DE102021101590B4

DE102021101590B4 - Verfahren zur Schadensüberwachung einer Gelenkwelle eines Fahrzeugs und Fahrzeug, das eine Schadensüberwachung einer Gelenkwelle durchführt

Info

Publication number: DE102021101590B4
Application number: DE102021101590.1A
Authority: DE
Inventors: Patrick Stanke
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2021-01-26
Filing date: 2021-01-26
Publication date: 2022-09-15
Anticipated expiration: 2041-01-27
Also published as: DE102021101590A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schadensüberwachung zumindest eines Gelenks wenigstens einer Gelenkwelle eines Fahrzeugs im Fahrbetrieb des Fahrzeugs, wobei die Gelenkwelle über das Gelenk ein treibendes Aggregat mit einem getriebenen Element verbindet, um ein Drehmoment vom treibenden Aggregat auf das getriebene Element zu übertragen. Das Verfahren umfasst die Schritte des Erfassens von Daten für jeweils ein Gelenkwellendrehmoment, eine Drehfrequenz des Elementes sowie einen räumlichen Gelenkwellenbeugewinkel in Zeitintervallen, des Ermittelns einer Schädigungskenngröße für das Gelenk anhand der Daten und eines Berechnungsalgorithmus, des Aufsummierens der Schädigungskenngrößen, des Vergleichen der aufsummierten Schädigungskenngrößen mit einem hinterlegten Schwellenwert einer Schädigungsgrenze des Gelenks sowie des Erzeugens eines Warnsignals bei Erreichen und/oder Überschreiten des Schwellenwerts. Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug, das zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schadensüberwachung einer Gelenkwelle eines Fahrzeugs beim Fahren gemäß dem Anspruch 1. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Fahrzeug, bei dem eine Schadensüberwachung einer Gelenkwelle nach dem erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführt wird.
Generell werden Gelenkwellen überall dort eingesetzt, wo eine Kraft zwischen einer An- und Abtriebsachse übertragen wird und dabei ein Winkel- und Längenversatz kompensiert werden muss. So überträgt beispielsweise eine Antriebswelle eines Fahrzeugs, insbesondere eine Seitenantriebswelle, die mitunter auch als Gelenkwelle bezeichnet wird, die Kraft des Fahrzeugantriebs als Drehbewegung vom Getriebe oder Differential auf jeweils eine Radnabe eines Rades. Dabei muss die Gelenkwelle alle Winkel- und Längenveränderungen ausgleichen, die von Aus- und Einfederungen und Lenkbewegungen des Rades ausgehen. Der reibungslose und präzise Fahrbetrieb ist durch ein exaktes Zusammenspiel der Gelenkwelle und den speziellen Gelenken, die jeweils rad- und antriebseitig angebracht sind, gegeben.
In der Regel ist das antriebseitige, innere Gelenk als ein Verschiebegelenk ausgebildet. Es ist für Längenänderungen der Gelenkwelle zuständig. Das radseitige, äußere Gelenk ist meistens als ein Kugelgelenk oder ein Podegelenk ausgebildet und für Winkelveränderungen zuständig. Die Gelenkwelle des Fahrzeugs hat also die besondere Herausforderung zu meistern, eine gleichmäßige Kraftübertragung zwischen dem nahezu unbeweglichen Antrieb und den federnden und lenkenden Rädern zu gewährleisten.
Über die vom Antrieb oder durch Rekuperation torsionsbeanspruchte Gelenkwelle entsteht in den Gelenken Hertz'sche Pressung, die einen hohen abrasiven Verschleiß hervorruft, der sich trotz Gelenkschmierung im extremen Fall durch Pittingbildung an den Kugellaufbahnen äußert. Die Gebrauchsdauer einer Gelenkwelle ist hauptsächlich durch ihre Gelenke bestimmt. Die Lebensdauer der Gelenke ist u. A. vom Schmiermittel, der Gelenkgröße, des Werkstoffs usw. beeinflusst. Verschlissene oder minderwertige Gelenke können beispielsweise durch zu großes Spiel des inneren und / oder äußeren Gelenks der Gelenkwelle starke Schwingungen erzeugen und diese auf andere Bauteile übertragen, bspw. auf die Radlager, die Radaufhängung oder das Getriebe. Die Folge ist ein Verlust von Leistung und / oder Fahrkomfort, und schließlich geht die Fahrsicherheit aufgrund von Bauteilversagen verloren.
In der DE 10 2019 208 713 A1 ist eine Gelenkwelle vorgeschlagen, die mit einem Generator versehen ist. Der Generator erzeugt insbesondere für die Stromversorgung der Gelenkwelle Strom. Die Gelenkwelle dient zur Übertragung eines Drehmomentes und ist mit zumindest einem Sensor versehen, der das Verhalten der Gelenkwelle erfasst. Der Sensor kann als ein Temperatursensor, ein Dehnungsmessstreifen, ein Beschleunigungs- oder ein Lagesensor ausgebildet sein, der die thermische, dynamische oder mechanische Beanspruchung der Gelenkwelle überwacht. Solche Sensoren eignen sich für die frühe Erkennung von sich anbahnendem Verschleiß, der beispielsweise aufgrund übermäßiger Beanspruchung durch ungleiche Beugewinkel erfolgen kann.
Die US 2014 / 0 188353 A1 beschreibt eine Baugruppe eines Fahrzeugs, umfassend ein rotierendes Bauteil, das mit einer Energieerzeugungsvorrichtung verbunden ist. Das rotierende Bauteil ist mit einer Sensoreinheit zur Erfassung von Betriebsdaten des Fahrzeugs verbunden. Die Sensoreinheit weist mindestens einen Beschleunigungsmesser auf zur Messung der Drehzahl des rotierenden Bauteils, einen Temperatursensor zur Messung der Temperatur des rotierenden Bauteils, einen Drucksensor zur Messung des Fluiddrucks in der Nähe des Gelenks, und/oder einen Dehnungsmessstreifen, der mit dem rotierenden Bauteil verbunden ist, um die Belastung des rotierenden Bauteils zu erfassen. Die Baugruppe umfasst ferner eine Energiegewinnungsbaugruppe zur Gewinnung von Energie aus dem rotierenden Bauteil, um elektrische Energie für die Sensoranordnung bereitzustellen.
Aus der DE 198 10 033 A1 ist eine Anordnung zur Überwachung des Verschleißzustandes einer Reibungskupplung im Antriebsstrang eines von einem Verbrennungsmotor angetriebenen Fahrzeugs bekannt. Die Anordnung umfasst eine Verschleißerfassungsschaltung, die auf eine von einem ersten Drehzahlgeber gelieferte, die momentane Eingangsdrehzahl der Reibungskupplung repräsentierende Drehzahlinformation und eine von einem Bewegungssensor gelieferte, den Beginn eines Anfahrvorgangs repräsentierende Information anspricht. Die Anordnung liefert als Maß für die Belastung der Reibungskupplung bei einem Anfahrvorgang eine Belastungsinformation, die eine vorbestimmte monotone Funktion eines dem Bewegungsbeginn in einem vorbestimmten zeitlichen Abstand folgenden Werts der ersten Drehzahlinformation oder eines Mittelwerts aus einer Mehrzahl von nach dem Bewegungsbeginn in vorbestimmten zeitlichen Abständen aufeinanderfolgenden Werten der ersten Drehzahlinformation darstellt.
Die DE 10 2017 121 865 A1 betrifft ein Verfahren zur Überwachung der Belastung eines Fahrwerks-Bauteils beim Fahren mit einem Fahrzeug, welches mindestens einen Wankstabilisator mit einem Wankstabilisator-Sensor aufweist. Mit dem Wankstabilisator-Sensor wird ein Drehmoment gemessen, welches ein Stabilisatorelement des Wankstabilisators auf Torsion beansprucht. Anhand des gemessenen Drehmoments wird eine Bauteil-Belastungsangabe ermittelt. Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug, das mindestens einen Wankstabilisator aufweist, der einen Wankstabilisator-Sensor zur Messung eines Drehmoments aufweist, wobei das Drehmoment ein Stabilisatorelement des Wankstabilisators auf Torsion beansprucht. Das Fahrzeug weist eine Auswerteeinrichtung auf, die eingerichtet ist, um anhand des gemessenen Drehmoments eine Bauteil-Belastungsangabe zu ermitteln.
Die DE 40 08 704 A1 beschreibt eine Vorrichtung, die das maximale Antriebsmoment an einer Gelenkwelle bei zunehmendem Beugewinkel verringert. Ein Sensor erfasst den Lenkeinschlag bzw. Beugewinkel der Gelenke und die Signale werden einem Steuergerät zur Auswertung zugeführt. Bei starkem Lenkeinschlag, z.B. bei Überschreiten eines Schwellwertes des Beugewinkels, kann das übertragene Antriebsmoment zurückgesteuert werden, beispielsweise durch eine Leistungsverringerung der Antriebsmaschine, um Schäden oder einen übermäßigen Verschleiß der Gelenke weitgehendst auszuschließen.
Aus „Schwingungsdiagnostische Beurteilung von Maschinen und Anlagen“, U. Klein, 3. Auflage Düsseldorf: Verlag Stahleisen GmbH, 2003, S. 113 ist bekannt, dass ein Gelenk einer Gelenkwelle bei Abwinkelung eine ungleichmäßige Bewegungsübertragung erzeugt, die zu dynamischen Zusatzmomenten führt. D.h. die Beanspruchung des Gelenks ist vom Gelenkbeugewinkel abhängig.
In der DE 10 2006 030 046 A1 ist ein Verfahren zur Überwachung und Verwaltung von Komponenten insbesondere eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs beschrieben. Die zu überwachende Komponente ist mit einem Identifikationselement versehen, das von einer Fahrzeugelektronik erkannt wird. In der Fahrzeugelektronik wird ein Belastungs- und Laufleistungsprofil der Komponente abgelegt, welches im Fahrzeug überwacht und protokolliert wird. Die gemäß dem Belastungsprofil überwachten Daten werden gespeichert, um beispielsweise Lebensdauer-, Wartungs- und/oder Komfortgrenzen der Komponenten zu ermitteln und anzuzeigen.
Die gattungsbildende DE 103 06 579 A1 beschreibt ein Verfahren zur Ermittlung der Belastung eines oder mehrerer mechanischer Bauteile eines Kraftfahrzeugs, insbesondere Nutzfahrzeugs, bei dem für das jeweilige Bauteil als Belastbarkeitsgrenze eine Häufigkeitsgrenze der Überschreitungen einer dem Bauteil zugeordneten ertragbaren Belastungsgrenze vorgegeben wird, und bei Erreichen der Belastbarkeitsgrenze der Austausch des Bauteils angezeigt wird. Eine Schädigungsrechnung kann für Bauteile des Antriebsstrangs des Kraftfahrzeugs angewendet werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde ein Verfahren zur Schadensüberwachung eines Gelenks einer Gelenkwelle eines Fahrzeugs während eines Fahrbetriebs des Fahrzeugs zur Verfügung zu stellen, um Ausfallserscheinungen und/oder ein Versagen der Gelenkwelle zu verhindern und somit die Fahrsicherheit zu erhöhen. Eine weitere Aufgabe ist es, ein Fahrzeug bereitzustellen, bei dem ein Verfahren zur Schadensüberwachung der Gelenke einer Gelenkwelle durchgeführt wird.
Diese Aufgaben werden durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 sowie durch den Patentanspruch 8 gelöst. Bei dem Verfahren ist vorgesehen, dass für ein jeweiliges Gelenk der Gelenkwelle eine momentane Schädigungskenngröße ermittelt und über die Zeit aufsummiert wird, wobei beim Überschreiten eines Schwellenwertes durch die aufsummierte Schädigungskenngröße ein Warnsignal erzeugt wird.
Die Unteransprüche 2 bis 7 stellen vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens dar.
Das Verfahren dient zur Schadensüberwachung zumindest eines Gelenks von wenigstens einer Gelenkwelle eines Fahrzeugs. Die Gelenkwelle des Fahrzeugs kann insbesondere als eine Antriebswelle ausgebildet sein, beispielsweise eine Seitenantriebswelle, die ein Drehmoment und eine Drehgeschwindigkeit von einem treibenden Aggregat auf ein getriebenes Element überträgt, wobei das treibende Aggregat insbesondere als ein Motor und das getriebene Element als ein Rad des Fahrzeugs ausgebildet sind. Es ist auch denkbar, die beim Bremsen oder im Schubbetrieb freigewordene Energie mittels Rekuperation von einem Generator in elektrische Energie umzuwandeln, um diese zusätzlich zum Antreiben des getriebenen Elements zu verwenden.
Die Gelenkwelle ist zur Übertragung von Drehbewegungen und Drehmomenten zwischen zueinander versetzten Drehachsen konzipiert. Die Gelenkwelle ist geteilt ausgebildet und besteht aus einer die jeweils eine Drehachse definierenden Verbindungswelle, die über ein Gelenk mit der jeweils anderen Drehachse verbunden ist. Auf die beschriebene Weise ist die Verbindungswelle, beispielsweise der Seitenantriebswelle, über ein inneres Gelenk mit einem antriebseitigen Wellenabschnitt verbunden, der am treibenden Aggregat angeflanscht ist. Zusätzlich ist die Verbindungswelle über ein äußeres Gelenk mit einem radseitigen Wellenabschnitt verbunden, der mit einer Radnabe des Rades verbunden ist. Die inneren und / oder äußeren Gelenke können beispielsweise als ein Kugelgelenk und / oder ein Tripodegelenk ausgebildet sein.
Die lebensdauerbestimmenden Teile der Gelenkwelle sind in der Regel die Gelenke, die während der Fahrt hauptsächlich durch das Übertragen der Drehmomente sehr hohen Belastungen ausgesetzt sind.
Erfindungsgemäß umfasst das Verfahren zur Schadenüberwachung eines Gelenks einer Gelenkwelle des Fahrzeugs im Fahrbetrieb des Fahrzeugs folgende Schritte:

- Erfassen von Daten für jeweils ein Gelenkwellendrehmoment, eine Drehfrequenz des getriebenen Elementes sowie einen räumlichen Gelenkwellenbeugewinkel in Zeitintervallen,
- Ermitteln einer Schädigungskenngröße für das Gelenk anhand der erfassten Daten und gemäß eines Berechnungsalgorithmus $S = {(M_{GeWe})}^{x} n α,$
S = (M_GeWe)^x n α, wobei S die Schädigungskenngröße, M_GeWe das Gelenkwellendrehmoment, n die Drehfrequenz, α den räumlichen Gelenkwellenbeugewinkel und der Exponent x eine Zahl zwischen 1 und 3 darstellt,
- Summieren der Schädigungskenngrößen,
- Vergleichen der aufsummierten Schädigungskenngrößen mit einem hinterlegten Schwellenwert einer Schädigungsgrenze des Gelenks,
- Erzeugen eines Warnsignals bei Erreichen und/oder Überschreiten des Schwellenwerts.

Die Belastungen, denen die Gelenke der Gelenkwelle ausgesetzt sind, hängen von mehreren Faktoren ab. Diese umfassen ein Gelenkwellendrehmoment, eine Drehfrequenz des getriebenen Elementes, insbesondere des Rades des Fahrzeugs, sowie einen veränderbaren, räumlichen Gelenkwellenbeugewinkel, der zwischen der Verbindungswelle der Gelenkwelle und dem antriebseitigen Wellenabschnitt und / oder zwischen der Verbindungswelle der Gelenkwelle und dem radnabenseitigen Wellenabschnitt entsteht. Die oben erwähnten Faktoren wirken beim Fahren des Fahrzeugs alle gleichzeitig auf das jeweilige Gelenk der Gelenkwelle und tragen wesentlich zum Verschleiß der Gelenkwelle bzw. der Gelenke bei. Der Verschleiß und / oder die Schädigung der Gelenkwelle akkumuliert sich über mehrere, zeitlich aufeinanderfolgende Schädigungsvorfälle, wobei ein Schädigungsvorfall als eine Teilschädigung des Gelenks der Gelenkwelle anzusehen ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden bei Inbetriebnahme des Fahrzeugs, insbesondere ab Beginn eines Anfahrvorgangs, jeweilige Daten für die schädigungsrelevanten Faktoren, nämlich das Gelenkwellendrehmoment, die Drehfrequenz des Elements sowie der räumliche Gelenkwellenbeugewinkel, für ein jeweiliges Gelenk der jeweiligen Gelenkwelle in definierten Zeitintervallen erfasst.
Das Verfahren sieht vor, dass einem Schädigungsvorfall des Gelenks eine Schädigungskenngröße zugeordnet wird. Die Schädigungskenngröße ist proportional zum Gelenkwellendrehmoment, zur Drehfrequenz und / oder zum räumlichen Gelenkwellenbeugewinkel und wird anhand der ermittelten jeweiligen Daten und gemäß eines Berechnungsalgorithmus $S = {(M_{GeWe})}^{x} n α$
errechnet. Die Schädigungskenngröße S wird aus dem Produkt einer Potenz des Gelenkwellendrehmoments M_GeWE, der Drehfrequenz n des Elementes und dem räumlichen Gelenkwellenbeugewinkel α berechnet. Das Gelenkwellendrehmoment wird in Newtonmeter, die Drehfrequenz wird pro Sekunde und der Gelenkwellenbeugewinkel wird in Grad angegeben.
Die Belastung der Gelenkwelle ist insbesondere im Gelenkwellendrehmoment begründet. Situationsbedingt steht die Schädigungskenngröße in einem exponentiellen Verhältnis zum Gelenkwellendrehmoment, wobei der Exponent x des Gelenkwellendrehmoments insbesondere eine Zahl von 1 bis 3 darstellt. Daraus ergibt sich, dass die aufsummierte Schädigungskenngröße situationsbedingt in der Einheit Nm°/s, N²m²°/s oder N³m³°/s vorliegt. Die Höhe der Potenzierung des Gelenkwellendrehmoments hängt von verschiedenen Faktoren ab, z.B. von der Art des Antriebs und / oder des Gelenks.
Die ermittelten Schädigungskenngrößen der einzelnen, aufeinanderfolgenden Schädigungsvorfälle des jeweiligen Gelenkes werden dann aufsummiert. Die Schädigung des Gelenks der Gelenkwelle wird während des Fahrens des Fahrzeugs überwacht und inkrementiert. Die Schädigung einer momentanen Fahrt wird mit zeitlich zurückliegenden Schädigungen aufsummiert, um einen Gesamtschaden über die Lebensdauer der Gelenkwelle zu ermitteln.
Die Summe der Schädigungskenngrößen wird laufend mit einem Schwellenwert einer hinterlegten Schädigungsgrenze für die Gelenkwelle verglichen. Der vorgegebene Schwellenwert entspricht einer kritischen Gesamtschädigung und ist bevorzugt derart gewählt, dass er niedriger ist als ein maximaler Schädigungswert, bei dem ein Versagen der Gelenkwelle zu befürchten ist. Insbesondere kann der vorgegebene Schwellenwert 95% einer kritischen Gesamtschädigung entsprechen.
Das Verfahren sieht zudem vor, dass der Benutzer des Fahrzeugs durch ein Warnsignal gewarnt wird, wenn die Aufsummierung der einzelnen Schädigungskenngrößen den Schwellenwert erreichen und / oder überschreiten. Nach Erreichen des kritischen Schwellenwerts der Gesamtschädigung kann beispielsweise eine Warnleuchte im Fahrzeug-Display aufleuchten.
Die beschriebene Vorgehensweise hat den Vorteil, dass ein Verschleißzustand der Gelenkwelle im Fahrbetrieb eines Fahrzeugs überwacht wird, um einen Austausch der Gelenkwelle frühzeitig zu ermöglichen, bevor es zu einem Versagen der Gelenkwelle kommt.
Bevorzugt erfolgt die Erfassung der Daten für das Gelenkwellendrehmoment, für die Drehfrequenz des Elements und / oder für den räumlichen Gelenkwellenbeugewinkel über wenigstens einen Sensor dessen Signale an eine Auswerteeinrichtung des Fahrzeugs übermittelt werden. Zur Überwachung der Schadensakkumulation der Gelenkwelle sind aus dem Stand der Technik bekannte Sensoren verwendbar, die Messwerte für das Gelenkwellendrehmoment, die Drehfrequenz des Elements sowie den räumlichen Gelenkwellenbeugewinkel generieren. Die Sensoren liefern jeweils ein Signal, das in definierter Abhängigkeit zu den jeweiligen Messwerten, insbesondere des Gelenkwellendrehmoments und der Drehfrequenz, steht. Die Sensoren können die Messwerte direkt messen, d.h. die Werte werden unmittelbar erfasst. Alternativ kann die Messung indirekt erfolgen, beispielsweise indem eine Messung erfolgt, aus welchem der jeweilige Messwert z.B. rechnerisch abgeleitet wird.
Zur Überwachung des Gelenkwellendrehmoments kann beispielsweise ein als Dehnungsmessstreifen ausgebildeter Sensor auf die Gelenkwelle aufgeklebt werden, durch dessen Widerstandsveränderung sich ein Drehmoment ableiten lässt. Es ist auch denkbar, dass der Sensor z.B. auf eine Oberfläche der Gelenkwelle appliziert oder gießtechnisch in die Gelenkwelle integriert ist. Ebenfalls besteht die Möglichkeit über ein Motormoment multipliziert mit der Getriebegesamtübersetzung, d.h. Getriebeübersetzung und Achsgetriebeübersetzung, des jeweiligen Gangs das Gelenkwellenmoment zu ermitteln.
Die Überwachung der Drehfrequenz des Elementes, insbesondere des Rades, kann bekanntlich mittels eines Raddrehzahlsensoren gemessen werden. Der Raddrehzahlsensor erfasst die Drehzahl des Rades, die üblicherweise durch ein elektronisch gesteuertes Fahrassistenzsystem zur Ansteuerung der Bremsen des Fahrzeugs herangezogen wird. Auf diese Weise kommen den Raddrehzahlsensoren eine Doppelfunktion zu, nämlich die Erhöhung der Fahrsicherheit sowie die Verwendung zur Ermittlung einer Schadensüberwachung der Gelenkwelle.
Der räumliche Gelenkwellenbeugewinkel eines jeweiligen Gelenks der Gelenkwelle kann mittels unterschiedlicher Sensoren abgeleitet werden, u.a. über Höhenstandsensoren.
Bevorzugt erfolgt die Übermittlung der Signale an die Auswerteeinrichtung telemetrisch. Über ein Telemetriesystem des Fahrzeugs kann ein an einem Messort befindlicher Sensor die jeweiligen Messsignale drahtlos bzw. berührungslos, beispielsweise über Funk, an einen Empfänger der Auswerteeinrichtung weiterleiten.
Bevorzugt erfolgt die Erfassung kontinuierlich. Die jeweiligen Messwerte des Gelenkwellendrehmoments, der Drehfrequenz des Rades sowie des räumlichen Gelenkwellenbeugewinkels werden permanent während der Fahrt in definierten Zeitintervallen gemessen. Die Frequenz der Messungen kann beispielsweise zwischen 0,2 und 40 Hertz, insbesondere 1 Hertz, betragen. Es ist denkbar, dass die Frequenz der Messungen beispielsweise an die Fahrsituation angepasst sein kann. Bei einer Fahrt auf freier Strecke kann die Messfrequenz z.B. auf 1 Hertz festgelegt sein, wohingegen die Messfrequenz z.B. bei einer Stadtfahrt höher sein kann.
Alternativ kann die Erfassung ereignisgesteuert erfolgen. So ist es beispielsweise möglich, dass die jeweiligen Messwerte erfasst werden, wenn das Gelenkwellendrehmoment und / oder die Drehfrequenz und / oder der räumliche Gelenkwellenbeugewinkel einen vorgegebenen Schwellenwert überschreiten. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass die Messwerte dann erfasst werden, wenn eine Veränderung eines jeweiligen Messwerts detektiert wird, beispielsweise bei einem Lastwechsel des Gelenkwellendrehmoments, einer Veränderung der Drehfrequenz des Rades und / oder des Gelenkwellenbeugewinkels. Auf diese Weise können geringere Datenmengen generiert und verarbeitet werden.
Vorzugsweise ist die Auswerteeinrichtung derart ausgebildet, dass sie die jeweiligen Schritte des Ermittelns der Schädigungskenngröße, des Summierens der Schädigungskenngrößen und des Vergleichens der aufsummierten Schädigungskenngrößen mit dem Schwellenwert der Schädigungsgrenze für das Gelenk der Gelenkwelle durchführt. Die Auswerteeinrichtung kann die vom Sensor generierten Daten sammeln, aufzeichnen, erfassen und / oder analysieren. Die Auswerteeinrichtung verfügt über einen ausreichend großen Datenspeicher. Die Daten können insbesondere als Telemetriedaten drahtlos vom Fahrzeug bezogen werden. Es ist auch denkbar, dass Telemetriedaten beispielsweise zusammen mit den Daten eines zentralen Fahrzeug-CAN-Bus erfasst und verarbeitet werden.
Die Auswerteeinrichtung berechnet die Schädigungskenngrößen und summiert diese laufend, um eine Schadensakkumulation über die gesamte Lebensdauer der Gelenkwelle zu ermitteln. Dann werden die aufsummierten Schädigungskenngrößen mit einem hinterlegten Schwellenwert einer Schädigungsgrenze bzw. einer Lebensdauer-Abschätzung für die Gelenkwelle verglichen. Der Schwellenwert ist in einem Datenspeicher des Fahrzeugs, insbesondere der Auswerteeinrichtung, hinterlegt. Die maximal erträgliche Schädigungsgrenze des Gelenks der Gelenkwelle wird beispielsweise durch mathematische und / oder physikalische Ansätze berechnet sowie durch umfangreiche Daten mit Prüfstandversuchen ermittelt, d.h. mit auf dem Prüfstand ermittelten Betriebslasten-Simulations-Daten und / oder mittels Fahrzeugdauerläufen, da jedes Gelenk seine eigene maximale Schädigungsgrenze bzw. Lebensdauer abhängig von der Gelenkgröße, des Herstellers, der Gelenkschmierung usw. aufweist.
Überschreitet die aufsummierte Schädigungskenngröße den Schwellenwert, wird ein Warnsignal erzeugt, um einen Fahrzeugnutzer auf das mögliche Versagen der Gelenkwelle frühzeitig hinzuweisen. Das Warnsignal kann optisch, akustisch und/oder haptisch angezeigt werden. Beispielsweise sendet die Auswerteeinrichtung ein Warnsignal an ein Steuergerät des Kombiinstruments des Fahrzeugs, bei dem dann beispielsweise eine Warnleuchte aktiviert wird.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die Schädigungskenngröße mit jeweiligen Messwerten des Gelenkwellendrehmoments, der Drehfrequenz und / oder des Gelenkwellenbeugewinkels berechnet, die einen Durchschnitt, ein Maximum, ein Minimum und / oder eine Spanne eines zeitlichen Verlaufs einer Messung darstellen.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Fahrzeug, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens gemäß den Ausführungen im Rahmen dieser Beschreibung. Das Fahrzeug weistwenigstens eine Gelenkwelle auf, die über wenigstens ein Gelenk ein treibendes Aggregat mit einem getriebenen Element verbindet, wobei die Gelenkwelle zur Übertragung eines Drehmoments vom treibenden Aggregat auf das getriebene Element dient. Das Fahrzeug umfasst eine Auswerteeinrichtung, der über wenigstens einen Sensor, der an der Gelenkwelle und / oder dem Element angeordneten ist, Informationen jeweils zu einem Gelenkwellendrehmoment, einer Drehfrequenz des getriebenen Elementes sowie einem Gelenkwellenbeugewinkel zur Verfügung stehen. Die Auswerteeinrichtung ermittelt anhand der Informationen und eines Berechnungsalgorithmus eine Schädigungskenngröße für ein jeweiliges Gelenk der Gelenkwelle, summiert die jeweiligen Schädigungskenngrößen fortlaufend auf und erzeugt ein Warnsignal bei Erreichen und/oder Überschreiten eines hinterlegten Schwellenwerts durch die aufsummierte Schädigungskenngröße. Dabei liegen die benötigten Eingangsgrößen, insbesondere das Gelenkwellendrehmoment und die Drehfrequenz des getriebenen Elementes bzw. die Raddrehzahl des Rades beispielsweise über ein Telemetriesystem des Fahrzeugs üblicherweise ohnehin bereits vor, und/oder sind aus gemessenen Größen ableitbar.

Claims

Verfahren zur Schadensüberwachung zumindest eines Gelenks von wenigstens einer Gelenkwelle eines Fahrzeugs im Fahrbetrieb des Fahrzeugs, wobei die Gelenkwelle über das Gelenk ein treibendes Aggregat mit einem getriebenen Element verbindet, um ein Drehmoment vom treibenden Aggregat auf das getriebene Element zu übertragen, umfassend folgende Schritte: - Erfassen von Daten für jeweils ein Gelenkwellendrehmoment, eine Drehfrequenz des getriebenen Elementes sowie einen räumlichen Gelenkwellenbeugewinkel in Zeitintervallen, - Ermitteln einer Schädigungskenngröße für das Gelenk anhand der erfassten Daten und gemäß eines Berechnungsalgorithmus $S = {(M_{GeWe})}^{x} n α,$
S = (M_GeWe)^x n α, wobei S die Schädigungskenngröße, M_GeWe das Gelenkwellendrehmoment, n die Drehfrequenz, α den räumlichen Gelenkwellenbeugewinkel und der Exponent x eine Zahl zwischen 1 und 3 darstellt, - Aufsummieren der Schädigungskenngrößen; - Vergleichen der aufsummierten Schädigungskenngrößen mit einem hinterlegten Schwellenwert einer Schädigungsgrenze des Gelenks, - Erzeugen eines Warnsignals bei Erreichen und/oder Überschreiten des Schwellenwerts.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung der Daten über wenigstens einen Sensor erfolgt, dessen Signale an eine Auswerteeinrichtung des Fahrzeugs übermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Signale telemetrisch übermittelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung kontinuierlich erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung ereignisgesteuert erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung die jeweiligen Schritte des Ermittelns der Schädigungskenngröße, des Summierens der Schädigungskenngrößen und des Vergleichens der Summe der Schädigungskenngrößen mit dem Schwellenwert durchführt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schädigungskenngröße mit jeweiligen Messwerten berechnet wird, die einen Durchschnitt, ein Maximum, ein Minimum und/oder eine Spanne eines zeitlichen Verlaufs einer Messung darstellen.
Fahrzeug, umfassend wenigstens eine Gelenkwelle, die zur Übertragung eines Drehmoments von einem treibenden Aggregat auf ein getriebenes Element dient, wobei die Gelenkwelle über wenigstens ein Gelenk das Aggregat mit dem getriebenen Element verbindet, wobei an der Gelenkwelle sowie an dem getriebenen Element wenigstens ein Sensor angeordnet ist, über den ein Gelenkwellendrehmoment, eine Drehfrequenz des Elementes und / oder ein Gelenkwellenbeugewinkel ermittelbar ist, und wobei das Fahrzeug eine Auswerteeinrichtung aufweist, die dazu eingerichtet ist ein Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen.