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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft Verfahren zum Schätzen einer potentiellen mechanischen Schädigung einer Komponente aufgrund einer Vibrationsbeanspruchung, und insbesondere Maßnahmen zur Verringerung eines Rechenaufwands zum Durchführen einer solchen Schätzung.
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Technischer Hintergrund
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Komponenten in technischen Systemen, insbesondere in Kraftfahrzeugen, sind während ihrer Betriebsdauer häufig erheblichen Vibrationen ausgesetzt. Durch Vibrationen kommt es, je nach Art der Komponente, zu Materialermüdung, Verschleiß und/oder sonstiger Abnutzung, wodurch die Lebensdauer der Komponente im technischen System beschränkt ist. Da je nach Betriebsart des technischen Systems die Komponenten unterschiedlichen Vibrationsamplituden und Vibrationsfrequenzen ausgesetzt sind, wird die Komponente je nach Betrieb des technischen Systems in unterschiedlichem Maß abgenutzt, woraus sich unterschiedliche Einsatzzeiten ergeben können.
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Durch eine geeignete Schätzung eines Maßes für die Materialermüdung, den Verschleiß und/oder die sonstige Abnutzung kann ein Zeitpunkt einer Wartung des technischen Systems bzw. Empfehlungen für den Austausch oder die Reparatur der betreffenden Komponente während einer Wartung oder einer Instandhaltung gegeben werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß sind ein Verfahren zum Schätzen einer Gesamtbeanspruchung für eine Komponente in einem technischen System aufgrund einer Beaufschlagung mit mechanischen Vibrationen gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Trainieren eines Beaufschlagungsmodells, eine Vorrichtung zum Schätzen einer Gesamtbeanspruchung für eine Komponente und ein technisches System gemäß den nebengeordneten Ansprüchen vorgesehen.
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Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Schätzen einer Gesamtbeanspruchung für eine Komponente in einem technischen System aufgrund einer Beaufschlagung mit mechanischen Vibrationen vorgesehen, mit folgenden Schritten:
- - Erfassen eines zeitlichen Verlaufs von Vibrationsenergieeinträgen auf die Komponente des technischen Systems, insbesondere in Form von Beschleunigungssignalen;
- - Transformieren der über einen Zeitabschnitt akkumulierten Vibrationsenergieeinträge in den Frequenzbereich;
- - Ermitteln eines Beanspruchungsmaßes der Komponente abhängig von dem Frequenzspektrum der Vibrationsenergieeinträge mithilfe eines trainierten Beanspruchungsmodells, insbesondere mithilfe eines künstlichen neuronalen Netzes, wobei das Beanspruchungsmaß ein Maß einer mechanischen Beanspruchung der Komponente in Form einer mechanischen Schädigung, insbesondere einer Materialermüdung, eines Verschleißes oder einer sonstige Abnutzung angibt; und
- - Bestimmen einer Gesamtbeaufschlagung abhängig von dem Beanspruchungsmaß.
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Das Beanspruchungsmaß als Maß einer Schädigung einer Komponente eines technischen Systems aufgrund einer Vibrationsbeaufschlagung kann aus einem Zeitverlauf eines Beschleunigungssignals mithilfe eines entsprechenden physikalischen Modells bestimmt werden. Eine Speicherung der zeitlichen Verläufe der Beschleunigungssignale ist sehr speicherintensiv, so dass die Beschleunigungssignale aus dem Zeitbereich in den Frequenzbereich transformiert werden, um diese so in komprimierter Form zu speichern. Die Berechnung einer mechanischen Beanspruchung einer Komponente unter Vibrationsbedingungen wird momentan durch eine Rücktransformation der Beschleunigungsdaten aus dem Frequenzbereich in den Zeitbereich realisiert.
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Physikalische oder empirische Modelle, die eine Berechnung des Beanspruchungsmaßes direkt aus dem Frequenzbereich ermöglichen, sind derzeit bezüglich ihrer Schätzgenauigkeit für die Gesamtbeanspruchung nicht ausreichend.
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Das obige Verfahren sieht daher eine Ermittlung des Beanspruchungsmaßes aus Frequenzspektren von Beschleunigungssignalen durch Nutzung eines trainierbaren Beanspruchungsmodell, das beispielsweise ein neuronales Netz umfassen kann, vor. Grundsätzlich basiert das obige Verfahren darauf, für einen bestimmten Zeitabschnitt aus kumulierten Beschleunigungsbeaufschlagungen der Komponente, die eine Vibrationseinwirkung auf die Komponente angeben, Frequenzspektren bereitzustellen. Die Frequenzspektren können beispielsweise mithilfe einer Fourier-Transformation aus einem Verlauf eines Beschleunigungssignals ermittelt werden, das die Vibration, die auf die Komponente einwirkt, angibt.
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Ein lernfähiges, d. h. trainierbares Beanspruchungsmodell, das zur Bestimmung eines Beanspruchungsmaßes abhängig von einer Beaufschlagung mit Vibrationen der durch das Frequenzspektrum für die für den Zeitabschnitt beaufschlagte Beanspruchung angibt, kann die Beanspruchung der Komponente durch die Vibrationsbeaufschlagung während des Zeitabschnitts bestimmt werden. Diese kann akkumuliert werden, um eine Gesamtbeanspruchung zu erhalten.
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Die Gesamtbeanspruchung entspricht einem gesamten Maß einer Materialermüdung, Verschleiß und/oder sonstigen Abnutzung bzw. einer Schädigung der Komponente aufgrund der entsprechend dem Frequenzspektrum einwirkenden Vibrationsenergie über die gesamte Einwirkungsdauer von Vibrationen, d.h. über die gesamte Lebensdauer der Komponente. Das Beanspruchungsmaß entspricht einem Maß einer Materialermüdung, eines Verschleißes und/oder einer sonstigen Abnutzung bzw. einer Schädigung der Komponente aufgrund der einwirkenden Vibration während des vorgegebenen Zeitabschnitts.
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Die Nutzung eines trainierbaren Beanspruchungsmodells, wie beispielsweise eines neuronalen Netzes, ermöglicht die direkte Umsetzung der Vibrationsbeaufschlagung, die in Form eines Frequenzspektrums z.B. einer während eines Zeitabschnitts akkumulierten Vibrationsenergieangabe angegeben ist, in ein entsprechendes Beanspruchungsmaß. Das Beanspruchungsmaß kann einer Gesamtbeanspruchung entsprechen, wenn der Zeitabschnitt einer gesamten Betriebsdauer der Komponente entspricht oder die Gesamtbeanspruchung kann sich durch Akkumulation der Beanspruchungsmaße über alle Zeitabschnitte ergeben.
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Die Gesamtbeanspruchung kann dann zur Bestimmung eines Wartungsintervalls, zur Festlegung eines Termins für eine Wartung, für eine entsprechende Signalisierung eines voraussichtlichen Endes einer Nutzungsdauer einer Komponente, für eine Ausgabe einer Sicherheitswarnung oder dergleichen genutzt werden.
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Weiterhin kann das Beanspruchungsmodell ausgebildet sein, um die akkumulierten Vibrationsenergieeinträge für mehrere Frequenzbereiche einem dem neuronalen Netz zuzuführen, um ein Beanspruchungsmaß für den Zeitabschnitt zu ermitteln.
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Insbesondere kann die Gesamtbeaufschlagung durch Akkumulation des Beanspruchungsmaßes während des Zeitabschnitts auf eine zuletzt ermittelte oder eine zu Beginn des Zeitabschnitts vorliegende Gesamtbeaufschlagung ermittelt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Gesamtbeaufschlagung dem Beanspruchungsmaßes entsprechen und der Zeitabschnitt der gesamten Betriebsdauer der Komponenten entsprechen.
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Weiterhin kann abhängig von der Gesamtbeaufschlagung ein Warnsignal kommuniziert oder ausgegeben werden oder ein Hinweis auf einen Austausch oder Instandsetzung bei einer nächsten Wartung signalisiert werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Verfahren zum Trainieren eines trainierbaren Beanspruchungsmodells, insbesondere eines künstlichen neuronalen Netzes, vorgesehen, mit folgenden Schritten:
- - Bereitstellen von Vibrationsenergieeinträgen auf die Komponente des technischen Systems, insbesondere in Form von Beschleunigungssignalen, wobei die Vibrationsenergieeinträge im Frequenzbereich bereitgestellt werden;
- - Bereitstellen eines zeitlichen Verlaufs von Vibrationsenergieeinträgen, die den bereitgestellten Vibrationsenergieeinträgen im Frequenzbereich entsprechen;
- - Ermitteln eines Belastungskollektives mithilfe einer Rainflow-Klassierung basierend auf dem zeitlichen Verlauf der Vibrationsenergieeinträge;
- - Ermitteln eines Beanspruchungsmaßes der Komponente abhängig von dem Belastungskollektiv und einer vorgegebenen Lebensdauerfunktion zur Simulation einer mechanischen Beanspruchung; und
- - Trainieren des trainierbaren Beanspruchungsmodells basierend auf den dem Beanspruchungsmaß zugeordneten Vibrationsenergieeinträgen im Frequenzbereich.
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Weiterhin kann der zeitliche Verlauf von Vibrationsenergieeinträgen durch Transformation von vorgegebenen Vibrationsenergieeinträgen aus dem Frequenzbereich in den Zeitbereich ermittelt werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung, insbesondere Mess- oder Steuereinheit, zum Schätzen einer Gesamtbeanspruchung für eine Komponente in einem technischen System aufgrund einer Beaufschlagung mit mechanischen Vibrationen vorgesehen, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um
- - einen zeitlichen Verlauf von Vibrationsenergieeinträgen auf die Komponente des technischen Systems, insbesondere in Form von Beschleunigungssignalen, zu erfassen;
- - die über einen Zeitabschnitt akkumulierten Vibrationsenergieeinträge in den Frequenzbereich zu transformieren;
- - ein Beanspruchungsmaß der Komponente abhängig von dem Frequenzspektrum der Vibrationsenergieeinträge mithilfe eines trainierten Beanspruchungsmodells, insbesondere mithilfe eines künstlichen neuronalen Netzes, zu ermitteln, wobei das Beanspruchungsmaß ein Maß einer mechanischen Beanspruchung der Komponente in Form einer mechanischen Schädigung, insbesondere einer Materialermüdung, eines Verschleißes oder einer sonstige Abnutzung angibt; und
- - eine Gesamtbeaufschlagung abhängig von dem Beanspruchungsmaß zu bestimmen.
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Figurenliste
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Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 ein technisches System mit einer Komponente, dessen Gesamtbeanspruchung durch Vibrationsbeaufschlagung überwacht werden soll;
- 2 ein Blockdiagramm zur Veranschaulichung einer Funktion zur Ermittlung einer Gesamtbeaufschlagung; und
- 3 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zur Bestimmung einer Gesamtbeanspruchung einer Komponente in einem technischen System.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines technischen Systems 1 mit mindestens einer Komponente 2, insbesondere einer mechanischen Komponente. Die mechanische Komponente 2 kann beispielsweise ein Formteil, ein Kugellager, eine Federung, ein elastisches Element oder dergleichen umfassen, auf die im Betrieb des technischen Systems 1 eine Vibration einwirkt.
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Es ist ein Beschleunigungssensor 3 vorgesehen, der so mit der Komponente 2 in Verbindung steht, dass dieser ein Beschleunigungssignal von Vibrationen, die auf die Komponente 2 einwirken, erfassen kann. Der Beschleunigungssensor 3 kann in oder an der Komponente oder an einem mit der Komponente mechanisch verbundenen Element angeordnet sein.
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Es ist eine Mess- oder Steuereinheit 4 vorgesehen, die eine Speichereinheit 41, eine Recheneinheit 42 und ein Beanspruchungsmodellblock 43 aufweist. Die Speichereinheit 41 dient dazu, einen zeitlichen Verlauf der Beschleunigungssignale während eines Zeitabschnitts zu erfassen.
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Die Recheneinheit 42 der Mess- oder Steuereinheit 4 ermittelt ein Frequenzspektrum über die Vibrationsenergie, die sich aus den zeitlich erfassten auf die Komponente 2 einwirkenden Beschleunigungssignalen ergibt, mithilfe einer Fourier-Transformation. Das Frequenzspektrum erfasst die entsprechend einwirkende Energie der Vibration über den vorbestimmten Zeitabschnitt für einzelne Frequenzen bzw. Frequenzbereiche als Vibrationsenergieeinträge. Die Übertragung des Beschleunigungssignals des Beschleunigungssensors 3 auf die Komponente 2 erfolgt über eine implementierte (und physikalisch abgeleitete) Übertragungsfunktion.
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Mithilfe einer ebenfalls in der Mess- oder Steuereinheit 4 vorgesehenen Beanspruchungsmodelleinheit 43, in dem ein trainiertes Beanspruchungsmodell realisiert ist, können die Vibrationsenergieeinträge im Frequenzbereich in ein Beanspruchungsmaß umgerechnet werden. Das Beanspruchungsmaß B entspricht dem Maß einer mechanischen Beanspruchung der Komponente 2 und gibt eine mechanische Alterung, insbesondere eine Materialermüdung, einen Verschleiß oder eine sonstige Abnutzung an. Die so für die Zeitabschnitte ermittelten Beanspruchungsmaße können in der Recheneinheit 42 akkumuliert werden, um ein Gesamtbeanspruchungsmaß bereitzustellen.
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In 2 ist ein entsprechendes Funktionsschaltbild für die Funktion zur Ermittlung eines Gesamtbeanspruchungsmaßes dargestellt. Ausgehend von dem Beschleunigungssignal, das in dem Beschleunigungssensor 3 erfasst wird, wird mithilfe einer FFT-Berechnung in einem FFT-Block 51 (Fast-Fourier-Transformation) eine Vibrationsenergieverteilung im Frequenzbereich ermittelt und über den betrachteten Zeitabschnitt in einem Akkumulationsblock 52 akkumuliert. In dem Beanspruchungsmodellblock 53 ist ein trainiertes Beanspruchungsmodell vorgesehen, dem die über Frequenzbereiche ermittelten akkumulierten Vibrationsenergieeinträge zugeführt wird, und das abhängig von dem betrachteten Zeitabschnitt T ein entsprechendes Beanspruchungsmaß B bestimmt. Das ermittelte Beanspruchungsmaß B wird in einem Beanspruchungsspeicher 54 zu einem zuvor bestimmten Gesamtbeanspruchung GB aufaddiert, um die darin gespeicherte Gesamtbeanspruchung GB zu aktualisieren.
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Die Mess- oder Steuereinheit 4 kann ausgebildet sein, um die Gesamtbeanspruchung an eine externe Einheit zu kommunizieren oder um abhängig von einer Gesamtbeanspruchung eine Wartung oder einen Austausch der Komponente anzufordern, ein Warnsignal auszugeben oder einen Betriebsmodus des technischen Systems zu verändern, so dass die Vibrationsbeaufschlagung reduziert wird. Mit einem Austausch oder einer Instandhaltung der Komponente 2 kann gegebenenfalls die ermittelte Gesamtbeanspruchung GB in dem Beanspruchungsspeicher 54 zurückgesetzt werden.
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Das trainierte Beanspruchungsmodell kann beispielsweise in Form eines künstlichen neuronalen Netzes ausgebildet sein, das durch Simulationsergebnisse eines Beanspruchungsmaßes B trainiert wird. Dazu werden zunächst aus den während des Zeitabschnitts ermittelten Frequenzspektren der Vibrationsenergieeinträge bzw. Beschleunigungssignale einer oder mehrere zeitliche Verläufe mit einer inversen Fourier-Transformation ermittelt. Die zeitlichen Vibrationsverläufe und ein initialer Beanspruchungszustand zu Beginn des betrachteten Zeitabschnitts ermöglichen das Ermitteln eines Belastungskollektivs mithilfe einer Rainflow-Klassierung. Mithilfe des Belastungskollektivs mit einer vorgegebenen Lebensdauerschadensfunktion kann die Gesamtbeanspruchung am Ende des Zeitabschnitts T ermittelt werden.
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Als Rainflow-Klassierung wird ein Verfahren zur Ermittlung einer Betriebsfestigkeit von Komponenten bezeichnet. Charakteristisch für das Verfahren ist die Umwandlung einer Beanspruchungs-Zeit-Folge in eine Folge klassierter Umkehrpunkte und die anschließende Zählung von geschlossenen Hysteresen als Beanspruchungsereignisse. Mit Hilfe der Lebensdauerfunktion der beanspruchten Komponente 2 und der aus der Rainflow-Klassierung abgeleiteten Belastungskollektive (Belastungskollektiv ist ein Histogramm der Belastungshöhe über die Anzahl der Häufigkeit dieser Belastungshöhe) kann ein Beanspruchungsmaß B für den betrachteten Zeitabschnitt ermittelt werden.
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In einer alternativen Ausführungsform kann die Akkumulation auch in dem neuronalen Netz trainiert sein. Dazu werden die Vibrationsenergieeinträge als Frequenzspektrum über die gesamte Betriebsdauer akkumuliert und dem neuronalen Netz als Eingangsgröße zugeführt, um eine Gesamtbeanspruchung zu ermitteln. Diese steht dann zur Überwachung der mechanischen Beanspruchung der Komponente 2 zur Verfügung.
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Das Training des Beanspruchungsmodells kann entsprechend die Gesamtbetriebsdauer der Komponente 2 und die akkumulierten Vibrationsenergieeinträge in Frequenzbereichen des Frequenzspektrums zur Ermittlung der Gesamtbeanspruchung vorsehen.
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In 3 ist ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens, das in der Mess- oder Steuereinheit 4 ausgeführt werden kann, dargestellt. Das Verfahren kann als Software- und/oder Hardwarealgorithmus in der Mess- oder Steuereinheit 4 implementiert sein.
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In Schritt S1 werden zunächst zeitlich erfasste Beschleunigungssignale, die eine Vibration an der Komponente 2 angeben, erfasst.
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In Schritt S2 werden die zeitlich erfasste Beschleunigungssignale mithilfe einer Fourier-Transformation in Beschleunigungssignale im Frequenzbereich umgewandelt. Diese geben Vibrationsenergieeinträge pro Zeiteinheit bei einer bestimmten Frequenz bzw. Frequenzbereich an. Die Vibrationsenergieeinträge im Frequenzbereich werden über einen bestimmten Zeitabschnitt in dem resultierenden Frequenzspektrum akkumuliert.
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Anschließend, d.h. nach Ablauf des vorbestimmten Zeitabschnitts, wird das Frequenzspektrum der Vibrationsenergieeinträge in einem Schritt S3 einem trainierten neuronalen Netz zugeführt, der mit einem Beanspruchungsmodell trainiert ist. Das Beanspruchungsmodell ermittelt aus dem Frequenzspektrum der Beschleunigungssignale und einer initialen Vorbeanspruchung, die einer Gesamtbeanspruchung der Komponente 2 zu Beginn des Zeitabschnitts angibt, ein entsprechendes Beanspruchungsmaß B.
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In Schritt S4 wird das Beanspruchungsmaß B zu einer zuvor ermittelten Gesamtbeanspruchung hinzuaddiert, um ein aktualisierte Gesamtbeanspruchung zu erhalten.
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In Schritt S5 wird überprüft, ob die aktualisierte Gesamtbeanspruchung einen vorgegebenen Beanspruchungsschwellenwert übersteigt. Ist dies der Fall (Alternative: Ja), so wird das Verfahren mit Schritt S6 fortgesetzt. Andernfalls (Alternative. Nerin), so wird zu Schritt S1 zurückgesprungen.
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In Schritt S5 kann eine entsprechende Meldung nach extern kommuniziert werden. Alternativ kann in Schritt S6 eine Warnung signalisiert werden, dass die mechanische Beanspruchung der Komponente 2 zu einer möglichen Materialermüdung, Verschleiß und/oder sonstigen Abnutzung geführt hat. Alternativ kann das durch die Notwendigkeit der Durchführung einer Wartung oder Instandsetzung signalisiert werden bzw. ein Fehlerspeichereintrag gesetzt werden, der für die nächste Wartung signalisiert, dass die Komponente 2 ausgetauscht oder instandgesetzt werden muss.
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Anstelle der Akkumulation von Beanspruchungsmaßen B kann der Zeitabschnitt auch eine gesamte Betriebsdauer darstellen, während der die Beschleunigungssignale bzw. die dadurch erreichten Vibrationsenergieeinträge in den verschiedenen Frequenzen bzw. Frequenzbereichen des Frequenzspektrums akkumuliert werden. Die Gesamtbeanspruchung wird dann regelmäßig durch Anwenden des Beanspruchungsmodells ermittelt und in Schritt S5 durch Schwellenwertvergleich bestimmt, ob eine kritische Schädigung der Komponente 2 zu erwarten ist.
