DE102021214863A1

DE102021214863A1 - Verfahren zur Überwachung eines Betriebszustands oder eines Betriebsverhaltens einer elektrischen Antriebseinrichtung

Info

Publication number: DE102021214863A1
Application number: DE102021214863.8A
Authority: DE
Inventors: Peter Hajdu
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-12-22
Filing date: 2021-12-22
Publication date: 2023-06-22
Also published as: WO2023117247A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Überwachung eines Betriebszustands und/oder des Betriebsverhaltens einer elektrischen Antriebseinrichtung, insbesondere eines E-Achsen-Moduls (10) mit einer elektrischen Maschine (24), einer Leistungselektronik (12) und einem Getriebe (16). Es erfolgt a) die Überwachung von mechanischen Komponenten (36, 66, 88, 90, 92) auf über die Lebensdauer sich einstellende Alterungserscheinungen durch Reibkontakt und/oder auf sich im Betrieb einstellende Unwuchten oder Vibrationen mittels einer Sensorik (28). Ferner erfolgt b) die Überwachung der mechanischen Komponenten (36, 66, 88, 90, 92) auf Auftreten von Resonanzereignissen außerhalb zulässiger Grenzbereiche. Weiterhin wird c) eine Überwachung und Aufzeichnung von aus einer Fahrzeugumgebung auf das Fahrzeug einwirkender Vibrationslasten vorgenommen. Schließlich erfolgt d) das Anzeigen von Wartungsmaßnahmen oder eine Vornahme einer Momentenherabsetzung oder eine Durchführung eines Momentenschnitts bei Auftreten von Resonanzereignissen mit unzulässigen Amplituden gemäß b) an mindestens einer mechanischen Komponente (36, 66, 88, 90, 92). Ferner bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung des Verfahrens zur Auslegung des Verhaltens einer elektrischen Antriebseinrichtung während der Konstruktionsphase und/oder zur Ermittlung des Verhaltens elektrischer Antriebseinrichtungen nach deren Serienfertigung.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Überwachung eines Betriebszustands und/oder eines Betriebsverhaltens einer elektrischen Antriebseinrichtung, insbesondere eines E-Achsen-Moduls mit einer elektrischen Maschine, einer Leistungselektronik und einem Getriebe. Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung des Verfahrens zur Auslegung des Verhaltens einer elektrischen Antriebseinrichtung während der Konstruktionsphase und/oder zur Ermittlung des Verhaltens elektrischer Antriebseinrichtungen nach deren Serienfertigung.
Stand der Technik
Bei elektrischen Antriebsvorrichtungen, etwa solchen, die als elektrische Achse angefertigt sind, sind typischerweise eine elektrische Maschine, wie beispielsweise ein Elektromotor und ein Getriebe verbaut. Die elektrische Maschine wird in der Regel mittels einer Leistungselektronik gesteuert und betrieben. Das angetriebene und in Teilen rotierende Antriebssystem weist in der Regel ein dynamisches und ein NVH-Verhalten (Geräusche, Vibrationen, Rauigkeit) auf. In dieser Antriebsvorrichtung können periodische Kontakte (in der Regel mechanische Kontakte) zwischen den rotierenden Komponenten auftreten. Wechselnde magnetische Felder in der elektrischen Maschine kommen in der Regel als die Hauptquellen der dynamischen Last (Belastung) in Frage und deren Wirkung kann durch einen Belastungsweg mittels Übertragung über stationäre Komponenten verstärkt werden, etwa über Gehäuse und Abdeckungen. Schließlich können dadurch, d. h. durch derartige Hauptquellen, luftübertragene Geräusche der elektrischen Achse entstehen, welche die Passagiere eines Fahrzeugs wahrnehmen können, sowie strukturelle Geräusche, welche auf das Fahrzeuggehäuse über Montagepunkte übertragbar sind.
Neben der Wahl einer optimalen Geometrie oder Form der elektrischen Achse kann eine bekannte Methode genutzt werden, wobei eine Harmonisierung der Pulse und des Drehmoments durch die magnetischen Felder der elektrischen Maschine vorgenommen wird, um den Betrieb des elektrischen Antriebs derart zu modifizieren, was als harmonisierte Strominjizierung (harmonic current injection) bekannt ist. Dies kann bei einer Anpassung der Stromoszillation für die Leistungselektronik angewandt werden (Injektion harmonischer Ströme). Die mechanischen Hauptquellen der Vibrationen können in weiten Bereichen variieren und am effektivsten durch Anpassung von Design und Herstellungseigenschaften beeinflusst werden. Auch bei einer idealen Form kann eine Deformation der Antriebskomponenten im Betrieb und Toleranzen der Komponenten zu Vibrationseffekten und zu Geräuschquellen führen. Ein Schaltgetriebesystem kann zusätzliche dynamische und NVH-Effekte (Geräusche, Vibrationen, Rauigkeit) im Betrieb umfassen. Rollenpaare können dabei periodische Kontakt- und Störeffekte und Vibrationen an sich sowie Geräusche erzeugen.
DE 199 14 228 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Reduzieren eines akustischen Rauschens beziehungsweise eines akustischen Geräuschs zu entnehmen, welches durch einen elektrischen Motor erzeugt wird.
DE 10 2021 200 755 A1 bezieht sich auf ein Verfahren zum Ermitteln und Verringern von Nebengeräuschen im Betrieb einer elektrischen Antriebseinrichtung sowie auf ein Analysesystem zum Ermitteln und Verringern von Nebengeräuschen im Betrieb einer elektrischen Antriebseinrichtung. Gemäß dieser Lösung wird ein Verfahren zum Ermitteln und Verringern von Nebengeräuschen im Betrieb einer elektrischen Antriebseinrichtung vorgeschlagen, wobei eine Antriebswelle und/oder ein Schaltgetriebe über eine elektrische Maschine angetrieben wird. Es erfolgt eine Detektion eines Antriebsgeräuschs der angetriebenen Antriebswelle und/oder des angetriebenen Schaltgetriebes sowie eine Ermittlung einer Frequenz des Antriebsgeräuschs mittels einer Sensoreinrichtung. Danach erfolgt ein Abgleichen des ermittelten Antriebsgeräuschs und/oder der ermittelten Frequenz mit einem bekannten Geräuschquellenmuster und/oder dessen Frequenz sowie eine Bestimmung einer Quelle des Antriebsgeräuschs in der Antriebswelle und/oder dem Schaltgetriebe. Daran schließt sich die Anpassung eines Betriebsmodus der elektrischen Maschine und/oder der Antriebswelle und/oder des Schaltgetriebes und/oder einer physischen Auslegung der elektrischen Maschine und/oder der Antriebswelle und/oder des Schaltgetriebes zum Verringern des Antriebsgeräuschs an.
Der DE 10 2021 200 755 A1 lässt sich jedoch keine Erfassung beziehungsweise Ermittlung von Vibrationen entnehmen, die Alterungserscheinungen mechanischer Komponenten im Betrieb bei einer elektrischen Antriebseinrichtung berücksichtigen. Des Weiteren lässt das dort offenbarte Verfahren keine Rückschlüsse auf die Ermittlung von Resonanzereignissen zu, sondern beeinflusst das Betriebsverhalten der dort offenbarten elektrischen Antriebseinrichtung durch Einspeisen von harmonisierten Strömen durch Anpassung der Stromoszillation für die Leistungselektronik der elektrischen Maschine.
Darstellung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren bereit zur Überwachung eines Betriebsmodus und/oder eines Betriebsverhaltens einer elektrischen Antriebseinrichtung, insbesondere eines E-Achsen-Moduls mit einer elektrischen Maschine, einer Leistungselektronik und einem Getriebe nach Anspruch 1. Des Weiteren offenbart die vorliegende Erfindung die Verwendung des Verfahrens zur Auslegung des Verhaltens einer elektrischen Antriebseinrichtung während der Konstruktionsphase oder zur Ermittlung des Verhaltens der elektrischen Antriebseinrichtung nach deren Serienfertigung.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstände der Unteransprüche.
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung folgend wird ein Verfahren zur Überwachung eines Betriebszustands und/oder eines Betriebsverhaltens einer elektrischen Antriebseinrichtung vorgeschlagen, insbesondere eines E-Achsen-Moduls mit einer elektrischen Maschine, einer Leistungselektronik und einem Getriebe, wobei zumindest die nachfolgenden Verfahrensschritte durchlaufen werden:

a) Überwachung mechanischer Komponenten auf über die Lebensdauer sich einstellende Alterungserscheinungen durch Reibkontakt und/oder auf sich im Betrieb einstellende Unwuchten oder Vibrationen mittels einer Sensorik,
b) Überwachung der mechanischen Komponenten auf Auftreten von Resonanzereignissen außerhalb zulässiger Grenzbereiche,
c) Überwachung und Aufzeichnung von aus einer Fahrzeugumgebung auf das Fahrzeug einwirkender Vibrationslasten und
d) Anzeige von Wartungsmaßnahmen oder eine Vornahme einer Momentenherabsetzung und/oder Durchführung eines Momentenschnitts bei Auftreten von Resonanzereignissen unzulässiger Amplitude gemäß b) an mindestens einer mechanischen Komponente.

Durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren können auch kleinere, durch Alterungserscheinungen bedingt auftretende Fehler, die sich im Laufe des Betriebs der elektrischen Antriebseinrichtung einstellen können, erkannt werden und hinsichtlich ihrer Fehlerpropagation überwacht werden. Durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren können auch missbräuchliche Benutzungen, das Auftreten unzulässig hoher Resonanzschwingungen beziehungsweise -amplituden detektiert werden. Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren werden nur Signale erkannt, die auf einen vollständigen Ausfall eines E-Achsen-Moduls hindeuten können, jedoch keine solchen, die sich auf schleichende Weise einstellen, bei missbräuchlicher Benutzung auftreten und dergleichen. Des Weiteren wird beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren an den mechanischen Komponenten eine Überwachung dahingehend vorgenommen, dass diese auf das Auftreten von Resonanzereignissen überwacht werden. Sobald die Resonanzereignisse an den mechanischen Komponenten, ob Lagerwellen, Zahnradpaare o. ä., zulässige Grenzbereiche überschreiten, besteht die Gefahr einer dauerhaften Schädigung der jeweiligen mechanischen Komponenten, so dass hier Wartungssignale oder Wartungsmeldungen generiert werden, die den Benutzer eines elektrischen Fahrzeugs rechtzeitig auf einen möglicherweise erforderlichen Werkstattbesuch hinweisen können. Mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren lassen sich über geeignete Sensoriksysteme auch Kühlkreisläufe und Schmiermittelkreisläufe wirksam überwachen. Sobald Füllstände oder Fahrzeug-Grenzzustände detektiert werden, erfolgt automatisch nach der Ausgabe einer entsprechenden Warnung an den Benutzer des elektrischen Fahrzeugs oder gegebenenfalls im Betrieb des Fahrzeugs eine Momentenherabsetzung oder eine Überführung des Fahrzeugs in einen sicheren Zustand. Dadurch wird sich möglicherweise später einstellenden fatalen Ausfällen wirksam entgegengetreten. Durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren lässt sich in vorteilhafter Weise die sich im Betrieb einstellende Abnutzung überwachen und bei durch diese bedingt auftretenden Unwuchten oder Vibrationen entsprechend reagieren.
Zudem wird beim erfindungsgemäßen Verfahren vorgeschlagen, aus der Fahrzeugumgebung herrührende Vibrationen beziehungsweise mechanische Belastungen bei unzulässigem Gebrauch des elektrischen Fahrzeugs zu detektieren und zu protokollieren.
Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren liefert zudem unmittelbar wertvolle Informationen über die Fahrbedingungen, unter denen eine Nutzung des Fahrzeugs stattgefunden hat sowie Informationen über einen eventuellen Werkstattbesuch, so dass entsprechende Vorkehrungen bereits vor Auftreten einer eine Weiterfahrt unmöglich machenden Situation und aufwändige Instandsetzungsmaßnahmen vermieden werden können. Des Weiteren kann durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren eine Überdimensionierung sowie die Herstellung einer kostenträchtigen Topologie der elektrischen Antriebseinrichtung in Gestalt eines E-Achsen-Moduls, beispielsweise in der Konstruktionsphase, rechtzeitig unterbunden werden, was eine wertvolle Ressourcenschonung nach sich zieht.
Durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren kann in wirksamer Weise die dynamische Leistung beziehungsweise das Auftreten dynamischer Vibrationen der elektrischen Antriebseinrichtung in Gestalt eines E-Achsen-Moduls überwacht werden. Dadurch kann die Betriebssicherheit, die Durchführung von Servicearbeiten sowie die Wartung allgemein erheblich vereinfacht werden. Um beispielsweise Resonanzen, die die elektrische Antriebseinrichtung betreffen, zu überprüfen, werden dynamische und NVH-Effekte (Geräusche, Vibrationen, Rauigkeit) der rotierenden Komponenten des Antriebsstrangs und des Getriebes sowie Rollkontakte auf periodisch auftretende transiente Erscheinungen überwacht. Des Weiteren kann das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren dahingehend ergänzt werden, dass über die Leistungselektronik optional eine Injektion harmonischer Ströme durch Anpassung der Stromoszillation für die Leistungselektronik vorgenommen werden kann. Durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren können bereits bei der Auslegung kostengünstige Herstellungsschritte für die elektrische Antriebseinrichtung ausgewählt und unterstützt werden. Des Weiteren kann durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren die dynamische Sicherheit über die Lebensdauer des elektrischen Systems der elektrischen Antriebseinrichtung sowie die Befestigungsbereiche der elektrischen Antriebseinrichtung am Fahrzeugchassis berücksichtigt werden. Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren kann beispielsweise im laufenden Betrieb der elektrischen Antriebseinrichtung in einem E-Achsen-Modul zum Einsatz kommen. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren bereits im Rahmen der Auslegung der elektrischen Antriebseinrichtung während der Konstruktionsphase zu berücksichtigen. Weiterhin kann beispielsweise an einem Prüfstand in der Serienfertigung eine Stand-alone-Prüfungseinheit installiert werden, in welcher ein willkürlich herausgegriffenes E-Achsen-Modul am Ende der Serienfertigung auf dessen Betriebsverhalten untersucht werden kann. Somit besteht die Möglichkeit, unter Einsatz des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens die Serienfertigung wirksam zu überwachen.
Im Rahmen des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens erfolgt eine Ermittlung der hauptsächlichen Verursacher von Schwingungsordnungen eines elektromagnetischen Feldes einer elektrischen Maschine sowie einer Hauptschwingung einer Rotorwelle der elektrischen Maschine. Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren wird die Ermittlung von Schwingungsordnungen, insbesondere an Paaren von Zahnrädern, an Wellen, an Zwischenwellen oder an Wälzlagern, an Ab- oder Antriebswellen oder am Differentialgetriebe vorgenommen.
Gemäß den Verfahrensschritten a) und b) kann eine Geräuschermittlung der elektrischen Antriebseinrichtung eine gewichtete Darstellung der Ordnungen der harmonischen Schwingungen umfassen, wobei die Ordnungen der harmonischen Schwingungen jeweils das Verhalten der Antriebskomponenten im Lastpfad, abhängig von Drehzahl und Frequenz darstellen.
Als erste Ordnung der harmonischen Schwingung wird die Drehzahl der elektrischen Maschine herangezogen. Wie bereits erwähnt, wird das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren in der Konstruktions- und/oder Auslegungsphase einer elektrischen Antriebseinrichtung durchgeführt. Alternativ besteht die Möglichkeit, das Verfahren auch während des Betriebs einer elektrischen Antriebseinrichtung anzuwenden und entsprechende Daten im laufenden Betrieb derselben zu ermitteln. Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren wird eine auf die Struktur der elektrischen Antriebseinrichtung basierende NVH-Analyse (Geräusch, Vibration, Rauigkeit) durchgeführt, zur Ermittlung von Hauptverursachern des NVH-Verhaltens innerhalb des Drehzahlfensters, in dem die elektrische Antriebseinrichtung betrieben wird beziehungsweise deren Last.
Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren erfolgt eine Detektion von NVH-Maximalwerten, die Detektion einer Verschiebung hinsichtlich Zeitpunkt und/oder Phasenwinkel und/oder Rotationswinkel in Bezug auf den Rotorlagewinkel der elektrischen Maschine durch zeitbasiertes Scannen.
Hinsichtlich der Überwachung der mechanischen Komponenten auf das Auftreten von Resonanzereignissen außerhalb zulässiger Grenzbereiche erfolgt die Ausgabe eines Wartungssignals, sowohl für die elektrische Maschine als auch für die zugehörige Leistungselektronik. Bei Detektion außerhalb zulässiger Grenzen liegender Resonanzereignisse am Getriebe und dessen Komponenten erfolgt die Ausgabe eines Wartungssignals hinsichtlich des Getriebes und dessen Schmiersystems. Bei der Detektion von außerhalb zulässiger Grenzen liegender Resonanzereignisse an Wälzlagern erfolgt die Ausgabe eines Wartungssignals für die Wälzlager und eine Wartung des gegebenenfalls vorhandenen Schmiersystems. Bei Detektion von außerhalb zulässiger Grenzen liegender Resonanzen der elektrischen Antriebseinrichtung erfolgt die Ausgabe eines Wartungssignals zur Wartung der mechanischen Anbindung der elektrischen Antriebseinrichtung an das Fahrzeug beziehungsweise eine Wartungsaufforderung für entsprechende Lagerungselemente, wie Silentblöcke oder dergleichen. Bei Detektion außerhalb zulässiger Grenzen liegender Resonanzereignisse am Differential oder an An- oder Abtriebsachsen erfolgt die Ausgabe eines Wartungssignals für eine Antriebsstrangwartung.
Des Weiteren kann durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren bei Detektion außerhalb zulässiger Grenzen liegender transienter Erscheinungen in einen Sicherheitsmodus übergegangen werden sowie eine Momentenherabsetzung durchgeführt werden. Werden hingegen außerhalb zulässiger Grenzen liegende Erschütterungen detektiert, so erfolgt ebenfalls der Übergang in einen Sicherheitsmodus und gegebenenfalls ein Momentenschnitt am Fahrzeug.
Darüber hinaus bezieht sich die Erfindung in vorteilhafter Weise auf die Verwendung des Verfahrens zur Auslegung des Verhaltens einer elektrischen Antriebseinrichtung während der Konstruktionsphase und/oder zur Ermittlung des Betriebsverhaltens einer elektrischen Antriebseinrichtung nach deren Fertigstellung im Rahmen einer Serienfertigung. Mithin kann das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren zur Optimierung der Konstruktion der elektrischen Antriebseinrichtung eingesetzt werden, um bei der Auslegung bereits kritische Resonanzstellen beziehungsweise Resonanzereignisse zu erkennen. Des Weiteren kann bei frühzeitigem Einsatz des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens innerhalb der Konstruktionsphase eine Überdimensionierung vermieden werden, da die Lasten, insbesondere die Resonanzeinflüsse, denen die elektrische Antriebseinrichtung unterliegt, im Voraus bei der Auslegung bereits ermittelt werden können. Andererseits kann das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren im laufenden Betrieb der elektrischen Antriebseinrichtung, beispielsweise in Gestalt eine E-Achsen-Moduls in einem elektrischen Fahrzeug eingesetzt werden.
Figurenliste
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:

1.1, 1.2 die Darstellung einer elektrischen Antriebseinrichtung in Gestalt eines E-Achsen-Moduls
2 die schematische Darstellung einer Stand-alone-Einheit,
3 die Darstellung eines transienten Phänomens in Gestalt eines Abrollvorgangs,
4.1, 4.2 einen Rollkontakt von Zahnrädern,
5 Alterungserscheinungen an einem Wälzlager,
6 ein Wälzlager,
6.1, 6.2 Signalamplituden bei Normalbetrieb und bei Auftreten eines Defekts an einem Wälzlager,
7 eine Zahnradanordnung,
8 eine erweiterte Zahnradanordnung,
9.1 die Anordnung eines Beschleunigungssensors,
9.2 eine Darstellung von strukturimmanenten Geräuschen,
10 eine Darstellung kritischer Ordnungen und
11 die Darstellung übereinanderliegender harmonischer Schwingungen unterschiedlicher Komponenten einer elektrischen Antriebseinrichtung.

Ausführungsformen der Erfindung
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
Die 1.1 und 1.2 zeigen ein E-Achsen-Modul 10 aus unterschiedlichen perspektivischen Ansichten.
Den Darstellungen gemäß den 1.1 und 1.2 ist jeweils ein E-Achsen-Modul 10 zu entnehmen, welches im vorliegenden Ausführungsbeispiel besagte elektrische Antriebseinrichtung darstellt.
Das E-Achsen-Modul 10 umfasst eine Leistungselektronik 12 und ein Gehäuse 14, in dem ein Getriebe 16 untergebracht ist. Eine Getriebeseite des Gehäuses 14 wird mit Bezugszeichen 18 bezeichnet, während eine E-Maschinenseite durch Bezugszeichen 20 identifiziert ist. Das Getriebe 16 ist durch einen Getriebedeckel 22 verschlossen. Innerhalb des Gehäuses 14 des E-Achsen-Moduls 10 ist eine elektrische Maschine 24 aufgenommen, die im Wesentlichen einen stationären Stator sowie einen relativ zu diesem rotierenden Rotor umfasst, der auf einer Rotorwelle 118 aufgenommen ist, die in den 1.1 und 1.2 nicht dargestellt ist. Die Leistungselektronik 12, welche sich im oberen Bereich des E-Achsen-Moduls 10 befindet, umfasst eine Steuereinheit 26, die einen Controller zur Ermittlung von Resonanzereignissen umfasst. Am Gehäuse 14, am Getriebedeckel 22 sowie an weiteren mechanischen Komponenten des E-Achsen-Moduls 10 sind Komponenten einer Sensorik 28 mittels eines Leitungssystems 30 angeschlossen, wobei das Leitungssystem 30 zu der Steuereinheit 26 der Leistungselektronik 12 verläuft.
Über die einzelnen Sensoren der Sensorik 28 können an einer Vielzahl von Stellen am E-Achsen-Modul 10 Vibrationen, Geräusche, Erschütterungen und dergleichen registriert, aufgezeichnet und zu einer weiterverarbeitenden Stelle, nämlich der Steuereinheit 26 der Leistungselektronik 12 übermittelt werden.
2 zeigt eine zentrale Anordnung der Komponenten, wobei die Steuereinheit 26 durch ein Fahrzeug gegeben ist und ein Primärmonitor 32 vorgesehen ist, an welchem über das Leitungssystem 30 in mehrfacher Verästelung eine Anzahl von Sekundärmonitoren 34 angeschlossen ist.
3 zeigt in schematischer Weise ein transientes Phänomen in Gestalt eines Abrollvorgangs zwischen zwei miteinander kämmenden Zahnrädern 36. Ein Zahnrad 36 umfasst an seinem Außenumfang eine Anzahl von einander durch Zahnlücken 40 beabstandete Zähne 38. Im Fall des Kämmens mit einem dem Zahnrad 36 gegenüberliegenden, hier nicht dargestellten Zahnrad kommt es zu einem Einrollkontakt 42, in weiterer Abfolge der Kämmbewegung zu einem Flächenkontakt 44 zweier miteinander kämmender Zahnflanken der zwei einander gegenüberliegenden Zahnräder 36 und schließlich zu einem Ausrollkontakt 46. Diese Abfolge von Kontakten, nämlich die Abfolge des Einrollkontakts 42, des Flächenkontakts 44 sowie des Ausrollkontakts 46 stellt eine Geräuschquelle 48 dar.
Anhand der 4.1 und 4.2 wird die Geräuschquelle 48, die durch einen Kontakt von Zahnrädern 36 gegeben ist, nochmals beschrieben: Die miteinander kämmenden Zahnräder 36 drehen in eine erste Drehrichtung 50 und in eine dazu entgegengesetzte zweite Drehrichtung 52. Bei dieser Kämmbewegung entsteht die in 3 und 4.2 dargestellte Kontaktierung, d. h. das Auftreten des Einrollkontakts 42, des Flächenkontakts 44 sowie des Ausrollkontakts 46.
Der anhand der 3, 4.1 und 4.2 dargestellte Kämmkontakt zweier Zahnräder 36 stellt eine Geräuschquelle 48 dar, welche durch Sensoren, die der Sensorik 28 gemäß den 1.1, 1.2 und 2 zugeordnet sind, erfasst werden kann. In der Regel ändert sich das Geräusch, welches von der Geräuschquelle 48 gemäß den 3, 4.1 und 4.2 ausgeht, über die Lebensdauer der elektrischen Antriebseinrichtung in Gestalt des E-Achsen-Moduls 10.
5 zeigt die Ansicht eines Alterungsverlaufs 54 anhand eines hier nicht näher dargestellten Wälzlagers. Der Alterungsverlauf 54 eines Lagers, insbesondere eines Wälzlagers 66 lässt sich in eine Einlaufphase 56 und sich daran anschließende, mehrere Phasen einteilen. An die Einlaufphase 56 schließt sich zunächst eine stabile Phase 58 an, innerhalb derer das Lager einwandfrei funktioniert. Zu einem Zeitpunkt schließt sich an die stabile Phase 58 eine Fehlereintrittsphase 60 an, die beispielsweise durch Materialermüdung oder durch Eintritt von Fremdkörpern oder durch mangelnde Schmierung oder durch Überbeanspruchung ausgelöst sein kann. Die Fehlereintrittsphase 60 geht in eine Ausbreitungs- oder Propagationsphase 62 über, in welcher sich ein Fehlerwachstum 64 einstellt. In der Regel nimmt das Geräusch gegen Ende der Ausbreitungsphase 62 und bei Übergang in den Fehlerwachstum 64 deutlich zu, was sich beispielsweise durch in den 6.1 und 6.2 dargestellte Signalamplituden 76 darstellen lässt.
6 zeigt in schematischer Weise ein Wälzlager 66, welches hier beispielsweise als Zylinderrollenlager ausgeführt ist. Das Wälzlager 66 umfasst besagte Zylinderrollen, die als Wälzkörper 68 zwischen einem Innenring 70 und einem Außenring 72 fungieren. Durch die Wälzkörper 68 werden der Innenring 70 und der Außenring 72 zueinander abgestützt und sind relativ zueinander bewegbar.
6.1 zeigt ein Signal 74 bei Normalbetrieb mit einer entsprechenden Signalamplitude 76, die in Bezug auf die Zeitachse t im Wesentlichen konstant im positiven beziehungsweise im negativen Bereich ausgebildet ist.
In 6.2 hingegen ist ein Signal 78 bei aufgetretenem Defekt am Innenring 70 des Wälzlagers 66 dargestellt. Aus dem Graphen gemäß 6.2 geht hervor, dass die Signalamplitude 76 jeweils Belastungsspitzen 80 aufweist, die sowohl in positiver als auch in negativer Richtung verlaufen. Gegenüber dem Graphen gemäß 6.1 sind die Signalamplituden 76 gemäß der Darstellung in 6.2 hinsichtlich dort auftretender Belastungsspitzen 80 größer verglichen mit den Signalamplituden 76, die Signale 74 bei Normalbetrieb des Wälzlagers 66 erzeugen. Dies bedeutet, dass bei einem Signal 78, welches einen Defekt am Innenring 70 oder einer anderen Komponente des Wälzlagers 66 anzeigt, eine Erhöhung des Geräuschpegels 116 konstatierbar ist, welcher durch einzelne Sensoren der Sensorik 28, wie sie schematisch in den 1.1 und 1.2 dargestellt ist, aufgenommen wird.
7 zeigt eine Zahnradanordnung 82 sowie ein Wälzlager 66, von dem in 7 der Außenring 72 dargestellt ist. Eine Belastungsspitze 80 ist dem Außenring 72 des Wälzlagers 66 zugeordnet. Stellt sich bei dem in 7 dargestellten Wälzlager 66 ein Fehler ein, so kommt es zum Auftreten des Signals 78 bei einem Defekt, beispielsweise am Innenring 70 des Wälzlagers 66 und somit zu einer Erhöhung des Lagergeräuschs. Dies kann beispielsweise auf das Auftreten eines Resonanzereignisses mittels eines Sensors der Sensorik 28 überprüft werden, wobei das entsprechende, die Resonanz darstellende Signal in der Steuereinheit 26 der Leistungselektronik 12 entsprechend verarbeitet wird. Überschreitet das Resonanzereignis zulässige Grenzen, so wird dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren folgend zumindest eine Meldung ausgegeben, die zu einer Wartung der Lagerkonfiguration auffordert.
8 zeigt ähnlich wie 7 eine Zahnradanordnung 82. Die Zahnradanordnung 82 umfasst mehrere Wälzlager 66 sowie beispielsweise eine Welle 88, auf der das Zahnrad 36 aufgenommen ist und die in Wälzlagern 66 gelagert ist. Das Zahnrad 36 kämmt mit einem Ritzel 92 einer Zwischenwelle 90. Auf der Zwischenwelle 90 ist ein weiteres Zahnrad aufgenommen, welches mit einem weiteren Ritzel kämmt, welches hier nicht näher bezeichnet ist. Mithin ergibt sich aus der Zahnradanordnung 82 gemäß der Darstellung in 8, dass sich ein erster Zahnradwälzkontakt 84 sowie ein zweiter Zahnradwälzkontakt 86 zwischen den einzelnen miteinander kämmenden Zahnrädern 36 und den Ritzeln 92 im Getriebe 16 des E-Achsen-Moduls 10 einstellt. Die in 8 dargestellten Zahnradwälzkontakte 84, 86 können beispielsweise durch einen in 9.1 angedeuteten Beschleunigungssensor 94 detektiert werden. Durch eine Vielzahl derartiger Sensoren der Sensorik 28 beziehungsweise durch eine Anzahl von Beschleunigungssensoren 94 lässt sich ein in 9.2 dargestelltes Diagramm erstellen, welches strukturimmanente Geräusche 96 in Form von Graphen für einzelne Geräusche wiedergibt. Die Anzahl der Graphen, die sich in 9.2 wiederfinden, ist abhängig von den Sensoren der Sensorik 28, die jeweils mechanischen Komponenten des E-Achsen-Moduls 10 zugeordnet sind. Bei diesen mechanischen Komponenten kann es sich beispielsweise um Zahnräder 36 sowie Zahnradwälzkontakte 84, 86, um Wälzlager 66, um Wellen 88, Zwischenwellen 90 oder Ritzel 92 handeln. Die Anordnung der Sensoren der Sensorik 28 ist ebenso gut am Differentialgetriebe im Antriebsstrang eines elektrifizierten Fahrzeugs möglich wie auch an Abtriebs- oder Antriebswellen, die mit dem Differentialgetriebe in Verbindung stehen. Über die einzelnen Sensoren lassen sich die in 9.2 dargestellten Graphen ermitteln und hinsichtlich ihrer harmonischen Ordnungen strukturieren.
Gemäß der Darstellung in 9.2 ist der erste Zahnradwälzkontakt 84 durch ein Geräusch 98 in Form eines Graphen abgebildet, während der sich in der Zahnradanordnung 82 einstellende, zweite Zahnradwälzkontakt 86 durch das Geräusch 100 identifiziert ist. Darüber hinaus zeigt die Darstellung gemäß 9.2, dass die beiden Kurvenzüge, die die Geräusche 98 und 100 identifizieren, im Diagramm durch die kritischen Ordnungen 24 beziehungsweise 27 gekennzeichnet sind.
Das in 9.2 dargestellte Diagramm, welches die strukturimmanenten Geräusche 96, darunter auch die Geräusche 98 und 100, die den Zahnradwälzkontakten 84 und 86 entsprechen, wiedergibt, ist in 10 nochmals dargestellt, unter besonderer Berücksichtigung der beiden kritischen Ordnungen 24 und 27. Aus diesem Diagramm geht hervor, dass die hier herausgegriffenen kritischen Ordnungen 24, 27, die den Geräuschen 98, 100 für die Zahnradwälzkontakte 84, 86 jeweils entsprechen, hinsichtlich der strukturimmanenten Geräusche 96 eine herausgehobene Rolle spielen und dass im Bereich der Konstruktion beziehungsweise der Auslegung des E-Achsen-Moduls 10 beispielsweise besonderes Augenmerk auf diese mechanischen Komponenten, die den Zahnradwälzkontakt 84, 86 erzeugen, gelegt werden sollte.
Der Darstellung gemäß 11 schließlich ist zu entnehmen, dass entsprechend der strukturimmanenten Geräusche 96, wie sie in den 9.2 und 10 dargestellt sind, aufgetragen über eine Drehzahl 104 der elektrischen Maschine 24 eine Identifikation 102 harmonischer Schwingungen durchgeführt wird. In der Steuereinheit 26, wie sie schematisch in den 1.1 und 1.2 im Zusammenhang mit der Leistungselektronik 12 dargestellt ist, werden die einzelnen, von den Sensoren der Sensorik 28 aufgezeichneten Signale verarbeitet. Mit den Graphen gemäß den 9.2 und 10 wird das Diagramm gemäß 11 generiert, in welcher die einzelnen NVH-Effekte in Form von Schwingungen 108 gelegt sind. So ist beispielsweise eine erste Ordnung, d. h. beispielsweise eine erste Hauptordnung der Schwingungen durch die Rotorwelle 118 gegeben. Die Geräuschpegel 116 sind aufgetragen über die Drehzahl 104 der elektrischen Maschine 24. Im Einzelnen sind in der Darstellung gemäß 11 die einzelnen harmonischen Schwingungen identifiziert (vgl. Position 102). Beispielsweise entspricht eine Kurve 110 dem ersten Zahnradwälzkontakt 84, und weist einen mit der Drehzahl 104 der elektrischen Maschine 24 steigende Flanke auf. Im Bereich einzelner Drehzahlen entstehen höhere Schwingungen, so dass hier Resonanzereignisse auftreten können. Gleiches gilt für eine Kurve 112, welche den zweiten Zahnradwälzkontakt 86 repräsentiert. Auch hier werden mehrere Resonanzbereiche durchfahren, indem es zu stärkeren Amplituden des Schwingungssignals kommt.
Eine Identifizierung 114 der Resonanzereignisse erfolgt anhand der Schwingungs- beziehungsweise Ordnungsmuster, wie sie in der Darstellung gemäß 11, abhängig von der Drehzahl der Rotorwelle 118 der elektrischen Maschine 24 des E-Achsen-Moduls 10 dargestellt ist.
Es werden die Hauptverursacher der Schwingungsordnungen der elektrischen Maschine 24 durch das elektromagnetische Feld sowie anhand von fundamentalen Ordnungen der Rotation der Rotorwelle 118 ermittelt. Gleiches gilt für die Schwingungen der Zahnradpaare der rotierenden Elemente, beispielsweise der Zwischenwelle 90 sowie der Welle 88 und von Differentialwellen und Wälzlagern 66. Es wird eine Geräuschanalyse des Rotationssystems des E-Achsen-Moduls 10 vorgenommen, wofür eine gewichtete, strukturierte Liste der einzelnen Schwingungsordnungen des E-Achsen-Moduls 10 erstellt wird. Die harmonischen Schwingungen werden in Abhängigkeit von der Drehzahl 104 und der Frequenz dargestellt, abhängig vom Verhalten der Hauptverursacher von Schwingungen im Lastpfad. In der Konstruktionsphase der elektrischen Antriebseinrichtung in Gestalt des E-Achsen-Moduls 10 lassen sich hier bereits signifikante Schwachstellen erkennen und verbessern. Des Weiteren wird durch diese frühzeitige Maßnahme bei der Konstruktion erreicht, dass eine Überdimensionierung der Topologie des E-Achsen-Moduls 10 vermieden wird, da die maximalen Resonanzereignisse, welche eine sehr hohe mechanische dynamische Belastung mit sich bringen, bereits bekannt sind und bei deren Bekanntsein keine Überdimensionierung erforderlich ist.
In der Serienfertigung von elektrischen Antriebseinrichtungen in Gestalt des E-Achsen-Moduls 10 kann beispielsweise das strukturimmanente Geräusche 96 darstellende Diagramm herangezogen und die Hauptverursacher der NVH-Effekte berücksichtigt werden. Auch der Einfluss der Drehzahl der elektrischen Maschine 24 sowie der Last können hier berücksichtigt werden.
Eine Erkennung von Belastungsspitzen 80 hinsichtlich der Signalamplituden 76 kann beispielsweise durch eine Detektion von Zeitphasen- und Winkelverschiebungen in Bezug auf die Rotorlage der elektrischen Maschine 24 über ein zeitbasiertes Scanning-Verfahren erfolgen. Eingriffe, um das Betriebsverhalten der elektrischen Antriebseinrichtung in Gestalt des E-Achsen-Moduls 10 zu beeinflussen, liegen beispielsweise im Einspeisen harmonischer Ströme in die Leistungselektronik 12 zur Verbesserung des Laufverhaltens der elektrischen Maschine 24, um ein Beispiel herauszugreifen. Es kann beispielsweise eine Überwachung des Auftretens von Resonanzereignissen außerhalb von Grenzbereichen dahingehend vorgenommen werden, dass die Hauptursachen mit einer zeitbasierten Lagerung von Harmonisierung für elektrische Maschine 24 und Getriebe 16 vorgenommen werden. Des Weiteren kann beispielsweise eine Überwachung des Auftretens von Resonanzereignissen dadurch gegeben sein, dass Vibrationsanzeigen und von außen auf das Fahrzeug einwirkende Vibrationen aufgenommen werden.
Beim Auftreten von Resonanzereignissen, welche durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren detektiert werden, können beispielsweise Wartungsmeldungen ausgegeben werden, die den Fahrzeugführer darauf hinweisen, dass eine Wartung an den Wälzlagern 66 beziehungsweise deren Schmiersystem am Differential oder am Getriebe 16, an der Leistungselektronik 12 oder an der elektrischen Maschine 24 selbst notwendig ist, sobald dort Resonanzereignisse detektiert werden, die zulässige Grenzen in beide Richtungen überschreiten. Dadurch kann frühzeitig einer zu starken Geräuschentwicklung vorgebeugt werden und im Rahmen von allfälligen Wartungsterminen können dementsprechende Vorsorgemaßnahmen eingeleitet werden, um einen vorzeitigen Ausfall und ein Liegenbleiben des elektrifizierten Fahrzeugs zu vermeiden. Durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren ist aufgrund der konstanten Überwachung mechanischer Komponenten des E-Achsen-Moduls 10 auf das Auftreten von Alterungserscheinungen und die frühzeitige Erkennung der Vibrationszunahme beziehungsweise der Geräuschzunahme sichergestellt, dass Alterungsprozesse der mechanischen Komponenten nicht zu schlagartig auftretenden, dauerhaften Schäden führen, sondern im Gegenteil frühzeitig erkannt werden. Durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren lässt sich zudem detektieren, ob das Fahrzeug unzulässigen Off-road-Fahrten unterzogen wurde. Des Weiteren kann mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren bei Auftreten entsprechender Fehler- und Wartungsmeldungen eine Herabsetzung des Moments im Antriebsstrang des elektrifizierten Fahrzeugs vorgenommen werden. Das Fahrzeug kann überdies auch in einen Sicherheitsmodus überführt werden, in welchem das Fahrzeug einen sicheren Abstellplatz aufsucht und anschließend keinerlei Fahrbewegung mehr möglich ist. Des Weiteren kann im Rahmen des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens dafür Sorge getragen werden, dass im Antriebsstrang des elektrifizierten Fahrzeugs ein Momentenschnitt vorgenommen wird, so dass bei möglicherweise bereits vorgeschädigten Bauteilen keine Gefahr mehr im Verzug ist.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19914228 A1 [0004]
DE 102021200755 A1 [0005, 0006]

Claims

Verfahren zur Überwachung eines Betriebszustands und/oder eines Betriebsverhaltens einer elektrischen Antriebseinrichtung, insbesondere eines E-Achsen-Moduls (10) mit einer elektrischen Maschine (24), einer Leistungselektronik (12) und einem Getriebe (16) mit zumindest nachfolgenden Verfahrensschritten: a) Überwachung mechanischer Komponenten (36, 66, 88, 90, 92) auf über die Lebensdauer sich einstellende Alterungserscheinungen durch Reibkontakt und/oder auf sich im Betrieb einstellende Unwuchten oder Vibrationen mittels einer Sensorik (28), b) Überwachung der mechanischen Komponenten (36, 66, 88, 90, 92) auf Auftreten von Resonanzereignissen außerhalb zulässiger Grenzbereiche, c) Überwachung und Aufzeichnung von aus einer Fahrzeugumgebung auf ein Fahrzeug einwirkender Vibrationslasten und d) Anzeige von Wartungsmaßnahmen oder Vornahme einer Momentenherabsetzung oder Durchführung eines Momentenschnitts bei Auftreten von Resonanzereignissen mit unzulässiger Amplitude gemäß b) an mindestens einer mechanischen Komponente (36, 66, 88, 90, 92).
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass hauptsächliche Verursacher von Schwingungsordnungen eines elektromagnetischen Feldes einer elektrischen Maschine (24) sowie einer Hauptschwingung einer Rotorwelle (118) der elektrischen Maschine (24) ermittelt werden.
Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung von Schwingungsordnungen und/oder Ordnungen harmonischer Schwingungen an Paaren von Zahnrädern (36, 92), Wellen (88), Zwischenwellen (90), Wälzlagern (66) und/oder an Abtriebs- und/oder Differential- oder Getriebewellen vorgenommen wird.
Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass gemäß den Verfahrensschritten a) und/oder b) bei einer Geräuschentwicklung der elektrischen Antriebseinrichtung eine gewichtete Darstellung der Ordnungen harmonischer Schwingungen durchgeführt wird, wobei die Ordnungen der harmonischen Schwingungen jeweils das Verhalten der mechanischen Komponenten (36, 66, 88, 90, 92) im Lastpfad, abhängig von Drehzahl und Frequenz darstellen.
Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als erste Ordnung die Drehzahl der elektrischen Maschine (24) herangezogen wird.
Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren in der Konstruktions- und Auslegungsphase der elektrischen Antriebseinrichtung durchlaufen wird.
Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine auf die Struktur der elektrischen Antriebseinrichtung basierende Noise-Vibration-Harshness-Analyse durchgeführt wird zur Ermittlung von Hauptverursachern des Noise-Vibration-Harshness-Verhaltens innerhalb des Drehzahlfensters und der jeweiligen Last der elektrischen Antriebseinrichtung.
Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Reduktion von Noise-Vibration-Harshness-Maximalwerten eine Verschiebung hinsichtlich Zeitpunkt und/oder Phasenwinkel und/oder Rotationswinkel in Bezug auf den Rotorlagewinkel der elektrischen Maschine (24) durch zeitbasiertes Scanning ermittelt wird.
Verfahren gemäß den Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass dieses während der Serienfertigung der elektrischen Antriebseinrichtung, insbesondere am Ende des Fertigungsprozesses durchgeführt wird.
Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass gemäß Verfahrensschritt b) bei Detektion außerhalb zulässiger Grenzen liegender Resonanzen - elektromagnetischer Ordnungen der elektrischen Maschine (24) ein Wartungssignal für die elektrische Maschine (24) und/oder die Leistungselektronik (12) ausgegeben wird, - am Getriebe (16) und dessen Komponenten ein Wartungssignal hinsichtlich des Getriebezustands und des Schmiersystems ausgeben wird, - an Wälzlagern (66) ein Wartungssignal für Wälzlagerwartung und Schmiersysteme ausgegeben wird, - der elektrischen Antriebseinrichtung ein Wartungssignal zur Wartung der mechanischen Verbindung und Lagerelemente ausgegeben wird, - an Differential und/oder An- oder Abtriebswellen ein Wartungssignal für eine Antriebsstrangwartung ausgegeben wird.
Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass gemäß Verfahrensschritt b) bei Detektion außerhalb zulässiger Grenzen liegender - transienter Erscheinungen in einen Sicherheitsmodus übergegangen wird und/oder eine Momentenreduzierung im Antriebsstrang erfolgt, - Erschütterungen in einen Sicherheitsmodus übergegangen wird oder ein Momentenschnitt erfolgt.
Verwendung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 zur Auslegung des Verhaltens einer elektrischen Antriebseinrichtung während der Konstruktionsphase oder zur Ermittlung des Verhaltens elektrischer Antriebseinrichtungen nach deren Serienfertigung.