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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zum Überwachen des Zustands mindestens einer Antriebskomponente eines Antriebsstrangs eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs sowie ein Elektro- oder Hybridfahrzeug.
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Elektrofahrzeuge (E-Fahrzeuge) verfügen konzeptbedingt nicht über die gewohnte, und zumindest heutzutage noch meist auch gewünschte, akustische Rückmeldung des Antriebsstrangs, beispielsweise über den Lastzustand, wie man es seit vielen Jahrzehnten von verbrennungsmotorisch angetriebenen Fahrzeugen her kennt. Aus diesem Grund werden viele Elektrofahrzeuge mit Systemen aktiver oder semiaktiver Art ausgerüstet, um für die Insassen das gewünschte akustische Feedback zu generieren. Diese Systeme verfügen über eine Luftschall- und/oder Körperschall-Sensorik im Fahrzeug, die zur Erfassung der benötigten akustischen Signale verwendet werden kann.
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Im Falle, dass kein aktives Geräuscherzeugungs-System an Bord des Elektrofahrzeugs ist, kann die erforderliche Sensorik in Form eines Beschleunigungssensors (ähnlich wie die serienmäßig eingesetzten Klopfsensoren moderner Benzinmotoren) einfach nachgerüstet werden.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung zum Überwachen des Zustands mindestens einer Antriebskomponente eines Antriebsstrangs eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs zu schaffen, wobei der Zustand und/oder eventuelle Störungen der mindestens einen Antriebskomponente sicher und genau ermittelbar sind.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Anordnung zum Überwachen des Zustands mindestens einer Antriebskomponente eines Antriebsstrangs eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs gelöst, die die Merkmale des Anspruchs 1 umfasst.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Elektro- oder Hybridfahrzeug zu schaffen, wobei der Zustand und/oder eventuelle Störungen mindestens einer Antriebskomponente seines Antriebsstrangs sicher und genau ermittelbar sind.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Elektro- oder Hybridfahrzeug gelöst, das die Merkmale des Anspruchs 3 umfasst.
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Die erfindungsgemäße Anordnung zum Überwachen des Zustands mindestens einer Antriebskomponente eines Antriebsstrangs („Powertrain“, Antriebsaggregat) eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs umfasst mindestens einen Sensor zum Aufnehmen von Schall-Geräuschen (Signalen) der mindestens einen Antriebskomponente und eine elektronische Auswerte-Einheit zum Auswerten der mittels des mindestens einen Sensors aufgenommenen Schall-Geräusche anhand einer vorgegebenen akustischen Signatur der mindestens einen Antriebskomponente. Dabei ist der mindestens eine Sensor im Schallbereich der mindestens einen Antriebskomponente angeordnet, und die elektronische Auswerte-Einheit ist kommunikativ mit dem mindestens einen Sensor verbunden. Die kommunikative Verbindung zwischen dem jeweiligen Sensor und der elektronischen Auswerte-Einheit kann drahtlos oder per Kabel sein.
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Die mindestens eine Antriebskomponente umfasst beispielsweise ein Differenzial (Kompakt-Differenzial), ein Planetengetriebe, mindestens ein Rad, eine Bremse (Bandbremse), eine Kupplung (Nasskupplung), einen elektrischen Kupplungsaktuator (im Englischen „Electric Clutch Actuator“, abgekürzt mit „ECA“), UVW-Anschlüsse, einen Stator, einen Rotor, Antriebswellen (beispielsweise 3-teilig), eine Abtriebsstufe, einen Endantrieb (final drive), einen Frequenzumrichter und/oder eine Planetenstufe. Die Antriebskomponenten sind einer Leistungselektronik (E-Maschine) des Elektro- oder Hybridfahrzeugs nachgeschaltet. Die Leistungselektronik ist an eine Hochvolt-Batterie (HV-Batterie) angeschlossen und kann im Sinne der Erfindung ebenfalls als mittels eine durch den mindestens einen Sensor zu überwachende Antriebskomponente aufgefasst werden. Für einen Fachmann ist offensichtlich, dass andere oder weitere hier nicht erwähnte oder nicht dargestellte Antriebskomponenten des Antriebsstrangs durch den mindestens einen Sensor überwacht werden können, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen.
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Der mindestens eine Sensor kann ein Körperschall-Sensor zum Ermitteln von Körperschall-Geräuschen der mindestens einen Antriebskomponente oder ein Luftschall-Sensor zum Ermitteln von Luftschall-Geräuschen der mindestens einen Antriebskomponente sein. Es können fahrzeugeigene Luftschall- oder Körperschall-Sensoren eines aktiven Sound-Systems oder einfache Nachrüstsensoren verwendet werden. Für einen Fachmann ist offensichtlich, dass andere oder weitere hier nicht erwähnte oder nicht dargestellte Sensoren verwendet werden können, die Signale von Antriebskomponenten aufnehmen, welche Signale zur Überwachung der mindestens einen Antriebskomponente an die Auswerte-Einheit weitergeleitet und dort ausgewertet werden, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen.
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Geeignete Sensoren nehmen Luftschall- und/oder Körperschall-Geräuschsignale auf, aus denen Luftschall- und/oder Körperschall-Geräuschbilder über den gesamten Antriebsstrang, über Teilbereiche des Antriebsstrangs, über gesamte einzelne Antriebskomponenten und/oder über Teilbereiche einzelner Antriebskomponenten erstellt werden können. Typische Luftschall- und/oder Körperschall-Geräuschbilder von fehlerfreien Antriebskomponenten stellen akustische Signaturen zu diesen Antriebskomponenten bzw. deren Teilbereiche dar. Fehlerhaft arbeitende Antriebskomponenten liefern dagegen Luftschall- und/oder Körperschall-Geräuschbilder, die zumindest in Teilbereichen von den typischen Luftschall- und/oder Körperschall-Geräuschbildern, also von den akustischen Signaturen, abweichen. Die abweichenden Teilbereiche der Luftschall- und/oder Körperschall-Geräuschbilder können ermittelt werden und dienen der weiteren Analyse des Zustands, inklusive eventueller Störungen und/oder Schäden, der Antriebskomponenten des Antriebsstrangs. Dazu kann die elektronische Auswerte-Einheit mindestens ein Programm mit einem speziellen Datenauswerte-Algorithmus ausführen, um den Zustand der Antriebskomponenten des Antriebsstrangs, wie beispielsweise Differenzial, Zahnradstufen (Verzahnungsstufen), Planetenstufe, anhand der durch den mindestens einen Sensor ermittelten Daten und Luftschall- und/oder Körperschall-Geräuschbilder zu beurteilen und erforderlichenfalls die notwendigen Handlungsempfehlungen abzuleiten. Des Weiteren erlaubt eine genaue Analyse der elektronischen Auswerte-Einheit der durch den mindestens einen Sensor aufgenommenen Signale neben der Überwachung des Verschleiß-Zustandes auch die Eingrenzung des Verursachers im Falle eines fehlerhaften Laufverhaltens oder eines sich ankündigenden Schadens, wodurch eine Schaden-Früherkennung möglich ist.
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Darüber hinaus kann der Verursacher des Problemzustands durch gezielte Auswertung von beispielsweise Modulationsfrequenzen im Luftschall- und/oder Körperschall-Geräuschbild meist sehr eng eingegrenzt werden.
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Gerade bei den relativ wartungsarmen Elektro- oder Hybridfahrzeugen erscheint eine dauerhafte Zustandsüberwachung (Smart Condition Monitoring) als sehr sinnvoll, da die Überprüfung durch Werkstatt-Fachpersonal, wie bei den deutlich häufigeren Fahrzeug-Inspektionen verbrennungsmotorisch angetriebener Fahrzeuge, nahezu wegfällt.
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Die erfindungsgemäße Anordnung kann in einer elektronischen Steuereinheit (im Englischen „electronic control unit“, abgekürzt mit „ECU“) der Fahrzeugsteuerung integriert sein.
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Das erfindungsgemäße Elektro- oder Hybridfahrzeug umfasst mindestens eine Anordnung mit mindestens einem Antriebsstrang mit mindestens einer Antriebskomponente gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungsformen.
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Die erfindungsgemäße Anordnung mit dem Antriebsstrang und den Sensoren kann in Elektro- oder Hybridfahrzeugen mit entsprechender Sensorik eingesetzt werden, um eine Verschleiß- beziehungsweise Schadens-Früherkennung an Komponenten des Antriebsstrangs, wie oben beschrieben, mittels akustischer Signaturen zu realisieren. Außerdem kann die akustische Signatur herangezogen werden, um den eigentlichen Verursacher des Problems zu lokalisieren, um so gezielte Reparatur-Maßnahmen einleiten zu können.
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Im Folgenden sollen Ausführungsbeispiele die Erfindung und ihre Vorteile anhand der beigefügten Figuren näher erläutern. Die Größenverhältnisse in den Figuren entsprechen nicht immer den realen Größenverhältnissen, da einige Formen vereinfacht und andere Formen zur besseren Veranschaulichung vergrößert im Verhältnis zu anderen Elementen dargestellt sind. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Ansicht eines Antriebstrangs eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs gemäß dem Stand der Technik;
- 2 einen Längsschnitt durch einen Ausschnitt eines Antriebstrangs eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs gemäß dem Stand der Technik;
- 3 einen Längsschnitt durch eine Anordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einem Antriebsstrang für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, wobei ein Körperschall-Sensor und ein Luftschall-Sensor vorgesehen sind;
- 4 ein beispielhaftes Diagramm für eine akustische Signatur, die mittels des Körperschall-Sensors der Anordnung gemäß 3 am Differenzial erfasst wurde, um eine eventuelle schadhafte Verzahnung des Differenzials zu ermitteln;
- 5 eine Detailansicht (Zoom) des Ausschnitts A aus 4;
- 6 ein beispielhaftes Diagramm für eine akustische Signatur, die mittels des Luftschall-Sensors der Anordnung gemäß 3 nahe dem Gehäuse erfasst wurde, um eine eventuelle schadhafte Verzahnung von Antriebskomponenten zu ermitteln;
- 7 ein beispielhaftes Diagramm für eine akustische Signatur des gesamten Antriebsstrangs mittels des mindestens einen Sensors der Anordnung gemäß 3, um schadhafte Antriebskomponenten zu ermitteln;
- 8 eine Detailansicht (Zoom) auf einen Ausschnitt aus 7, um eine eventuelle schadhafte Verzahnung der Planetenstufe zu ermitteln;
- 9 ein beispielhaftes schematisches Diagramm für die sinusförmige Anregung der Zahneingriffsfrequenz im Normalfall, wenn kein Schaden in der Planetenstufe vorliegt;
- 10 ein beispielhaftes schematisches Diagramm für die Zahneingriffsfrequenz in der Planetenstufe, die im Vergleich zu 9 aufgrund der Lagerkraft moduliert ist; und
- 11 eine schematische Ansicht der Planetenstufe, auf die eine Radialkraft aus Lagerung einwirkt.
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Für gleiche oder gleich wirkende Elemente der Erfindung werden identische Bezugszeichen verwendet. Ferner werden der Übersicht halber nur Bezugszeichen in den einzelnen Figuren dargestellt, die für die Beschreibung der jeweiligen Figur erforderlich sind. Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich auf eine erfindungsgemäße Ausführungsform der Anordnung, bei der genau zwei Sensoren, nämlich ein Körperschall-Sensor und ein Luftschall-Sensor vorgesehen sind. Dies soll jedoch in keinster Weise als Beschränkung der Erfindung aufgefasst werden. Es kann nur einer oder es können mehr als zwei Sensoren gleicher oder unterschiedlicher Art verwendet werden.
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1 zeigt eine schematische Ansicht eines Antriebsstrangs 100 gemäß dem Stand der Technik mit diversen Antriebskomponenten, wie nachfolgend kurz erläutert wird. Die Antriebskomponenten sind einer Leistungselektronik 2 (E-Maschine) nachgeschaltet. Die Leistungselektronik 2 ist an eine Hochvolt-Batterie (HV-Batterie) 1 angeschlossen.
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1 zeigt aus Gründen der einfachen Veranschaulichung nur einen Teil der üblicherweise in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug (nicht dargestellt) angeordneten Antriebskomponenten, wie eine Kupplung (Nasskupplung) 7, einen elektrischen Kupplungsaktuator (ECA) 8, ein Planetengetriebe 4, ein Differenzial 3 (Kompakt-Differenzial), eine Bremse 6 (Bandbremse), die zusammen ein Rad 5 antreiben.
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2 zeigt einen Längsschnitt durch einen Ausschnitt eines Antriebstrangs 100 gemäß dem Stand der Technik mit diversen Antriebskomponenten, wie eine Kupplung (Nasskupplung) 7, einen elektrischen Kupplungsaktuator (ECA) 8, ein Planetengetriebe 4, ein Differenzial 3 (Kompakt-Differenzial), eine Bremse 6 (Bandbremse), einen Stator 10, einen Rotor 11, mindestens eine Antriebswelle 12 (bspw. dreiteilig), einen Abtriebsstufe 13 und eine Planetenstufe 14, die zusammen ein Rad 5 antreiben. Es sind auch UVW-Anschlüsse 9 vorgesehen. Die Antriebskomponenten sind von einem Gehäuse 15 umgeben. Obige Aufzählung stellt keine vollständige Aufzählung aller Antriebskomponenten des Antriebsstrangs 100 dar, sondern sie sind nur exemplarisch dargestellt.
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3 zeigt einen Längsschnitt durch eine Anordnung 200 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einem Antriebsstrang 100 für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug (nicht dargestellt), wobei ein Körperschall-Sensor 20 und ein Luftschall-Sensor 21 vorgesehen sind.
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Die erfindungsgemäße Anordnung 200 zum Überwachen des Zustands mindestens einer Antriebskomponente 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 (siehe auch 1 und 2) eines Antriebsstrangs 100 des Elektro- oder Hybridfahrzeugs umfasst mindestens einen Sensor 20, 21 zum Aufnehmen von Schall-Geräuschen der mindestens einen Antriebskomponente 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, wobei der mindestens eine Sensor 20, 21 im Schallbereich der mindestens einen Antriebskomponente 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 angeordnet ist, und eine elektronische Auswerte-Einheit 30 zum Auswerten der mittels des mindestens einen Sensors 20, 21 aufgenommenen Schall-Geräusche anhand einer vorgegebenen akustischen Signatur der mindestens einen Antriebskomponente 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14. Die elektronische Auswerte-Einheit 30 ist kommunikativ mit dem mindestens einen Sensor 20, 21 verbunden.
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Die erfindungsgemäße Anordnung kann NVH („Noise, Vibration, Harshness“, deutsch: Geräusch, Vibration, Rauheit) -Signale von entweder fahrzeugeigenen oder nachgerüsteten Sensoren nutzen, die als Luftschallsensor oder Körperschallsensor in der Nähe des Antriebsstrangs 100 oder im Fahrzeuginnenraum angeordnet sein können. In der Ausführungsform nach 3 sind ein Körperschall-Sensor 20 zum Ermitteln von Körperschall-Geräuschen der mindestens einen Antriebskomponente 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 und ein Luftschall-Sensor 21 zum Ermitteln von Luftschall-Geräuschen der mindestens einen Antriebskomponente 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 vorgesehen.
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Die Antriebskomponenten geben einen Körperschall ab, so dass sich mindestens ein Körperschall-Pfad 201 zumindest zwischen Teilen des Gehäuses 15 ausbildet und entsprechende Körperschall-Geräusche bzw. -Signale an den Körperschall-Sensor 20 weitergeleitet werden. Dazu kann der Körperschall-Sensor 20 im oder am Gehäuse 20 angeordnet sein.
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Die Antriebskomponenten geben zudem einen Luftschall ab, so dass sich mindestens eine Luftschall-Abstrahlung 211 von zumindest einem Teil der Antriebskomponenten und/oder des Gehäuses 15 ausbreitet, beispielsweise, wie in 3 dargestellt, vom E-Motorgehäuse und vom Getriebegehäuse. Über die Luftschall-Abstrahlung 211 werden entsprechende Luftschall-Geräusche bzw. -Signale an den Luftschall-Sensor 21 weitergeleitet. Dazu kann der Luftschall-Sensor 20 außerhalb des Gehäuses 20 angeordnet sein, insbesondere mit einem Abstand größer Null zum Gehäuse 20.
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Wie oben bereits erwähnt, ist für einen Fachmann ist offensichtlich, dass andere oder weitere, in 3 nicht dargestellte Antriebskomponenten des Antriebsstrangs 100 durch den mindestens einen Sensor 20, 21 überwacht werden können, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen. Wie oben ebenfalls bereits erwähnt, ist zudem für einen Fachmann offensichtlich, dass andere oder weitere hier nicht erwähnte und nicht dargestellte Sensoren verwendet werden können, die Signale von Antriebskomponenten aufnehmen, welche Signale zur Überwachung der mindestens einen Antriebskomponente an die elektronische Auswerte-Einheit 30 weitergeleitet und dort ausgewertet werden, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen.
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Wenn sich durch einen Materialfehler, falsche Bauteiltoleranzen oder erhöhten Verschleiß das Laufverhalten, beispielsweise von Zahnradstufen im Getriebe eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs, verändert, so kann die erfindungsgemäße Anordnung 200 diese Zustandsveränderung sicher erkennen, siehe hierzu 4 bis 8, was diese Erkennung für die Verzahnung des final drive (Endantrieb) sowohl mittels Körperschall- als auch mittels Luftschall-Sensorik mittels der entsprechenden Sensoren 20, 21 oder anderer passender Sensoren zeigt. Durch einen Hinweis an einen Fahrzeug-Bordcomputer kann eine Überprüfung beziehungsweise Instandsetzung in der Fachwerkstatt erfolgen, bevor ein Totalausfall mit gravierenderen Folgen oder ein Liegenbleiben des Elektrofahrzeugs auf der Straße entsteht.
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Beispielsweise zeigt 4 ein beispielhaftes Diagramm für eine akustische Signatur, die mittels des Körperschall-Sensors 20 gemäß 3 am Differenzial 3 erfasst wurde, um eine eventuelle schadhafte Verzahnung des Differenzials 3 zu ermitteln. 5 zeigt eine Detailansicht (Zoom) des Ausschnitts A aus 4, um die eventuelle schadhafte Verzahnung insbesondere beim Zahneingriff des Endantriebs (final drive) besser zu erkennen. Auch die einzelnen Ordnungen der E-Maschine sind zu erkennen.
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6 zeigt ein beispielhaftes Diagramm für eine akustische Signatur, die mittels des Luftschall-Sensors 21 gemäß 3 nahe dem Getriebegäuse 15 erfasst wurde, um eine eventuelle schadhafte Verzahnung von Antriebskomponenten zu ermitteln, insbesondere des Endantriebs. Auch hier sind zudem die einzelnen Ordnungen der E-Maschine zu erkennen.
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In 7 ist exemplarisch die akustische Signatur eines gesamten Fahrzeugantriebs 100 mittels des mindestens einen Sensors der erfindungsgemäßen Anordnung 200 am Beispiel eines elektromotorisch angetriebenen Fahrzeugs dargestellt. Darin gekennzeichnet und deutlich erkennbar ist die kausale Zuordnungsmöglichkeit der einzelnen Geräuschanteile, hier exemplarisch zu einem Frequenzumrichter, zu den einzelnen Ordnungen der Planetenstufe 14 und zu den einzelnen Ordnungen der E-Maschine.
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Schadhafte oder nicht einwandfrei laufende Verzahnungen fallen je nach Schadensbild dadurch auf, dass sich ihre Zahneingriffsfrequenzen auf unterschiedliche Art in ihrem Pegel erhöhen. Am Verhältnis der auftretenden Höherharmonischen der Wellendrehfrequenz oder der Zahneingriffsfrequenz kann auf Ursachen wie falscher Achsabstand oder Einzelzahnschaden rückgeschlossen werden, basierend auf Erfahrungen hierzu.
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So kann beispielsweise durch die Analyse ordnungsgefilterter Hüllkurven eine auftretende Modulationsfrequenz wie im Falle des oben genannten elektromotorisch angetriebenen Fahrzeugs ermittelt werden, was sich eindeutig einer unzulässig hohen Wellenverlagerung in der Planetenstufe 14 zuordnen lässt und die unzureichende Lagerung als Verursacher identifiziert hat.
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Die entsprechende Handlungsempfehlung (beispielsweise sofortiger Werkstattbesuch oder Hinweis zur Überprüfung bei nächster Inspektion) kann dem Fahrer über den Bordcomputer angezeigt und/oder im Fehlerspeicher abgelegt werden.
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Die Signalanalyse mit den geeigneten Auswertealgorithmen kann als Software in einem ECU („electronic control unit“) der Fahrzeugsteuerung hinterlegt werden.
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8 zeigt eine Detailansicht (Zoom) auf einen Ausschnitt aus 7, um eine eventuelle schadhafte Verzahnung der Planetenstufe 14 noch besser zu ermitteln. Insbesondere sind nun die Seitenbänder der Zahneingriffsfrequenz deutlich sichtbar.
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Ergänzend zu den 7 und 8 zeigt 9 ein beispielhaftes schematisches Diagramm für die sinusförmige Anregung der Zahneingriffsfrequenz im Normalfall, wenn kein Schaden in der Planetenstufe 14 vorliegt. Dagegen zeigt 10 ein beispielhaftes schematisches Diagramm für die Zahneingriffsfrequenz in der Planetenstufe 14, die im Vergleich zu 9 aufgrund der Lagerkraft moduliert ist, und zwar aufgrund der Lagerkraft, wobei die Zahneingriffsfrequenz aus den Seitenbändern detektiert ist. 11 zeigt eine schematische Ansicht der Planetenstufe 14, auf die eine Radialkraft Fr aus Lagerung einwirkt.
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Die vorliegende Anmeldung wurde mit Bezug auf eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben. Für einen Fachmann ist jedoch offensichtlich, dass Modifikationen und Abwandlungen vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Hochvolt-Batterie (HV-Batterie)
- 2
- Leistungselektronik
- 3
- Differenzial (Kompakt-Differenzial)
- 4
- Planetengetriebe
- 5
- Rad
- 6
- Bremse (Bandbremse)
- 7
- Kupplung (Nasskupplung)
- 8
- elektrischer Kupplungsaktuator (ECA)
- 9
- UVW-Anschlüsse
- 10
- Stator
- 11
- Rotor
- 12
- Antriebswellen (3-teilig)
- 13
- Abtriebsstufe
- 14
- Planetenstufe
- 15
- Gehäuse
- 20
- Körperschall-Sensor
- 201
- Körperschall-Pfad
- 21
- Luftschall-Sensor
- 211
- Luftschall-Abstrahlung
- 30
- elektronische Auswerte-Einheit
- 100
- Antriebsstrang (Antriebsaggregat)
- 200
- Anordnung
- A
- Ausschnitt
- Fr
- Radialkraft aus Lagerung auf Zahnräder der Planetenstufe
