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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein entsprechendes Verfahren zur Überwachung einer schallerzeugenden Einheit, wie z.B. eines Motors, eines Getriebes, eines Kugellagers, etc.
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Die von dem Verbrennungsmotor eines Fahrzeugs emittierten Geräusche können mittels einer Frequenz- oder Ordnungsanalyse analysiert werden, um Information in Bezug auf den Zustand des Verbrennungsmotors zu ermitteln. Dabei ist die Auswertung der Geräusche im Frequenzbereich (z.B. mittels einer Fast Fourier Transformation) typischerweise mit einem relativ hohen Rechenaufwand verbunden, so dass die Auswertung typischerweise nicht direkt durch ein Steuergerät eines Fahrzeugs erfolgen kann.
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Das vorliegende Dokument befasst sich mit der technischen Aufgabe, eine effiziente und präzise Analyse von Störgeräuschen einer schallerzeugenden Einheit, insbesondere in einem Fahrzeug, zu ermöglichen.
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Die Aufgabe wird durch jeden der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden u.a. in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass zusätzliche Merkmale eines von einem unabhängigen Patentanspruch abhängigen Patentanspruchs ohne die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs oder nur in Kombination mit einer Teilmenge der Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs eine eigene und von der Kombination sämtlicher Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs unabhängige Erfindung bilden können, die zum Gegenstand eines unabhängigen Anspruchs, einer Teilungsanmeldung oder einer Nachanmeldung gemacht werden kann. Dies gilt in gleicher Weise für in der Beschreibung beschriebene technische Lehren, die eine von den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche unabhängige Erfindung bilden können.
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Gemäß einem Aspekt wird eine Vorrichtung zur Überwachung einer schallerzeugenden Einheit beschrieben. Die schallerzeugende Einheit kann ausgebildet sein, aufgrund einer mechanischen Bewegung, insbesondere einer rotierenden Bewegung, zumindest einer Komponente (z.B. einer Welle) der schallerzeugenden Einheit Schall (z.B. akustischen Schall und/oder Körperschall bzw. Vibrationen) zu erzeugen. Beispiele für eine schallerzeugende Einheit sind ein Motor, eine Maschine, ein Getriebe, ein Kugellager, etc.
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Die Vorrichtung kann zumindest teilweise oder vollständig in ein Fahrzeug integriert sein. Alternativ oder ergänzend kann die Vorrichtung zumindest teilweise oder vollständig separat zu einem Fahrzeug sein.
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Die Vorrichtung umfasst zumindest einen Sensor, der eingerichtet ist, ein Schallsignal an und/oder in einem Umfeld der schallerzeugenden Einheit zu erfassen. Die ein oder mehreren Sensoren können eingerichtet sein, akustischen Schall und/oder Körperschall bzw. Vibrationen zu erfassen.
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Außerdem umfasst die Vorrichtung eine Verarbeitungseinheit, die eingerichtet ist, an einer Vielzahl von Zeitpunkten anhand des Sensors eine entsprechende Vielzahl von Schallsignalen zu ermitteln. Die Verarbeitungseinheit kann eingerichtet sein, Sensordaten in Bezug auf einen Betriebszustand der schallerzeugenden Einheit zu ermitteln. Die Sensordaten können z.B. die Drehzahl und/oder die Temperatur der schallerzeugenden Einheit anzeigen. Des Weiteren kann die Verarbeitungseinheit eingerichtet sein, die Vielzahl von Zeitpunkten derart auf Basis der Sensordaten zu identifizieren, dass die Betriebszustände der schallerzeugenden Einheit an der Vielzahl von Zeitpunkten im Wesentlichen gleich sind. Die im Wesentlichen gleichen Betriebszustände an der Vielzahl von Zeitpunkten werden in diesem Dokument auch als „gespeicherte Betriebsbedingungen (GBB)“ bezeichnet.
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Die Verarbeitungseinheit kann ferner eingerichtet sein, auf Basis der Vielzahl von Schallsignalen einen zeitlichen Referenzverlauf zu ermitteln. Zu diesem Zweck kann die Verarbeitungseinheit eingerichtet sein, für jeden der Vielzahl von Schallsignalen an der Vielzahl von Zeitpunkten jeweils einen Messverlauf zu ermitteln. Der Messverlauf kann z.B. den zeitlichen Verlauf der Amplitude des jeweiligen Schallsignals anzeigen. Es kann dann auf Basis der Vielzahl von Messverläufen für die Vielzahl von Schallsignalen ein mittlerer Messverlauf (insbesondere ein mittlerer zeitlicher Verlauf der Amplitude) als Referenzverlauf ermittelt werden. Der Referenzverlauf kann als Referenz für eine Schallentwicklung der schallerzeugenden Einheit bei einem fehlerfreien Betrieb der schallerzeugenden Einheit betrachtet werden.
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Des Weiteren kann die Verarbeitungseinheit eingerichtet sein, an einem auf die Vielzahl von Zeitpunkten folgenden Messzeitpunkt anhand des Sensors ein Schallsignal zu ermitteln. Der Messzeitpunkt kann dabei auf Basis der Sensordaten in Bezug auf den Betriebszustand der schallerzeugenden Einheit ermittelt werden, insbesondere derart, dass der Betriebszustand der schallerzeugenden Einheit an dem Messzeitpunkt im Wesentlichen gleich ist zu dem Betriebszustand der schallerzeugenden Einheit an der Vielzahl von Zeitpunkten (die dazu verwendet wurden, um den Referenzverlauf zu ermitteln).
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Es kann dann auf Basis des an dem Messzeitpunkt ermittelten Schallsignals ein zeitlicher Messverlauf ermittelt werden. Insbesondere kann dabei als Messverlauf der zeitliche Verlauf der Amplitude des Schallsignals an dem Messzeitpunkt ermittelt werden.
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Die Schallsignale, der zeitliche Referenzverlauf und/oder der zeitliche Messverlauf können sich jeweils über einen bestimmten (jeweils gleich langen) Zeitraum erstrecken (z.B. einen Zeitraum mit einer Dauer zwischen 200ms und 1 Sekunde).
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Die Steuereinheit kann ferner eingerichtet sein, die schallerzeugende Einheit (an dem Messzeitpunkt) auf Basis des zeitlichen Messverlaufs und auf Basis des zeitlichen Referenzverlaufs zu überwachen. Zu diesem Zweck können der zeitliche Messverlauf und der zeitliche Referenzverlauf miteinander verglichen werden. Alternativ oder ergänzend kann überprüft werden, ob der zeitliche Messverlauf zumindest teilweise außerhalb eines den Referenzverlauf umschließenden Referenzintervalls angeordnet ist. Die schallerzeugende Einheit kann dann basierend darauf überwacht werden.
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Beispielsweise kann auf Basis des Vergleichs detektiert werden, dass die schallerzeugende Einheit aufgrund einer zu großen Abweichung des Messverlaufs von dem Referenzverlaufs einen Defekt aufweist. Es kann dann über eine Benutzerschnittstelle der Vorrichtung ein Hinweis dahingehend ausgegeben werden, dass die schallerzeugende Einheit möglicherweise einen Defekt aufweist.
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Die Vorrichtung ermöglicht es, eine schallerzeugende Einheit in effizienter und präziser Weise zu überwachen. Dabei ist die Verarbeitungseinheit bevorzugt eingerichtet ist, den Referenzverlauf und den Messverlauf ausschließlich im Zeitbereich zu ermitteln und auszuwerten (ohne eine Transformation in den Frequenzbereich oder ohne Durchführung einer Ordnungsanalyse). So kann eine besonders recheneffiziente Überwachung einer schallerzeugenden Einheit ermöglicht werden.
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Die Verarbeitungseinheit kann eingerichtet ist, für eine zeitliche Sequenz von (aufeinanderfolgenden) Betriebszeitintervallen der schallerzeugenden Einheit jeweils einen Referenzverlauf zu ermitteln, der zur Überprüfung der schallerzeugenden Einheit in dem jeweiligen Betriebszeitintervall verwendet wird. Ein Betriebszeitintervall kann dabei z.B. eine zeitliche Dauer von ein oder mehreren Tagen oder ein oder mehreren Monaten aufweisen. Der Referenzverlauf kann somit wiederholt an das Betriebsalter der schallerzeugenden Einheit angepasst werden. So kann die Güte der Überwachung der schallerzeugenden Einheit erhöht werden, insbesondere da Alterungseffekte der schallerzeugenden Einheit berücksichtigt werden.
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Der für ein Betriebszeitintervall ermittelte Referenzverlauf kann als statischer Referenzverlauf betrachtet werden. Die an einer Sequenz von Messzeitpunkten in dem Betriebszeitintervall ermittelte Sequenz von Messverläufen kann dazu verwendet werden, den Referenzverlauf ausgehend von dem statischen Referenzverlauf zu verändern. Beispielsweise kann die Sequenz von Messverläufen nach-und-nach bei der oben beschriebenen Mittelung zur Ermittlung des Referenzverlaufs berücksichtigt werden. So kann an jedem Messzeitpunkt ein (aktualisierter) dynamischer Referenzverlauf ermittelt werden.
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Die Überwachung der schallerzeugenden Einheit kann dann auf Basis des statischen Referenzverlaufs und des (jeweils aktualisierten) dynamischen Referenzverlaufs, insbesondere auf Basis eines Vergleichs des statischen Referenzverlauf und des dynamischen Referenzverlaufs, erfolgen. So kann die Güte der Überwachung weiter erhöht werden.
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Die Vorrichtung kann einen Schallgenerator umfassen, der eingerichtet ist, Schall (z.B. akustischen Schall und/oder Körperschall) an der schallerzeugenden Einheit zu generieren. Die Verarbeitungseinheit kann eingerichtet sein, den Schallgenerator an der Vielzahl von Zeitpunkten und an dem Messzeitpunkt zu veranlassen, jeweils Schall an der schallerzeugenden Einheit zu generieren.
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Von den ein oder mehreren Sensoren können dann Schallsignale erfasst werden, die von dem von dem Schallgenerator generierten Schall abhängen. Der von dem Schallgenerator generierte Schall ist für die Verarbeitungseinheit bekannt und kann bei der Auswertung der erfassten Schallsignale berücksichtigt werden. So kann die Güte der Überwachung der schallerzeugenden Einheit weiter erhöht werden.
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Die Verarbeitungseinheit kann eingerichtet sein, eine Resonanzfrequenz der schallerzeugenden Einheit, insbesondere eines Gehäuses der schallerzeugenden Einheit, zu ermitteln. Zu diesem Zweck kann Schall mit unterschiedlichen Frequenzen generiert werden, und es kann die Frequenz ermittelt werden, für die die Amplitude der erfassten Schallsignale am höchsten ist.
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Der Schallgenerator kann dann veranlasst werden, Schall bei der Resonanzfrequenz zu generieren, um die schallerzeugende Einheit zu überwachen. So kann die Güte der Überwachung weiter erhöht werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein (Straßen-)Kraftfahrzeug (insbesondere ein Personenkraftwagen oder ein Lastkraftwagen oder ein Bus oder ein Motorrad) beschrieben, das die in diesem Dokument beschriebene Vorrichtung umfasst.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Überwachung einer schallerzeugenden Einheit beschrieben. Die schallerzeugende Einheit kann ausgebildet sein, aufgrund einer mechanischen Bewegung, insbesondere einer rotierenden Bewegung, zumindest einer Komponente der schallerzeugenden Einheit Schall (z.B. akustischen Schall und/oder Körperschall bzw. Vibrationen) zu erzeugen.
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Das Verfahren umfasst das Ermitteln, mittels eines Sensors, einer Vielzahl von Schallsignalen an einer entsprechenden Vielzahl von Zeitpunkten. Dabei kann der Sensor eingerichtet sein, ein Schallsignal an und/oder in einem Umfeld der schallerzeugenden Einheit zu erfassen. Außerdem umfasst das Verfahren das Ermitteln, auf Basis der Vielzahl von Schallsignalen, eines zeitlichen Referenzverlaufs. Des Weiteren umfasst das Verfahren das Ermitteln, an einem auf die Vielzahl von Zeitpunkten folgenden Messzeitpunkt, eines Schallsignals anhand des Sensors, sowie das Ermitteln, auf Basis des an dem Messzeitpunkt ermittelten Schallsignals, eines zeitlichen Messverlaufs. Das Verfahren umfasst ferner das Überwachen der schallerzeugenden Einheit auf Basis des zeitlichen Messverlaufs und auf Basis des zeitlichen Referenzverlaufs.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Software (SW) Programm beschrieben. Das SW Programm kann eingerichtet werden, um auf einem Prozessor ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Speichermedium beschrieben. Das Speichermedium kann ein SW Programm umfassen, welches eingerichtet ist, um auf einem Prozessor ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
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Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Des Weiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden.
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Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen
- 1 beispielhafte Komponenten eines Fahrzeugs;
- 2 eine beispielhafte Vorrichtung zur Analyse der Schallemission einer schallerzeugenden Einheit;
- 3a ein erstes Beispiel zur Analyse der Schallemission;
- 3b ein zweites Beispiel zur Analyse der Schallemission;
- 4 einen beispielhaften zeitlichen Referenzverlauf; und
- 5 ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens Überwachung einer schallerzeugenden Einheit.
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Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit der effizienten und präzisen Analyse der Schallemission einer schallerzeugenden Einheit, insbesondere in einem Fahrzeug. Beispielhafte schallerzeugende Einheiten in einem Fahrzeug sind der Antriebsmotor, das Getriebe und/oder ein Kugellager des Fahrzeugs. 1 zeigt einen beispielhaften Antriebsstrang eines Fahrzeugs 100. Insbesondere zeigt 1 einen Antriebsmotor 101, der eingerichtet ist, über eine Kupplung 103, ein Getriebe 104 und/oder ein Achsgetriebe 105 (als beispielhafte schallerzeugende Einheiten des Fahrzeugs 100) ein oder mehrere Räder 106 des Fahrzeugs 100 anzutreiben.
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Das Fahrzeug 100 umfasst weiter eine Steuereinheit 110 (z.B. ein Motor-Steuergerät), die eingerichtet ist, ein angefordertes Gesamtmoment 114 zu bestimmen. Das angeforderte Gesamtmoment 114 kann z.B. über ein Fahrpedal und/oder über eine Einstellung des Getriebes 104 von einem Fahrer des Fahrzeugs und/oder automatisch durch eine Fahrfunktion des Fahrzeugs und/oder automatisch durch ein Testprogramm vorgegeben werden. Beispielsweise kann ein Fahrer das Fahrpedal betätigen, um ein erhöhtes Gesamtmoment 114 anzufordern. Die Steuereinheit 110 ist weiter eingerichtet, auf Basis des angeforderten Gesamtmoments 114 ein Steuersignal 111 für den Betrieb des Antriebsmotors 101 zu ermitteln.
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Beim Betrieb des Fahrzeugs 100 wird durch das Fahrzeug 100 Schall emittiert bzw. generiert. Der Schall kann einen akustischen Schall umfassen, der von einem Nutzer des Fahrzeugs 100 als Betriebsgeräusch des Fahrzeugs 100 wahrgenommen wird. Des Weiteren kann der Schall einen Körperschall umfassen, der von einem Nutzer z.B. als Vibrationen des Fahrzeugs 100 wahrgenommen werden kann. Ein von einer Norm abweichender Schall kann von dem Nutzer des Fahrzeugs 100 als störend empfunden werden und kann ein Hinweis auf einen Fehler einer schallerzeugenden Einheit 101, 103, 104, 105 des Fahrzeugs 100 sein.
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2 zeigt eine beispielhafte Vorrichtung 200, die von einem Nutzer eines Fahrzeugs 100 dazu genutzt werden kann, um den von einer schallerzeugenden Einheit 101 generierten Schall 223 zu analysieren, und um basierend auf der Analyse einen möglichen Fehler der schallerzeugenden Einheit 101 zu identifizieren. Die Vorrichtung 200 ist bevorzugt Teil des Fahrzeugs 100.
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Die Vorrichtung 200 umfasst zumindest einen akustischen Sensor 206, insbesondere ein Mikrofon, der eingerichtet ist, akustische Sensordaten in Bezug auf den (akustischen) Schall 223 zu erfassen, der von der schallerzeugenden Einheit 101 emittiert bzw. generiert wird. Alternativ oder ergänzend kann die Vorrichtung 200 zumindest einen Beschleunigungssensor 207 umfassen (z.B. als Teil einer Inertial Measurement Unit, IMU), der eingerichtet ist, Sensordaten in Bezug auf den von der schallerzeugenden Einheit 101 generierten Körperschall zu erfassen. Die von den Sensoren 206, 207 erfassten Sensordaten werden in diesem Dokument als Schalldaten bezeichnet.
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Die Vorrichtung 200 umfasst eine Kommunikationseinheit 201, die eingerichtet ist, über eine drahtgebundene und/oder über eine drahtlose Kommunikationsverbindung mit einer Kommunikationseinheit 211 des Fahrzeugs 100 zu kommunizieren. Beispielhafte Kommunikationsverbindungen basieren auf Bluetooth oder WLAN (Wireless Local Area Network). Die Vorrichtung 200 kann eingerichtet sein, über die Kommunikationseinheit 201 Betriebsdaten in Bezug auf den Betriebszustand der schallerzeugenden Einheit 101 zu empfangen. Beispielhafte Betriebsdaten umfassen:
- • eine Drehzahl der schallerzeugenden Einheit 101;
- • ein oder mehrere Temperaturwerte der schallerzeugenden Einheit 101;
- • ein Drehmoment eines Motors 101 als schallerzeugende Einheit 101;
- • den eingelegten Gang eines Getriebes 104 als schallerzeugende Einheit 101;
- • die Fahrzeuggeschwindigkeit; und/oder
- • den Strom und/oder die Spannung einer elektrisch betriebenen schallerzeugenden Einheit 101.
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Das Fahrzeug 100 kann ein oder mehrere Fahrzeugsensoren 212 umfassen, die eingerichtet sind, die Betriebsdaten zu erfassen. Die Betriebsdaten können dann über die Kommunikationseinheit 211 des Fahrzeugs 100 bereitgestellt werden. Dabei kann z.B. die OBD (Onboard Diagnostics) Schnittstelle des Fahrzeugs 100 verwendet werden, um die Betriebsdaten bereitzustellen. Die Vorrichtung 200 kann somit ggf. eingerichtet sein, auf die OBD-Schnittstelle des Fahrzeugs 100 zuzugreifen.
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Die Vorrichtung 200 kann eine Benutzerschnittstelle 205 umfassen (z.B. mit einem berührungsempfindlichen Bildschirm). Der Nutzer der Vorrichtung 200 kann über die Benutzerschnittstelle 205 aufgefordert werden, die schallerzeugenden Einheit 101 in einer bestimmten Weise zu betreiben (z.B. mit einer bestimmten Drehzahl). Alternativ oder ergänzend kann die Vorrichtung 200 eingerichtet sein, dem Nutzer über die Benutzerschnittstelle 205 anzubieten, einen Test durchzuführen. Der Nutzer kann dies über die Benutzerschnittstelle 205 bestätigen. Die Vorrichtung 200 kann daraufhin die Möglichkeit sperren, das Fahrzeug 100 anderweitig zu nutzen. Es kann dann ein Test durchgeführt werden. Bei Bedarf kann der Test unterbrochen werden, um das Fahrzeug 100 erneut zu verwenden.
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Die Schalldaten und die Betriebsdaten können dann von einem Steuermodul bzw. von einer Verarbeitungseinheit 202 der Vorrichtung 200 ausgewertet werden, um die schallerzeugende Einheit 101 zu überwachen.
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Insbesondere kann die Verarbeitungseinheit 202 eingerichtet sein, auf Basis der Betriebsdaten zu erkennen, dass die schallerzeugende Einheit 101 einen bestimmten Referenz-Betriebszustand aufweist. Der Referenz-Betriebszustand zeichnet sich z.B. durch eine bestimmte Drehzahl und/oder durch eine bestimmte Temperatur der schalerzeugenden Einheit 101 aus.
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Wenn erkannt wird, dass die schallerzeugende Einheit 101 den bestimmten Referenz-Betriebszustand aufweist, können die ein oder mehreren Sensoren 206, 207 veranlasst werden, Schalldaten zu erfassen. Dabei können die Schalldaten ein Schallsignal im Zeitbereich umfassen. Das Schallsignal kann direkt im Zeitbereich ausgewertet werden, z.B. kann der zeitliche Verlauf der Amplitude des Schallsignals ermittelt werden.
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In entsprechender Weise kann an einer Vielzahl von unterschiedlichen Zeitpunkten, an denen die schallerzeugende Einheit 101 jeweils den Referenz-Betriebszustand aufweist, eine entsprechende Vielzahl von Schallsignalen ermittelt werden. Auf Basis der Vielzahl von Schallsignalen kann dann ein zeitlicher Referenzverlauf ermittelt werden. Beispielsweise kann für jedes Schallsignal der zeitliche Verlauf der Amplitude ermittelt werden. Des Weiteren können die zeitlichen Verläufe der Amplitude für die Vielzahl von Schallsignalen gemittelt werden, um den Referenzverlauf zu ermitteln.
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4 zeigt einen beispielhaften zeitlichen Referenzverlauf 400. Des Weiteren zeigt 4 ein durch die zeitlichen Verläufe 401, 402 gebildetes Referenzintervall 404 um den Referenzverlauf 400. Das Referenzintervall 404 kann dazu genutzt werden, die schallerzeugende Einheit 101 zu überwachen.
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Die Verarbeitungseinheit 202 kann eingerichtet sein, während des Betriebs der schallerzeugenden Einheit 101 einen Messzeitpunkt zu identifizieren, an dem die schallerzeugende Einheit 101 den Referenz-Betriebszustand aufweist. Des Weiteren kann die Verarbeitungseinheit 202 die ein oder mehreren Sensoren 206, 207 veranlassen, an dem identifizierten Messzeitpunkt ein Schallsignal zu erfassen, und auf Basis des Schallsignals einen zeitlichen Messverlauf (z.B. einen zeitlichen Verlauf der Amplitude) zu ermitteln.
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Der Messverlauf kann dann mit dem Referenzverlauf 400 verglichen werden. Insbesondere kann überprüft werden, ob der Messverlauf innerhalb oder zumindest teilweise außerhalb des Referenzintervalls 404 liegt. In Abhängigkeit von dem Vergleich kann dann eine Maßnahme in Bezug auf die schallerzeugende Einheit 101 bewirkt werden. Beispielsweise kann ein Hinweis ausgegeben werden, der anzeigt, dass die schallerzeugende Einheit 101 möglicherweise defekt ist, wenn erkannt wird, dass der Messverlauf zumindest teilweise außerhalb des Referenzintervalls 404 verläuft. Es kann somit eine effiziente und zuverlässige Überprüfung einer schallerzeugenden Einheit 101 erfolgen.
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3a zeigt beispielhafte Komponenten zur Überprüfung einer schallerzeugenden Einheit 101 gemäß dem oben beschriebenen Verfahren. 3b zeigt einen zusätzlichen Schallgenerator 301, der eingerichtet ist, Schall an der schallerzeugenden Einheit 101, z.B. an einem Gehäuse der schallerzeugenden Einheit 101, zu generieren. Der von dem Schallgenerator 301 generierte Schall kann dabei ein oder mehrere unterschiedliche Frequenzen aufweisen. Beispielsweise kann der generierte Schall einen sogenannten Sweep aufweisen, bei dem die Frequenz des Schalls in einem bestimmten Frequenzintervall stetig verändert (insbesondere erhöht) wird.
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Die ein oder mehreren Sensoren 206, 207 können eingerichtet sein, Schalldaten in Bezug auf den von dem Schallgenerator 301 generierten Schall zu erfassen, z.B. wenn die schallerzeugende Einheit 101 aktiv ist und/oder wenn die schallerzeugende Einheit 101 inaktiv ist. Beispielsweise können Schalldaten in Bezug auf eine Überlagerung des von dem Schallgenerator 301 generierten Schalls und des von der schallerzeugenden Einheit 101 generierten Schalls erfasst werden.
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Die Verarbeitungseinheit 202 kann eingerichtet sein, wie oben dargelegt, einen zeitlichen Referenzverlauf 400 zu ermitteln. Des Weiteren kann nachfolgend, z.B. während des Betriebs der schallerzeugenden Einheit 101, ein Messverlauf ermittelt werden, wobei der Messverlauf mit dem Referenzverlauf 400 verglichen werden kann, um die schallerzeugende Einheit 101 zu überprüfen.
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Wie in diesem Dokument dargelegt, erzeugt eine Maschine (d.h. eine schallerzeugende Einheit 101) während des Betriebs akustische Geräusche und mechanische Vibrationen, die von dem in diesem Dokument beschriebenen Fehlfunktions-Früherkennungssystems 200 mittels ein oder mehrerer Sensoren 206, 207 erfasst und in Zusammenhang mit Betriebsdaten (z.B. Zeit, Drehzahl, Temperatur, etc.) analysiert werden können. Als der Sensor 206, 207 kann ein Sensortyp verwendet werden, der akustische (z.B. ein Schallempfänger) und/oder mechanische Schwingungen (z.B. ein Inertialsensor) erfassen kann. Die ein oder mehreren Sensoren 206, 207 können in diverser Weise an der schallerzeugenden Einheit 101 befestigt werden. Zur Erfassung der Schalldaten können ein oder mehrere berührungslose Messverfahren und/oder Kontaktmessverfahren verwendet werden.
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Das Geräusch der schallerzeugenden Einheit 101 kann sich durch mechanischen Verschleiß mit der Zeit verändern. Das Fehlfunktion-Früherkennungssystem 200 kann ausgebildet sein, eine mögliche Schwachstelle infolge einer progressiven oder einer abrupten Änderung des Geräusches der schallerzeugenden Einheit 101 zu erkennen.
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Aus mehreren erfassten Geräuschen der schallerzeugenden Einheit 101 kann ein Mittelwertverlauf berechnet werden, der als ein statischer Referenzverlauf 400 für einen bestimmten Kilometerstand oder für ein bestimmtes Betriebszeitintervall der schallerzeugenden Einheit 101 verwendet und gespeichert werden kann. Insbesondere können für unterschiedliche Betriebszeitintervalle unterschiedliche Referenzverläufe 400 ermittelt und gespeichert werden. Beispielsweise können für unterschiedliche Betriebszeitintervalle entlang des Lebens der schallerzeugenden Einheit 101 jeweils unterschiedliche und/oder spezifische Referenzverläufe 400 ermittelt werden. Mit Beginn eines neuen Betriebszeitintervalls kann ein neuer (statischer) Referenzverlauf 400 ermittelt und gespeichert werden.
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Der Referenzverlauf kann dynamisch mit jeweils neuen Messungen aktualisiert werden, um einen aktualisierten bzw. einen dynamischen Referenzverlauf zu ermitteln, der mit dem gespeicherten bzw. statischen Referenzverlauf 400 verglichen werden kann.
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Falls die Differenz zwischen dem statischen Referenzverlauf 400 und dem dynamischen Verlauf eine vorbestimmte Abweichung überschreitet, dann kann eine Maßnahme in Bezug auf die schallerzeugende Einheit 101 bewirkt werden. Beispielsweise kann die Differenz gespeichert und/oder als Information oder Warnung ausgegeben werden.
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Die schallerzeugende Einheit 101 kann eine mechanische Maschine und/oder eine elektromechanische Maschine (z.B. ein Elektromotor) und/oder ein mechanisches und/oder ein elektromechanisches Teil sein, insbesondere ein Motor 101, ein Getriebe 104, ein Kugellager, etc. Die schallerzeugende Einheit 101 kann ausgebildet sein, durch eine mechanische Aktivität Geräusche zu erzeugen. Im Folgenden wird ein Motor 101 als Beispiel für eine schallerzeugende Einheit 101 betrachtet.
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Wie in 3a dargestellt, kann an dem Gehäuse eines Motors 101 zumindest ein Sensor 206, 207, z.B. ein Schallempfänger und/oder ein Inertialsensor, montiert sein. Der Sensor 206, 207 erfasst das Motorgeräusch und/oder Vibrationen 223 und stellt die erfassten Schalldaten einer Datenverarbeitungseinheit 202 zur Verfügung. Die Datenverarbeitungseinheit 202 ist ausgebildet, das erfasste Motorgeräusch und/oder die Vibrationen 223 zu analysieren und zu speichern. Die Datenverarbeitungseinheit 202 kann gleichzeitig mit der Motor-Steuereinheit 110, dem Control-Panel 205 und/oder der Kommunikationseinrichtung 201 verbunden sein. An der Motor-Steuereinheit 110 können weitere Sensoren 212, wie z.B. zur Erfassung der Temperatur, Drehzahl, Geschwindigkeit, Strom, Spannung, etc., angeschlossen sein. Über das Control-Panel 205 können von der Datenverarbeitungseinheit 202 Information oder eine Warnung ausgegeben werden. Über die Kommunikationseinrichtung 201 kann die Datenverarbeitungseinheit 202 per Funkverbindung Information in Bezug auf eine Fehlfunktion des Motors 101 an ein Fehlerauswertzentrum senden.
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Gleich nach dem ersten Motorstart können von der Motor-Steuereinheit 110 die Messwerte der ein oder mehreren Sensoren 212 wie z.B. Außentemperatur, Motortemperatur, Drehzahl, Kraftstoffverbrauch, usw., ermittelt werden. Die Motor-Steuereinheit 110 kann die erfassten Messwerte an die Datenverarbeitungseinheit 202 weiterleiten. Durch die Messwerte kann eine laufende Betriebsbedienung (LBB), d.h. ein Betriebszustand, des Motors 101 beschrieben werden. Durch die Berücksichtigung der LBB kann sichergestellt werden, dass der Referenzverlauf 400 und/oder ein Messverlauf bei gleichen Betriebsbedienungen ermittelt werden. So kann die Genauigkeit der Überwachung des Motors 101 erhöht werden. Die für die Ermittlung des gespeicherten Referenzverlaufs 400 verwendeten Betriebsbedingungen können als gespeicherte Betriebsbedienungen (GBB) bezeichnet werden.
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Wenn erkannt wird, dass die LBB und die GBB übereinstimmen, dann kann die Datenverarbeitungseinheit 202 ggf. signalisieren, dass für ein bestimmtes Messintervall (z.B. 3 Sekunden) keine Tätigkeit an dem Motor 101 vorzunehmen ist (z.B. keine Erhöhung der Drehzahl). So kann sichergestellt werden, dass die LBB und GBB für die Dauer des Messintervalls gleich bleiben.
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Die Datenverarbeitungseinheit 202 kann eingerichtet sein, die LBB-Daten der Sensoren 202 mit den Daten der ein oder mehreren Sensoren 206, 207 zu verknüpfen und zu speichern. So kann ein erster Datensatz mit einem Schallsignal gespeichert werden. Bei dem nächsten Motorstart können die oben beschriebenen Schritte wiederholt werden. Die Datenverarbeitungseinheit 202 kann eingerichtet sein, die LBB mit den GBB des ersten Datensatzes zu vergleichen und wenn sie identisch sind, kann von der Datenverarbeitungseinheit 202 ein Mittelwertverlauf 400 aus dem ersten und dem zweiten Datensatz ermittelt und gespeichert werden.
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In entsprechender Weise können N (z.B. N zwischen 50 und 100) Datensätze ermittelt und gemittelt werden, um einen Referenzverlauf 400 zu ermitteln und zu speichern. Der gespeicherte (statische) Referenzverlauf 400 kann dann für eine bestimmte Anzahl von Motorstarts und/oder für ein bestimmten Betriebszeitintervall verwendet werden, um den Motor 101 zu überwachen.
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Die Verarbeitungseinheit 202 kann eingerichtet sein, für eine Sequenz von Betriebszeitintervallen eine entsprechende Sequenz von Referenzverläufen 400 zu ermitteln und zu speichern. Die Sequenz von Referenzverläufen 400 zeigt dann das Verhalten der schallerzeugenden Einheit 101 als Funktion der Zeit entlang des Lebens der schallerzeugenden Einheit 101 an.
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Wie bereits oben dargelegt, kann ein Referenzintervall 404 um einen Referenzverlauf 400 herum definiert werden. Dabei kann eine Obergrenze 402 des Referenzintervalls 404 um einen bestimmten Faktor (z.B. 3dB) über dem Referenzverlauf 400 verlaufen. Des Weiteren kann eine Untergrenze 401 des Referenzintervalls 404 um einen bestimmten Faktor (z.B. -3dB) unter dem Referenzverlauf 400 verlaufen. Die Breite des Referenzintervalls 404 kann ggf. empirisch ermittelt werden.
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Im Anschluss an die Ermittlung des Referenzverlaufs 400 bzw. des Referenzintervalls 404 können (z.B. bei jedem Motorstart) Messverläufe ermittelt werden. Es wird dann überprüft, ob der jeweilige Messverlauf innerhalb oder zumindest teilweise außerhalb des Referenzintervalls 404 liegt. Wenn ein Messverlauf zumindest teilweise außerhalb des Referenzintervalls 404 liegt, so kann dieses Ereignis gespeichert werden. Des Weiteren kann die Datenverarbeitungseinheit 202 eingerichtet sein, über einen möglichen Fehler per Ausgabe an dem Control-Panel 205 zu informieren und/oder per Übertragung einer Nachricht mittels der Kommunikationseinrichtung 201 in ein Fehlerauswertezentrum eine weitere Analyse und/oder die Erstellung einer Statistik bewirken.
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Der Motor 101 kann bei Erkennung eines Fehlers durch einen Techniker überprüft werden. Die Datenverarbeitungseinheit 202 kann eingerichtet sein, es einer externen Einheit zu ermöglichen, die Untergrenze 401 und/oder die Obergrenze 402 des Referenzverlaufs 404 über die Kommunikationseinrichtung 201 oder über eine andere Schnittstelle zu ändern und/oder einzustellen.
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Die Geräusche des Motors 101 können im Leerlauf und/oder während einer Belastungsphase analysiert und/oder gespeichert werden.
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Wie bereits oben dargelegt, kann ein Schallgenerator 301 dazu verwendet werden, akustischen und/oder Körperschall an dem Gehäuse des Motors 101 zu generieren. Der Schallgenerator 301 kann an dem Gehäuse des Motors 101 angeordnet sein. Der Schallgenerator 301 kann einen Schallsender umfassen und/oder eine Vorrichtung umfassen, die eingerichtet ist, Vibrationen zu erzeugen.
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Durch die Datenverarbeitungseinheit 202 kann bewirkt werden, dass der Schallgenerator 301 Schall in einem bestimmten Frequenzbereich generiert, und dass der Schall von den ein oder mehreren Sensoren 206, 207 erfasst wird.
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Die Datenverarbeitungseinheit 202 kann eingerichtet sein, eine Resonanzfrequenz des Motors 101 zu ermitteln. Zu diesem Zweck kann bewirkt werden, dass der Schallgenerator 301 ein Schallsignal in einem bestimmten Frequenzbereich an dem Gehäuse des Motors 101 generiert, und dass das Schallsignal von den ein oder mehreren Sensoren 206, 207 erfasst wird. Dies kann für eine Vielzahl von unterschiedlichen Frequenzbereichen erfolgen. Es kann dann ermittelt werden, in welchem Frequenzbereich das von den ein oder mehreren Sensoren 206, 207 erfasste Schallsignal am stärksten ist. Der ermittelte Frequenzbereich entspricht dann der Resonanzfrequenz. Alternativ oder ergänzend kann die Resonanzfrequenz des Motors 101 durch Wobbeln ermittelt werden.
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Es kann dann ein Schallsignal mit der ermittelten Resonanzfrequenz verwendet werden, um (wie oben dargelegt) einen Referenzverlauf 400 und/oder ein Referenzintervall 404 zu ermitteln, und um auf Basis des Referenzverlaufs 400 eine mögliche Fehlfunktion des Motors 101 zu erkennen.
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Alternativ oder ergänzend kann eine akustische Untersuchung des Motors 101 an einer anderen Frequenz als an der Resonanzfrequenz durchgeführt werden. Beispielsweise kann eine Untersuchung in einem bestimmten Frequenzbereich mit Hilfe eines Wobbelgenerators erfolgen. Der Wobbelgenerator kann dabei in die Datenverarbeitungseinheit 202 integriert sein.
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Die Bestimmung der Resonanzfrequenz des Materials oder des zu untersuchenden Motors 101 und/oder das Überprüfen des Motors 101 können bei ein- und/oder ausgeschaltetem Motor 101 erfolgen.
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5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 500 zur Überwachung einer schallerzeugenden Einheit 101, wobei die schallerzeugende Einheit 101 ausgebildet ist, aufgrund einer mechanischen (und typischerweise rotierenden bzw. drehenden) Bewegung zumindest einer Komponente (z.B. einer Welle) der schallerzeugenden Einheit 101 Schall 223 zu erzeugen. Das Verfahren 500 kann durch eine Verarbeitungseinheit 202 ausgeführt werden.
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Das Verfahren 500 umfasst das Ermitteln 501, mittels eines Sensors 206, 207, einer Vielzahl von Schallsignalen an einer entsprechenden Vielzahl von Zeitpunkten, wobei der Sensor 206, 207 eingerichtet ist, ein Schallsignal an und/oder in einem Umfeld der schallerzeugenden Einheit 101 zu erfassen. Das Schallsignal kann ein akustisches Schallsignal und/oder ein Körperschallsignal umfassen.
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Des Weiteren umfasst das Verfahren 500 das Ermitteln 502, auf Basis der Vielzahl von Schallsignalen, eines zeitlichen Referenzverlaufs 400. Des Referenzverlauf kann als gemittelter zeitlicher Verlauf der Amplitude der Vielzahl von Schallsignalen berechnet werden. Der Referenzverlauf 400 kann z.B. auf Basis von N Schallsignalen an N Zeitpunkten ermittelt werden, wobei N gleich 20 oder mehr, oder 50 oder mehr sein kann.
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Außerdem umfasst das Verfahren 500 das Ermitteln 503, an einem auf die Vielzahl von Zeitpunkten folgenden Messzeitpunkt, eines Schallsignals anhand des Sensors 206, 207. Ferner umfasst das Verfahren 500 das Ermitteln 504, auf Basis des an dem Messzeitpunkt ermittelten Schallsignals, eines zeitlichen Messverlaufs. Der zeitliche Messverlauf kann dabei entsprechend zu dem Referenzverlauf ermittelt werden. Insbesondere kann der zeitliche Messverlauf den Verlauf der Amplitude des Schallsignals an dem Messzeitpunkt anzeigen.
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Des Weiteren umfasst das Verfahren 500 das Überwachen 505 der schallerzeugenden Einheit 101 auf Basis des zeitlichen Messverlaufs und auf Basis des zeitlichen Referenzverlaufs 400. Insbesondere kann durch einen Vergleich des Messverlaufs mit dem Referenzverlaufs 400 ermittelt werden, ob der schallerzeugende Einheit 101 einen Defekt aufweisen könnte oder nicht.
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Der Messverlauf und der Referenzverlauf 400 werden bevorzugt allein im Zeitbereich ermittelt (ohne eine Transformation in den Frequenzbereich und/oder ohne Verwendung einer Ordnungsanalyse). So kann eine effiziente und präzise Überwachung einer schallerzeugenden Einheit 101 (insbesondere einer Maschine bzw. eine Motors 101) ermöglicht werden.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur das Prinzip der vorgeschlagenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.
