DE10232518A1

DE10232518A1 - Drive shaft vibration analysis device comprises a piezo-element that is attached to a drive shaft so that a sound signal can be coupled to it with the resultant echo captured and analyzed to detect any shaft damage

Info

Publication number: DE10232518A1
Application number: DE2002132518
Authority: DE
Inventors: Dieter Reiners; Karsten Spreitzer
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Daimler AG
Priority date: 2002-07-18
Filing date: 2002-07-18
Publication date: 2003-10-02

Abstract

Device comprises a piezo-element that is placed in fixed mechanical contact with the drive shaft and coupled to a/c voltage generator via an inductive rotation transmitter. The a/c voltage generator or the impulse signal apply a sound signal to the drive shaft via the piezo-element. An echo is captured by the piezo-element and transmitted via the rotation transmitter as a voltage signal. The signal is digitized and analyzed using a frequency analyzer. Any change in the frequency spectrum can be related to damage of the drive shaft.

Description

Die Erfindung betrifft ein Erzeugnis mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs. The invention relates to a product having the features of the independent claim.

In der DE 30 31 812 A1 ist ein Verfahren angegeben, gemäß dem bei einer auf einer in Gleitlagern gelagerten Welle montierten Rotationsmaschine eine Quelle einer unüblichen Vibration der Rotationsmaschine auf der Basis der Ergebnisse folgender Schritte identifieziert wird. Ein Wellenvibrationssignal wird einer Frequenzanalyse seiner Frequenzverteilung unterworfen, z. B. durch eine Fourieranalyse des Wellenvibrationssignal. Das Frequenzmuster der Frequenzanalyse wird mit bekannten und zulässigen Frequenzmustern verglichen. Abweichungen des Frequenzmusters werden in einem Komparator für die einzelnen Frequenzen festgehalten, so daß sich für diese unüblichen Abweichungen ebenfalls ein Ausnahmefrequenzmuster ergibt. In einem zweiten Verfahrensschritt wird dieses Ausnahmefrequenzmuster mit Störmustern bekannter unüblicher Störquellen verglichen. Aus einem Vergleich der beiden Frequenzmuster aus gemessenem Ausnahmefrequenzmuster und abgespeichertem Störmuster wird bei hinreichender Musterübereinstimmung auf die dem abgespeicherten Störmuster zugeordnete Störquelle geschlossen. In DE 30 31 812 A1 a method is specified, according to which in a on a in Plain bearings mounted shaft mounted rotary machine a source of unusual Vibration of the rotary machine based on the results of the following steps is identified. A wave vibration signal becomes a frequency analysis of its frequency distribution subjected, for. B. by a Fourier analysis of the wave vibration signal. The Frequency pattern of the frequency analysis is compared with known and permissible frequency patterns. Deviations of the frequency pattern are in a comparator for the individual Frequencies recorded, so that also for these unusual deviations Exception frequency pattern results. In a second process step this will Exception frequency pattern compared with interference patterns of known unusual sources of interference. From a Comparison of the two frequency patterns from measured exception frequency patterns and stored Störmuster is with sufficient pattern match on the Stored stored disturbing pattern closed source of interference.

Die Aufnahme des Frequenzmusters erfolgt mit einem Meßaufnehmer, der im Gleitlager der Welle angeordnet ist. Im Gleitlager der Welle überlagern sich im wesentlichen alle Störeinflüsse, die durch das Gehäuse oder durch an der Welle angebrachte Vorrichtungen eingeleitet werden können. Die Anordnung des Meßaufnehmers im Gleitlager der Welle ist deshalb der geeignete Ort, um die Ursache möglichst vieler auftretender Störungen entsprechend dem Verfahren der DE 30 31 812 A1 ermitteln zu können. Mit dem vorgenannten Verfahren der DE 30 31 812 A1 ist es jedoch lediglich möglich das Auftreten zusätzlicher Störfrequenzen zu erkennen. Eine Diagnose des Gütezustandes der Welle selbst ist mit dem vorbekannten Verfahren nicht möglich. The recording of the frequency pattern is carried out with a transducer, which in the plain bearing of Wave is arranged. In the plain bearing of the shaft essentially all overlap Interference caused by the housing or mounted on the shaft devices can be. The arrangement of the transducer in the plain bearing of the shaft is therefore the appropriate place to find the cause of as many occurring disturbances as possible To be able to determine method of DE 30 31 812 A1. With the aforementioned method of DE 30 31 812 A1, however, it is only possible the occurrence of additional interference frequencies to recognize. A diagnosis of the quality state of the shaft itself is with the previously known Procedure not possible.

Aus der DE 41 16 345 A1 ist ein Verfahren zur Schadensfrüherkennung an einem im Betrieb Körperschall emitierenden Bauteil einer Maschine mit Hilfe von lediglich einem einzigen Schallaufnehmer bekannt. Das Meßsignal des Schallaufnehmers wird mittels eines Frequenzanalysators aufbereitet und digitalisiert. Das digitalisierte Frequenzspektrum wird mittels eines Prozeßrechners mit den Methoden der statistischen Datenanalyse ausgewertet. Aus den Veränderungen des Frequenzspektrums wird auf eine eventuelle Schädigung des Bauteils geschlossen. Eine Schadensfrüherkennung drehbar gelagerter Bauteil während des Betriebs der drehbaren Bauteile ist mit dem Verfahren der DE 41 16 345 A1 nicht möglich, da es hierzu an einem geeigneten Übertrager von Diagnosedaten von dem drehbar gelagerten Bauteil auf den Prozeßrechner fehlt. From DE 41 16 345 A1 discloses a method for early damage detection on a in operation Structure-borne sound emitting component of a machine with the help of only a single Sound sensor known. The measuring signal of the sound pickup is by means of a Frequency analyzer processed and digitized. The digitized frequency spectrum is using a process computer with the methods of statistical data analysis evaluated. From the Changes in the frequency spectrum will be due to possible damage to the component closed. A damage early detection rotatably mounted component during operation the rotatable components is not possible with the method of DE 41 16 345 A1, as it for this purpose on a suitable transformer of diagnostic data from the rotatably mounted component missing on the process computer.

Ein induktiver Drehübertrager zum kontaktlosen Übertragen von Signalen zwischen einem feststehenden und einem demgegenüber drehbar gelagerten Fahrzeugteil ist beispielsweise aus der EP 0 843 871 B 1 bekannt. Die Primärwicklung des Übertragers ist hierbei am Chassis befestigt und die Sekundärwicklung des Drehübertragers befindet sich auf dem drehbar gelagerten Fahrzeugteil. Der Drehübertrager ist geeignet zur Übertragung von Bediensignalen oder Diagnosesignalen. Ein Einsatz des Drehübertragers zur Schädigungserkennung einer Antriebswelle ist der EP 0 843 871 B1 nicht zu entnehmen. Hierzu hat es bisher an einer geeigneten Kombination der Verfahren zur Schädigungserkennung mit dem Drehübertrager und einem geeigneten Meßwertaufnehmer gefehlt. An inductive rotary transformer for contactless transmission of signals between a fixed and a counterpart rotatably mounted vehicle part, for example from EP 0 843 871 B1. The primary winding of the transformer is here on the chassis attached and the secondary winding of the rotary transformer is located on the rotatable stored vehicle part. The rotary transformer is suitable for transmitting operating signals or diagnostic signals. A use of the rotary transformer for damage detection of a Drive shaft is not apparent from EP 0 843 871 B1. For this it has been at one suitable combination of the methods for damage detection with the rotary transformer and a suitable transducer missing.

Ausgehend von dem vorbeschriebenen Stand der Technik stellt sich die erfindungsgemäße Aufgabe eine Vorrichtung zur Diagnose von Antriebswellen anzugeben, die in situ betrieben werden kann und die es ermöglicht, eine Schädigung der Welle rechtzeitig vor einem eventuellen Wellenbruch zu erkennen. Based on the above-described prior art, the inventive Task to provide a device for the diagnosis of drive shafts, operated in situ can be, and which makes it possible to damage the wave in a timely manner detect possible wave breakage.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen enthalten. According to the invention this object is achieved by the features of the independent Claim. Further advantageous embodiments are contained in the subclaims.

Die Lösung gelingt durch eine Vorrichtung aus mindestens einem Piezoelement, das in festem mechanischen Kontakt mit der Antriebswelle ist und mittels eines induktiven Drehübertragers an einen Wechselspannungsgenerator oder an einen Impulsgeber angeschlossen ist. Der Wechselspannungsgenerator oder der Impulsgeber prägen über das Piezoelement ein Schallsignal in die Antriebswelle ein, dessen Echo von dem Piezoelement aufgefangen wird und als Spannungssignal über den induktiven Drehübertrager zurückübertragen wird. Das Echosignal wird mittels eines Frequenzanalysators in sein Frequenzspektrum zerlegt und digitalisiert. Das digitalisierte Frequenzspektrum wird mittels eines Prozeßrechners mit den Methoden der statistischen Datenanalyse weiterverarbeitet und ausgewertet. Aus der Veränderung des Frequenzspektrums des Echosignales kann auf eine Schädigung der Antriebswelle geschlossen werden. The solution is achieved by a device comprising at least one piezoelectric element, which in is firm mechanical contact with the drive shaft and by means of an inductive Drehübertragers is connected to an AC generator or to a pulse generator. The AC voltage generator or the pulse generator impress via the piezoelectric element Sound signal in the drive shaft, the echo is collected by the piezoelectric element and is transmitted back as a voltage signal through the inductive rotary transformer. The Echo signal is decomposed by means of a frequency analyzer in its frequency spectrum and digitized. The digitized frequency spectrum is by means of a process computer with the Methods of statistical data analysis further processed and evaluated. From the Changing the frequency spectrum of the echo signal may be due to damage to the drive shaft getting closed.

Mit der Erfindung werden hauptsächlich die folgenden Vorteile erzielt:
Die Diagnose einer rotierenden Antriebswelle kann während des Alltagsbetriebes - in situerfolgen. Hierzu müssen an der Welle selbst lediglich minimale Veränderungen durch das Aufbringen mindestens eines Piezoelementes und eines induktiven Drehübertragers vorgenommen werden. Das Piezoelement und der induktive Drehübertrager arbeiten weitgehend verschleißfrei. Durch die nachgeordnete Signalauswertung ist eine zuverlässige Früherkennung von sich anbahnenden Wellenbrüchen erkennbar und dadurch letztlich eine Fehlerbeseitigung im Rahmen vorgeplanter Serviceintervalle. With the invention mainly the following advantages are achieved:
The diagnosis of a rotating drive shaft can take place during everyday operation - in situ. For this purpose, only minimal changes must be made by applying at least one piezoelectric element and an inductive rotary transformer to the shaft itself. The piezo element and the inductive rotary transformer work largely wear-free. Subsequent signal evaluation provides reliable early detection of imminent shaft breakages and thus ultimately eliminates errors within the scope of pre-planned service intervals.

Ein exemplarisches Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung dargestellt und näher erläutert. Die Figur zeigt schematisch eine Übersicht zur erfindungsgemäßen Vorrichtung. An exemplary embodiment of the invention will be described below with reference to a Drawing shown and explained in more detail. The figure shows a schematic overview of the Device according to the invention.

Dargestellt in der Figur ist eine mit zwei Lagern 1, 2 drehbar gelagerte Antriebswelle 3. An der Antriebswelle ist mindestens ein Piezoelement 4a, 4b angebracht. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei Piezoelemente an der Welle angebracht. Zwei Piezoelemente bieten Vorteile hinsichtlich der Signalauswertung, da dann ein Piezoelement als Schallsender und das zweite Piezoelement als Schallempfänger benutzt werden kann. Außerdem bieten zwei Piezoelemente den Vorteil Unwuchten besser vermeiden zu können. Grundsätzlich genügt allerdings ein Piezoelement, das stets sowohl als Sender als auch als Empfänger wirkt. Shown in the figure is a with two bearings 1 , 2 rotatably mounted drive shaft. 3 At least one piezoelectric element 4 a, 4 b is attached to the drive shaft. In the illustrated embodiment, two piezo elements are mounted on the shaft. Two piezo elements offer advantages in terms of signal evaluation, since then a piezo element can be used as a sound transmitter and the second piezo element as a sound receiver. In addition, two piezo elements offer the advantage of being able to better avoid imbalances. Basically, however, a piezoelectric element that always acts both as a transmitter and as a receiver is sufficient.

Die Piezoelemente 4a, 4b sind mit ihren elektrischen Kontakten 5 mit der Sekundärseite 6 des Drehübertragers 7 verbunden. Ein geeigneter Drehübertrager wurde bereits eingangs der Beschreibungseinleitung aufgeführt. Die Sekundärseite des Drehübertragers ist hierbei fest mit der Antriebswelle verbunden, während die Primärseite 8 mit der Abstützung der Antriebswelle, vorzugsweise mit dem Widerlager 2 mechanisch fest verbunden ist. The piezo elements 4 a, 4 b are connected with their electrical contacts 5 to the secondary side 6 of the rotary transformer 7 . A suitable rotary transformer has already been mentioned in the introduction to the introduction. The secondary side of the rotary transformer is in this case firmly connected to the drive shaft, while the primary side 8 is mechanically fixedly connected to the support of the drive shaft, preferably with the abutment 2 .

Die Primärseite des Drehübertragers ist mit ihren elektrischen Kontakten an einen Wechselspannunggenerator oder an einen Impulsgeber 9 angeschlossen. Mit dem Wechselspannungsgenerator oder dem Impulsgeber 9 wird an den Drehübertrager ein Spannungssignal angelegt und damit letzlich die Piezoelemente mit einem Spannungssignal beaufschlagt. Der Übertragungsweg vom Wechselspannungsgenerator oder vom Impulsgeber 9 bis zum Piezoelement, wird auch für die Rückübertragung des Antwortsignals der Piezoelemente auf die durch den Impulsgeber 9 erfolgte Anregung genutzt. The primary side of the rotary transformer is connected with their electrical contacts to an AC voltage generator or to a pulse generator 9 . With the AC voltage generator or the pulse generator 9 , a voltage signal is applied to the rotary transformer and thus ultimately applied to the piezoelectric elements with a voltage signal. The transmission path from the AC voltage generator or from the pulse generator 9 to the piezoelectric element is also used for the retransmission of the response signal of the piezoelectric elements to the excitation carried out by the pulse generator 9 .

Das Antwortsignal wird einem Frequenzanalysator 10 zugeleitet und in ein digitalisiertes Frequenzspektrum aufgeteilt. Dieses digitalisierte Frequenzspektrum wird abschließend in einem Prozeßrechner 10 mit den Mitteln der statistischen Datenanalyse ausgewertet. Eine Möglichkeit der statistischen Datenanalyse mit dem Ziel einer Schadensfrüherkennung ist beispielsweise in der DE 41 16 345 A1 beschrieben. The response signal is fed to a frequency analyzer 10 and divided into a digitized frequency spectrum. This digitized frequency spectrum is finally evaluated in a process computer 10 with the means of statistical data analysis. One way of statistical data analysis with the aim of early damage detection is described for example in DE 41 16 345 A1.

Eine andere, nicht näher untersuchte, Möglichkeit ist die Analyse des Eigenschwingungsverhaltens der Antriebswelle. Ausgehend von der Premisse, daß sich die Eigenfrequenz der Antriebswelle mit einer auftretenden Schädigung mit dem Maß der Schädigung immer weiter verschiebt, kann das Ausmaß dieser Verschiebung der Eigenfrequenz genommen werden, um einen sich anbahnenden Wellenbruch rechtzeitig zu erkennen. Welches Maß an Verschiebung noch als unkritisch angesehen werden kann, muß für die jeweilige Welle aus Simulationen und Versuchsreihen gewonnen werden. Aus den Versuchsreihen kann dann eine Grenzgröße für die Verschiebung der Eigenfrequenz festgelegt werden, deren Überschreiten durch die aktuellen Meßdaten mit dem Prozeßrechner festgestellt werden kann. Somit können auch Warnhinweise für eine anstehende Reparatur oder einen anstehenden Austausch der Welle gegeben werden. Another possibility that has not been further investigated is the analysis of the Self-oscillation behavior of the drive shaft. Based on the premise that the natural frequency of Drive shaft with a damage occurring with the degree of damage continues shifts, the extent of this shift of the natural frequency can be taken to to recognize an imminent wave break in time. What degree of shift can still be regarded as uncritical, must for the respective wave of simulations and test series are obtained. From the test series can then a limit size be set for the shift of the natural frequency, exceeding it by the current measurement data can be determined with the process computer. Thus, too Warnings for a pending repair or replacement of the shaft are given.

Claims

1. Device for the diagnosis of drive shafts from at least one piezoelectric element ( 4 a, 4 b), which is in fixed mechanical contact with a drive shaft ( 3 ) and by means of an inductive rotary transformer ( 6 , 7 , 8 ) to an AC voltage generator or to a pulse generator ( 9 ) is connected, wherein the AC voltage generator or the pulse generator ( 9 ) via a piezoelectric element ( 4 a, 4 b) impresses a sound signal in the drive shaft, the echo of a piezoelectric element ( 4 a, 4 b) is collected and as a voltage signal via the inductive rotary joints (6, 7, 8) is transferred back and the echo signal is decomposed by means of a frequency analyzer (10) in its frequency spectrum and digitized and the digitized frequency spectrum is further processed by means of a process computer (10) using the methods of statistical data analysis and evaluated.

2. Device according to claim 1, wherein from the change in the frequency spectrum of the echo signal to a damage of the drive shaft ( 3 ) is closed.

3. Apparatus according to claim 1 or 2, wherein from the displacement of the natural frequency to a damage of the drive shaft ( 3 ) is closed.