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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines durch einen Elektromotor mit einer Motorsteuerung angetriebenen Getriebes.
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Elektromotoren mit Getrieben der in Rede stehenden Art kommen insbesondere im industriellen Umfeld für eine Vielzahl von Anwendungen zum Einsatz. Derartige Kombinationen aus Motor, Getriebe und Motorsteuerung werden im Folgenden vereinfachend als Antriebe bezeichnet. Hierbei werden durch derartige Antriebe oftmals Aufgaben erfüllt, die für den jeweiligen industriellen Prozess, in den diese Antriebe eingebunden sind, essenziell sind. Das heißt, dass bei einem Ausfall des Antriebs nicht nur lediglich die Kosten für die Reparatur und/oder den Austausch des Antriebs selber anfallen, sondern für die Betreiber der Antriebe auch weitere - und weitaus grö-ßere - Schäden entstehen können. Dies kann insbesondere dann der Fall sein, wenn es aufgrund des Antriebsversagens zu Produktionsausfällen kommt.
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In der Vergangenheit sind daher bereits Methoden zur Auslegung entsprechender Antriebe entwickelt worden, sie sicherstellen sollen, dass es nicht zu einem vorzeitigen Antriebsversagen, d.h. insbesondere zu einem Versagen des Antriebs vor dessen planmäßiger Lebensdauer kommt.
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Darüber hinaus existieren Verfahren, nach denen die Betriebsparameter derartiger Antriebe überwacht werden, um im jeweiligen Einsatzfall rechtzeitig vor einem möglichen erhöhten Verschleiß und einem gegebenenfalls daraus resultierenden vorzeitigen Versagen des Antriebs zu warnen. Die überwachten Betriebsparameter können beispielsweise Drehzahlen, Drehmomente und/oder Betriebszeiten sein.
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Dennoch kann es in der Praxis nach wie vor zu einem vorzeitigen Antriebsversagen kommen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Überwachung eines durch einen Elektromotor mit einer Motorsteuerung angetriebenen Getriebes zur Verfügung zu stellen, das die Gefahr eines vorzeitigen Versagens des Antriebs reduziert und/oder eine das Getriebe schonendere Betriebsweise ermöglicht.
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Die Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Merkmale der abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausführungsformen.
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Erfindungsgemäß sieht das Verfahren vor, dass Lastwechsel mit Nulldurchgang des Drehmoments überwacht werden. Hierbei wird zur Überwachung der Lastwechsel wenigstens ein Betriebsparameter des Elektromotors und/oder der Motorsteuerung gemessen und/oder ausgewertet.
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Dem Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass Lastwechsel mit Nulldurchgang, d.h. Lastwechsel, bei denen sich die Richtung des Drehmoments, das der Antrieb auf das Getriebe ausübt, ändert, in besonderem Maße zum Verschleiß des Getriebes beitragen können. Bei dem Getriebe kann es sich insbesondere um ein Zahnradgetriebe handeln.
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Dies betrifft insbesondere den Fall, wenn das Getriebe eine sogenannte Lose aufweist. Hierunter versteht man insbesondere ein Getriebespiel, das dazu führt, dass die Zahnflanken im Getriebe bei dem Lastwechsel kurze Zeit den Kontakt miteinander verlieren, wenn sich die Richtung des vom Motor auf das Getriebe ausgeübten Drehmoments ändert. Erst wenn die Zahnflanken wieder miteinander in Eingriff gelangen, überträgt das Getriebe das Drehmoment wieder auf die durch das Getriebe angetriebene Einrichtung. Dies führt dazu, dass der Motor im Moment des Lastwechsels für einen kurzen Moment eine weitaus geringere Last bewältigen muss, als im Betrieb vor und nach dem Lastwechsel, für den die Regelung bzw. Steuerung des Moros für gewöhnlich ausgelegt ist. In diesem kurzen Moment muss der Motor lediglich Teile seiner selbst bewegen. Dies kann dazu führen, dass die Zahnflanken während sie außer Eingriff sind eine gewisse Relativgeschwindigkeit zueinander aufbauen und infolge dessen, wenn sie wieder miteinander in Eingriff gelangen, mit einer gewissen Wucht aneinander schlagen. Dies führt zum Verschleiß der Zahnflanken, was wiederum zur weiteren Vergrößerung des Getriebespiels bzw. der Lose beiträgt.
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Ein derartiger erhöhter Verschleiß bei Lastwechseln kann jedoch ebenfalls bei Getrieben ohne Getriebespiel, wie beispielsweise vorgespannten Getrieben, insbesondere vorgespannten Planetengetrieben, vorkommen. Bei derartigen Getrieben können die Zahnflanken nicht außer Eingriff gelangen. Dennoch entstehen bei Lastwechseln mit einem Nulldurchgang des Drehmoments des Motors erhöhte Beanspruchungen des Getriebes. In diesen Fällen führt der Lastwechsel zu einer erhöhten Pressung zwischen den Flächen der Zahnflanken, was ebenfalls zu erhöhtem Verschleiß und damit zur vorzeitigen Alterung des Getriebes führt.
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Das Verfahren kann vorsehen, dass die Überwachung der Lastwechsel genutzt wird, um kritische Betriebszustände zu erkennen und insbesondere zu signalisieren. Dies ermöglicht es beispielsweise, dass im Rahmen einer Inbetriebnahme erkannt wird, wenn ein Getriebe durch Lastwechsel im späteren Betrieb stärker beansprucht werden wird, als es die Auslegung des Getriebes zulässt. So kann beispielsweise beim Auftreten kritischer Betriebszustände ein optisches und/oder akustisches Signal ausgegeben werden. In einem derartigen Fall kann dann beispielsweise durch eine Änderung von Regelungsparametern, insbesondere von Regelungsparametern der Motorsteuerung, eine getriebeschonendere Betriebsweise herbeigeführt werden. Die Signalisierung kritischer Betriebszustände ist jedoch nicht nur während der Inbetriebnahme möglich, sie kann auch während des späteren Betriebes erfolgen. Dies ist insbesondere in Anwendungsfällen sinnvoll, bei denen die durch die Antriebe durchzuführenden Bewegungen während des Betriebs stark variieren. Dies kann beispielsweise bei manuell angesteuerten Antrieben der Fall sein. In solchen Fällen warnt eine Signalisierung kritischer Betriebszustände das Bedienpersonal, so dass dieses auf die Betriebsweise der Antriebe im Hinblick auf eine Schonung des Getriebes bei den Lastwechseln Einfluss nehmen kann.
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Alternativ und/oder ergänzend kann die Überwachung der Lastwechsel dazu genutzt werden, die Belastung und/oder den Verschleiß des Getriebes zu protokollieren. Dies kann insbesondere dadurch erfolgen, dass Daten, die bei der Messung des wenigstens einen Betriebsparameters des Elektromotors und dessen Auswertung gewonnen werden, gespeichert werden. Diese Daten ermöglichen Rückschlüsse auf Art und/oder Umfang der Belastung und/oder des Verschleißes des Getriebes. Auf diese Weise wird eine rückwirkende Fehleranalyse ermöglicht. Die Daten können insbesondere in einem sogenannten elektronischen Logbuch gespeichert werden. Die so gewonnenen Daten können auch ausgewertet werden, um sie bei der Auslegung von Antrieben zu nutzen. Auch können Wartungs- und/oder Reparaturarbeiten durch diese Daten unterstützt werden, beispielsweise indem auf einen erhöhten Verschleiß rechtzeitig im Rahmen eines planmäßigen Wartungsintervalls reagiert werden kann, bevor es zum Versagen des Antriebs während dem Betrieb kommt.
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Alternativ und/oder ergänzend kann die Überwachung genutzt werden, um einen automatisierten Betriebseingriff auszulösen. Bei dem automatisierten Betriebseingriff kann es sich um eine Notabschaltung handeln. Eine derartige Notabschaltung kann in letzter Konsequenz insbesondere die Entstehung von Folgeschäden verhindern. Ebenfalls ist es möglich, dass der automatisierte Betriebseingriff zunächst eine Anpassung der Betriebsweise vorsieht, beispielsweise indem Antriebe zum Zeitpunkt der Lastwechsel mit geringeren Geschwindigkeits- oder Drehmomentgradienten angesteuert werden. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass eine Art „Schonbetrieb“ in Abhängigkeit von der Überwachung der Lastwechsel ausgelöst wird.
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Bei dem Betriebsparameter des Elektromotors oder der Motorsteuerung, der gemessen wird, kann es sich um das Drehmoment, die Motorposition, die Drehzahl, die Spannung, den Strom und/oder die Leistung handeln. Die Messung des Betriebsparameters im Bereich des Elektromotors und/oder der Motorsteuerung hat den Vorteil, dass im Bereich der Motorsteuerung und/oder des Elektromotors - im Gegensatz zum Bereich des Getriebes - bereits eine gewisse messtechnische Infrastruktur vorhanden ist. In der Regel ist wenigstens eine geeignete Spannungsversorgung und/oder Verkabelung vorhanden. Regelmäßig weisen Elektromotor und/oder Motorsteuerung auch bereits die für die Messung des Betriebsparameters notwendige Sensorik auf, da diese beispielsweise zu Regelungszwecken vorhanden ist.
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Insbesondere die zeitabhängigen Verläufe der vorgenannten Betriebsparameter lassen sich im Hinblick auf das Getriebespiel auswerten. So lässt sich beispielsweise bei der Überwachung der Motorposition der Positionsfehler ermitteln, d.h. die Abweichung der realen Motorposition von der Motorposition, die sich aus einer idealen, d.h. ideal steifen und ohne jegliches Spiel ausgeführten, Antriebsstrecke ergeben würde. Kommt es zu Änderungen der Drehrichtung des Motors und weist das Getriebe ein Getriebespiel auf, so entstehen hierfür charakteristische Sprungstellen im Verlauf des Positionsfehlers.
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Alternativ und/oder ergänzend kann beispielsweise der zeitabhängige Verlauf von Drehmoment und Motorposition gemessen und in Abhängigkeit voneinander ausgewertet werden. Unmittelbar nach der Umkehr der Drehrichtung des Motors beim Lastwechsel wird das Drehmoment aufgrund des Getriebespiels zunächst niedrig sein und in dem Moment stark ansteigen, in dem die Zahnflanken miteinander in Eingriff gelangen. Aus dem Winkel, aus dem sich der Motor vor dem Einsetzen des steilen Drehmomentanstiegs gedreht hat, lassen sich ebenfalls Rückschlüsse auf das Getriebespiel ziehen.
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Insbesondere ist es möglich, dass die Anzahl der Lastwechsel überwacht wird. Die Anzahl der Lastwechsel kann als Maß für die mechanische Belastung des Getriebes dienen. Dies kann insbesondere dann eine vorteilhafte Ausbildung des Verfahrens sein, wenn sich die Lastwechsel hinsichtlich der aus ihnen resultierenden mechanischen Belastung des Getriebes nur in einem geringen Maße voneinander unterscheiden. Insbesondere kann die Überschreitung einer vorgegebenen Anzahl von Lastwechseln als kritischer Betriebszustand erkannt werden. Der erkannte kritische Betriebszustand kann signalisiert werden.
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Es kann die Frequenz der Lastwechsel überwacht werden. Dabei kann es sich bei der Frequenz der Lastwechsel um die momentane Frequenz der Lastwechsel handeln, die sich beispielsweise aus den Zeitabständen zum jeweils folgenden Lastwechsel errechnen lässt. Alternativ und/oder ergänzend kann eine über einen gewissen Zeitraum gemittelte Frequenz betrachtet werden. Eine gemittelte Frequenz kann beispielsweise auch dadurch bestimmt werden, indem die Anzahl der Lastwechsel über einen bestimmten Zeitraum erfasst und als Frequenz der Lastwechsel überwacht wird. Eine höhere Frequenz der Lastwechsel bringt entsprechend eine höhere mechanische Belastung des Getriebes mit sich. Die Überschreitung einer vorgegebenen Frequenz kann als kritischer Betriebszustand erkannt und signalisiert werden.
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Weiterhin kann das Getriebespiel überwacht werden. Das Getriebespiel kann als Maß für den bereits vorhandenen Verschleiß des Motors betrachtet werden. Dementsprechend kann die Überschreitung eines vorgegebenen Getriebespiels als kritischer Betriebszustand erkannt und signalisiert werden.
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In diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, wenn die Überwachung des Getriebespiels wie vorstehend beschrieben durch die Überwachung des zeitabhängigen Verlaufs des Motordrehmoments in Abhängigkeit von dem zeitabhängigen Verlauf der Motorposition erfolgt. Ebenfalls ist es möglich, dass der zeitabhängige Drehmomentgradient zum Zeitpunkt des Nulldurchgangs des Drehmoments überwacht wird. Kommt es zu einer Überschreitung eines vorgegebenen Drehmomentgradienten, so kann dieser als kritischer Betriebszustand erkannt und signalisiert werden.
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Die Motorposition lässt sich beispielsweise mittels eines Drehgebers ermitteln. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der Motor - wie häufig üblich - ohnehin mit einem Drehgeber ausgestattet ist. Das Drehmoment kann in vorteilhafter Weise aus den elektrischen Betriebsparametern des Motors - insbesondere Spannung und/oder Stromstärke - gewonnen werden. Auf diese Weise ist die Ermittlung der für die Überwachung der Lastwechsel genutzten Betriebsparameter in vergleichsweise einfacher Weise möglich.
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Weiterhin kann aus dem Ergebnis der Überwachung der Lastwechselanzahl, der Lastwechselfrequenz, dem Getriebespiel und/oder dem Drehmomentgradienten ein Kennwert für die Belastung und/oder den Verschleiß des Getriebes ermittelt werden. Ein solcher Kennwert kann unterschiedliche Faktoren für den Verschleiß des Getriebes berücksichtigen, so dass insgesamt ein genaueres Maß für den Verschleiß des Getriebes erhalten wird, als es bei der Überwachung nur eines der vorstehend genannten verschleißrelevanten Faktoren der Fall ist. Die Überschreitung eines vorgegebenen Werts durch diesen Kennwert kann als kritischer Betriebszustand erkannt und signalisiert werden.
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Bei der Ermittlung des Kennwerts für die Belastung und/oder den Verschleiß des Getriebes kann eine Energiebilanz genutzt werden. So kann für einen „Stoß“, der im Rahmen eines Lastwechsels in einem Getriebe auftritt, die Differenz zwischen der kinetischen Energie im System vor und nach diesem Stoß berechnet werden. Diese Differenz kann - zumindest in guter Näherung - als Maß für die bei dem Stoß für plastische Materialverformungen aufgewendete Energie dienen.
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Die Steuerung des Elektromotors kann durch einen Umrichter erfolgen. Betriebsparameter wie Spannung und/oder Stromstärke können dann bereits am Umrichter gemessen werden. Auch weisen moderne Umrichter zur Steuerung von Elektromotoren die entsprechende Steuerungs- und/oder Regelungselektronik auf, die so in die Durchführung des beschriebenen Verfahrens eingebunden werden kann.
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Das Verfahren kann vorsehen, dass der wenigstens eine Betriebsparameter unter Berücksichtigung des von einem jeweiligen Lastwechsel betroffenen Bereichs eines Getriebeelements ausgewertet wird. Dies ist insbesondere immer dann sinnvoll, wenn die Lastwechsel mit einer statistischen Häufung immer dann erfolgen, wenn die Elemente des Getriebes in einer bestimmten Position zueinander stehen. Dann befinden sich Elemente des Getriebes, wie beispielsweise Zahnräder, statistisch gehäuft in bestimmten Bereichen miteinander in Eingriff. Diese Bereiche sind dann einem erhöhten Verschleiß ausgesetztals andere Bereiche der betroffenen Getriebelemente.
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Von daher kann es sinnvoll sein, Winkelpositionen einzelner Getriebeelemente und/oder des Motors zu erfassen. Der wenigstens eine Betriebsparameter kann dann in Abhängigkeit von dieser Position bzw. von diesen erfassten Positionen ausgewertet werden. Dies ermöglicht es, die von einem erhöhten Verschleiß aufgrund der Lastwechsel betroffenen Bereiche der jeweiligen Getriebeelemente zu identifizieren.
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Bei den Getriebeelementen kann es sich um Zahnräder handeln. Im Idealfall ist es dann möglich, die einzelnen Zähne, die von einem jeweiligen Lastwechsel betroffen sind, zu identifizieren. Zu diesem Zweck können insbesondere die Winkelposition der Motorwelle und/oder die Winkelposition einer Welle des Getriebes erfasst werden. Der wenigstens eine Betriebsparameter kann dann in Abhängigkeit von dem jeweiligen Betroffenen Zahn ausgewertet werden. Dies ermöglicht insbesondere dann, die Lebensdauer eines Getriebes besser einzuschätzen, wenn das Getriebe an der Durchführung von sich wiederholenden Bewegungsmustern mit häufigen Lastwechsen beteiligt ist.
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Letzteres kann insbesondere dann der Fall sein, wenn es sich bei dem Getriebe um ein Bestandteil eines Industrieroboters handelt. Bei Anwendungen in Industrierobotern vollführen die Antriebe selten ganze Umdrehungen. Sie drehen vielmehr häufig nur unbegrenzte Winkelbereiche. Dies gilt ebenfalls im Bereich der Automatisierungstechnik. Auch hier fallen eine Vielzahl von Antriebsaufgaben an, bei denen die Antriebe immer wieder die gleichen Bewegungen vollführen und dabei in Relation zum insgesamt zurückgelegten Weg eine hohe Anzahl Lastwechsel vollführen.
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Bei all diesen Anwendungen wird, wenn immer wieder die gleichen Zähne eines Getriebes von den Lastwechseln betroffen sind, ein wesentlich rascherer Verschleiß stattfinden, als bei einem Getriebe, bei dem sich die Beanspruchung der Zähne durch Lastwechsel zufällig und damit gleichmäßig über sämtliche Zähne verteilt. Daher ist eine Auswertung unter Berücksichtigung der von einem jeweiligen Lastwechsel betroffenen Bereiche von Getriebeelementen gerade bei derartigen Anwendungen von Vorteil.
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Weitere praktische Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung sind nachfolgend im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
- 1 den Verlauf des Getriebespiels in Abhängigkeit von der Anzahl der Lastwechsel;
- 2 einen beispielhaften Verlauf der Motorposition und des aus dem Getriebespiel resultierenden Positionsfehlers;
- 3 einen beispielhaften Verlauf der Lastposition während eines Abbremsvorgangs;
- 4 einen beispielhaften Verlauf von Motorposition, Lastposition und Motordrehmoment während zweier Lastwechsel.
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In 1 ist beispielhaft die Entwicklung des Getriebespiels 10 in Abhängigkeit von der Anzahl der Lastwechsel aufgetragen. Der Verlauf des Getriebespiels 10 zeigt typischerweise ein - zumindest im Wesentlichen - exponentielles Verhalten. Das Getriebespiel 10 bleibt über den größten Teil der Lebensdauer eines Getriebes weitgehend konstant. Gegen Ende der Lebensdauer des Getriebes kommt es hingegen zu einem steilen Anstieg des Getriebespiels 10. Dies liegt daran, dass mit zunehmendem Getriebespiel 10 die Belastung des Getriebes durch Lastwechsel und damit die daraus resultierende Schädigung des Getriebes zunimmt. Es resultiert ein sich selbst verstärkender Prozess, der schlussendlich zur Zerstörung des Getriebes führt.
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In der Praxis ist es daher sinnvoll, den Zeitpunkt zu kennen, an dem der vergleichsweise steile Anstieg des Getriebespiels 10 und damit die immer schneller fortschreitende Zerstörung des Getriebes einsetzt. Da es in der Praxis von Vorteil ist, es nicht bis zur Zerstörung des Getriebes kommen zu lassen, sondern vielmehr zu einem früheren Zeitpunkt eine planmäßige Wartung bzw. einen planmäßigen Austausch des Getriebes zu veranlassen, bietet sich so die Möglichkeit, die Überschreitung eines bestimmten, maximal zulässigen Getriebespiels 10 als das Ende der Lebensdauer 14 des Getriebes zu definieren.
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In besonders vorteilhafter Weise können die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gewonnenen Erkenntnisse über die Abhängigkeit der Lebensdauer des Getriebes von den Lastwechseln genutzt werden, um zukünftige Antriebe auszulegen. Hierbei können insbesondere Software-Lösungen zum Einsatz kommen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gewonnene Daten, insbesondere über den Einfluss der Lastwechsel auf die Lebensdauer des Getriebes, können so genutzt werden, um die Planung zukünftiger Antriebe zu verbessern.
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In 2 ist dargestellt, wie sich die Motorposition 16 und der sich aus dem Getriebespiel 10 ergebende Positionsfehler 20 in Abhängigkeit von der Zeit verhalten. Der zeitliche Verlauf der Motorposition 16 weist im dargestellten Beispiel drei Umkehrpunkte 18 der Bewegungsrichtung des Motors auf. Diese werden durch Maxima im Verlauf der Motorposition 16 repräsentiert.
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Der Verlauf des Positionsfehlers 20 in Abhängigkeit von der Zeit zeigt an den Umkehrpunkten 18 regelrechte Sprungstellen 22. Diese resultieren aus dem Getriebespiel 10, wenn die Zahnflanken im Moment des Nulldurchgangs des Drehmoments des Elektromotors kurzzeitig außer Eingriff gelangen und anschließend wieder gegeneinanderschlagen. Die „Höhe“ dieser Sprungstellen 22 repräsentiert das Getriebespiel 10.
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Zu weiteren Lastwechseln mit Nulldurchgang des Motordrehmoments kommt es bei Übergängen 24 zwischen antreibendem und bremsendem Betrieb des Motors, ohne dass sich hierbei die Drehrichtung des Motors ändert. Bei dem beispielhaft gezeigten Übergang 24 findet eine kurze „Zwischenbremsung“ über den Motor statt. Infolge dessen gelangen die Zahnflanken aufgrund der Massenträgheit des Getriebes kurze Zeit außer Eingriff, bis die bremsende Wirkung des Motors einsetzt. Im gezeigten Beispiel schließt sich an die kurze Abbremsung unmittelbar ein erneuter Lastwechsel an, bei dem ein Übergang 26 von der bremsenden Betriebsweise des Motors in eine antreibende erfolgt. Infolge dessen bildet sich zwischen den Übergängen 24 und 26 ein Peak 28 des Positionsfehlers 20 aus.
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Beim Peak 28, der aus einer kurzen „Zwischenabbremsung“ resultiert, handelt es sich - strenggenommen - um zwei unmittelbar aufeinander folgende Sprungstellen 22, wie sie auch an den Umkehrpunkten 18 auftreten. Da es sich im vorliegenden Fall um eine sehr kurze Zwischenabbremsung handelt, auf die unmittelbar wieder eine Antriebsphase folgt, zeigen diese beiden Sprungstellen 22 die Gestalt des Peaks 28. Würde die Abbremsphase zwischen den Übergängen 24 und 26 längere Zeit andauern, so würden sich statt des Peaks 28 zwei Sprungstellen 22 im Verlauf des Positionsfehlers 20 ausprägen.
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Anders stellt sich das Szenario dar, wenn die Bewegung des Motors lediglich eine Beschleunigung 30 in Bewegungsrichtung des Motors erfährt. In diesem Fall kommt es zwar zu einem starken Anstieg des Drehmomentes, der Verlauf des Drehmoments erfährt jedoch keinen Nulldurchgang, das heißt, es liegt kein Lastwechsel vor. Entsprechend kommt es auch nicht zu einer Sprungstelle 22 im Verlauf des Positionsfehlers 20.
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In 3 ist beispielhaft dargestellt, wie sich die Position der Last aufgrund eines vorhandenen Getriebespiels verhält. Das Getriebespiel 32 entspricht der Differenz zwischen einer Maximalposition 34 und eine Minimalposition 36. Die durch den Antrieb bewegte Last kann eine Position zwischen der durch die Motorposition vorgegebenen Maximalposition 34 und der ebenfalls durch die Motorposition vorgegebenen Minimalposition 36 annehmen. Sowohl im Fall der Maximalposition 34 als auch im Fall der Minimalposition liegen Zahnflanken des Getriebes aneinander an.
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Der in 3 beispielhaft dargestellte Bewegungsablauf zeigt einen Lastwechsel in Gestalt der Abbremsung einer Last, die sich zunächst mit einer konstanten Ausgangsgeschwindigkeit bewegt, durch den Motor. Entsprechend ist die Lastposition 38 zum Zeitpunkt 0 gleich der Minimalposition 36. Dies bedeutet, dass die Zahnflanken so aneinander liegen, dass eine die Last in positiver Bewegungsrichtung antreibende Kraft auf die Last übertragen werden könnte, nicht jedoch eine Abbremsende.
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Durch das Abbremsen ergibt sich ein flachere Verlauf der durch die Motorposition vorgegebenen Maximalposition 34 und der durch den Motor vorgegebenen Minimalposition 36 im Vergleich zu der Kurve der Lastposition 38, die Aufgrund der Ausgangsgeschwindigkeit der zunächst noch ungebremsten Last steiler verläuft. Die Zahnflanken gelangen zunächst außer Eingriff miteinander, bis die Lastposition 38 die Maximalposition 34 erreicht. An diesem Stoßpunkt 40 prallen die Zahnflanken aufeinander.
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Aufgrund des elastischen Anteils dieses Stoßes kommt es zur Umkehr der Bewegungsrichtung der Last, bis die Lastposition 38 im Stoßpunkt 41 wieder der Minimalposition 36 entspricht. Die Zahnflanken stoßen erneut aufeinander, es kommt zu erneuten Umkehr der Bewegungsrichtung der Last.
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Im weiteren Verlauf erreicht die Lastposition 38 erneut die Maximalposition 34. Aufgrund der durch die vorangegangenen Stöße bereits teilweise abgebauten Bewegungsenergie kommen die Zahnflanken im weiteren Verlauf der Bewegung zur in der Art zur Anlage, dass über die Zahnflanken eine abbremsende Kraft auf die Last übertragen werden kann. Die Lastposition 38 entspricht dann der Maximalposition 34. Das weitere Abbremsen der Last kann nun ohne weitere Stöße erfolgen.
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In 4 ist ein beispielhafter Verlauf der Motorgeschwindigkeit 42 eines Motors sowie der Lastgeschwindigkeit 44 einer angetriebenen Last dargestellt. Das zweite Diagramm in 4 zeigt den zugehörigen Verlauf des Motordrehmoments 46. Die Zeitachsen beider Diagramme sind identisch.
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Im gezeigten Beispiel findet ein erster Lastwechsel 48 statt, wenn der Motor aus einer Ruhelage beschleunigt wird. Hierbei steigt das Motordrehmoment 46 zunächst nur leicht an, wenn die Motorgeschwindigkeit 42 anzusteigen beginnt. Im gezeigten Beispiel befinden sich Zahnflanken zunächst nicht in Kontakt miteinander, daher bleibt die Lastgeschwindigkeit 44 zunächst bei 0. Erst wenn die Zahnflanken miteinander in Kontakt gelangen beginnt die Lastgeschwindigkeit 44 der Last sprunghaft anzusteigen. Ebenso steigt das Drehmoment sprunghaft an.
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Durch den Stoß der Zahnflanken aneinander und dessen elastische Komponente wird die Last so stark beschleunigt, dass die Zahnflanken zunächst wieder außer Eingriff gelangen. Die Lastgeschwindigkeit 44 „überholt „für einen kurzen Moment die Motorgeschwindigkeit 42, bis die Zahnflanken in einem weiteren Stoß aneinanderschlagen. Durch diesen wird die Lastgeschwindigkeit 44 zunächst gesenkt, die Last folglich abgebremst, wodurch sich das Motordrehmoment 46 schlagartig ändert und für den Moment des Aufpralls der Zahnflanken sogar negative Werte annimmt.
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Aufgrund der weiteren Beschleunigung des Motors und des Ansteigen der Motorgeschwindigkeit 42 kommen jedoch die Zahnflanken kurz darauf wieder in Eingriff miteinander, diesmal derart, dass die Last beschleunigt wird und die Lastgeschwindigkeit 44 wieder anzusteigen beginnt. Das Motordrehmoment 46 steigt dementsprechend wieder abrupt an. Im weiteren Verlauf gleichen sich Motorgeschwindigkeit 42 und Lastgeschwindigkeit 44 aneinander an.
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Im weiteren Verlauf erfolgt ein weiterer Lastwechsel 50, bei dem eine Abbremsung der Last durch den Motor eingeleitet wird. Entsprechend wird zunächst ein leichtes negatives Motordrehmoments 46 erzeugt, welches zu einer Abnahme der Motorgeschwindigkeit 42 führt. Aufgrund der Massenträgheit bleibt auch im Fall des Lastwechsels 50 die Lastgeschwindigkeit 44 zunächst konstant, bis die Zahnflanken miteinander in Eingriff gelangen. Zunächst gelangen die Zahnflanken derart in Eingriff miteinander, dass sie eine die Last abbremsen Kraft vom Motor auf die Last übertragen können. Entsprechend beginnt die Lastgeschwindigkeit 44 rapide zu sinken, dass Motordrehmoments 46 nimmt betragsmäßig in Richtung höherer negativer Werte zu, sodass sich eine negative Drehmomentspitze ausbildet.
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Aufgrund des elastischen Anteils des Stoßes der Zahnflanken aneinander wird die Last zunächst schlagartig so stark abgebremst, dass die Lastgeschwindigkeit 44 unter den Wert der Motorgeschwindigkeit 42 sinkt. Hierbei gelangen die Zahnflanken wiederum zunächst außer Eingriff miteinander um dann in einer Orientierung aufeinander zu stoßen, in der der Motor, der in diesem Moment eine höhere Motoreschwindigkeit 42 aufweist als die Lastgeschwindigkeit 44, wiederum eine beschleunigende Wirkung auf die Last ausübt. Entsprechend kommt es zu einer positiven Drehmomentspitze des Motordrehmoments 46, die Lastgeschwindigkeit 44 nimmt aufgrund des elastischen Anteils dieses Stoßes zunächst wieder einen geringfügig höheren Wert an als die Motorgeschwindigkeit 42.
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Die Zahnflanken lösen sich aufgrund des elastischen Anteils des Stoßes wieder voneinander, um dann mit umgekehrter Orientierung, d. h. sodass der Motor eine verzögernde Wirkung auf die Last ausüben kann, miteinander in Eingriff zu gelangen. Entsprechend bildet sich zunächst eine weitere negative Drehmomentspitze aus. Bei diesem Stoß ist im dargestellten Beispiel jedoch bereits so viel kinetische Energie durch die vorangegangenen Stöße abgebaut, dass es nicht zu einer erneuten Drehmomentsumkehr, also zu keinem erneuten Aneinanderschlagen der Zahnflanken in „umgekehrter Orientierung“ kommt. Vielmehr gleicht sich die Lastgeschwindigkeit 44 im Laufe des weiteren Bewegungsverlaufs der Motorgeschwindigkeit 42 an. Die Drehmomentsspitzen, welche im Verlauf des Motordrehmoments 46 in 4 deutlich zu erkennen sind, eignen sich gut, um bei einer Auswertung des Verlaufs des Motordrehmoments 46 kritische Lastwechsel zu identifizieren und auszuwerten.
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Die in der vorliegenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Sie kann im Rahmen der Ansprüche und unter Berücksichtigung der Kenntnisse des zuständigen Fachmanns variiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Getriebespiel
- 12
- maximal zulässiges Getriebespiel
- 14
- Lebensdauerende
- 16
- Motorposition
- 18
- Umkehrpunkt
- 20
- Positionsfehler
- 22
- Sprungstelle
- 24
- Übergang antreibend - bremsend
- 26
- Übergang bremsend - antreibend
- 28
- Peak
- 30
- Beschleunigung
- 32
- Getriebespiel
- 34
- Maximalposition
- 36
- Minimalposition
- 38
- Lastposition
- 40
- Stoßpunkt
- 41
- Stoßpunkt
- 42
- Motorgeschwindigkeit
- 44
- Lastgeschwindigkeit
- 46
- Motordrehmoment
- 48
- Lastwechsel
- 50
- Lastwechsel
