenerieren können. Insbesondere in der dritten Stufe potenzieren sich diese Vorgänge und es kommt auch zu optisch erkennbaren Rissen und Schäden, die mit einem schnellen Abfall der Bauteilsteifigkeit zu einem beginnenden Ende der Nutzungsfunktion und letztendlich zu einem Ausfall führen. Ausgehend von Messungen der Nutzungsdauer an Muster-Bauteilen auf einem Prüfstand wird dann mit Sicherheitsabschlägen für fertigungsbedingte Toleranzen und differierende reale Bauteilbelastungen eine Nutzungsdauer für Serienteile im Einbauzustand abgeschätzt und angegeben. Übliche typische Nutzungsdauern entsprechend der ersten und zweiten Stufe des oben genannten Diagramms liegen in der Größenordnung von 6 bis 10 Jahren. Wenn die dritte Diagrammstufe als Beginn einer vorgebbaren Bauteil-Restnutzungsdauer erreicht ist, muss zwar ein Gummi-Metall-Lager zeitnah ausgetauscht werden, kann aber noch über mehrere Wochen, gegebenenfalls Monate bis zu einem Totalausfall weiter verwendet werden.
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Ähnlich dem vorstehend in Verbindung mit einem Gummi-Metall-Lager erläuterten Steifigkeitsverlauf verhält sich bei entsprechenden Belastungen üblicherweise auch der Steifigkeitsverlust eines Kunststoffteils, insbesondere eines Faserverbundbauteils, bei dem sich insbesondere durch oszillierende Belastungen und erzwungene Verformungen der Faserverbund lockert und auflöst.
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Bei vielen Anwendungen solcher Bauteile kann das beginnende Ende der Nutzungsdauer entsprechend dem Eintritt in die dritte Diagrammstufe relativ einfach erkannt werden, beispielsweise durch eine veränderte Geräuschentwicklung oder bei einem Fahrzeug durch ein verändertes Fahrverhalten. Bei leicht zugänglichen Einbausituationen kann eine beginnende Schädigung entsprechend der dritten Diagrammstufe gegebenenfalls auch optisch, beispielsweise an Rissbildungen, erkannt werden.
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Es gibt aber auch zahlreiche Anwendungen, bei denen eine stark nachlassende Steifigkeit eines solchen Bauteils für einen Nutzer eines Geräts, beispielsweise eines Fahrzeugs oder einer Maschine nicht spürbar ist und die ausfallkritischen Bauteile so verbaut sind, dass eine optische Kontrolle nicht möglich ist. Ein Bauteilschaden kann dann zu einem Sicherheitsrisiko oder zu teuren Folgeschäden und Betriebsausfällen führen. Beispielsweise finden sich solche Einbausituationen bei Wagons und Lokomotiven von Zügen, bei Fluggeräten, Windenergieanlagen und Schiffen. Gerade für solche Einsatzfälle werden bisher relevante Muster-Bauteile im Vorfeld an Prüfständen getestet und mit gemessenen Belastungsdaten eine maximale Laufzeit abgeschätzt und festgelegt, nach der sie unter Berücksichtigung einer normalen Streuung und mit großen Sicherheitsabschlägen, meist lange vor einer möglichen Lebensdauer getauscht werden, lange bevor eine Schädigung für einen zwingenden Austausch eingetreten ist.
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Nachteilig muss für einen solchen, durch eine Lebensdauerabschätzung an Musterbauteilen bedingten, präventiven Tausch eines solchen elastisch verformbaren Bauteils in regelmäßigen Wartungsintervallen das Gerät, zum Beispiel ein Fahrzeug oder eine Maschine außer Betrieb gesetzt werden. Um ein Sicherheitsrisiko und Folgeschäden auszuschließen, muss ein Bauteiltausch deutlich vor einer im Mittel möglichen Nutzungsdauer erfolgen. Dies führt zu hohen Ausfall-, Bauteil- und Wartungskosten, die noch nicht durch den aktuellen und noch funktionssicheren Bauteilzustand erforderlich wären. Da in einem Gerät regelmäßig mehrere solcher Bauteile, beispielsweise mehrere Gummi-Metall-Lager verbaut sind, vervielfachen sich die Kosten entsprechend.
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Die vorstehend erläuterten, allgemein bekannten Lebensdauerabschätzungen anhand von prüfstandsvermessenen Musterbauteilen erfolgen insbesondere für Serienbauteile, beispielsweise für Gummi-Metall-Lager von Nutzfahrzeugen, da Messanordnungen, wie auf einem Prüfstand an allen verbauten und betriebsmäßig eingesetzten Serienbauteilen in der Regel nicht möglich sind und/oder zu aufwändig wären.
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Es ist jedoch eine gattungsgemäße Geräteanordnung mit einem elastisch verformbaren, bereits betriebsmäßig verbauten Bauteil bekannt (
US 6,460,012 B1 ), bei der mit einer Einrichtung der Beginn einer verschleißbedingten Bauteil-Restnutzungsdauer unmittelbar am verbauten Bauteil festgestellt wird. Dazu werden, ähnlich wie auf einem Prüfstand, sowohl die betriebsmäßige Last auf das Bauteil als auch die der Last zugeordnete Verformung am Bauteil in seinem Einbauzustand gemessen. Mit diesen beiden gemessenen Werten kann eine Messkurve der Bauteilsteifigkeit entsprechend einer Prüfstands-Messkurve erzeugt werden, aus der eine Bauteil-Restnutzungsdauer abgeleitet werden kann. Eine solche Einrichtung mit einer Messanordnung zur Messung von Lastzuständen am Ort eines bereits verbauten Bauteils, insbesondere mit betriebsabhängig wechselnden, unterschiedlichen Verformungskräften ist technisch komplex, aufwändig und kostenintensiv und somit wegen eines nicht vertretbaren Aufwands für einen Großteil von Bauteil-Einsätzen nicht möglich. Die zudem hier erforderliche, lastabhängige Messung der Verformung wäre mittels Wegsensoren zwar im Vergleich zur Messung von Verformungskräften einfacher und weniger aufwändig. Eine sehr genaue Messung der Verformung in allen Freiheitsgraden würde aber eine entsprechende Anzahl von mehreren, unterschiedlich justierten Wegsensoren erfordern, so dass auch eine genaue Verformungsmessung, relativ aufwändig wäre.
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Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem Gerät mit wenigstens einem elastisch verformbaren Bauteil als Strukturteil und/oder Lagerteil die mögliche Bauteilnutzungsdauer, insbesondere den Beginn einer verschleißbedingten Bauteil-Restnutzungsdauer einfach und kostengünstig festzustellen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfaches Verfahren zur Bestimmung des Beginns einer verschleißbedingten Restnutzungsdauer eines in einem Gerät verbauten, elastisch verformbaren Bauteils vorzuschlagen.
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Diese Aufgaben werden mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der darauf rückbezogenen Unteransprüche.
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Gemäß Anspruch 1 wird ein sich zeitversetzt wiederholender, jeweils gleicher Betriebszustand vorbestimmt, dem jeweils eine gleiche schlagartig wirkende Verformungskraft oder eine jeweils gleiche sprungförmig wirkende Verformungskraft oder eine jeweils gleiche periodisch wirkende Verformungskraft zugeordnet ist, durch die das elastische Bauteilmaterial schlagartig oder sprunghaft oder periodisch verformt wird.
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Ein solcher vorbestimmter Betriebszustand wird jeweils von einer Mess- und Auswerteeinheit der Einrichtung zur Bestimmung der Bauteilnutzungsdauer bzw. Bauteil-Restnutzungsdauer erkannt und dann gegebenenfalls ein Messvorgang durch ein Startsignal selbsttätig gestartet. Mit wenigstens einem, dem Bauteil zugeordneten Beschleunigungssensor wird dann die aktuelle Beschleunigung der Verformung oder ein daraus abgeleiteter Kennwert als Kenngröße für eine aktuelle Bauteilsteifigkeit gemessen, wobei im Verlauf einer Bauteilnutzungsdauer der jeweils gemessene Beschleunigungswert oder ein daraus abgeleiteter Kennwert als Kenngröße entsprechend einer abnehmenden Bauteilsteifigkeit verändert wird, insbesondere vom Trend her und/oder je nach Sensorposition kleiner oder größer wird. Aufeinanderfolgende, gemessene Kenngrößen werden jeweils in einer Messkurve gespeichert.
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Mit einer Vergleichereinheit der Mess- und Auswerteeinheit wird ein Vergleich einer aktuellen Kenngröße bezüglich vorhergehender gespeicherter Kenngrößen durchgeführt, wobei folgende Ergebnisse möglich sind: Die über eine relativ lange Nutzungsdauer gespeicherten Kenngrößen als Kenngrößen für die Bauteilsteifigkeit sind etwa gleich und die aus den Kenngrößen gebildeten Messkurve bildet einen Plateaubereich mit im Verlauf dieser Nutzungsdauer geringem Neigungsabfall entsprechend einer weitgehend gleichbleibenden Bauteilsteifigkeit. Damit ist eine weitere sichere Bauteilfunktion festgestellt.
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Alternativ werden über eine gegenüber der Nutzungsdauer des Plateaubereichs kurzen Nutzungsdauer nacheinander erfasste Kenngrößen sukzessiv und progressiv kleiner, so dass der Plateaubereich entsprechend einer progressiven Abnahme der Bauteilsteifigkeit verlassen ist. Dadurch wird der Beginn einer verschleißbedingten zeitlich vorgebbaren Bauteil-Restnutzungsdauer festgestellt. Zudem wird eine entsprechende Warnfunktion optisch und/oder akustisch ausgegeben, insbesondere beim Erreichen eines als Schwellwert vorgegebenen Steigungsabfalls der Messkurve.
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Ein zu Beginn einer Bauteilnutzung erfasster, relativ kurzer ansteigender oder abfallender Bereich der Messkurve entsprechend einem Fließ- und/oder Setzvorgang im elastisch verformbaren Material wird bei der Auswertung für den Beginn einer Restnutzungsdauer nicht herangezogen und ausgeblendet.
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Kern der Erfindung ist somit eine mittels einer Beschleunigungsmessung qualitative und relative Bestimmung der Steifigkeit des verformbaren Bauteils im verbauten Zustand, welche in einem solchen verbauten Zustand regelmäßig nicht unmittelbar und absolut messbar ist. Nur in Kenntnis einer gemessenen Kraft und gemessenen Verformung, wie beispielsweise auf einem Prüfstand lässt sich die Steifigkeit mit Absolut-Werten messtechnisch bestimmen. In einer technischen Anwendung ist es mit vertretbarem Aufwand meist nicht möglich, die an einem verbauten Bauteil anliegende Kraft absolut beziffert zu messen. Betriebsmäßig bedingte Beschleunigungsveränderungen am Bauteil oder daraus abgeleitete Kennwerte sind dagegen relativ einfach mittels Beschleunigungssensoren zu erfassen. Die Bestimmung der Bauteillebensdauer bzw. der Bauteil-Restnutzungsdauer wird erfindungsgemäß vorteilhaft nur durch einfach durchzuführende Auswertungen von Beschleunigungsveränderungen bei gleichen, erfassten Betriebsbedingungen durchgeführt, die einer relativen Veränderung der Bauteilsteifigkeit zugeordnet werden.
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Für die Bestimmung einer Bauteilnutzungsdauer, insbesondere einer Feststellung des Beginns einer verschleißbedingten Bauteil-Restnutzungsdauer wird die gewonnene Erkenntnis genutzt, dass die Beschleunigung einer Bauteilverformung oder ein daraus abgeleiteter Kennwert einen zeitlich lang andauernden Plateaubereich einer Messkurve aufweist, der ein Kriterium für eine funktionssichere Nutzung des elastisch verformbaren Bauteils ist, an den sich ein vergleichsweise schnell und progressiv abfallender Messkurvenbereich anschließt, der einen Hinweis auf den Beginn eines sich abzeichnenden Bauteilschadens mit einer noch zur Verfügung stehenden Bauteil-Restnutzungsdauer gibt.
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Zur Erstellung einer Messkurve werden zweckmäßig auf der X-Achse eines Diagramms die aufeinanderfolgende Anzahl der Messwerte aufgetragen, die als Nutzungsdauer interpretierbar sind. Auf der Y-Achse werden die Kenngrößen aufgetragen, womit eine Messkurve analog zum Verlauf der Bauteilsteifigkeit erhalten wird. Damit zeigt sich in einer ersten Stufe zu Beginn der Bauteilnutzungsdauer ein starker Steifigkeitsabfall durch Fließen und Setzen, dem sich in einer zweiten Stufe ein Plateaubereich mit leicht linear abfallender Steifigkeit über die Lebensdauer anschließt, dem sich in einer dritten Stufe ein stark progressiver Abfall anschließt, der das beginnende Ende der Nutzungsdauer markiert. Für die Auswertung wird als Messkurve eine Gerade ermittelt, die das beschriebene Plateau in ihrem Verlauf gut abbildet, wobei dies bereits nach wenigen Messwerten im Plateaubereich möglich ist. Jeder weitere Messwert wird dahingehend bewertet, wie er die Charakteristik der davorliegenden Geraden verändert und davon abweicht. Vorzugsweise wird für eine Auswertung eine Veränderung der Steigung dieser Gerarde als Kriterium herangezogen. Nimmt nach dem Plateaubereich der Betrag der Steigung über mehrere Messvorgänge deutlich über den Wert der Streuung zu, so beginnt der Bereich des progressiven Steifigkeitsabfalls als Signal zum Austausch des Bauteils. Im Prinzip wird somit das Differenzial der ermittelten Messkurve ausgewertet. Erfindungsgemäß wird somit vorteilhaft der Verschleißzustand eines verformbaren Bauteils während seiner Bauteilnutzungsdauer unmittelbar am Bauteil und direkt ohne Kenntnis einer absolut beziffert gemessenen Verformungskraft festgestellt.
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Vorteilhaft kann damit ein elastisch verformbares Bauteil über seine tatsächliche Lebensdauer bis zum Beginn seines progressiven Steifigkeitsabfalls genutzt werden. Insbesondere können damit auch Nutzungsdauerabschätzungen, die aus Prüfstandsmessungen an Musterbauteilen resultieren, sowie vorgegebene, präventive Austauschmaßnahmen vor einem tatsächlich möglichen Nutzungsende entfallen, wodurch Wartungs- und Betriebskosten eingespart werden. Zudem ist die Bauteilsicherheit durch die Messung unmittelbar und an jedem verbauten Bauteil erhöht und das Risiko eventueller Folgekosten bei einem nicht erkannten Bauteilausfall ist reduziert.
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Zur Messung der Beschleunigung einer lastbedingten Verformung können insbesondere piezokeramische Sensoren verwendet werden, welche dynamische Druckschwankungen unmittelbar in elektrische Signale umsetzen, die dann einfach weiter verarbeitet werden können. Vorteilhaft können hier miniaturisierte Sensoren verwendet werden, welche meist mit piezoelektrischen Sensoren oder als MEMS (micro-electro-mechanical-System) aufgebaut sind. Mit solchen miniaturisierten Sensoren sind auch dreidimensionale Messungen falls erforderlich möglich, wobei die Sensoren relativ temperaturunempfindlich und stoßunempfindlich sind.
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Alternativ oder zudem können auch mit an sich bekannten einfachen Verformungssensoren indirekt Beschleunigungsmessungen durchgeführt werden, indem erfasste Geschwindigkeitsänderungen bei einer Verformung mittels der Mess- und Auswerteeinheit in Beschleunigungswerte umgerechnet werden.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden als Kenngrößen nicht die unmittelbar erfassten Beschleunigungswerte verwendet, sondern aus den erfassten Beschleunigungsdaten werden mittels an sich bekannter Verfahren angeregte Frequenzen als Kennwerte mittels der Mess- und Auswerteeinheit bestimmt. Besonders bei schlagartig oder sprungförmig wirkenden Verformungskräften ergeben sich bei Verwendung von Anregungsfrequenzen zum Aufbau einer Messkurve besonders sichere und belastbare Aussagen zur relativen Bauteilsteifigkeit und einer davon abgeleiteten Bauteil-Restnutzungsdauer.
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Dazu besteht eine bevorzugte Maßnahme darin, dass aus aktuell gemessenen Beschleunigungsdaten ein Frequenzspektrum ermittelt wird, aus dem der Frequenzwert der maximalen Amplitude oder der spektralen Kurtosis jeweils als Kenngröße zur Speicherung in einer Messkurve verwendet wird, welche dann den vorstehend geschilderten Plateauverlauf mit einem anschließenden progressiven Neigungsabfall als Signal für den Beginn einer Bauteil-Restnutzungsdauer aufweist.
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Alternativ kann auch aus aktuell gemessenen Beschleunigungsdaten unter Verwendung von Intrinsic Mode Functions (IMFs) mittels der spektralen Kurtosis eine Kenngröße zur Speicherung in einer Messkurve ermittelt werden. Stark unterschiedliche Umgebungstemperaturen können zu ungünstig großen Toleranzen bei den ermittelten Kenngrößen führen. Es wird daher in einer weiteren Ausgestaltung vorgeschlagen, dass der Start eines Messvorgangs und/oder die Verwertung einer Kenngröße für eine Messkurve der Mess- und Auswerteeinheit nur freigegeben wird, wenn die aktuell gemessene Umgebungstemperatur in einem vorgegebenen Temperaturfenster, insbesondere in einem Temperaturbereich von 0° bis 35°C liegt und/oder dass Kenngrößenmesswerte mit Korrekturwerten korrigiert werden, die aus aktuell gemessenen Umgebungstemperaturwerten abgeleitet sind. Solche Korrekturwerte können beispielsweise am Einbauort experimentell ermittelt werden.
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Wenn beim Vorliegen von betriebsmäßigen Startbedingungen für einen Messvorgang jedoch die Umgebungstemperaturbedingungen und gegebenenfalls weitere Randbedingungen zur Freigabe der Messung nicht vorliegen, wird dennoch ein Messwertzähler für die Messkurve hochgesetzt, um den Messkurvenverlauf hinsichtlich eines Steifigkeitsverlaufs nicht zu verzerren.
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Ab dem Beginn des progressiven Messkurvenverlaufs entsprechend einem progressiven Steifigkeitsabfall kann regelmäßig eine sichere Weiterbenutzungsdauer als Restlebensdauer des Bauteils von 5% bis 15%, bevorzugt von 10%, der bisher erfassten Bauteilnutzungsdauer angenommen werden. Diese Information kann zusätzlich zum Signal für den erforderlichen Austausch des Bauteils gegeben werden.
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Bei jedem erfassten Auftreten eines vorbestimmten Betriebszustands, insbesondere eines periodischen Betriebszustands kann jeweils ein einziger Messvorgang gestartet und durchgeführt werden. Alternativ und/oder zusätzlich kann bei einem langen Anhalten eines solchen Betriebszustands auch nach einem vorbestimmten Wartezeitabstand jeweils selbsttätig ein weiterer Messvorgang gestartet und durchgeführt werden.
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Für sichere und genaue Messungen können der Beschleunigungssensor oder die Beschleunigungssensoren zumindest teilweise in das verformbare Bauteil integriert, vorzugsweise in das verformbare Bauteilmaterial eingebettet sein und/oder unmittelbar an angrenzenden Anbauteilen angeordnet sein.
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Zweckmäßig werden die Mess- und Auswerteeinheit mit ihren Komponenten in eine meist ohnehin geräteseitig vorhandene Zentralelektronik voll- oder teilintegriert, wobei an einer Mess- und Auswerteeinheit gegebenenfalls Beschleunigungssensoren mehrerer verbauter Bauteile zur Messung und Auswertung angeschlossen sein können, wodurch der Überwachungsaufwand für mehrere Bauteile erheblich reduzierbar ist.
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Die Aufgabe der Erfindung wird hinsichtlich des Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst.
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Anhand einer Zeichnung wird die Erfindung weiter erläutert.
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Es zeigen:
- 1 ein Ablaufdiagramm für die erfindungsgemäße Bestimmung des Beginns einer verschleißbedingten Restnutzungsdauer, und
- 2 ein typisches Diagramm einer Messkurve (14).
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In 1 ist die Prozessabfolge anhand von Status-Prozessrechtecken und Entscheidungsrauten dargestellt:
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Gemäß dem ersten Rechteck 1 ist das System zur Bestimmung der Bauteilnutzungsdauer messbereit.
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Als Bauteil wird hier beispielhaft ein Gummi-Metall-Lager in einem verbauten Zustand im Rotorbereich einer Windkraftanlage angenommen. Dabei soll auf das Gummi-Metall-Lager entsprechend einer Rotordrehung eine periodisch wirkende Verformungskraft wirken.
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Alternativ kann beispielhaft ein Gummi-Metall-Lager als Lagerteil in einer Lokomotive oder einem Waggon verbaut sein, auf das beim Überfahren einer bestimmten Schwelle mit einer bestimmten Geschwindigkeit eine jeweils gleiche, schlagartige Verformungskraft wirkt.
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Gemäß der beiden nachfolgenden Rechtecke 2 und 3 wird ein vorgegebener Betriebszustand zum Start eines Messvorgangs erreicht und durch das System festgestellt, worauf der Befehl zur Durchführung von Beschleunigungsmessungen gegebenen wird. Im angenommenen Beispiel einer Windkraftanlage wurde beispielsweise als sich zeitversetzt wiederholender, jeweils gleicher Betriebszustand vorbestimmt, wenn Windstärke 3 vorliegt und die Rotorgondel in den Wind gedreht wurde und im Beispiel mit der Lokomotive oder dem Waggon, wenn die Schwelle überfahren wird.
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Ein Triggersignal für einen Messstart beim Gummi-Metall-Lager im Bahnbetrieb (Lokomotive/Waggon) kann beispielsweise auch durch Erreichen eines Messabschnitts mittels eines Positionssignals ausgegeben werden. Bei einer Verwendung in der Luftfahrt kann als Triggersignal der Beginn eines Flugmanövers verwendet werden. Beim Einsatz in Schiffen kann das Triggersignal zum Beispiel bei Erreichen einer vorgegebenen Motorleistung abgegeben werden.
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In der Entscheidungsraute 4 wird zudem überprüft, ob gegebenenfalls zusätzliche Umgebungsbedingungen, insbesondere ein vorgegebenes Temperaturfenster bei der Messung erfüllt sind.
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Sind vorgegebenen Umgebungsbedingungen/Randbedingungen für eine Messung nicht erfüllt, wird lediglich der Messwertzähler ohne eine Messwertspeicherung hochgezählt, um Verzerrungen der Messwertkurve zu reduzieren (Rechteck 5).
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Sind die Umgebungsbedingungen/Randbedingungen zum Messen erfüllt, wird als Kenngröße beispielsweise eine Hauptanregungsfrequenz ermittelt, der Wert in der Messkurve gespeichert und der Messwertzähler hochgezählt (Rechteck 6).
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In der folgenden Entscheidungsraute 7 wird festgestellt, ob Kenngrößen vorliegen. Ist dies nicht der Fall, wird der aktuelle Mess- und Auswertezyklus beendet.
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Sind Kenngrößen vorhanden, werden diese gespeichert und mit vorhergehend gespeicherten Kenngrößen verglichen (Rechteck 9).
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Anschließend wird dieser Vergleich ausgewertet (Entscheidungsraute 10) und festgestellt, in welchem Bereich des Steifigkeitsverlaufs sich das Bauteil befindet. Ein typischer Steifigkeitsverlauf ist nachfolgend anhand des Diagramms der 2 dargestellt und wird in Verbindung mit dem Ablaufdiagramm nach 1 erläutert:
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Wenn in der Auswertung (Entscheidungsraute 10) der erste Bereich 16 mit relativ schnell abfallender Steifigkeit zum Nutzungsbeginn, der durch Fließen und Setzen des Elastomermaterials hervorgerufen wird, festgestellt wird, ist dies kein Hinweis auf den Beginn eines baldigen Nutzungsendes, so dass der aktuelle Mess- und Auswertezyklus beendet wird (Rechteck 8).
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Wird ein Steifigkeitsverlauf dergestalt ermittelt, dass der zweite Bereich 17 als Plateaubereich durch die aktuelle Messung im Vergleich zu vorhergehenden Messungen weitergeführt ist, wird die Gerade zur Beschreibung des Plateaubereichs weitergeführt (Rechteck 11). Auch dies ist kein Hinweis auf den Beginn des Nutzungsendes, so dass auch für diesen Fall der aktuelle Mess- und Auswertezyklus beendet wird (Rechteck 8).
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Wird dagegen anschließend an den Plateaubereich 17 im dritten Bereich 19 des Steifigkeitsverlaufs ein progressiver Steifigkeitsabfall bei der Auswertung festgestellt, gibt das System eine Warnung aus, dass das überwachte Bauteil ausgetauscht werden muss (Rechteck 12). Mit dieser Warnung bezüglich des überwachten Bauteils wird der Prozess beendet (Rechteck 13).
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Im Diagramm der 2 ist beispielhaft eine typische Messkurve 14 für eine zeitliche Bauteilnutzung eines elastisch verformbaren Bauteils, hier beispielhaft eines Gummi-Metall-Lagers bei zeitlich versetzt auftretenden Belastungen dargestellt.
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Dazu ist nach oben auf der Y-Achse die jeweils qualitativ ermittelte Steifigkeit entsprechend den ermittelten Kenngrößenwerten aufgetragen. Auf der X-Achse des Diagramms ist die Anzahl der Messwerte aufgetragen, die als Nutzungsdauer interpretierbar ist. Beispielsweise ist hier jeweils ein Betriebszustand einer Windkraftanlage bei Windstärke 3 betrachtet, wobei für jeden solchen erfassten Betriebszustand eine dazu vorhandene Kenngröße im Diagramm als Messpunkt 15 eingezeichnet ist. Im alternativen Beispiel für den Bahnbetrieb wäre dies eine Kenngröße beim Überfahren der vorgegebenen Schwelle.
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Durch nicht genau exakt erfassbare Betriebsbedingungen und Messtoleranzen bei den Beschleunigungsmessungen streuen zwar die Messpunkte 15, jedoch in nur geringem und für die zu treffende qualitative Aussage bezügliche der Nutzungsdauer nur im unbedeutenden Umfang. Bei der Auswertung wird daher eine Interpolation vorgenommen mit folgendem Ergebnis:
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Im ersten Steifigkeitsbereich 16 fällt die Bauteilsteifigkeit durch Fließen und Setzen relativ schnell ab. Im zweiten Steifigkeitsbereich 17, der durch eine Gerade 18 durch Ausmittelung der Messwertstreuung angegeben werden kann, ist ein Plateaubereich durch einen nur sehr geringen Steifigkeitsabfall gekennzeichnet. Im Diagramm ist dieser Steifigkeitsbereich zur besseren Verdeutlichung mit einer relativ großen Neigung der Geraden 18 dargestellt. Tatsächlich ist der zweite Steifigkeitsbereich 17 als Plateaubereich im Vergleich zum ersten und dritten Steifigkeitsbereich 16, 19 wesentlich größer/länger mit vielen Messwerten 15, beispielsweise 10 Jahre. Zur besseren Verdeutlichung des prinzipiellen Verlauf der Messkurve ist der Plateaubereich in 2 jedoch verkürzt dargestellt. Anschließend an den Plateaubereich 17 wird im dritten Steifigkeitsbereich 19 ein schneller progressiver Steifigkeitsabfall festgestellt als Hinweis für einen bald erforderlichen Austausch des Bauteils entsprechend dem Rechteck 12 aus 1. Dieser progressive Steifigkeitsabfall als deutliche Abweichung von der Verlängerung 20 der Geraden 18 ist bereits kurz nach seinem Beginn (beispielsweise mit Messwert 21) schnell und einfach feststellbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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