-
Einführung
-
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf das Überwachen von Radlagern. Spezieller bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf eine frühzeitige Erkennung und Prognose von Radlagerfehlern unter der Verwendung von Raddrehzahlsensoren.
-
Lager, wie sie zum Beispiel in Rädern von Kraftfahrzeugen verwendet werden, können im Betrieb Fehler aufweisen. Bekannte Methoden zur Erkennung eines Lagerfehlers involvieren oft einen Bediener des Kraftfahrzeugs, der akustische oder taktile Daten wahrnimmt, um auf einen möglichen Fehler zu schließen. Die Fähigkeit zur Erkennung eines Lagerfehlers hängt daher in vielen Fällen von den sensorischen Fähigkeiten und dem Kenntnisstand des Bedieners ab. Die unvollständige Erkennung von Lagerfehlern wird durch Unaufmerksamkeit oder Abwesenheit des Bedieners des Fahrzeugs noch verschlimmert. Darüber hinaus wird das Überwachen von Lagern in Kraftfahrzeugen in der Regel nicht mit fahrzeuginternen Überwachungssystemen verbunden.
-
Während die derzeitigen Systeme und Verfahren zum Überwachen von Lagerfehlern ihren Zweck erfüllen, besteht daher Bedarf an einem neuen und verbesserten System und Verfahren an dem Fahrzeug zur frühzeitigen Erkennung von Lagerfehlern.
-
Beschreibung der Erfindung
-
Gemäß mehreren Aspekten umfasst ein Verfahren zur frühzeitigen Erkennung und Prognose von Radlagerfehlern in einem Kraftfahrzeug eines oder mehrere der Folgenden: Erhalten einer Raddrehzahl eines Rades mit einem Sensor in Kombination mit einem Encoder-Ring, wobei der Sensor ein Signal erzeugt und das Rad ein Lager beinhaltet, das eine Drehbewegung des Rades ermöglicht; Vorverarbeiten des Signals von dem Sensor; und Nachverarbeiten einer Ausgabe des vorverarbeiteten Signals, um eine Lagerfehlersignatur des Lagers zu erzeugen.
-
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet das Vorverarbeiten des Signals von dem Sensor eine Phasenraumtransformation.
-
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet das Vorverarbeiten des Signals von dem Sensor das Filtern des Signals.
-
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet das Vorverarbeiten des Sensorsignals das Identifizieren von Signalen, die für die Beurteilung des Lagerzustands ausreichend sind.
-
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet das Vorverarbeiten des Signals eine Kurzzeit-Fourier-Transformation (Engl.: Short Time Fourier Transformation, STFT).
-
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird die Ausgabe der Kurzzeit-Fourier-Transformation mit der Ausgabe eines Ermöglichers kombiniert.
-
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung erzeugt das Nachverarbeiten ein normiertes Raddrehzahl-Frequenzspektrum.
-
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung identifiziert das normierte Raddrehzahl-Frequenzspektrum die Lagerfehlersignatur bei kritischen Frequenzen, die mit der Geometrie des Lagers zusammenhängen, einschließlich mindestens eines aus der Kugeldurchgangsfrequenz außen, der Kugeldurchgangsfrequenz innen und der Kugeldrehfrequenz.
-
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet das Nachverarbeiten mindestens eines aus einer Spektrumsfilterung, einer Spektrumsnormierung, einer Analyse von Oberschwingungen bei kritischen Frequenzen der Kugel und einer Regressionsanalyse.
-
Gemäß mehreren Aspekten umfasst ein Verfahren zur frühzeitigen Erkennung und Prognose von Lagerfehlern in einem Rotationselement eines oder mehrere der Folgenden: Erhalten einer Drehgeschwindigkeit des Rotationselements mit einem Sensor in Kombination mit einem Encoder-Ring, wobei der Sensor ein Signal erzeugt und das Rotationselement ein Lager beinhaltet, das eine Drehbewegung des Rads ermöglicht; Vorverarbeiten des Signals von dem Sensor, wobei das Vorverarbeiten des Signals von dem Sensor eine Phasenraumtransformation und eine Kurzzeit-Fourier-Transformation (STFT) beinhaltet; und Nachverarbeiten einer Ausgabe des vorverarbeiteten Signals, um eine Lagerfehlersignatur des Lagers zu erzeugen, wobei das Nachverarbeiten ein normiertes Drehzahl-Frequenzspektrum erzeugt, wobei das normierte Drehzahl-Frequenzspektrum die Lagerfehlersignatur bei kritischen Frequenzen identifiziert.
-
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet das Vorverarbeiten des Signals von dem Sensor das Filtern des Signals.
-
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet das Vorverarbeiten des Signals von dem Sensor das Identifizieren von Signalen, die für die Beurteilung des Lagerzustands ausreichend sind.
-
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird die Ausgabe der Kurzzeit-Fourier-Transformation mit der Ausgabe eines Ermöglichers kombiniert.
-
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist das normierte Raddrehzahl-Frequenzspektrum mit der Geometrie des Lagers assoziiert.
-
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst das Nachverarbeiten mindestens eines aus einer Spektrumsfilterung, einer Spektrumsnormierung, einer Analyse von Oberschwingungen bei kritischen Frequenzen der Kugel und einer Regressionsanalyse.
-
Gemäß mehreren Aspekten beinhaltet ein System zur frühzeitigen Erkennung und Prognose von Radlagerfehlern in einem Kraftfahrzeug ein auf dem Rad angeordnetes Lager, wobei das Lager eine Drehbewegung des Rades ermöglicht, einen auf dem Rad angeordneten Encoder-Ring, einen in der Nähe des Rades angeordneten Sensor, wobei der Sensor in Kombination mit dem Encoder-Ring eine Raddrehzahl des Rades erfasst, und eine mit dem Sensor in Verbindung stehende Steuerung. Die Steuerung beinhaltet Anweisungen zum Vorverarbeiten des Signals von dem Sensor, wobei das Vorverarbeiten des Signals von dem Sensor eine Phasenraumtransformation und eine Kurzzeit-Fourier-Transformation (STFT) beinhaltet, und zum Nachverarbeiten des vorverarbeiteten Signals, um eine Lagerfehlersignatur des Lagers zu erzeugen, wobei das Nachverarbeiten ein normiertes Raddrehzahl-Frequenzspektrum erzeugt, wobei das normierte Raddrehzahl-Frequenzspektrum die Lagerfehlersignatur bei kritischen Frequenzen identifiziert.
-
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird die Ausgabe der Kurzzeit-Fourier-Transformation mit der Ausgabe eines Ermöglichers kombiniert.
-
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist das normierte Raddrehzahl-Frequenzspektrum mit der Geometrie des Lagers assoziiert.
-
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenlegung beinhaltet das Nachverarbeiten mindestens eines aus einer Spektrumsfilterung, einer Spektrumsnormierung, einer Analyse von Oberschwingungen bei kritischen frequenzen der Kugel und einer Regressionsanalyse.
-
Weitere Anwendungsbereiche werden sich aus der vorliegenden Beschreibung ergeben. Es sollte verstanden werden, dass die Beschreibung und die spezifischen Beispiele nur zur Veranschaulichung dienen und nicht dazu beabsichtigt sind, den Umfang der vorliegenden Offenbarung einzuschränken.
-
Figurenliste
-
Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen nur Zwecken der Veranschaulichung und sind nicht dazu beabsichtigt, den Umfang der vorliegenden Offenbarung in irgendeiner Weise einzuschränken.
- 1 ist ein Diagramm eines Systems zur frühzeitigen Erkennung und Prognose von Radlagerfehlern in einem Kraftfahrzeug gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
- 2 ist eine erweiterte Ansicht des in 1 dargestellten Systems gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
- 3A ist ein Diagramm einer Geschwindigkeitsmessung eines Rades mit dem in 2 dargestellten System gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
- 3B ist ein Diagramm von Frequenzspitzen, die mit dem in 2 gezeigten System gemäß einer beispielhaften Ausführungsform erzeugt werden;
- 3C ist eine Darstellung von Fehlersignaturen, die mit dem in 2 dargestellten System gemäß einer beispielhaften Ausführungsform erzeugt werden;
- 4 illustriert eine Transformation von Daten, die mit dem in 2 dargestellten System erzeugt wurden, von dem Zeitraum in den Phasenraum; und
- 5 ist ein Blockdiagramm eines Verfahrens zur Kurzzeit-Fourier-Transformation mit dem in 2 dargestellten System.
-
Detaillierte Beschreibung
-
Die folgende Beschreibung ist lediglich beispielhaft und soll die vorliegende Offenbarung, Anwendung oder Verwendung nicht einschränken.
-
Mit Bezug auf 1 ist eine Übersicht über ein System 10 zur Erkennung von Lagerfehlern in einem Lager 13 einer Radnabenbaugruppe für ein Kraftfahrzeug, welches, in verschiedenen Ausführungsformen, das Lager 13, einen Bremsrotor 12, einen Encoder-Ring 14 und einen Sensor 16 beinhaltet. Das Lager 13 ermöglicht eine reibungsfreie oder nahezu reibungsfreie Drehbewegung der Radnabenbaugruppe, die beispielsweise an den Ecken des Kraftfahrzeugs angeordnet ist. Der Encoder-Ring 14 ist z. B. an einem Innenlaufring des Lagers 13 befestigt, so dass sich der Encoder-Ring 14 mit dem Bremsrotor 12 dreht. Der Encoder-Ring 14 hat eine Reihe von gleichmäßig beabstandeten Zähnen an seinem Umfang, und ein Sensor 16 ist in der Nähe des Bremsrotors 12 angeordnet. Der Sensor 16 überwacht einen festen Punkt auf dem Umfang der Radnabe und erkennt, wenn ein neuer Zahn des Encoder-Rings 14 den Sensor 16 passiert hat. In einigen Ausführungsformen sind die Zähne des Encoder-Rings 14 aus einem magnetischen Material gefertigt, und der Sensor 16 erkennt steigende und fallende Flanken in einem Signal der Magnetstärke. Die Radgeschwindigkeit wird aus zwei internen Signalen berechnet, die von dem Sensor 16 aufgezeichnet werden, nämlich dem Impulszähler und dem Zeitstempel. Der Sensor 16 verfügt über eine interne Uhr mit Mikrosekundengenauigkeit. Jedes Mal, wenn der Sensor 16 einen neuen Zahn des Encoder-Rings 14 erfasst, wird das Signal des Impulszählers um eins erhöht und die aktuelle Zeit auf der internen Uhr als Zeitstempel gespeichert. Zusammen werden diese Signale zur Berechnung der Radgeschwindigkeit über eine einfache diskrete Ableitung verwendet.
-
Das System 10 umfasst ferner eine Phasenraumtransformationskomponente 18, die Radgeschwindigkeitssignale von dem Sensor 16 empfängt. Ein Ermöglicher 20 empfängt Informationen von der Phasenraumtransformationskomponente 18 und überträgt sie an eine Kurzzeit-Fourier-Transformationskomponente (STFT) 22. Eine Komponente 24 normiert die Spitzenwerte aus den Daten der Fourier-Transformationskomponente 22. Die Komponente 24 liefert ferner eine Fehlersignatur auf der Grundlage der normalisierten Spitzen bei der kritischen Frequenz des Lagers, wie der Kugeldurchgangsfrequenz außen (Engl.: Ball Pass Frequency Outer, BPFO), der Kugeldurchgangsfrequenz innen und der Kugeldrehfrequenz, die von der Geometrie des Lagers 13 abgeleitet ist.
-
Nun mit Bezug zu 2 ist ein System 100 dargestellt, das eine detailliertere Ansicht des oben beschriebenen Systems 10 ist. Das System 100 empfängt Anweisungen von einem Steuergerät 110. Der Begriff „Steuergerät“ und verwandte Begriffe, wie z. B. elektronische Steuereinheit, beziehen sich auf eine oder mehrere Kombinationen von anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (Engl.: Application Specific Integrated Circuit, ASIC), elektronischer/n Schaltung(en), Zentralprozessoreinheiten (CPUs), z. B. Mikroprozessoren und zugehörigen nicht-flüchtigen Speicherkomponenten in Form von Speicher- und Speichergeräten (Nur-Lese-Speicher, programmierbarer Nur-Lese-Speicher, Direktzugriffsspeicher, Festplattenlaufwerk usw.). Die nicht-flüchtige Speicherkomponente ist in der Lage, maschinenlesbare Befehle in Form von einem oder mehreren Software- oder Firmware-Programmen oder -Routinen, kombinatorischen Logikschaltungen, Eingangs-/Ausgangsschaltungen und -vorrichtungen, Signalaufbereitungs- und Pufferschaltungen und anderen Komponenten zu speichern, auf die ein oder mehrere Prozessoren zugreifen können, um die beschriebene Funktionalität bereitzustellen. Eingangs-/Ausgangsschaltungen und -vorrichtungen beinhalten Analog-DigitalWandler und verwandte Vorrichtungen, die Eingänge von Sensoren überwachen, wobei solche Eingänge mit einer voreingestellten Abtastfrequenz oder als Reaktion auf ein auslösendes Ereignis überwacht werden. Software, Firmware, Programme, Anweisungen, Steuerroutinen, Code, Algorithmen und ähnliche Begriffe bezeichnen von Steuergeräten ausführbare Befehlssätze einschließlich Kalibrierungen und Nachschlagetabellen. Jedes Steuergerät führt Steuerroutine(n) aus, um die gewünschten Funktionen bereitzustellen. Die Routinen können in regelmäßigen Abständen ausgeführt werden. Alternativ können die Routinen als Reaktion auf das Auftreten eines auslösenden Ereignisses ausgeführt werden. Die Kommunikation zwischen dem Steuergerät 110, dem Sensor 16 und dem System 100 erfolgt in verschiedenen Ausführungsformen über eine direkt verdrahtete Punkt-zu-Punkt-Verbindung, eine vernetzte Kommunikationsbusverbindung, eine drahtlose Verbindung oder eine andere geeignete Kommunikationsverbindung. Die Kommunikation umfasst den Austausch von Datensignalen in geeigneter Form, z. B. elektrische Signale über ein leitendes Medium, elektromagnetische Signale über Luft, optische Signale über Lichtwellenleiter und dergleichen. Die Datensignale können diskrete, analoge oder digitalisierte analoge Signale beinhalten, die Eingaben von Sensoren, Aktuatorbefehle und die Kommunikation zwischen Steuergeräten darstellen. Der Begriff „Signal“ bezieht sich auf einen physikalisch wahrnehmbaren Indikator, der Informationen übermittelt, und kann eine geeignete Wellenform sein (z. B. elektrisch, optisch, magnetisch, mechanisch oder elektromagnetisch), wie Gleichstrom, Wechselstrom, Sinuswelle, Dreieckswelle, Rechteckwelle, Vibration und dergleichen, die sich durch ein Medium ausbreiten kann.
-
Das System 100 beinhaltet Vorverarbeitungskomponenten und Nachverarbeitungskomponenten. Die Vorverarbeitungskomponenten beinhalten ein Phasenraumtransformationsmodul 118, ein Hochpassfilter 102, ein erster Ermöglicher 120, ein Kurzzeit-Fourier-Transformationsmodul 122, ein zweiter Ermöglicher 124 und ein Filter 126 ganzzahliger Ordnung. Die Nachverarbeitungskomponenten beinhalten einen Spektrumsfilter 128, einen Spektrumsnormierer 130, ein Modul 132, das die Oberschwingungen der kritischen Frequenzen der Lager im normierten Raddrehzahlspektrum bestimmt, und ein Regressionsanalysemodul 134. Das Ergebnis der Nachverarbeitungskomponenten ist eine Lagerfehlersignatur 136.
-
Während des Betriebs des Kraftfahrzeugs erzeugt der Sensor 16 ein Signal der Radgeschwindigkeit (S) in Abhängigkeit von der Zeit (t), wie in 3A dargestellt. Diese Daten (2) werden zusammen mit Impulszählersignalen (1) an das Phasenraumtransformationsmodul 118 übertragen. Andere Fahrzeugsignale (3), z. B. im Zusammenhang mit der Fahrzeuggeschwindigkeit, dem Bremsen und dem Lenkradwinkel (Engl.: Steering Wheel Angle, SWA), werden ebenfalls an das Phasenraumtransformationsmodul 118 übertragen. Die Datenerfassung dieser Signale (1), (2) und (3) legt die Bedingungen fest, die erfüllt sein müssen, damit eine Zustandsanzeige für das Lager 13 erstellt werden kann. Genauer gesagt identifiziert der erste Ermöglicher 120 die Signale, die für die Bewertung des Lagerzustands ausreichen, und gibt nur die Signale frei, die die Bedingungen für die Fahrmanöver erfüllen.
-
Die in den Phasenraum transformierte Raddrehzahl wird an den Hochpassfilter 102 übermittelt, der einen Filtertyp und eine Grenzfrequenz bestimmt. Die Fahrzeuggeschwindigkeit, die Lenkdaten, die Bremsdaten, z. B. das Bremsmoment und die Achsmomentdaten, werden an den ersten Ermöglicher 120 übertragen. Die Daten von dem Hochpassfilter 102 und dem Ermöglicher 120 werden kombiniert und an die Kurzzeit-Fourier-Transformationskomponente 122 übertragen. Die Informationen aus der Kurzzeit-Fourier-Transformationskomponente 122 werden mit Daten, wie z. B. der geschätzten Straßenrauigkeit, aus dem zweiten Ermöglicher 124 kombiniert, die wiederum an den Filter 126 ganzzahliger Ordnung übertragen werden.
-
Von den Vorverarbeitungskomponenten werden die Daten dann an den Spektrumsfilter 128 der Nachverarbeitungskomponenten weitergeleitet. Der Spektrumsfilter 128 liefert ein zusammenfassendes Spektrum des Raddrehzahlsignals, indem er mehrere Spektren, die in verschiedenen Fenstern des Raddrehzahlsignals berechnet wurden, zusammenfiltert. Ferner bestimmt die Spektrumsnormierung 130 die Spitzenhöhe der Analyse aus den Vorverarbeitungskomponenten, das Modul 132 bestimmt die Oberschwingungen der kritischen Frequenzen des Lagers, die zur Berechnung der Lagerfehlersignatur verwendet werden, und das Modul 134 führt eine Regressionsanalyse der Daten aus dem Modul 132 durch. Schließlich liefert die Ausgabe der Nachverarbeitungskomponenten eine Lagerfehlersignatur 136 bei kritischen Frequenzen, um die Gesundheit des Lagers 13 anzuzeigen. Die Lagerfehlersignatur 136 ist eine Schätzung des grundlegenden Gesundheitszustands des Lagers, z. B. der geschätzten G-RMS-Schwingung des Lagers 13 oder der geschätzten maximalen Brinell-Tiefe des Lagers 13.
-
Unter Bezug auf 3B ist eine Ausgabe der Vorverarbeitungskomponenten dargestellt, nämlich die normierte Spitzenhöhe (A), wie sie von der Spektrumsnormierung 130 ausgegeben wird, in Abhängigkeit von der Rotationsordnung (y), gemessen in Zählungen pro Radumdrehung. Die Bänder für die ersten beiden Oberschwingungen der äußeren Kugeldurchgangsfrequenz sind mit dem Bezugszeichen 28 und die Bänder für die innere Kugeldurchgangsfrequenz mit dem Bezugszeichen 26 gekennzeichnet. Ferner zeigt 3B die Spitzenfrequenzen 30 und 32 in den äußeren Bändern 28 der Kugeldurchgangsfrequenz. In 3C ist ein Beispiel für die Ausgabe der Fehlersignatur aus den Nachverarbeitungskomponenten als Diagramm der Lagerfehlersignatur (Δ) gegenüber der Lager-Grundwahrheitsschwingung (ξ) für Trainingsdaten (α) und Validierungsdaten (β) dargestellt.
-
Nun unter Bezug zu 4 ist eine Beispielausgabe von dem Phasenraumtransformationsmodul 118 zu sehen. Der linke Satz von Tabellen (Δt konstant) stellt Daten im Zeitraum für den Winkel des Bremsrotors 12 (Impuls), d. h. die Radnabenbaugruppe, die Radgeschwindigkeit (WS) und den Lenkradwinkel (SWA) dar. Der rechte Satz von Tabellen (Δθ konstant) stellt die von dem Zeitraum in den Phasenraum transformierten Daten dar. Da die Frequenzen der Fehlersignatur des Lagers 13 drehzahlabhängig sind, normiert die Phasenraumtransformation 118 diese Effekte, indem die Analyse in den Phasenraum transformiert wird, in der die Abtastung unabhängig von der Drehzahl ist. Als solche sind die Daten gleichmäßig um den Winkel des Bremsrotors 12 (d. h. den Impuls) und nicht um die Zeit verteilt. Es existiert eine kritische Geschwindigkeit, bei der neue Impulse von dem Encoder 14 mit der gleichen Rate wie die Abtastung der Daten gelesen werden. Genauer gesagt, wenn die Raddrehzahl unter einer kritischen Raddrehzahl (V < Vcrit) liegt, werden neue Impulse mit einer langsameren Rate gelesen, so dass durch Down-Sampling ein Datenpunkt pro Phase erhalten wird. Und wenn die Radgeschwindigkeit größer als die kritische Radgeschwindigkeit (V > Vcrit) ist, werden neue Impulse mit einer höheren Rate gelesen, so dass die übersprungenen Phasenwerte durch Interpolation aufgefüllt werden.
-
In 5 ist ein Verfahren 200 für angepasste Kurzzeit-Fourier-Transformation für teilweise aktivierte Signale mit dem Kurzzeit-Fourier-Transformationsmodul 122 dargestellt. Das Verfahren 200 stellt eine dateneffiziente Frequenzanalyse für eine erfolgreiche Fehlererkennung bereit. Das Verfahren 200 analysiert den Frequenzinhalt disjunkter Segmente der freigegebenen Daten, z.B. verschiedene Segmente der in 3A dargestellten Radgeschwindigkeit (S) über der Zeit (t). In Schritt 202 sammelt das Verfahren 200 ein freigegebenes Radgeschwindigkeitssegment (WS). Die Segmente sind in ihrer Länge variabel, wie von dem ersten Ermöglicher 120 bestimmt, abhängig von den Fahrmanövern des Kraftfahrzeugs und der von dem ersten Ermöglicher 120 bestimmten Pass/Fail-Freigabebedingung. In Schritt 204 wird das WS mit einer Fensterfunktion g(t) multipliziert. Im Entscheidungsschritt 206 bestimmt das Verfahren 200, ob das WS-Signal kleiner ist als eine bestimmte Anzahl von Proben (N), die in die Kurzzeit-Fourier-Transformation einzubeziehen sind. Ist dies nicht der Fall, berechnet das Verfahren 200 in Schritt 210 das Fast-Fourier-Transformationsspektrum des WS. Wenn die Bestimmung aus dem Entscheidungsschritt 206 „ja“ lautet, fährt das Verfahren mit Schritt 208 fort, um das Signal durch anhängen von Nullen zu erweitern. Von Schritt 208 geht das Verfahren 200 zu Schritt 210 über, um die Fast-Fourier-Transformation des WS zu berechnen.
-
Die Beschreibung der vorliegenden Offenbarung ist lediglich beispielhaft, und Abweichungen, die nicht vom Kern der vorliegenden Offenbarung abweichen, sollen in den Anwendungsbereich der vorliegenden Offenbarung fallen. Solche Variationen sind nicht als Abweichung von Geist und Umfang der vorliegenden Offenbarung zu betrachten.
