DE19743080B4

DE19743080B4 - Überwachen des Verschleißzustands der Kommutatorbürste des Elektromotors einer Fahrzeugkraftstoffpumpe

Info

Publication number: DE19743080B4
Application number: DE1997143080
Authority: DE
Inventors: Hugo Kroiss; Manfred Bigalke; Andreas Bock; Ludwig Brunner; Wolfgang Schmitz; Christian Treml; Günther Tuschl
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 1997-09-30
Filing date: 1997-09-30
Publication date: 2004-07-08
Anticipated expiration: 2017-10-01
Also published as: DE19743080B9; DE19743080A1

Abstract

Verfahren zum Überwachen des Verschleißzustands der Kommutatorbürste (2) des Elektromotors einer Fahrzeugkraftstoffpumpe, mit mindestens einer Kommutatorbürste (2), die in Längsrichtung aus Abschnitten mit unterschiedlichen Widerstandswerten besteht, das folgende Schritte aufweist: –
Messen des Stroms, der durch die Kommutatorbürste (2) of Messen der an der Kommutatorbürste (2) anliegenden fließt, oder Messen der an der Kommutatorbürste (2) Spannung in definierten Zeitabständen;
– Zuführen dieser Messwerte an eine Auswertevorrichtung;
– Bestimmen des aktuellen Widerstandswertes der Kommutatorbürste aus diesen Messwerten in der Auswertevorrichtung;
– Vergleichen des aktuellen Widerstandswertes mit vorgegebenen Widerstandswerten definierter Bürstenlängen;
– Aktivieren einer Anzeigevorrichtung durch die Auswertevorrichtung wenn der Widerstandswert, der einem kritischen Verschleißzustand entspricht, erreicht ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen des Verschleißzustands einer Kommutatorbürste des Elektromotors einer Fahrzeugkraftstoffpumpe sowie eine Fahrzeugkraftstoffpumpe mit einem Elektromotor mechanischer Kommutierung und einer Verschleißzustands-Erkennungseinrichtung, mit der das Eintreten eines vorbestimmten Verschleißzustands der Kommutatorbürste diskret erfaßt werden kann.
Bei derartigen Elektromotoren mit mechanischer Kommutierung ist die Läuferwelle des Elektromotors mit einem Kollektor versehen, der mit der Welle zusammen rotiert. Eine an einen Pluspol und eine an einen Minuspol einer Stromquelle angeschlossene Kommutatorbürste stehen jeweils im Kontakt mit dem Kollektor und stellen die Stromversorgung der Rotorspulen des Elektromotors sicher. Der Kollektor besteht in der Regel aus einem abriebsfesten Material, während die Kommutatorbürsten aus einem weichen Material bestehen. Im Betrieb kommt es daher zu einem Verschleiß der Kommutatorbürsten an den mit dem Kollektor in Kontakt stehenden Enden. Üblicherweise ist ein Nachstellmechanismus vorgesehen, der dafür sorgt, daß die Kommutatorbürsten trotz Verschleiß mit dem Kollektor in Kontakt bleiben. Nach einer gewissen Betriebsdauer sind die Kommutatorbürsten jedoch soweit verschlissen, daß der Nachstellmechanismus entweder nicht mehr funktioniert oder die Bürste zu kurz ist, um weiter funktionsfähig zu bleiben. In diesem Fall fällt der Elektromotor aus und damit fällt die Fahrzeugkraftstoffpumpe aus. Ein derartiger Ausfall kann heutzutage, sofern keine Redundanz mittels einer zweiten Kraftstoffpumpe realisiert ist, zum Liegenbleiben des Fahrzeugs führen. Auch kann der Verschleiß der Kommutatorbürsten des Elektromotors in Abhängigkeit von Herstellungsschwankungen, Belastungsart und Belastungsdauer sehr unterschiedlich ausfallen, so daß sich nur schwer bestimmen läßt, wann ein Austausch der Pumpe erforderlich ist, um einem Ausfallen aufgrund verschlissener Kommutatorbürsten vorzubeugen. Wird das Wartungsintervall zu lang gewählt, besteht das Risiko, daß die mit dem Elektromotor ausgerüstete Kraftstoffpumpe ausfällt.

Gemäß GB 556 465 , DE 503 739 C und DE 524 358 C sind Kommutatorbürsten mit in Längsrichtung unterschiedlichen Materialien bekannt, die hierdurch eine Motorabschaltung durch Unterbrechen der Stromzuführung erreichen, wenn die Kommutatorbürste bis zu dem zulässigen Maß verschlissen ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch die Überwachung des Verschleißzustandes der Kommutatorbürste des Elektromotors einer Fahrzeugkraftstoffpumpe in einfacher Weise maximal lange Wartungsintervalle zu erzielen, ohne dabei jedoch das Risiko eines Ausfallens der Kraftstoffpumpe und damit des Liegenbleibens des Fahrzeugs eingehen zu müssen.

Das Verfahren gemäß der Erfindung ergibt sich aus dem Anspruch 1. Ausgestaltungen des Verfahrens sind mit den Ansprüchen 2 bis 4 angegeben. Eine Kraftstoffpumpe gemäß der Erfindung ist im Anspruch 5 angegeben. Ausgestaltungen der Fahrzeugkraftstoffpumpe gemäß der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 6 bis 8.

Dadurch, daß jener Verschleißzustand der Kommutatorbürste diskret erfaßt wird, in dem die Kommutatorbürste ihre Funktion noch vollständig erfüllt, jedoch ein Zustand beinahe erreicht ist, in dem die Kommutatorbürste ihre Funktion nicht mehr vollständig erfüllen kann, wird sichergestellt, daß die Kommutatorbürste bis an die Grenze ihrer Nutzungsdauer genutzt werden kann, ohne daß ein Ausfallen des Elektromotors und damit der Kraftstoffpumpe auftritt. Der Fahrer des Fahrzeugs oder der Mechaniker in der Reparaturwerkstatt, der die Anzeigevorrichtung der Erkennungseinrichtung abliest, kann dann unverzüglich die Maßnahmen zum Auswechseln der Pumpe einleiten. Es wird also in einfacher Weise eine maximale Nutzungsdauer der Pumpe mit einer Reduzierung von Ausfallrisiken kombiniert.

Durch die Erfindung wird damit eine Fahrzeugkraftstoffpumpe geschaffen, die hinsichtlich der Funktionsfähigkeit der Kommutatorbürste des Elektromotors und insoweit hinsichtlich der Funktionsfähigkeit der Kraftstoffpumpe selbst diagnosefähig ist.

Daher kann der Zeitpunkt, in dem ein Austauschen der Fahrzeugkraftstoffpumpe erforderlich ist, in Abhängigkeit von dem aktuellen Verschleißzustand der Kommutatorbürste festgestellt werden.

Es ist möglich, nur eine der vorhandenen Kommutatorbürsten mit einer erfindungsgemäß vorgesehenen Meßvorrichtung zum Messen des Verschleißzustandes zu versehen. Bevorzugt jedoch sind alle am Elektromotor der Kraftstoffpumpe vorhandenen Kommutatorbürsten mit einer erfindungsgemäß vorgesehenen Meßvorrichtung versehen. Unerheblich ist es dabei, ob der Elektromotor einen Trommelkollektor, wie in den unten aufgeführten Ausführungsbeispielen der Fall, oder einen Stirnkollektor aufweist.

Bei der Auswertevorrichtung kann es sich um eine solche handeln, an die eine Anzeigevorrichtung angeschlossen ist, die von dem Halter oder Führer des Fahrzeugs selbst abgelesen bzw. wahrgenommen wird. Es kann sich aber auch um eine Auswertevorrichtung handeln deren Betriebszustand im Regelfall ur durch die KFZ-Werkstatt beispielsweise durch eine Messung mit einem externen Meßgerät oder durch Ablesen einer Indikatoranzeige erkennbar ist.

Gemäß der Erfindung weist die Kommutatorbürste in dem Verschleißabschnitt in Längsrichtung der Kommutatorbürste einen Widerstand pro Längeneinheit auf, der von dem Widerstand pro Längeneinheit in dem Restabschnitt verschieden ist. Die Erkennungseinrichtung weist eine Meßvorrichtung zum Messen des Stromes oder Spannung durch die Kommutatorbürste, eine Auswertevorrichtung, mit der die gemessenen Veränderungen des Gesamtwiderstandes der Kommutatorbürste in deren Längsrichtung derart auswertbar sind, daß eine Veränderung des Widerstands pro Längeneinheit in dem gegenwärtig verschleißenden Abschnitt der Kommutatorbürste erkennbar und dadurch das Eintreten des Verschleißzustandes erkennbar ist, und eine an die Auswertevorrichtung angeschlossene Anzeigevorrichtung auf, die aktivierbar ist, wenn der Verschleißzustand erkannt ist. Dadurch, daß der Strom bzw. die Spannung durch die Kommutatorbürste gemessen wird, liegen Daten vor, die sich infolge einer Veränderung des Gesamtwiderstandes der Kommutatorbürste, also infolge des Verschleißes verändern.

Theoretisch lassen sich bereits aus dieser Veränderung des Gesamtwiderstandes Rückschlüsse auf das Eintreten eines kritischen Verschleißzustandes ziehen, wenn genaue Daten darüber bekannt sind, welcher Gesamtwiderstand der Kommutatorbürste sich beim Eintreten des Verschleißzustandes einstellt. Eine solche Auswertung der gemessenen Strom- bzw. Spannungswerte ist jedoch nicht erfolgsversprechend, da beim Widerstand gewisse Schwankungen vorhanden sind und für eine exakte Bestimmung des Widerstandes eine Eichung sämtlicher am Gesamtaufbau beteiligten Bauteile erforderlich wäre. Dadurch, daß aber der Widerstand pro Längeneinheit in der Kommutatorbürste an der Stelle deutlich wechselt, bis zu der die Kommutatorbürste verschleißen muß, damit der kritische Werschleißzustand eintritt, beispielsweise dadurch, daß in der Widerstandskennlinie ein Knick oder ein Sprung auftritt, läßt sich eine Information über den Verschleißzustand bereits durch eine nur qualitative Auswertung der gemessenen Ströme bzw. Spannungen durch die Kommutatorbürste vornehmen. Es braucht lediglich festgestellt zu werden, daß die Widerstandsveränderung pro Betriebsdauer sich gegenüber der vorher festgestellten Änderung pro Betriebsdauer, d. h. Verschleißmenge verändert hat, um die Schlußfolgerung ziehen zu können, daß der kritische Verschleißzustan eingetreten ist.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist der Verschleißabschnitt der Kommutatorbürste eine von der Querschnittsfläche in dem Restabschnitt insbesondere deutlich verschiedene Querschnittsfläche auf. Dadurch wird gewährleistet, daß der Widerstand pro Längeneinheit in Längsrichtung der Kommutatorbürste in dem Verschleißabschnitt von dem Widerstand pro Längeneinheit in dem Restabschnitt deutlich verschieden ist.

Erreicht werden kann dies beispielsweise durch eine in den Restabschnitt eingebrachte Ausnehmung, wobei der Restabschnitt dann einen kleineren Querschnitt als der Verschleißabschnitt aufweist. Um einen Festigkeitsverlust der Kommutatorbürste zu vermeiden, kann die Ausnehmung mit einem verschleißenden Isolationsmaterial gefüllt sein. Die unterschiedlich großen Querschnittsflächen können auch dadurch erreicht werden, daß der Querschnitt des Verschleißabschnitts mit einem von dem Querschnitt des Restabschnitts verschiedenen Umfang ausgebildet ist. Auch hier ist vorteilhaft das jeweils fehlende elektrisch leitende Material in dem den kleineren Querschnitt aufweisenden Abschnitt durch ein verschleißendes Isoliermaterial ersetzt.

Gemäß einer anderen Ausführungsform weist das Material des Verschleißabschnitts der Kommutatorbürste einen von dem spezifischen Widerstand pro Längeneinheit des Materials des Restabschnitts deutlich, insbesondere sprunghaft verschiedenen spezifischen Widerstand auf.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
1 eine Ausführungsform, bei der die Kommutatorbürste einen Verschleißabschnitt und einen Restabschnitt aufweist und in dem Verschleißabschnitt einen anderen Widerstand pro Längeneinheit aufweist als in dem Restabschnitt und der Verschleißabschnitt und der Restabschnitt aus unterschiedlichen Materialien bestehen.
2 eine andere Ausführungsform, bei der die Kommutatorbürste einen Verschleißabschnitt und einen Restabschnitt aufweist und in dem Verschleißabschnitt einen anderen Widerstand pro Längeneinheit aufweist als in dem Restabschnitt, wobei die Kommutatorbürste in dem Verschleißabschnitt eine andere Querschnittsfläche aufweist als in dem Restabschnitt.
3A und 3B andere Ausführungsformen, bei denen die Kommutatorbürste in dem Verschleißabschnitt eine andere Querschnittsfläche aufweist als in dem Restabschnitt.
Aus 1 ist ein Elekromotor für eine Fahrzeugkraftstoffpumpe mit mechanischer Kommutierung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ersichtlich. Der Elektromotor weist einen Kollektor 1 auf, der an seinem Umfang eine Mehrzahl von Kollektorkontakten 11 aufweist, die sich jeweils über einen Sektorbereich des Kollektors 1 erstrecken. Zwei Kommutatorbürsten 2 sind radial außerhalb des Kollektors 1 angeordnet und erstrecken sich in radialer Richtung. Jede der Kommutatorbürsten 2 ist mit ihrem einen Längsende 21 mit dem Kollektor 1 in Kontakt. Jede der Kommutatorbürsten 2 ist an ihrem dem Längsende 21 gegenüberstehenden Längsende über eine Anschlußleitung 9 an einen Plus- bzw. einen Minuspol einer Spannungsquelle angeschlossen.
Gemäß der in 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen, erfolgt das Erkennen des Verschleißzustandes der Kommutatorbürsten 2 über eine Auswertung des Widerstandes der Kommutatorbürsten 2 mittels einer Strom- bzw. Spannungsmessung. Im Verschleißabschnitt 22 liegt hierzu ein anderer spezifischer Widerstand pro Längeneinheit in der Kommutatorbürste 2 vor, als in dem Restabschnitt 23. Die Meßwerte werden mit einer Auswertvorrichtung (nicht gezeigt) ausgewertet und das Eintreten desjenigen Verschleißzustandes, bei dem der Verschleißabschnitt vollständig verschlissen ist, wird mittels einer (nicht gezeigten) Anzeigeschaltung detektiert. Dabei erfolgt der Signaltransport über die ohnehin vorhandenen Versorgungsleitungen der Fahrzeugkraftstoffpumpe. Die Signalauswertung erfolgt z.B. über das Motorsteuergerät.
Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform ist der Verschleißabschnitt 22 der Kommutatorbürste 2 aus einem anderen Material als der Restabschnitt 23 der Kommutatorbürste 2. Dies ist an den unterschiedlichen Schraffuren in 1 zu erkennen. In Folge der unterschiedlichen Materialien liegen unterschiedliche widerstände pro Längeneinheit in Längsrichtung der Kommutatorbürste 2 vor.
Bei der in 2 dargestellten Ausführungsform weist die Kommutatorbürste 2 in dem Verschleißabschnitt 22 einen anderen Querschnitt auf als in dem Restabschnitt 23. Der elektrisch leitende Querschnitt in dem Restabschnitt 23 ist gegenüber dem Querschnitt in dem Verschleißabschnitt 22 vermindert. Dies ist bei der in 2 dargestellten Ausführungsform durch eine paraboloidförmige Ausnehmung im Inneren der Kommutatorbürste erreicht, die aus Festigkeitsgründen mit einem verschleißenden Isolationsmaterial 24 aufgefüllt sein kann (nicht dargestellt).
In beiden Fällen wird der Gesamtwiderstand über die Kommutatorbürste hin gemessen und über eine geeignete Auswerteschaltung derjenige Verschleißzustand angezeigt, der erreicht ist, sobald sich der gemessene spezifische elektrische Widerstand der Kommutatorbürsten 2 deutlich ändert, wenn – wie jeweils in der oberen Hälfte der 1 und 2 gezeigt – der Abschnitt 22 vollständig verschlissen ist und daher der Restabschnitt 23 mit dem Kollektor 1 in Kontakt gelangt.
Bei den in 3A und 3B dargestellten Ausführungsformen weisen die jeweiligen Kommutatorbürsten 2 in dem Verschleißabschnitt 22 ebenfalls einen anderen Querschnitt auf als in dem Restabschnitt 23. Bei der in 3A dargestellten Ausführungsform wird dies durch einen im Vergleich zu dem Verschleißabschnitt 22 verminderten Querschnittsumfang des Restabschnitts 23 erreicht. Dies hat zur Folge, daß sich, wenn – wie in der oberen Hälfte der 3A gezeigt – der Verschleißabschnitt 22 vollständig verschlissen ist, die Lamellenüberdeckung durch das elektrisch leitende Material verringert. Um auch für den Restabschnitt 23 eine ausreichende Festigkeit zu gewährleisten, ist das am Querschnittsumfang fehlende, elektrisch leitende Material in dem Restabschnitt 23 durch ein verschleißendes Isolationsmaterial 24 ersetzt. Bei der in 3B dargestellten Ausführungsform weist der Restabschnitt 23 einen im Vergleich zu dem Querschnitt des Verschleißabschnitts 22 größeren Querschnitt auf. In diesem Falle vergrößert sich die Lamellenüberdeckung durch das elektrisch leitende Material, wenn – wie in der obern Hälfte der 3B gezeigt – der Verschleißabschnitt 22 vollständig verschlissen ist. Die Vergrößerung des Querschnitts in dem Restabschnitt 23 wird durch einen im Vergleich zu dem Querschnittsumfang des Verschleißabschnitts 22 größeren Querschnittsumfang des Restabschnitts 23 erreicht. Zur Erhaltung der Festigkeit der Kommutatorbürste 2 in dem Verschleißabschnitt 22 ist derselbe in seiner Längsrichtung mit verschleißendem Isoliermaterial 24 ummantelt.

Claims

Verfahren zum Überwachen des Verschleißzustands der Kommutatorbürste (2) des Elektromotors einer Fahrzeugkraftstoffpumpe, mit mindestens einer Kommutatorbürste (2), die in Längsrichtung aus Abschnitten mit unterschiedlichen Widerstandswerten besteht, das folgende Schritte aufweist: – Messen des Stroms, der durch die Kommutatorbürste (2) of Messen der an der Kommutatorbürste (2) anliegenden fließt, oder Messen der an der Kommutatorbürste (2) Spannung in definierten Zeitabständen; – Zuführen dieser Messwerte an eine Auswertevorrichtung; – Bestimmen des aktuellen Widerstandswertes der Kommutatorbürste aus diesen Messwerten in der Auswertevorrichtung; – Vergleichen des aktuellen Widerstandswertes mit vorgegebenen Widerstandswerten definierter Bürstenlängen; – Aktivieren einer Anzeigevorrichtung durch die Auswertevorrichtung wenn der Widerstandswert, der einem kritischen Verschleißzustand entspricht, erreicht ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitabstände der Messwerterfassung so gewählt sind, daß zwischen dem Zeitpunkt des vorbestimmten Verschleißzustandes, welcher zur Aktivierung der Anzeigevorrichtung führt, mindesten ein Messwert zur Auswerteeinheit gelangt.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitabstand der letzten Messwerterfassung/-auswertung bis zum totalen Ausfall der Bürste definiert ist.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandswert der Kommutatorbürste sich sprunghaft ändert.
Fahrzeugkraftstoffpumpe mit einem Elektromotor mechanischer Kommutierung und einer Verschleißzustands-Erkennungseinrichtung, mit der das Eintreten eines vorbestimmten Verschleißzustandes der Kommutatorbürste (2) diskret erfaßbar ist, in welchem die Kommutatorbürste um einen vorbestimmten Verschleißabschnitt bis zu einem vorbestimmten Restabschnitt verkürzt ist, wobei die Kommutatorbürste in ihrem Verschleißabschnitt einen anderen Widerstand pro Längeneineit aufweist als in ihrem Restabschnitt und die Erkennungseinrichtung folgende Teilvorrichtungen aufweist: – eine Meßvorrichtung zum Messen des Stromes bzw. der Spannung an der Kommutatorbürste (2), – eine Auswertevorrichtung, mit der Veränderungen des Gesamtwiderstandes der Kommutatorbürste (2) in deren Längsrichtung aus den Meßwerten auswertbar sind, so daß das Eintreten des Verschleißzustandes erkennbar ist, und – eine Anzeigevorrichtung (40), die aktivierbar ist, wenn der Verschleißzustand erkannt ist.
Fahrzeugkraftstoffpumpe nach Anspruch 5, wobei beim Übergang vom Verschleißabschnitt (22) zum Restabschnitt (23) der Kommutatorbürste der Widerstandswert sich sprunghaft ändert.
Fahrzeugkraftstoffpumpe nach Anspruch 6, wobei der Verschleißabschnitt (22) der Kommutatorbürste (2) eine von der Querschnittsfläche in dem Restabschnitt (23) verschiedene Querschnittsfäche aufweist.
Fahrzeugkraftstoffpumpe nach Anspruch 6, wobei das Material des Verschleißabschnitts (22) der Kommutatorbürste (2) einen von dem spezifischen Widerstand pro Längeneinheit des Materials des Restabschnitts (23) verschiedenen spezifischen Widerstand aufweist.