DE102019125366A1

DE102019125366A1 - Wellenzustandüberwachungssystem und Verfahren zum Überwachen eines Zustands einer Welle

Info

Publication number: DE102019125366A1
Application number: DE102019125366.7A
Authority: DE
Inventors: Horst Weidele; Thomas Kottke; Aron Toth
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH
Current assignee: Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 2019-09-20
Filing date: 2019-09-20
Publication date: 2021-03-25

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wellenzustandüberwachungssystem für eine Welle, die zum Übertragen eines Drehmoments ausgebildet ist, wobei das Wellenzustandüberwachungssystem eine Welle, insbesondere einer Kurbelwelle und/oder einer Nockenwelle einer Brennkraftmaschine, ein Messwert-Erfassungssystem zum Erfassen eines Wellenparameters und eine Auswerteeinheit umfasst,wobei das Messwert-Erfassungssystem aufweist:- wenigstens einen ersten Drehwinkelsensor, der ausgebildet ist, eine erste Drehposition der Welle in Bezug auf eine Referenzdrehposition zu erfassen zur Bestimmung einer Drehpositionsabweichung zwischen erster Drehposition und Referenzdrehposition, wobei die Drehpositionsabweichung einer Spannung eines Torsionszustand der Welle unter Last zugeordnet wird,- wenigstens einen ersten Drehmomentsensor, der ausgebildet ist, ein erstes Drehmoment der Welle in Bezug auf ein Referenzdrehmoment zu erfassen zur Bestimmung einer Drehmomentabweichung zwischen erstem Drehmoment und einem Referenzdrehmoment, wobei die Drehmomentabweichung einer Dehnung des Torsionszustand der Welle unter Last zugeordnet wird.Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Auswerteeinheit ausgebildet ist,- mit einer Anzahl von Drehpositionsabweichungen und einer Anzahl von Drehmomentabweichungen ein Elastizitätsmodul als Beziehung zwischen Spannung und Dehnung eines Torsionszustand der Welle unter Last zu bestimmen, und- das Elastizitätsmodul mit wenigstens einer Referenzkurve zu vergleichen, die einen einem elastischen Verhalten der Welle zugeordneten Bereich aufweist, und- festzustellen, insbesondere zur Schadenszustandsdetektion festzustellen,ob das ermittelte Elastizitätsmodul einem dem elastischen Verhalten zugeordneten Bereich entspricht, oderob das ermittelte Elastizitätsmodul außerhalb eines dem elastischen Verhalten zugeordneten Bereich liegt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Wellenzustandüberwachungssystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, aufweisend eine Welle, vorzugsweise eine Motorwelle einer Brennkraftmaschine, insbesondere eine Kurbelwelle und/oder eine Nockenwelle, oder eine Generatorwelle eines Elektrogenerators, ein Messwert-Erfassungssystem zum Erfassen eines Wellenparameters und eine Auswerteeinheit, insbesondere zur Schadenszustandsdetektion. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Überwachen eines Zustands einer Welle, insbesondere unter Schadenszustandsdetektion.
Für eine Motorwelle eines Motors in einer Brennkraftmaschine ist es grundsätzlich bekannt ein Messwert-Erfassungssystem zur Verfügung zu stellen, das aufweist:

- wenigstens einen ersten Drehwinkelsensor, der ausgebildet ist, eine erste Drehposition der Motorwelle in Bezug auf eine Referenzdrehposition zu erfassen zur Bestimmung einer Drehpositionsabweichung zwischen erster Drehposition und Referenzdrehposition, und
- wenigstens einen ersten Drehmomentsensor, der ausgebildet ist, ein erstes Drehmoment der Motorwelle in Bezug auf ein Referenzdrehmoment zu erfassen zur Bestimmung einer Drehmomentabweichung zwischen erstem Drehmoment und einem Referenzdrehmoment.

Grundsätzlich kann man davon ausgehen, dass die Drehpositionsabweichung infolge einer Spannung eines Torsionsszustandes der Motorwelle unter Last zustande kommt und die Drehmomentabweichung infolge einer Dehnung des Torsionsszustandes der Motorwelle unter Last zustande kommt. Eine Motorwelle, insbesondere eine Kurbelwelle oder Nockenwelle, einer Brennkraftmaschine ist im Betrieb der Brennkraftmaschine in der Regel großen mechanischen Kräften ausgesetzt, die zu Verformungen oder dergleichen oben genannten Torsionen der Motorwelle führen können.
Um einem Bruch einer Motorwelle vorzubeugen, werden Motorwellen typischerweise im Rahmen einer vorbeugenden Wartung auf Risse untersucht. Für eine solche Untersuchung wird eine Motorwelle typischerweise aus einer Brennkraftmaschine ausgebaut und separat begutachtet. Eine Methode um plastische Verformungen in einer Motorwelle sichtbar zu machen, umfasst ein Röntgten der Motorwelle. In Röntgenaufnahmen können dann Indizien gesucht werden, die auf plastische Verformungen, wie z. B. Risse, hindeuten.
Verbreitet ist auch die sogenannte Farbeindringprüfung, in der elektrisch magnetisiertes Pulver oder eine Flüssigkeit auf die Motorwelle aufgebracht werden und in eventuell vorhandene Risse in der Motorwelle eindringen. Jedoch sind insbesondere feine Haarrisse mit diesen Methoden oftmals schwer zu erkennen und nicht immer zuverlässig nachweisbar.
Wünschenswert ist es, regelmäßig vorgesehene Untersuchungen der Motorwelle entweder auf ein Minimum zu reduzieren, oder aber vollständig zu vermeiden, um so die durch die Wartung und Überprüfung verursachten Stillstandszeiten ebenfalls zu vermeiden. Um Beschädigungen der Motorwelle zu erfassen, die bspw. zwischen zwei Wartungen auftreten können, wäre es überdies wünschenswert, eine stetige Überwachung der Motorwelle zu realisieren, um somit unmittelbar beim Auftreten möglicher Schäden auf diese Beschädigungen reagieren zu können und folglich einen größeren Schaden der Brennkraftmaschine ausschließen zu können. Insofern sollen Wartungsarbeiten nur noch durchgeführt werden, wenn diese auf Grund von Beschädigungen auch tatsächlich nötig sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Wellenzustandüberwachungssystem bereitzustellen, mit dem insbesondere eine verbesserte Schadenszustandsdetektion ermöglicht wird. Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Überwachen eines Zustands einer Welle, insbesondere mit einer verbesserten Schadenszustandsdetektion, bereitzustellen.
Hinsichtlich des Wellenzustandüberwachungssystems wird diese Aufgabe durch ein Wellenzustandüberwachungssystem gemäß Anspruch 1 gelöst.
Die Erfindung geht aus von einem Wellenzustandüberwachungssystem aufweisend eine Welle, , ein Messwert-Erfassungssystem zum Erfassen eines Wellenparameters und eine Auswerteeinheit, wobei das Messwert-Erfassungssystem aufweist:

- wenigstens einen ersten Drehwinkelsensor, der ausgebildet ist, eine erste Drehposition der Welle in Bezug auf eine Referenzdrehposition zu erfassen zur Bestimmung einer

- wenigstens einen ersten Drehmomentsensor, der ausgebildet ist, ein erstes Drehmoment der Welle in Bezug auf ein Referenzdrehmoment zu erfassen zur Bestimmung einer Drehmomentabweichung zwischen erstem Drehmoment und einem Referenzdrehmoment, wobei die Drehmomentabweichung einer Dehnung des Torsionszustandes der Welle unter Last zugeordnet wird.

Die Welle kann beispielsweise eine Motorwelle einer Brennkraftmaschine, insbesondere eine Kurbelwelle und/oder einer Nockenwelle sein, oder aber auch eine Welle eines Elektrogenerators, z.B. einer Windkraftanlage.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass

- die Auswerteeinheit ausgebildet ist,
- mit einer Anzahl von Drehpositionsabweichungen und einer Anzahl von Drehmomentabweichungen ein Elastizitätsmodul als Beziehung zwischen Spannung und Dehnung eines Torsionszustandes der Welle unter Last zu bestimmen,
- das Elastizitätsmodul mit wenigstens einer Referenzkurve zu vergleichen, die einen einem elastischen Verhalten der Welle zugeordneten Bereich aufweist, und
- insbesondere zur Schadenszustandsdetektion festzustellen, ob das ermittelte Elastizitätsmodul einem dem elastischen Verhalten zugeordneten Bereich entspricht, oder ob das ermittelte Elastizitätsmodul außerhalb eines dem elastischen Verhalten zugeordneten Bereich liegt.

Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass durch Eintritt eines durch bspw. Torsion ausgelösten Schadensfalls, eine plastische und somit irreversible Verformung eintritt, die im schlimmsten Fall zum Bruch einer Welle führen kann. Bevor eine Welle bricht, bilden sich in der Welle typischerweise Risse. Solche plastischen Verformungen sind ein Indiz für einen möglicherweise eintretenden Bruch der Welle. Der Erfindung liegt weiterhin die Überlegung zugrunde, dass ein Zustand z.B. einer Motorwelle einer Brennkraftmaschine auch während des Betriebs einer Brennkraftmaschine erfasst werden kann und dann eine Routineuntersuchung einer Motorwelle obsolet ist.
Die Erfindung schließt die Erkenntnis ein, dass das Elastizitätsmodul einer Welle ein Materialkennwert ist, anhand dessen während eines Betriebs, also einer Drehmomentbeaufschlagung, eine Aussage über den Zustand einer Welle, insbesondere hinsichtlich ihrer plastischen Verformungen, getroffen werden kann. Das Elastizitätsmodul beschreibt bei linear-elastischem Verhalten den proportionalen Zusammenhang zwischen Spannung und Dehnung bei der Verformung eines festen Körpers. Solange also eine Verformung einer Welle elastisch ist, ist der Zusammenhang zwischen Spannung und Dehnung der Motowelle im Wesentlichen linear. Wenn die Verformung einer Welle nicht mehr ausschließlich elastisch ist, sondern sich die Welle auch plastisch verformt, gilt dieser lineare Zusammenhang nicht mehr. Ein nichtlinearer Zusammenhang zwischen Spannung und Dehnung deutet also auf Rissbildung in einer Welle hin und ist ein Indiz für einen möglicherweise bevorstehenden Bruch der Welle.
Gemäß dem Konzept der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Wellenzustandüberwachungssystem wenigstens einen ersten Drehwinkelsensor und wenigstens einen ersten Drehmomentsensor aufweist, die ausgebildet sind, eine erste Drehposition in Bezug auf eine Referenzdrehposition und ein erstes Drehmoment in Bezug auf ein Referenzdrehmoment zu erfassen. Aus der Drehposition und der Referenzdrehposition kann eine Drehpositionsabweichung und aus dem Drehmoment und dem Referenzdrehmoment kann eine Drehmomentabweichung bestimmt werden. Die Drehpositionsabweichung gibt ein Maß für eine Torsion, also eine Spannung, der Welle an. Die Drehmomentabweichung gibt ein Maß für eine Längenänderung, also einer Dehnung, der Welle an. Aus der Drehpositionsabweichung und der Drehmomentabweichung lässt sich ein Elastizitätsmodul der Welle ermitteln, welches der Steigung einer Kurve in einem Spannungs-Dehnungs-Diagramm entspricht.
Die Auswerteeinheit des Wellenzustandüberwachungssystems ist ausgebildet, mit einer Anzahl von Drehpositionsabweichungen und einer Anzahl von Drehmomentabweichungen ein Elastizitätsmodul als Beziehung zwischen Spannung und Dehnung eines Torsionszustandes der Welle unter Last zu bestimmen, und das Elastizitätsmodul mit wenigstens einer Referenzkurve zu vergleichen, die einen einem elastischen Verhalten der Welle zugeordneten Bereich aufweist. Durch den Vergleich kann festgestellt werden, ob das von der Auswerteeinheit bestimmte Elastizitätsmodul diesem dem elastischen Verhalten der Welle zugeordneten Bereich entspricht. Anhand des Vergleichs kann also festgestellt werden, ob Spannung und Dehnung der Welle während einer Drehmomentbeaufschlagung der Welle einem elastischen Zusammenhang folgen. Erfindungsgemäß wird dazu, insbesondere zur Schadenszustandsdetektion festgestellt,
ob das ermittelte Elastizitätsmodul einem dem elastischen Verhalten zugeordneten Bereich entspricht, oder
ob das ermittelte Elastizitätsmodul außerhalb eines dem elastischen Verhalten zugeordneten Bereich liegt. Vorteilhafterweise ermöglicht das erfindungsgemäße Wellenzustandüberwachungssystem eine zuverlässige und zeitlich aktuelle Analyse des Zustands einer Welle hinsichtlich plastischer Verformungen der Welle. Dadurch können Risse in einer Welle rechtzeitig erkannt und ein Bruch der Welle zuverlässig vermieden werden. Auf rein vorsorglich durchgeführte oder routinemäßige Untersuchungen einer Welle, z.B. einer Brennkraftmaschine, kann dann vorteilhafterweise verzichtet werden. Das Wellenzustandüberwachungssystem kommt hierbei vorteilhafterweise mit wenigen Komponenten aus.
Hinsichtlich des Verfahrens wird die eingangs genannte Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 15 gelöst.
Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zum Überwachen einer Welle eines Wellenzustandüberwachungssystems vorgesehen, wobei das Wellenzustandüberwachungssystem eine Welle, ein Messwert-Erfassungssystem zum Erfassen eines Wellenparameters und eine Auswerteeinheit umfasst, und das Messwert-Erfassungssystem zum Erfassen eines Wellenparameters ausgebildet ist.
Das Verfahren umfasst die Schritte:

- Bestimmen einer ersten Drehposition einer Welle in Bezug auf eine Referenzdrehposition zur Bestimmung einer Drehpositionsabweichung zwischen erster Drehposition und Referenzdrehposition, wobei die Drehpositionsabweichung einer Spannung eines Torsionszustands der Welle unter Last zugeordnet wird,
- Bestimmen eines ersten Drehmoments der Welle in Bezug auf ein Referenzdrehmoment zur Bestimmung einer Drehmomentabweichung zwischen erstem Drehmoment und einem Referenzdrehmoment, wobei die Drehmomentabweichung einer Dehnung des Torsionszustandes der Welle unter Last zugeordnet wird,
- Bestimmen eines Elastizitätsmoduls mit einer Anzahl von Drehpositionsabweichungen und einer Anzahl von Drehmomentabweichungen als Beziehung zwischen Spannung und Dehnung eines Torsionszustandes der Welle unter Last,
- Vergleichen des Elastizitätsmoduls mit wenigstens einer Referenzkurve, die einen einem elastischen Verhalten der Welle zugeordneten Bereich aufweist,
- Feststellen, insbesondere zur Schadenszustandsdetektion, ob das ermittelte Elastizitätsmodul einem dem elastischen Verhalten zugeordneten Bereich entspricht, oder ob das ermittelte Elastizitätsmodul außerhalb eines dem elastischen Verhalten zugeordneten Bereich liegt.

Falls der Schritt des Vergleichens ergibt, dass das ermittelte Elastizitätsmodul nicht dem elastischen Verhalten der Welle zugeordneten Bereich entspricht, wird vorzugsweise ein Warnsignal an eine Nutzerschnittstelle ausgegeben, welches eine Information über den aktuellen Zustand der Welle repräsentiert.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Wellenzustandüberwachungssystem sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen und geben im Einzelnen vorteilhafte Möglichkeiten an, das oben erläuterte Konzept im Rahmen der Aufgabenstellung sowie hinsichtlich weiterer Vorteile zu realisieren.
Falls das Wellenzustandüberwachungssystem als Teil einer Brennkraftmaschine implementiert ist, kann die Auswerteeinheit ein Steuergerät (Engine Control Unit (ECU)) der Brennkraftmaschine oder Teil eines Steuergeräts (ECU) der Brennkraftmaschinesein.
Die Auswerteeinheit kann derart ausgebildet sein, dass sie - nachdem diese während einer Drehmomentbeaufschlagung festgestellt hat, dass das ermittelte Elastizitätsmodul dem dem elastischen Verhalten der Welle zugeordneten Bereich entspricht - nach einer vordefinierten Zeitdauer erneut ein Elastizitätsmodul bestimmt und dieses erneut mit wenigstens einer Referenzkurve vergleicht, um festzustellen, ob dieses erneut bestimmte Elastizitätsmodul dem dem elastischen Verhalten zugeordneten Bereich dieser zum Vergleich herangezogenen Referenzkurve entspricht. Dadurch kann eine laufende Überwachung des Zustands der Welle des Wellenzustandüberwachungssystems in vordefinierten Zeitabständen implementiert werden.
Vorzugsweise ist die Auswerteeinheit ausgebildet, ein Warnsignal bereitzustellen, wenn festgestellt wird, dass das ermittelte Elastizitätsmodul dem dem elastischen Verhalten zugeordneten Bereich nicht entspricht. Wenn der Vergleich ergibt, dass das ermittelte Elastizitätsmodul dem dem elastischen Verhalten zugeordneten Bereich nicht entspricht, ist dies ein Indiz dafür, dass die Welle plastisch verformt ist und gewechselt oder repariert werden muss, um einem Bruch der Welle vorzubeugen. Ein solches Warnsignal kann eine visuelle Information über den aktuellen Zustand der Welle repräsentieren, welche einem Nutzer auf einem Monitor angezeigt wird. Ein bereitgestelltes Warnsignal kann auch ein Aufleuchten einer Lampe bewirken, mit der einem Nutzer der Zustand der Welle signalisiert wird. Es ist auch denkbar, dass ein akustisches Warnsignal bereitgestellt wird, um den Nutzer auf den Zustand der Welle aufmerksam zu machen.
Die Auswerteeinheit kann ausgebildet sein, das Referenzdrehmoment auf Basis des erfassten Drehmoments und einer Drehzahl der Welle rechnerisch zu bestimmen. Die Drehzahl kann beispielsweise ermittelt werden, indem mit dem Drehwinkelsensor zwei Drehpositionen der Welle nacheinander zu zwei verschiedenen Zeitpunkten gemessen werden. Anhand des erfassten ersten Drehmoments und der ermittelten Drehzahl kann das Referenzdrehmoment rechnerisch bestimmt werden.
Alternativ oder zusätzlich kann die Auswerteeinheit ausgebildet sein, aus einem Kennfeld einer Brennkraftmaschine oder eines Elektrogenerators ein Gesamtdrehmoment der Welle zu bestimmen und aus dem Gesamtdrehmoment das Referenzdrehmoment abzuleiten.
Wenn an der Welle im Betrieb mit einem Nebenantrieb ein Moment abgegriffen werden soll, kann ein Drehmoment an dem Nebenantrieb auch vor dem eigentlichen Betrieb einer Brennkraftmaschine oder eines Elektrogenerators gemessen werden. Auf Basis dieses vorab an dem Nebenantrieb gemessenen Drehmoments und der im Betrieb zugeschalteten Last, kann die Auswerteeinheit im Betrieb der Brennkraftmaschine oder des Elektrogenerators das Referenzdrehmoment ermitteln und zum Bestimmen des Elastizitätsmoduls verwenden.
Wenigstens ein Drehwinkelsensor des Messwert-Erfassungssystems ist vorzugsweise ein Resolver oder ein Lochradsensor. Auch Sensoren, die ausgebildet sind, die Welle magnetisch abzutasten, können zum Erfassen einer Drehposition der Welle verwendet werden.
Das Messwert-Erfassungssystem kann wenigstens einen weiteren Drehwinkelsensor aufweisen, der zu dem ersten Drehwinkelsensor beabstandet an der Welle angeordnet und ausgebildet ist, die Referenzdrehposition zu erfassen. Vorzugsweise ist der erste Drehwinkelsensor dann an der Kraftseite der Welle und wenigstens ein weiterer Drehwinkelsensor an der Kraftgegenseite der Welle angeordnet. Die beiden Drehwinkelsensoren weisen dann zueinander einen Abstand auf, der geeignet ist, um zuverlässig eine Torsion der Welle während einer Drehmomentbeaufschlagung der Welle zu erfassen Zudem ist es vorteilhaft, wenn der für Rissbildung gefährdete Bereich zwischen den beiden Drehwinkelsensoren liegt.
Das Messwert-Erfassungssystem kann auch wenigstens einen weiteren Drehmomentsensor aufweisen, der zu dem ersten Drehmomentsensor beabstandet an der Welle angeordnet und ausgebildet ist, das Referenzdrehmoment zu erfassen. Vorzugsweise ist der erste Drehmomentsensor zusammen mit dem ersten Drehwinkelsensor an der Kraftseite der Welle und wenigstens ein weiterer Drehmomentsensor an der Kraftgegenseite der Welle angeordnet. Die beiden Drehmomentsensoren weisen dann zueinander in der Regel einen hinreichenden großen Abstand auf, um zuverlässig eine Dehnung, insbesondere eine Längenänderung entlang der Längsrichtung der Welle während einer Drehmomentbeaufschlagung der Welle zu erfassen.
Insbesondere wenn an der Welle von einem Antrieb auf der Kraftseite und von einem Nebenantrieb an der Kraftgegenseite ein Moment abgegriffen wird, kann es vorteilhaft sein, sowohl an der Kraftseite als auch an der Kraftgegenseite jeweils einen Drehwinkelsensor und einen Drehmomentsensor anzuordnen, um Spannung und Dehnung der Welle zuverlässig erfassen und somit das Elastizitätsmodul der Welle und auch dessen zeitlichen Verlauf im Betrieb ermitteln zu können.
Die Referenzkurve repräsentiert vorzugsweise einen zeitlichen Verlauf des Elastizitätsmoduls oder einen Verlauf des Elastizitätsmoduls in Abhängigkeit von der an der Welle abgegriffenen Last oder einen Verlauf des Elastizitätsmoduls mit zunehmender Torsion der Welle.
Der dem elastischen Verhalten der Welle zugeordnete Bereich der Referenzkurve entspricht insbesondere einem zumindest annährend linearen Zusammenhang zwischen Spannung und Dehnung der Welle. In diesem Bereich sind die Verformungen der Welle unter Last reversibel.
Die Referenzkurve kann auch zusätzlich einen einem plastischen Verhalten der Welle zugeordneten Bereich aufweisen, der einem nichtlinearen Zusammenhang zwischen Spannung und Dehnung der Welle entspricht. Eine Welle, die sich plastisch verformt, weist typischerweise Risse auf. Eine Welle mit plastischen Verformungen ist also in ihrer Struktur irreversibel verändert. Wenn das mittels der Auswerteeinheit bestimmte Elastizitätsmodul der Welle mit einer Referenzkurve verglichen wird und dieser Vergleich ergibt, dass das ermittelte Elastizitätsmodul einem dem plastischen Verhalten der Welle zugeordneten Bereich entspricht, sollte die Welle z.B. einer Brennkraftmaschine oder eines Elektrogenerators gewechselt werden, um einem Bruch der Welle im weiteren Betrieb vorzubeugen.
Wenigstens eine Referenzkurve, mit der das bestimmte Elastizitätsmodul im Betrieb, d.h. während einer Drehmomentbeaufschlagung, verglichen werden kann, ist vorzugsweise eine Kurve eines Spannungs-Dehnungs-Diagramms der Welle. In einem Spannungs-Dehnungs-Diagramm ist ein Zusammenhang zwischen Spannung und Dehnung eines festen Körpers dargestellt. Für kleine Spannungen und Dehnungen ist der Zusammenhang zwischen Spannung und Dehnung linear oder zumindest annähernd linear. Die Dehnung ist dann proportional zur Spannung und das Elastizitätsmodul ist die Proportionalitätskonstante. Das Elastizitätsmodul entspricht dann der Steigung der Referenzkurve im linearen Bereich.
Vorzugsweise wurde ein solches, als Referenzkurve verwendetes Spannungs-Dehnungs-Diagramms durch Messungen an einer Referenzwelle erstellt und dann für die Verwendung als Referenzkurve für die Welle zur Verfügung gestellt.
Wenigstens eine Referenzkurve, mit der das bestimmte Elastizitätsmodul der Welle im Betrieb verglichen werden kann, kann auch den zeitlichen Verlauf des Elastizitätsmoduls während des Betriebes repräsentieren. Eine solche Referenzkurve wird also während des Betriebs erzeugt und ständig durch erneut ermittelte Elastizitätsmodulwerte erweitert. In einer solchen Kurve entspricht insbesondere der dem elastischen Verhalten der Welle zugeordnete Bereich der Referenzkurve demjenigen Bereich der Kurve, der während eines Starts z.B. einer Brennkraftmaschine oder eines Elektrogenerators ermittelt wurde. Da eine Welle während eines Starts typischerweise ein geringes Drehmoment aufweist, ist insbesondere während des Startes der Zusammenhang zwischen Spannung und Dehnung der Welle linear oder zumindest annähernd linear, also die Verformung der Welle im Wesentlichen elastisch. Insbesondere ein aktuell ermitteltes Elastizitätsmodul kann im Betrieb mit der bis dahin erzeugten Referenzkurve verglichen werden.
Zum Vergleichen eines Elastizitätsmoduls im Betrieb können je nach Verfügbarkeit entweder eine Referenzkurve eines Spannungs-Dehnungs-Diagramms oder eine Referenzkurve, die den zeitlichen Verlauf eines laufend ermittelten Elastizitätsmoduls der Welle während des Betriebs repräsentiert oder - um die Zuverlässigkeit der Überwachung des Zustands der Welle zu erhöhen - beide Referenzkurven verwendet werden.
Das Wellenzustandüberwachungssystem kann auch eine Synchronisationseinheit aufweisen, die vorzugsweise derart ausgebildet ist, dass wenigstens die erste Drehposition und das erste Drehmoment zeitsynchron erfasst werden. Beispielsweise kann die Synchronisationseinheit eine Taktleitung aufweisen und ausgebildet sein, die Sensoren des Messwert-Erfassungssystems über die Taktleitung mit einem Taktsignal zeitgleich anzusteuern. Durch das Taktsignal können die Sensoren des Messwert-Erfassungssystems im Betrieb gleichzeitig angesteuert werden und so gleichzeitig einen entsprechenden Wellenparameter erfassen.
Die Synchronisationseinheit kann auch wenigstens einen A/D-(Analog/Digital)-Wandler aufweisen, der über Leitungen wenigstens mit dem ersten Drehwinkelsensor und dem ersten Drehmomentsensor zum Übertragen eines ersten die erste Drehposition repräsentierenden Drehpositionssignals und eines ersten das erste Drehmoment repräsentierenden Drehmomentsignals verbunden und ausgebildet ist, die an den A/D-Wandler geführten Signale zeitsynchron abzutasten und anschließend an die Auswerteeinheit zu übertragen. Der A/D-Wandler ist dann vorzugsweise zwischen die Sensoren des Messwert-Erfassungssystems und der Auswerteeinheit geschaltet. Durch das zeitsynchrone Abtasten werden an die Auswerteeinheit dann nur solche Drehpositionssignale und Drehmomentsignale übertragen, die zeitsynchron erfasste Drehpositionen und Drehmomente repräsentieren.
Die Erfindung schließt auch eine Brennkraftmaschine ein, die einen Motor mit Motorwelle und ein Wellenzustandüberwachungssystem aufweist, wobei das Wellenzustandüberwachungssystem die Motorwelle umfasst und gemäß einer der hier beschriebenen Ausführungsvarianten ausgebildet ist.
Die Erfindung schließt weiterhin einen Elektrogenerator mit einer Generatorwelle ein, wobei der der Elektrogenerator ein Wellenzustandüberwachungssystem aufweist, das Wellenzustandüberwachungssystem die Generatorwelle umfasst und das Wellenzustandüberwachungssystem gemäß einer der hier beschriebenen Ausführungsvarianten ausgebildet ist.
Ausführungsformen der Erfindung werden nun nachfolgend anhand der Zeichnung im Vergleich zum Stand der Technik, welcher zum Teil ebenfalls dargestellt ist, beschrieben. Diese soll die Ausführungsformen nicht notwendigerweise maßstäblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der aus der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass vielfältige Modifikationen und Änderungen betreffend die Form und das Detail einer Ausführungsform vorgenommen werden können, ohne von der allgemeinen Idee der Erfindung abzuweichen. Die in der Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Weiterbildung der Erfindung wesentlich sein. Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kombinationen aus zumindest zwei der in der Beschreibung, der Zeichnung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale. Die allgemeine Idee der Erfindung ist nicht beschränkt auf die exakte Form oder das Detail der im Folgenden gezeigten und beschriebenen bevorzugten Ausführungsform oder beschränkt auf einen Gegenstand, der eingeschränkt wäre im Vergleich zu dem in den Ansprüchen beanspruchten Gegenstand. Bei angegebenen Bemessungsbereichen sollen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte offenbart und beliebig einsetzbar und beanspruchbar sein. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in:

1 eine schematisch dargestelltes Wellenzustandüberwachungssystem mit einer Welle, einer Auswerteeinheit und einem Messwert-Erfassungssystem,
2 eine schematisch dargestellte Brennkraftmaschine mit einem Motor, einer Auswerteeinheit und einem Messwert-Erfassungssystem, die zusätzlich eine Synchronisationseinheit aufweist,
3 eine schematisch dargestellte Brennkraftmaschine mit einem Motor, einer Auswerteeinheit und einem Messwert-Erfassungssystem, die zusätzlich eine Synchronisationseinheit aufweist,
4 ein schematisch dargestelltes Ablaufdiagram eines Verfahrens zum Überwachen eines Zustands einer Welle gemäß einem Konzept der Erfindung,
FIG: 5 eine schematisch dargestellte Windkraftanlage mit einem Elektrogenerator,
FIG: 6 ein schematisches Spannungs-Dehnungs-Diagramm mit einem linear-elastischen Bereich und einem außerhalb des linear-elastischen Bereichs liegenden Bereich.

1 zeigt ein schematisch dargestelltes Wellenzustandüberwachungssystem 100 mit einer Welle 14. Lediglich beispielhaft ist die Welle 14 als Motorwolle 104 einer Brennkraftmaschine ausgebildet, die mit einer Anzahl Zylinder 106 verbunden ist. Das Wellenzustandüberwachungssystem 100 weist auch eine Auswerteeinheit 108 sowie ein Messwert-Erfassungssystem 118 zum Erfassen eines Wellenparameters auf. Das Messwert-Erfassungssystem 118 weist einen ersten Drehwinkelsensor 110, einen zweiten Drehwinkelsensor 112, einen ersten Drehmomentsensor 114 und einen zweiten Drehmomentsensor 116 auf.
Der erste Drehwinkelsensor 110 und der erste Drehmomentsensor 114 sind an der Kraftseite KS der Motorwelle und der zweite Drehwinkelsensor 112 und der zweite Drehmomentsensor 116 sind an der Kraftgegenseite KGS der Motorwelle 104 angeordnet. Insbesondere wenn die Welle 104 mit einem Drehmoment beaufschlagt wird kann mit dem ersten Drehwinkelsensor 110 eine erste Drehposition und mit dem zweiten Drehwinkelsensor 112 eine Referenzdrehposition gemessen werden. Mit dem ersten Drehmomentsensor 114 und dem zweiten Drehmomentsensor 116 kann im Betrieb entsprechend ein erstes Drehmoment und ein Referenzdrehmoment der Motorwelle 104 erfasst werden. Eine Verwendung eines solchen Messwert-Erfassungssystems (118) mit einem ersten Drehwinkelsensor 110 und einem ersten Drehmomentsensor 114 an der Kraftseite KS der Motorwelle 104 und einem zweiten Drehwinkelsensor 112 und einem zweiten Drehmomentsensor 116 an der Kraftgegenseite KGS der Welle 104 ist dann besonders vorteilhaft, wenn sowohl an der Kraftseite KS eines Antriebs und an der Kraftgegenseite KGS eines Nebenantriebs ein Moment abgegriffen wird. Wenn lediglich an der Kraftseite KS der Motorwelle 104 ein Moment abgegriffen wird, kann insbesondere auf den zweiten Drehmomentsensor 116 verzichtet und das Referenzdrehmoment rechnerisch bestimmt werden. Unter Umständen kann auch auf den zweiten Drehwinkelsensor 112 verzichtet und die Referenzdrehposition im Betrieb anhand eines Modells der Motorwelle 104 ermittelt werden.
Die von den Sensoren des Messwert-Erfassungssystems (118) erfassten Wellenparameter können dann repräsentiert durch entsprechende Drehpositionssignale oder Drehmomentsignale über Leitungen oder auch drahtlos an die Auswerteeinheit 108 übertragen werden.
Mittels der Auswerteeinheit 108 kann aus der ersten Drehposition und der Referenzdrehposition eine Drehpositionsabweichung ermittelt werden, die ein Maß für die Torsion der Motorwelle 104 ist, und aus dem ersten Drehmoment und dem Referenzdrehmoment ein Drehmomentabweichung berechnet werden, welches ein Maß für eine Dehnung der Motorwelle 104 ist. Aus der Drehpositionsabweichung und dem Drehmomentabweichung kann dann ein Elastizitätsmodul der Motorwelle 104 ermittelt werden.
Die Auswerteeinheit 108 ist weiterhin ausgebildet das ermittelte Elastizitätsmodul mit einer oder mehreren Referenzkurven zu vergleichen.
Eine solche Referenzkurve kann zum einen eine Kurve eines Spannungs-Dehnungs-Diagramms der Motorwelle 104 oder einer Referenzwelle sein. Insbesondere für kleine Spannungen und Dehnung ist der Zusammenhang zwischen Spannung und Dehnungen im Wesentlichen linear und die Steigung der Kurve entspricht dem Elastizitätsmodul der Motorwelle 104 unter elastischer Verformung. Bei größerer Spannung und/oder Dehnung wird der Zusammenhang zwischen Spannung und Dehnung der Motorwelle 104 nichtlinear, die Motorwelle verformt sich also plastisch. Durch Vergleichen des ermittelten Elastizitätsmoduls mit dem Spannungs-Dehnungs-Diagramm der Motorwelle 104 kann also festgestellt werden, ob das ermittelte Elastizitätsmodul dem dem elastischen Verhalten der Motorwelle 104 zugeordneten Bereich der Referenzkurve entspricht.
Eine solche Referenzkurve kann zum anderen auch eine Kurve sein, die den zeitlichen Verlauf des Elastizitätsmoduls der Motorwelle 104 während des Betriebs repräsentiert. Zum Erzeugen einer solchen Referenzkurve können beispielsweise in vordefinierten Zeitabständen mittels der Auswerteeinheit 108 Elastizitätsmodulwerte der Motorwelle 104 ermittelt und der Referenzkurve hinzugefügt werden. Die Referenzkurve wird dann dynamisch während des Betriebs der Motorwelle erweitert. Ein aktuell ermitteltes Elastizitätsmodul kann dann mit der dynamisch erzeugten Referenzkurve verglichen und eine mögliche Abweichung von dem bisherigen Verlauf festgestellt werden. Insbesondere während eines Starts einer Brennkraftmaschine ist der Zusammenhang zwischen Spannung und Dehnung der Motorwelle 104 linear oder zumindest annähernd linear, sodass dieser Bereich einem elastischen Verhalten der Motorwelle 104 zugeordnet werden kann. Wenn also im Betrieb ein ermitteltes Elastizitätsmodul eine Steigung repräsentiert, die von der Steigung des dem wie in Bezug auf 6 beschriebenen elastische Bereich der Motorwelle 104 zugeordneten Bereich der Referenzkurve abweicht kann dies ein Indiz für eine Rissbildung in der Motorwelle 104 sein.
Es kann vorteilhaft sein, wenn die Auswerteeinheit 108 ausgebildet ist, ein ermitteltes Elastizitätsmodul sowohl mit einem Spannungs-Dehnungs-Diagramm der Motorwelle 104 als auch mit einer dynamisch erzeugten, den Verlauf des Elastizitätsmoduls repräsentierenden Referenzkurve zu vergleichen. Durch Vergleichen eines ermittelten Elastizitätsmoduls mit mehreren Referenzkurven kann vorteilhafterweise die Zuverlässigkeit einer Detektion eines Risses in der Motorwelle 104 zusätzlich erhöht werden.
Bevorzugt ist die Auswerteeinheit 108 ausgebildet, ein Warnsignal bereitzustellen, wenn festgestellt wird, dass das ermittelte Elastizitätsmodul dem dem elastischen Verhalten der Motorwelle 104 zugeordneten Bereich nicht entspricht. Ein ermitteltes Elastizitätsmodul, das dem dem elastischen Verhalten zugeordneten Bereich nicht entspricht, repräsentiert dann möglicherweise einen Zustand der Motorwelle 104, in dem die Motorwelle 104 plastische Verformungen aufweist, wie beispielsweise in Bezug auf FIG: 6 beschrieben, und ausgetauscht werden sollte.
2 zeigt eine Brennkraftmaschine 200 mit einem Motor 202, der eine Motorwelle 204 aufweist. Die Motorwelle 204 ist mit einer Anzahl Zylinder 206 verbunden und weist eine Kraftseite KS und eine Kraftgegenseite KGS auf. Die Brennkraftmaschine 200 weist ein Wellenzustandüberwachungssystem 201 auf, welches die Motorwelle 204, ein Messwert-Erfassungssystem zum Erfassen eines Motorwellenparameters der Motorwelle 204 und eine Auswerteeinheit 208 umfasst. Das Messwert-Erfassungssystem weist einen ersten Drehwinkelsensor 210, einen zweiten Drehwinkelsensor 212, einen ersten Drehmomentsensor 214 und einen zweiten Drehmomentsensor 216 auf, die - wie in Bezug auf 1 beschrieben - angeordnet und ausgebildet sind. Wenn im Betrieb nur an der Kraftseite KS der Motorwelle 204 ein Moment abgegriffen wird, kann insbesondere auf den zweiten Drehwinkelsensor 212 und den zweiten Drehmomentsensor 216 verzichtet werden und die Referenzdrehposition und das Referenzdrehmoment rechnerisch, z. B. auf Basis eines Models der Motorwelle 204, bestimmt werden.
Die Auswerteeinheit 208 ist über Leitungen 209 mit jeweils einem der Sensoren 210, 212, 214, 216 des Messwert-Erfassungssystems zum Übertragen von Drehpositionssignalen und Drehmomentsignalen verbunden. Die Drehpositionssignale und Drehmomentsignale repräsentieren entsprechend eine erfasste Drehposition oder ein erfasstes Drehmoment. Im Betrieb der Brennkraftmaschine 200 kann dann mittels wenigstens der erfassten ersten Drehposition und der Referenzdrehposition und dem erfassten ersten Drehmoment und dem Referenzdrehmoment ein Elastizitätsmodul der Motorwelle bestimmt und mit wenigstens einer Referenzkurve verglichen werden. Anhand des Vergleichs kann festgestellt werden, ob das ermittelte Elastizitätsmodul einem dem elastischen Verhalten der Motorwelle 204 zugeordneten Bereich der Referenzkurve entspricht.
Zusätzlich zu dem in Bezug auf 1 beschriebenen Wellenzustandüberwachungssystem, weist das Wellenzustandüberwachungssystem der hier gezeigte Brennkraftmaschine 200 eine Synchronisationseinheit auf, die eine Taktleitung 218 umfasst. Die Taktleitung 218 verbindet die Auswerteeinheit 208 mit den Sensoren 210, 212, 214, 216 des Messwert-Erfassungssystems. Die Auswerteeinheit 208 ist ausgebildet ein Taktsignal bereitzustellen, welches dann im Betrieb über die Taktleitungen 218 an die Sensoren 210, 212, 214, 216 übertragen werden kann, um diese zeitsynchron anzusteuern. Wenn die Sensoren 210, 212, 214, 216 im Betrieb ein Taktsignal empfangen, erfassen diese gleichzeitig einen entsprechenden Motorwellenparameter, sodass ein Elastizitätsmodul auf Basis zeitsynchron erfasster Motorwellenparameter ermittelt werden kann.
3 zeigt eine Brennkraftmaschine 300 mit einem Motor 302, der eine Motorwelle 304 aufweist. Die Motorwelle 304 ist mit einer Anzahl Zylinder 306 verbunden. Die Brennkraftmaschine 300 weist ein Wellenzustandüberwachungssystem 301 auf, dass die Motorwelle 304, eine Auswerteeinheit 308 und ein Messwert-Erfassungssystem mit einem ersten Drehwinkelsensor 310, einem zweiten Drehwinkelsensor 312, einem ersten Drehmomentsensor 314 und einem zweiten Drehmomentsensor 316 umfasst. Der erste Drehwinkelsensor 310 und der erste Drehmomentsensor 314 sind an der Kraftseite KS der Motorwelle 304 angeordnet und ausgebildet, entsprechend eine erste Drehposition oder ein erstes Drehmoment zu erfassen. Der zweite Drehwinkelsensor 312 und der zweite Drehmomentsensor 316 sind an der Kraftgegenseite KGS der Motorwelle 304 angeordnet und ausgebildet, entsprechend eine Referenzdrehposition oder ein Referenzdrehmoment zu erfassen. Wie auch in Bezug auf 1 beschrieben, können insbesondere die Referenzdrehposition und das Referenzdrehmoment rechnerisch ermittelt und entsprechend auf den zweiten Drehwinkelsensor 312 und den zweiten Drehmomentsensor 316 verzichtet werden.
Das Wellenzustandüberwachungssystem der Brennkraftmaschine 300 weist eine Synchronisationseinheit auf, die einen A/D-Wandler 318 umfasst. Der A/D-Wandler 318 ist mit den Sensoren 310, 312, 314, 316 jeweils über eine Leitung 309 verbunden, sodass von den Sensoren 310, 312, 314, 316 entsprechend bereitgestellte Drehpositionssignale oder Drehmomentsignale an den A/D-Wandler 318 übertragen werden können. Der A/D-Wandler 318 ist ausgebildet, die von den Sensoren 310, 312, 314, 316 übertragenen Signale zeitsynchron abzutasten. Somit stellt der A/D-Wandler 318 seinerseits diskrete Drehpositionssignale und Drehmomentsignale bereit, die zeitsynchron erfasste Drehpositionen und Drehmomente repräsentieren. Der A/D-Wandler 318 ist weiterhin mit der Auswerteeinheit 308 verbunden und ausgebildet, ein an die Auswerteeinheit 308 nur solche Drehpositionssignale und Drehmomentsignale zu übertragen, die zeitsynchron erfasste Drehpositionen und Drehmomente repräsentieren. Dadurch kann die Auswerteeinheit 308 im Betrieb der Brennkraftmaschine 300 ein Elastizitätsmodul der Motorwelle 304 auf Basis zeitsynchron erfasster Motorwellenparameter ermitteln.
In 4 ist ein schematisch dargestelltes Ablaufdiagram eines Verfahrens zum Überwachen eines Zustands einer Welle eines Wellenzustandüberwachungssystems gezeigt.
Das Wellenzustandüberwachungssystem weist eine Welle auf, die insbesondere eine Kurbelwelle oder eine Nockenwelle einer Brennkraftmaschine sein kann. Weiterhin weist das Wellenzustandüberwachungssystem eine Auswerteeinheit sowie ein Messwert-Erfassungssystem zum Erfassen eines Wellenparameters.
In dem Verfahren wird in einem ersten Schritt S1 eine erste Drehposition φ einer Welle 14 in Bezug auf eine Referenzdrehposition φr bestimmt. Weiterhin wird in einem zweiten Schritt S2 ein erstes Drehmoment M der Welle 14 in Bezug auf ein Referenzdrehmoment Mr bestimmt. Mittels wenigstens der ersten Drehposition φ und der Referenzdrehposition φr und dem ersten Drehmoment M und dem Referenzdrehmoment Mr wird in einem dritten Schritt S3 ein Elastizitätsmodul Δσ/Δε der Welle 14 bestimmt. Das so bestimmte Elastizitätsmodul Δσ/Δε wird dann in einem vierten Schritt S4 mit wenigstens einer Referenzkurve 602, die einen einem elastischen Verhalten der Welle 14 zugeordneten Bereich B_lin aufweist, verglichen. Anhand des Vergleichs zwischen Elastizitätsmodul Δσ/Δε und wenigstens einer Referenzkurve 602 wird in in einem fünften Schritt S5 dann festgestellt, ob das Elastizitätsmodul Δσ/Δε dem dem elastischen Verhalten der Welle 14 zugeordneten Bereich B_lin der Referenzkurve 602 entspricht. Falls der Vergleich ergibt, dass das ermittelte Elastizitätsmodul nicht dem dem elastischen Verhalten zugeordneten Bereich B_lin entspricht, wird in einem sechsten Schritt S6 ein Warnsignal S ausgegeben.
In 5 ist eine Windkraftanlage 500 mit einem Rotorblatt 502 eines nicht näher bezeichneten aerodynamischen Rotors und einem Elektrogenerator 504 gezeigt. Der Elektrogenerator 504 umfasst ein Wellenzustandüberwachungssystem mit einer Generatorwelle 14,506, einem Messwert-Erfassungssystem 508 und einer Auswerteeinheit (nicht gezeigt). Das Messwert-Erfassungssystem 508 umfasst zwei Drehwinkelsensoren 510, 512, wobei ein erster Drehwinkelsensor 510 an der Generatorwelle 14, 506 zwischen Rotorblatt 502 und Elektrogenerator 504 und ein zweiter Drehwinkelsensor 512 an der Generatorwelle 14,506 auf der dem Rotorblatt 502 gegenüberliegenden Seite des Elektrogenerators 504 angeordnet ist. Der Elektrogenerator 504 selbst wird im Betrieb als Drehmomentsensor verwendet, sodass im Betrieb Spannung und Dehnung der Generatorwelle 14,506 anhand von erfassten Drehwinkelpositionen und Drehmomenten bestimmt werden können. Mittels der Auswerteeinheit kann dann insbesondere im Betrieb ein Elastizitätsmodul als Beziehung zwischen Spannung und Dehnung eines Torsionszustandes der Generatorwelle 14,506 bestimmt und das Elastizitätsmodul mit einer Referenzkurve vergleichen werden. Anhand des Vergleichs kann die Auswerteeinheit feststellen, ob das ermittelte Elastizitätsmodul einem dem elastischen Verhalten zugeordneten Bereich entspricht oder außerhalb dieses Bereichs liegt.
In 6 ist beispielhaft ein schematisches Spannungs-Dehnungs-Diagramm 600 gezeigt. Die Messkurve 602 repräsentiert hierbei das mechanische Spannungs- und Dehnungsverhalten eines Festkörpers unter Krafteinwirkung. In dem Spannungs-Dehnungs-Diagramm 600 ist die Spannung σ über der Dehnung ε aufgetragen. Die Messkurve 602 weist einen linear-elastischen Bereich B_lin und einen außerhalb des linear-elastischen Bereichs liegenden Bereich 606 auf. Der außerhalb des linear-elastischen Bereichs liegende Bereich 606 umfasst einen nichtlinearelastischen Bereich, der sich bis zur Dehnungsgrenze 608 erstreckt, und einen an diesen in Richtung größerer Dehnungen ε anschließenden elastisch-plastischen Bereich. Wenn die Dehnung ε über den elastisch-plastischen Bereich hinaus erhöht wird kommt es zum Bruch 610 des Festkörpers.
Mit einem z.B. wie in Bezug auf 1 beschriebenen Wellenzustandüberwachungssystems können Spannung und Dehnung einer Welle unter Last mit Hilfe des Messwert-Erfassungssystems des Wellenzustandüberwachungssystems erfasst werden. Hierfür werden an der Welle Drehwinkelsensoren und Drehmomentsensoren angeordnet, um jeweils eine Drehpositionsabweichung Δσ und eine Drehmomentabweichung Δε zu erfassen.
Mit einer Auswerteeinheit des Wellenzustandüberwachungssystems können mit einer Anzahl von Drehpositionsabweichungen und einer Anzahl von Drehmomentabweichungen ein Elastizitätsmodul als Beziehung zwischen Spannung und Dehnung eines Torsionszustandes einer Welle unter Last bestimmen bestimmt werden.
Das so bestimmte Elastizitätsmodul kann von der Auswerteeinheit mit wenigstens einer Referenzkurve, z.B. einer Messkurve 602 eines Spannungs-Dehnungs-Diagramms 600, verglichen werden. Durch den Vergleich kann mittels der Auswerteeinheit festgestellt werden, ob das ermittelte Elastizitätsmodul einem dem elastischen Verhalten zugeordneten Bereich B_lin entspricht, oder ob das ermittelte Elastizitätsmodul außerhalb eines dem elastischen Verhalten zugeordneten Bereich 606 liegt.
Bezugszeichenliste

14: Welle
100: Wellenzustandüberwachungssystem
104: Welle
106: Zylinder
108: Auswerteeinheit
110: erster Drehwinkelsensor
112: zweiter Drehwinkelsensor
114: erster Drehmomentsensor
116: zweiter Drehmomentsensor
118: Messwert-Erfassungssystem
200: Brennkraftmaschine
201: Wellenzustandüberwachungssystem
202: Motor
204: Motorwelle
206: Zylinder
208: Auswerteeinheit
209: Leitungen
210: erster Drehwinkelsensor
212: zweiter Drehwinkelsensor
214: erster Drehmomentsensor
216: zweiter Drehmomentsensor
218: Taktleitung
300: Brennkraftmaschine
301: Wellenzustandüberwachungssystem
302: Motor
304: Motorwelle
306: Zylinder
308: Auswerteeinheit
309: Leitungen
310: erster Drehwinkelsensor
312: zweiter Drehwinkelsensor
314: erster Drehmomentsensor
316: zweiter Drehmomentsensor
318: A/D-Wandler
500: Windkraftanlage
502: Rotorblatt
504: Elektrogenerator
506: Generatorwelle
508: Messwert-Erfassungssystem
510: Drehwinkelsensor
512: Drehwinkelsensor
600: Spannungs-Dehnungs-Diagramm
602: Messkurve
606: außerhalb des linear-elastischen Bereichs liegender Bereich
608: Dehnungsgrenze
610: Bruch
KS: Kraftseite der Motorwelle
KGS: Kraftgegenseite der Motorwelle
S1: Bestimmen einer ersten Drehposition einer Welle
S2: Bestimmen eines ersten Drehmoments einer Welle
S3: Bestimmen eines Elastizitätsmoduls der Welle
S4: Vergleichen des Elastizitätsmoduls mit wenigstens einer Referenzkurve
S5: Feststellen, ob das Elastizitätsmodul dem dem elastischen Verhalten der Welle zugeordneten Bereich der Referenzkurve entspricht
S6: Ausgeben eines Warnsignals
M: Drehmoment
Mr: Referenzdrehmoment
φ,: Drehposition
φr: Referenzdrehposition
Δσ/Δε: ElastizitätsmodulB lin linear-elastischer Bereich
S: Warnsignal

Claims

Wellenzustandüberwachungssystem (100) für eine Welle, die zum Übertragen eines Drehmoments ausgebildet ist, wobei das Wellenzustandüberwachungssystem (100) eine Welle (14), vorzugsweise eine Motorwelle (14,104) einer Brennkraftmaschine, insbesondere eine Kurbelwelle und/oder eine Nockenwelle, oder eine Generatorwelle (14, 504) eines Elektrogenerators, ein Messwert-Erfassungssystem (118, 508) zum Erfassen eines Wellenparameters und eine Auswerteeinheit (108) umfasst, wobei das Messwert-Erfassungssystem (118, 508) aufweist: - wenigstens einen ersten Drehwinkelsensor (110), der ausgebildet ist, eine erste Drehposition φ der Welle (14) in Bezug auf eine Referenzdrehposition φr zu erfassen zur Bestimmung einer Drehpositionsabweichung Δσ zwischen erster Drehposition φ und Referenzdrehposition φr, wobei die Drehpositionsabweichung Δσ einer Spannung eines Torsionszustandes der Welle (14) unter Last zugeordnet wird, - wenigstens einen ersten Drehmomentsensor (116), der ausgebildet ist, ein erstes Drehmoment M der Welle (14) in Bezug auf ein Referenzdrehmoment Mr zu erfassen zur Bestimmung einer Drehmomentabweichung zwischen erstem Drehmoment und einem Referenzdrehmoment, wobei die Drehmomentabweichung Δε einer Dehnung des Torsionszustandes der Welle (14) unter Last zugeordnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass - die Auswerteeinheit (108) ausgebildet ist, - mit einer Anzahl von Drehpositionsabweichungen und einer Anzahl von Drehmomentabweichungen ein Elastizitätsmodul Δσ/Δε als Beziehung zwischen Spannung und Dehnung eines Torsionszustandes der Welle (14) unter Last zu bestimmen, - das Elastizitätsmodul Δσ/Δε mit wenigstens einer Referenzkurve 602 zu vergleichen, die einen einem elastischen Verhalten der Welle (14) zugeordneten Bereich (B lin) aufweist, und - festzustellen, insbesondere zur Schadenszustandsdetektion festzustellen, ob das ermittelte Elastizitätsmodul Δσ/Δε einem dem elastischen Verhalten zugeordneten Bereich (B lin) entspricht, oder ob das ermittelte Elastizitätsmodul Δσ/Δε außerhalb eines dem elastischen Verhalten zugeordneten Bereich (606) liegt.
Wellenzustandüberwachungssystem (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der dem elastischen Verhalten zugeordnete Bereich der Referenzkurve einem zumindest annährend linearen Zusammenhang zwischen Spannung und Dehnung der Welle (14) entspricht.
Wellenzustandüberwachungssystem (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzkurve außerhalb des dem elastischen Verhalten zugeordneten Bereichs einen einem plastischen Verhalten zugeordneten Bereich aufweist, der einem nichtlinearen Zusammenhang zwischen Spannung und Dehnung der Welle (14) entspricht.
Wellenzustandüberwachungssystem (100) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (108) ausgebildet ist, nachdem diese im Betrieb festgestellt hat, dass das ermittelte Elastizitätsmodul dem dem elastischen Verhalten zugeordneten Bereich entspricht, nach einer vordefinierten Zeitdauer erneut ein Elastizitätsmodul zu bestimmen und dieses erneut mit wenigstens einer Referenzkurve zu vergleichen um festzustellen, ob dieses erneut bestimmte Elastizitätsmodul dem dem elastischen Verhalten zugeordneten Bereich dieser Referenzkurve entspricht.
Wellenzustandsüberwachungssystem (100) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (108) ausgebildet ist, ein Warnsignal bereitzustellen, wenn festgestellt wird, dass das ermittelte Elastizitätsmodul dem dem elastischen Verhalten zugeordneten Bereich nicht entspricht.
Wellenzustandsüberwachungssystem (100) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Messwert-Erfassungssystem einen weiteren Drehwinkelsensor (112) aufweist, der zu dem ersten Drehwinkelsensor (110) beabstandet an der Welle (14) angeordnet und ausgebildet ist, die Referenzdrehposition zu erfassen.
Wellenzustandüberwachungssystem (100) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Messwert-Erfassungssystem einen weiteren Drehmomentsensor (116) aufweist, der zu dem ersten Drehmomentsensor (114) beabstandet an der Welle (14) angeordnet und ausgebildet ist, das Referenzdrehmoment zu erfassen.
Wellenzustandüberwachungssystem (100) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (108) ausgebildet ist, das Referenzdrehmoment auf Basis des erfassten Drehmoments und einer Drehzahl der Welle (14) rechnerisch zu bestimmen.
Wellenzustandüberwachungssystem (100) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Drehwinkelsensoren (110, 112) ein Resolver oder ein Lochradsensor ist.
Wellenzustandüberwachungssystem (100) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Referenzkurve, mit der das bestimmte Elastizitätsmodul vergleichen wird, eine Kurve eines Spannungs-Dehnungs-Diagramms der Welle (14) ist.
Wellenzustandüberwachungssystem (100) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Referenzkurve, mit der das bestimmte Elastizitätsmodul vergleichen wird, eine Kurve ist, die einen zeitlichen Verlauf eines während des Betriebs bestimmten Elastizitätsmoduls repräsentiert, wobei der dem elastischen Verhalten zugeordnete Bereich der Referenzkurve demjenigen Bereich der Kurve entspricht, der während eines Startes einer Drehmomentbeaufschlagung der Welle (14) ermittelt wurde.
Wellenzustandüberwachungssystem (200) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 11, die eine Synchronisationseinheit aufweist, die derart ausgebildet ist, dass wenigstens die erste Drehposition und das erste Drehmoment zeitsynchron erfasst werden.
Wellenzustandüberwachungssystem (200) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Synchronisationseinheit eine Taktleitung (218) aufweist und ausgebildet ist, die Sensoren des Messwert-Erfassungssystems über die Taktleitung (218) mit einem Taktsignal zeitgleich anzusteuern.
Wellenzustandüberwachungssystem (300) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Synchronisationseinheit wenigstens einen A/D-Wandler (318) aufweist, der über Leitungen wenigstens mit dem ersten Drehwinkelsensor (310) und dem ersten Drehmomentsensor (314) zum Übertragen eines ersten die erste Drehposition repräsentierenden Drehpositionssignals und eines ersten das erste Drehmoment repräsentierenden Drehmomentsignals verbunden und ausgebildet ist, die an den A/D-Wandler (318) geführten Signale zeitsynchron abzutasten und anschließend an die Auswerteeinheit (308) zu übertragen.
Brennkraftmaschine (200) mit einer Motorwelle (204) eines Motors (202) aufweisend ein Wellenzustandüberwachungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 14.
Brennkraftmaschine (200) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswerteeinheit (208) des Wellenzustandüberwachungssystems ausgebildet ist, aus einem Kennfeld der Brennkraftmaschine (200) ein Gesamtdrehmoment der Motorwelle (204) zu bestimmen und aus dem Gesamtdrehmoment das Referenzdrehmoment abzuleiten
Elektrogenerator (504) mit einer Generatorwelle (14,506) aufweisend ein Wellenzustandüberwachungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 14.
Verfahren zum Überwachen eines Zustands einer Welle eines Wellenzustandüberwachungssystems, wobei das Wellenzustandüberwachungssystem eine Welle, ein Messwert-Erfassungssystem zum Erfassen eines Wellenparameters und eine Auswerteeinheit umfasst, wobei das Messwert-Erfassungssystem zum Erfassen eines Wellenparameters ausgebildet ist und das Verfahren die Schritte umfasst: - Bestimmen einer ersten Drehposition einer Welle (S1) in Bezug auf eine Referenzdrehposition zur Bestimmung einer Drehpositionsabweichung zwischen erster Drehposition und Referenzdrehposition, wobei die Drehpositionsabweichung einer Spannung eines Torsionszustands der Welle unter Last zugeordnet wird, - Bestimmen eines ersten Drehmoments der Welle (S2) in Bezug auf ein Referenzdrehmomenterfassen zur Bestimmung einer Drehmomentabweichung zwischen erstem Drehmoment und einem Referenzdrehmoment, wobei die Drehmomentabweichung einer Dehnung des Torsionszustands der Welle unter Last zugeordnet wird, - Bestimmen eines Elastizitätsmoduls (S3) mit einer Anzahl von Drehpositionsabweichungen und einer Anzahl von Drehmomentabweichungen als Beziehung zwischen Spannung und Dehnung eines Torsionszustandes der Welle unter Last, - Vergleichen des Elastizitätsmoduls mit wenigstens einer Referenzkurve (S4), die einen einem elastischen Verhalten der Welle zugeordneten Bereich aufweist, - Feststellen, insbesondere zur Schadenszustandsdetektion feststellen, ob das ermittelte Elastizitätsmodul einem dem elastischen Verhalten zugeordneten Bereich entspricht, oder ob das ermittelte Elastizitätsmodul außerhalb eines dem elastischen Verhalten zugeordneten Bereich liegt (S5).