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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung des Verschleißzustands eines Zugmittels eines eine Antriebsscheibe sowie eine Abtriebsscheibe umfassenden Zugmittelgetriebes.
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Das Einsatzgebiet der Erfindung erstreckt sich auf die Antriebstechnik, insbesondere bei Kraftfahrzeugen, beispielsweise Nutzfahrzeugen. Zugmittelgetriebe der hier interessierenden Art kommen dort beispielsweise zum Antrieb von Nebenaggregaten durch einen Verbrennungsmotor zum Einsatz. So lässt sich beispielsweise ein elektrischer Generator zur Bordspannungsversorgung über die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors antreiben, indem eine dieser zugeordneten Antriebsscheibe über einen Keilriemen als Zugmittel mit einer dem Nebenaggregat zugeordneten Abtriebsscheibe gekoppelt ist. Das Zugmittel stellt ein Verschleißteil dar, welcher ab Erreichen einer durch Abrieb, Längung und Änderung der Materialeigenschaften hervorgerufenen Verschleißgrenze oder nach Beschädigung auszutauschen ist. Die vorliegende Erfindung widmet sich allerdings nicht allein der Überwachung des Verschleißzustands von Zugmitteln zum Nebenaggregatantrieb bei Kraftfahrzeugen, sondern kann auch bei anderen Zugmittelgetrieben zur vorausschauenden Zustandsüberwachung im Sinne eines sogenannten Condition Monitoring verwendet werden.
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Aus der
DE 10 2015 114 934 A1 geht ein Verfahren zum Abschätzen eines Lebensdauer-Endes eines insbesondere Zahnriemens hervor, der ein Drehmoment zwischen zwei rotierenden Komponenten eines Zugmittelgetriebes überträgt. Hierbei werden eine Vielzahl von Riemenparametern während des Lebenszyklus des Zugmittels überwacht, woraus ein momentaner Schadensfaktor des Zugmittels auf der Basis dieser Vielzahl von Riemenparametern bestimmt wird. Das Lebensdauer-Ende des Zugmittels wird schließlich auf der Basis des momentanen Schadensfaktors abgeschätzt. Als Riemenparameter kommen hierbei die Rotationsgeschwindigkeit, Belastungsdaten sowie die Temperatur des Zugmittels in Betracht. Zwar schafft dieser Mix verschiedenartiger Riemenparameter eine gewisse Prognosesicherheit über das Lebensdauer-Ende des Zugmittels, allerdings ist die für die Erfassung erforderliche entsprechend verschiedenartige Sensorik sowie deren aufeinander abgestimmte Signalverarbeitung wegen der komplexen physikalischen Zusammenhänge recht aufwendig.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Überwachung des Verschleißzustands eines Zugmittels bei einem Zugmittelgetriebe zu schaffen, welches mit geringem technischen Aufwand eine hohe Prognosesicherheit hinsichtlich des aktuellen Verschleißzustands des Zugmittels ermöglicht.
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Die Aufgabe wird durch den Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche geben weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung an.
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Die Erfindung schließt die verfahrenstechnische Lehre ein, dass zur Überwachung des Verschleißzustands eines Zugmittels zunächst ein auf die Antriebsscheibe bezogener erster zeitlicher Drehzahlverlauf sowie ein auf die Abtriebsscheibe bezogener zweiter zeitlicher Drehzahlverlauf ermittelt und bereitgestellt wird. Anschließend wird eine Ungleichförmigkeitsanalyse durch einen Vergleich beider Drehzahlverläufe durchgeführt, um den Isolationsgrad des Zugmittelgetriebes zu bestimmen. Der Isolationsgrad wird als Indikator für den aktuellen Zustand verwendet, indem durch einen nachfolgenden Vergleich des ermittelten Isolationsgrads des Zugmittelgetriebes mit mindestens einem vordefinierten Schwellwert der aktuelle Verschleißzustand des Zugmittels beurteilt wird.
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Mit anderen Worten geht die erfindungsgemäße Lösung von der Erkenntnis aus, dass sich der aktuelle Zustand eines Zugmittels hinreichend zuverlässig über die Veränderung des Isolationsgrads beurteilen lässt. Erfindungsgemäß wird daher die Veränderung des Isolationsgrads, also dem Verhältnis der Drehungleichförmigkeiten von Antriebs- zur Abtriebsseite, ausgewertet. In der Schwingungstechnik stellt der Isolationsgrad den Wirkungsgrad dar, der mittels Schwingungsisolierung gedämpft wird. Somit wird nicht direkt der Verschleiß gemessen, sondern es wird im Wesentlichen die Veränderung der Elastizität über die Lebenszeit betrachtet. Der Verschleiß ist dabei nur eine für die Lebensdauer maßgebliche Größe. Auch Änderungen des Materials, Risse darin oder sogenannte Litzenbrüche werden automatisch mit erfasst. Versuche haben ergeben, dass eine Auswertung des Isolationsverhaltens des Zugmittelgetriebes eine zuverlässige Auskunft über den Zustand des Zugmittels zwecks Condition Monitoring ermöglicht.
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Die auf dem Vergleich der Drehzahlverläufe basierende Ungleichförmigkeitsanalyse lässt sich vorzugsweise anhand von Spitze-Spitze-Werten im Schwingungsverhalten der Drehzahlverläufe durchführen. Hierdurch wird eine maximale Genauigkeit erzielt. Es ist jedoch hinreichend, den Vergleich der Drehzahlverläufe anhand der Amplituden in den Drehzahlverläufen durchzuführen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der signaltechnischen Auswertung wird vorgeschlagen, die Ungleichförmigkeitsanalyse durch eine mathematische Ordnungsanalyse des Schwingungsverhaltens, insbesondere bezogen auf die Ordnung der Haupterregenden, durchzuführen. Unter einer Ordnungsanalyse wird die Analyse des Schwingungsverhaltens bezogen auf die Antriebsscheibe sowie die Abtriebsscheibe des Zugmitteltriebs verstanden, bei welcher anders als bei der Frequenzanalyse der Energiegehalt der Schwingung nicht über der Frequenz, sondern über der Ordnung aufgetragen wird. Hierbei kann eine Fourier-Analyse zum Einsatz kommen, indem bei bestimmten Drehzahlen eine Fourier-Transformation durchgeführt wird. Das Spektrum wird auf Basis der aktuellen Drehzahl in ein Ordnungsspektrum umgerechnet. Besonders genaue Resultate lassen sich bei der erfindungsgegenständlichen Anwendung durch eine Ungleichförmigkeitsanalyse bezogen auf die Ordnung der Haupterregenden erzielen. Gleichwohl ist auch eine Ungleichförmigkeitsanalyse ohne Anwendung einer Ordnungsanalyse möglich.
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Gemäß einer weiteren die Erfindung verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, dass ein erster Schwellwert zur Festsetzung einer Alarmgrenze, die für den ermittelten Isolationsgrad definiert wird, zur Anwendung kommt, um den Bedarf eines sofortigen Austauschs des Zugmittels zu signalisieren. Dieser erste Schwellwert kennzeichnet insofern das Erreichen der Verschleißgrenze des Zugmittels, bei der unmittelbar die Gefahr eines Bauteilversagens oder Folgeschäden im Falle eines weiteren Betriebs besteht.
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Zusätzlich wird vorgeschlagen, dass ein unterhalb des ersten Schwellwerts liegender zweiter Schwellwert zur Festsetzung einer Voralarmgrenze definiert wird. Bei Erreichen dieses zweiten Schwellwerts wird vorzugsweise ein Voralarm ausgelöst, welcher im Sinne einer Prognose einen baldigen Austausch des Zugmittels signalisiert. Mit Erreichen des zweiten Schwellwerts ist zwar noch ein störungsfreier Betrieb des Zugmittelgetriebes gewährleistet, durch noch zunehmende Annäherung an den ersten Schwellwert kann jedoch, insbesondere unter weiterer Berücksichtigung des Anstiegs im Zeitverlauf, rechtzeitig vor Bauteilversagen im Rahmen eines Condition Monitoring eine Wartung eingeplant werden.
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Gemäß einer weiteren die Erfindung verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, dass neben einer Analyse des Isolationsgrads des Zugmittelgetriebes beispielsweise auch der Schlupf über einen Vergleich der Drehzahldifferenzen oder auch eine Änderung der Phasenlage der Antriebsscheibe gegenüber der Abtriebsscheibe oder dergleichen bestimmt werden, um über diese weiteren aus einem Vergleich der Drehzahlverläufe resultierenden Parameter ergänzende Schlussfolgerungen über den aktuellen Verschleißzustand des Zugmittels zu ziehen. Beispielsweise deutet ein erhöhter Schlupf des Zugmittelgetriebes auf eine zunehmende Längung des Zugmittels hin, welche nur im begrenzten Maße durch eine Erhöhung der Vorspannung kompensierbar ist.
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Darüber hinaus kann die Ungleichförmigkeitsanalyse der an- und abtriebsseitigen Drehzahlverläufe auch zur Überwachung des Verbrennungsprozesses eines das Zugmittelgetriebe antreibenden Verbrennungsmotors genutzt werden, da insbesondere eine antriebsseitige Drehungleichförmigkeit auf Motorfehlfunktionen hindeuten kann. Beispielsweise äußern sich Zündaussetzer als Drehungleichförmigkeiten, welche hinsichtlich einzelner Zylinder detektierbar sind. Zur Bestimmung von Zündaussetzern einzelner Zylinder kann die Ordnungsanalyse oder eine energetische Betrachtung einzelner Ordnungen genutzt werden. Auch eine Optimierung des Zündprozesses durch eine vergleichende Auswertung der Energie des Zündprozesses eines jeden Zylinders und der Weitergabe dieser Informationen an die Motorsteuerung sind möglich. Für diese Funktionalität muss jedoch insbesondere der erste, antriebsseitige Drehzahlsensor seine Winkelposition kennen. Die Information über die Winkelposition kann beispielsweise ein Encoder des Drehzahlsensors liefern.
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Zusätzlich zu den Drehzahlen der An- und Abtriebsscheibe(n) mit optionaler Winkelpositionserkennung kann auch die Temperatur des Zugmittels sensortechnisch erfasst und genutzt werden. Unter weiterer Zuhilfenahme dieses Parameters kann entweder die Temperaturabhängigkeit des Zugmittel-Materials, beispielsweise des Elastomermaterials eines Riemens, berücksichtigt oder die Temperatur als Messtrigger gesetzt werden, um eine verbesserte Vergleichbarkeit zu gewährleisten.
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Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer Zugmittelgetriebeanordnung zum Antreiben von Nebenaggregaten eines Verbrennungsmotors mit einer Einrichtung zur Überwachung des Verschleißzustands des Zugmittels,
- 2 eine grafische Darstellung des Isolationsverhaltens eines Zugmittelgetriebes bezogen auf die Antriebs- sowie Abtriebsseite über deren zeitliche Drehzahlverläufe,
- 3 eine grafische Darstellung des zeitlichen Verlaufs des Isolationsgrads bis zum Erreichen eines Schwellwerts einer Voralarmgrenze sowie eines Schwellwerts einer Alarmgrenze, und
- 4 eine Ablaufdarstellung eines Verfahrens zur Überwachung des Verschleißzustands des Zugmittels.
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Gemäß 1 besteht eine Zugmittelgetriebeanordnung zum Antreiben von Nebenaggregaten eines Verbrennungsmotors 1 über dessen Kurbelwelle 2 im Wesentlichen aus einer dieser zugeordneten Antriebsscheibe 3 eines Zugmittelgetriebes in Form eines Riementriebs, welche über das Zugmittel 4 in Form eines Zahnriemens oder Poly-V-Riemens mit einer Abtriebsscheibe 5 gekoppelt ist. Die Abtriebsscheibe 5 ist an einer Antriebswelle 6 eines Nebenaggregats 7 angebracht. Das Nebenaggregat 7 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein elektrischer Generator zur Erzeugung einer Bordspannung für ein - hier nicht weiter dargestelltes - Kraftfahrzeug.
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Der Antriebsscheibe 3 ist ein erster Drehzahlsensor 8 zur Messung des auf die Antriebsscheibe 3 und damit auch der Kurbelwelle 2 bezogenen Drehzahlverlaufs n1 zugeordnet. Ein zweiter Drehzahlsensor 9 dient der Messung des auf die Abtriebsscheibe 5 und damit der Drehzahl der Antriebswelle 6 des Nebenaggregats 7 bezogenen zweiten Drehzahlverlaufs n2. Die Messsignale des ersten Drehzahlverlaufs n1 sowie des zweiten Drehzahlverlaufs n2 werden einer elektronischen Analyseeinheit 10 zur Durchführung einer Ungleichförmigkeitsanalyse durch Vergleich beider Drehzahlverläufe n1 und n2 zugeführt. Die Analyseeinheit 10 bestimmt per Ordnungsanalyse den schwingungstechnischen Isolationsgrad bezüglich der An- und Abtriebsseite und führt anschließend einen Schwellwertvergleich mit mindestens einen vordefinierten Schwellwert, der eine Verschleißgrenze kennzeichnet, durch.
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Eine der Analyseeinheit 10 nachgeschaltete Ausgabeeinheit 11 stellt die hieraus gewonnene Verschleißzustandsinformation in einer geeigneten Signalform zur weiteren Verwendung bereit. So kann beispielsweise ein übergeordnetes Condition Monitoring System eine erforderliche Wartung in Form eines Zugmitteltauschs signalisieren.
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Die 2, in welcher der erste Drehzahlverlauf n1 gemeinsam mit dem zweiten Drehzahlverlauf n2 der An- bzw. Abtriebsseite entlang der Zeitachse aufgetragen ist, lässt die im Zugmittelgetriebe enthaltenen Schwingungsamplituden erkennen. Demnach ist der erste zeitliche Drehzahlverlauf n1 der Antriebsseite einer höheren Schwingungsamplitude unterworfen als der durch das Zugmittel gedämpfte zweite zeitliche Drehzahlverlauf n2.
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Die schwingungsbehafteten Drehzahlverläufe n1 und n2 liefern somit eine Information über die im Zugmittelgetriebe vorhandenen Drehungleichförmigkeiten. Eine Drehungleichförmigkeit ist eine Drehzahlschwankung, die eine Abweichung vom idealen Rundlauf darstellt. Die jeweiligen Spitze-Spitze-Werte a1 bzw. a2 werden zur weiteren Ungleichförmigkeitsanalyse herangezogen. Diese Ungleichförmigkeitsanalyse basiert auf einer Bestimmung des Isolationsgrads per allgemein bekannter mathematischer Ordnungsanalyse, insbesondere bezogen auf die Ordnung der Haupterregenden.
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In der 3 ist der zeitliche Verlauf des Isolationsgrads 1/1 über die Betriebszeit t des Zugmittelgetriebes aufgetragen, aus welchem sich die Zustandsänderung des Zugmittels ablesen lässt. Hierdurch lässt sich auch der aktuelle Verschleißzustand des Zugmittels beurteilen und durch Extrapolation auch prognostizieren.
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Zur Beurteilung des aktuellen Zustands des Zugmittels ist ein vordefinierter erster Schwellwert s1 vorgesehen, welcher eine Alarmgrenze festlegt, die einen sofortigen Austausch des Zugmittels kennzeichnet. Bei Erreichen dieses ersten Schwellwerts s1 besteht also unmittelbarer Handlungsbedarf, um ein Versagen des Zugmittelgetriebes zu verhindern. Zusätzlich ist unterhalb des ersten Schwellwerts s1 ein zweiter Schwellwert s2 definiert, welcher eine Voralarmgrenze darstellt. Bei Erreichen des zweiten Schwellwerts s2 wird ein Voralarm ausgelöst, welcher im Sinne einer Prognose den baldigen Austausch des Zugmittels signalisiert. Dabei ist der zweite Schwellwert s2 gemäß der technischen Randbedingungen so zu wählen, dass noch genügend Zeitabstand bis zum Erreichen des ersten Schwellwerts s1 gewährleistet ist.
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Gemäß 4 beinhaltet die Überwachung des Verschleißzustands eines Zugmittels die folgenden Verfahrensschritten:
- (A) Ermitteln eines auf die Antriebsscheibe bezogenen ersten Drehzahlverlaufs (n1) sowie eines auf die Abtriebsscheibe bezogenen zweiten Drehzahlverlaufs (n2);
- (B) Durchführen einer Ungleichförmigkeitsanalyse durch Vergleich beider Drehzahlverläufe (n1, n2) miteinander zur Bestimmung des Isolationsgrads des Zugmittelgetriebes;
- (C) Vergleichen des ermittelten Isolationsgrads des Zugmittelgetriebes mit mindestens einem vordefinierten Schwellwert (s1; s2) zur Beurteilung des aktuellen Verschleißzustands des Zugmittels.
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Die Erfindung ist nicht beschränkt auf das vorstehend beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Es sind vielmehr auch Abwandlungen und Ergänzungen hierzu denkbar, welche vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche mit umfasst sind. So ist es beispielsweise auch möglich, zusätzliche Parameter in die Überwachung des Zustands des Zugmittels mit einzubeziehen. Insbesondere kann hierfür auch der Schlupf des Zugmittelgetriebes über einen Vergleich der Drehzahldifferenzen und/oder eine Änderung der Phasenlage der Antriebsscheibe 3 gegenüber der Abtriebsscheibe 5 berücksichtigt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015114934 A1 [0003]
