DE4101985A1

DE4101985A1 - Verfahren zum ermitteln von unregelmaessigkeiten zweier miteinander arbeitender elemente

Info

Publication number: DE4101985A1
Application number: DE19914101985
Authority: DE
Inventors: Andreas Kuhl
Original assignee: DOMARKAS ANDREW 7768 STOCKACH DE
Current assignee: DOMARKAS ANDREW 7768 STOCKACH DE
Priority date: 1991-01-24
Filing date: 1991-01-24
Publication date: 1992-07-30

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln von Unregelmäßigkeiten zweier miteinander arbeitender Elemente aus einer Vielzahl von miteinander arbeitenden Elementen, insbesondere von Schäden an Zahnrädern und/oder Lagern in Zahnradgetrieben, mit Hilfe ihres Körperschall-Beschleunigungssignales.

Bekanntermaßen unterliegen zwei miteinander arbeitende Elemente einem Verschleiß bzw. einer Abnutzung, welche die Lebensdauer dieser Elemente beeinträchtigt. Dies gilt in besonders hohem Maße für beispielsweise ein Zahnradgetriebe, in dem viele Zahnräder und hier insbe sondere Zahnradpaare zusammenwirken. Das gleiche gilt aber auch für die entsprechenden Lager dieser Zahn räder, welche um eine Welle drehen.

Beispielsweise eine frühzeitige Erkennung eines Schadens und dessen dann folgende Behebung kann zu einer wesentlichen Erhöhung der Lebensdauer eines ganzen Zahnradgetriebes beitragen. Deshalb ist das vor zeitige Erkennen und Diagnostizieren solcher Schäden von erheblicher Bedeutung.

In der GB-PS 12 12 897 wird beispielsweise ein Diagnoseverfahren von Zahnradgetriebeelementen gezeigt, wobei allerdings nur ein Zahnradpaar untersucht werden kann. Hierzu wird dessen Körperschall-Beschleunigungs signal benutzt. Allerdings muß zur Durchführung dieses Verfahrens das entsprechende Zahnradpaar aus einem Getriebe entnommen werden. Aus diesem Grund ist diese Methode sehr aufwendig und für eine frühzeitige Diagnose wirtschaftlich nicht anwendbar. Das gleiche gilt auch für ein Verfahren, wie es in der US-PS 40 20 678 beschrieben ist.

Die DE-OS 22 41 553 befaßt sich ebenfalls mit dem Er kennen und Orten von Fehlern in beispielsweise Schalt getrieben. Hierzu werden an bestimmten Stellen des Schaltgetriebes Aufnehmer angelegt und mit elektrischen Filtern bzw. Frequenzanalysatoren verbunden, deren Ausgangssignale in einer anschließenden Auswerte schaltung mit vorgebbaren Grenzwerten vergleichbar und ggfs. ablesbar sind, wobei bei Überschreiten von Grenz werten Anzeigesignale abgegeben werden. Die Qualität dieses Verfahrens hängt somit von der Anzahl der Geber ab, welche jeweils in der Nähe einer bestimmten Baugruppe anzuordnen sind.

Der Erfinder hat sich zur Aufgabe gestellt, ein Ver fahren und eine Vorrichtung der oben genannten Art zu entwickeln, mittels welchen er ohne Demontage bei spielsweise eines Zahnradgetriebes die Frequenz eines bestimmten Zahnradpaares oder die Drehfrequenz eines bestimmten Lagers herausfiltern und analysieren kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe führt, daß ein Summensignal aus allen Körperschall-Beschleunigungssignalen mehrfach aufgenommen und bezüglich des interessierenden Körper schall-Beschleunigungssignals phasenstarr überlagert wird.

Das heißt, daß nach der Aufnahme des Summensignals beispielsweise die Frequenz eines bestimmten Zahnrad paares mehrfach überlagert und so herausgehoben wird, während die anderen Frequenzen gedämpft werden.

Der Vorteil des Verfahrens liegt darin, daß ein Zahn radgetriebe nun nicht mehr auseinandergenommen werden muß. Aufgrund der Überprüfung der einzelnen Frequenzen kann dann eine Aussage z. B. zur Betriebssicherheit oder zur Restnutzungsdauer der Getriebebaugruppe prinzipiell ohne Unterbrechung des Kraftflusses und damit des Arbeitsprozesses ermöglicht werden.

Nach der Hervorhebung eines einzelnen Signals erfolgt dann dessen Interpretation, die allerdings nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist.

Wesentlich ist beim vorliegenden Verfahren die Ermitt lung der Frequenz eines Einzelsignals. Dies kann für ein Lager eine Drehfrequenz oder für zwei miteinander arbeitende Zahnräder eine Eingriffsfrequenz sein. Die Ermittlung dieser Frequenz erfolgt rechnerisch auf ein fache Weise an Hand der Beziehung:

Das heißt, die Dreh- oder Eingriffsfrequenz ergibt sich aus dem Produkt der Dreheingangsfrequenz am beispielsweise Zahnradgetriebeeingang, die über einen entsprechenden Drehfrequenzgeber ermittelt wird, mit dem Quotienten aus m und n. Da m und n konstruktionsabhängig sind, läßt sich die Frequenz jedes miteinander arbeitenden Elementenpaares genau berechnen.

Mit dieser Primärinformation ist es dann möglich, durch ein mittelwertbildendes Meßverfahren die interessie renden Signalanteile hervorzuheben. Dabei wird dann, wie oben erwähnt, das Summensignal mehrfach aufgenommen, ggfs. zwischengespeichert und bezüglich des interessierenden Signalanteils phasenstarr über lagert. Die phasenstarre Mittelwertbildung erfordert, daß die Zeit zwischen den Starts zweier Meßwert aufnahmen genau ein Vielfaches der Periodendauer des interessierenden Elementarsignals ist. Diese Perioden dauer wird an Hand folgender Beziehung ermittelt:

Wird diese Beziehung genau eingehalten, akkumulieren alle Signale mit der Periodendauer T_N sowie deren ganz zahlige Vielfache in den Amplituden. Signalanteile, die in einem ungradzahligen Verhältnis zu den interessierenden Signalen stehen, werden in unter schiedlichen Phasenlagen abgetastet und überlagert. Insoweit erfolgt eine Dämpfung dieser Signalanteile, während die gewünschten Signalanteile hervorgehoben werden.

Eine entsprechende erfindungsgemäße Vorrichtung besteht vor allem aus einem Rechner, der einerseits mit einem Aufnehmer für Körperschall-Beschleunigungssignale und andererseits mit einem Aufnehmer zur Ermittlung der Eingangsfrequenz verbunden ist. Ferner sollte diesem Rechner noch eine Zeitrahmenschaltung zugeordnet sein, damit die Bedingung des genauen Starts der Meßwert aufnahmen erfüllt ist.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Er findung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in

Fig. 1 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen Körperschall-Beschleunigungssignal und Zeit;

Fig. 2 eine graphische Darstellung einer Überroll frequenz eines Punktes auf einem Wälzlager außenring;

Fig. 3 eine graphische Darstellung einer Amplituden modulation einer Zahneingriffsfrequenz;

Fig. 4 eine graphische Darstellung von modulierten Zahneingriffsfrequenzen;

Fig. 5 eine graphische Darstellung von Frequenzüber lagerungen;

Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Vorrich tung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Am Beispiel eines Zahnradgetriebes soll das erfindungs gemäße Verfahren erläutert werden. Für die Lebensdauer eines Zahnradgetriebes ist hauptsächlich der Zustand seiner Wälzlager und derjenige der Zähne der Zahnräder und hier insbesondere der Zahnflanken maßgeblich.

Bei den Wälzlagern kann es zum einen zu Wälzkörper brüchen, zum anderen aber vor allem auch zu Deformationsschäden der Wälzkörper in den Wälzlager innen- und -außenringen kommen. Die Zähne werden durch das dauernde Ineinandergreifen abgenutzt, wobei es hier im letzten Stadium zu Zahnausbrüchen kommt.

Derartige Schäden beeinflussen mehr oder weniger das sogenannte Körperschall-Beschleunigungssignal, d. h. die Schäden machen sich als spezifische Impulsfolge im Zeitsignal bemerkbar. Gemäß Fig. 1 ist ein derartiges Körperschall-Beschleunigungssignal über der Zeitachse aufgetragen. Die Impulsfrequenz entspricht hier der Überrollfrequenz eines Wälzkörpers über einer Schad stelle bzw. der Wälzkörperrotationsfrequenz. Deutlich erkennbar ist in Fig. 1, daß periodisch beim Über rollen eines bestimmten Punktes, beispielsweise auf dem Wälzlageraußenring, immer ein Impulssignal angeregt wird. Die Impulsfrequenz entspricht der Überroll frequenz der Wälzkörper über entsprechenden Schad stellen bzw. der Wälzkörperrotationsfrequenz. Hierfür gelten folgende Beziehungen:

f_A = Überrollfrequenz eines Punktes auf dem Wälzlager außenring
f_I = Überrollfrequenz eines Punktes auf dem Wälzlager innenring
fw = Wälzkörperrotationsfrequenz
f_Ni = Drehfrequenz eines Getriebeelementes bzw. Zahn eingriffsfrequenz
k = Anzahl der Wälzkörper
Dw = Durchmesser der Wälzkörper
D_T = Teilkreisdurchmesser

Die Impulsstruktur des Zeitsignals, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, wobei sich ein Pitting auf dem Wälz lageraußenring befindet, zieht ein entsprechendes ober wellenhaltiges Spektrum, wie in Fig. 2 dargestellt, nach sich. Als Pitting wird im übrigen ein Materialaus bruch aus der Oberfläche der Wälzlagerbahn als Folge von Materialermüdung und Rißbildung bezeichnet.

Zur Bewertung des Zustandes der Zahnräder kann beispielsweise das Signal herangezogen werden, welches auf erzwungene Biegeschwingungen der Zähne bei Zahn eingriff zurückzuführen ist. Dabei spiegelt sich die gleichmäßige Abnutzung der Zähne im Anwachsen des Ober wellengehaltes des Zahneingriffsignals wieder. Je größer die Abweichung vom Idealprofil der Zähne ist, desto größer sind die Abweichungen in der Oberwellen frequenz. Hier gilt die Beziehung:

n × f_z = n × z × f_Ni

n = 2, 3, . . .

f_z = Zahneingriffsfrequenz
z = Anzahl der Zähne
f_Ni = Drehfrequenz eines beliebigen Getriebeelements bzw. interessierende Zahneingriffsfrequenz

Eine ungleichmäßige Abnutzung, die letztendlich zum Zahnausbruch führt, hat eine Amplitudenmodulation des Zeitsignals zur Folge, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist. Wird hier die entsprechende Frequenz als Spektrum ausgegeben, wie dies in Fig. 4 geschieht, so ermög licht der aus dem Spektrum abzulesende Modulationsgrad und die Form der Seitenbänder Aussagen über Art und Schwere des Schadens am Zahnrad.

Diese für eine Diagnose relevanten Signalanteile bilden bedingt durch die Seitenbänder und Oberschwingungen ein relativ schwer interpretierbares Spektrum, das außerdem meist noch durch Resonanzen anderer Bauteile überlagert ist. Ferner ist zu erwähnen, daß dieses schon recht komplizierte Spektrum nur aus dem Eingriff eines Zahnradpaares resultiert. Soll dagegen ein ganzes Zahnradgetriebe untersucht werden, so ergibt sich ein Körperschallbeschleunigungsspektrum, welches aus einer Summe einer Vielzahl von Einzelspektren von sich im Eingriff befindlichen Zahnradpaaren ergibt. Diese Einzelspektren überlagern sich aber im Gesamtspektrum, so daß eine Schadensbestimmung unmöglich ist.

Aus diesem Grund wird sich der Zusammenhang zwischen einer Eingangsdrehfrequenz sowie den Dreh- und Zahnein griffsfrequenzen der im Eingriff befindlichen Getriebe elemente zunutze gemacht. Dieser ergibt sich aus der Beziehung:

m und n stellen die ungeradezahlige Übersetzung der Eingangsdrehfrequenz in die Drehfrequenz eines entspre chenden Getriebeelementes bzw. eine Zahneingriffs frequenz dar und ist aus Konstruktionsparametern berechenbar. Da die Eingangsdrehfrequenz f_E am Eingang des Zahnradgetriebes ermittelt wird (siehe Fig. 6) und m und n konstruktionsabhängig und damit bekannt sind, läßt sich die Frequenz jedes Einzel- oder Elementar signals eines Zahnradpaares oder eines Wälzlagers genau berechnen. Mit dieser Primärinformation ist es dann möglich, durch ein mittelwertbildendes Meßverfahren interessierende Signalanteile hervorzuheben. Dabei wird das Summensignal mehrfach aufgenommen, zwischen gespeichert und bezüglich des interessierenden Signal anteils phasenstarr überlagert. Eine phasenstarre Mittelwertbildung erfordert aber, daß die Zeit zwischen den Starts zweier Meßwertaufnahmen genau ein Vielfaches der Periodendauer des interessierenden Elementarsignals ist. Hierfür gilt die Beziehung:

T_M = Zeitdauer zwischen dem Beginn zweier Meßwertauf nahmen
T_Ni = Umdrehungszeit eines Getriebeelementes

Wird die oben genannte Bedingung genau eingehalten, akkumulieren alle Signale mit der Periodendauer T_N sowie deren ganzzahligen Vielfache in den Amplituden. Das heißt, es finden N-Überlagerungen statt. Hierfür gilt die Beziehung:

A(t) = N × A × exp jn2πf_Nit (n = 1, 2, 3 . . .)

Signalanteile, die dagegen in einem ungradzahligen Ver hältnis zu den interessierenden stehen, werden in unterschiedlichen Phasenlagen abgetastet und über lagert. Hierfür gilt die Beziehung:

Die Phasenlage ϕ_i der unsynchronisiert abgetasteten Signalanteile wird durch das Verhältnis m : n bestimmt. Im Extremfall und bei großer Anzahl von Überlagerungen kann quasi Gleichverteilung im Intervall 0 ϕ_i 2π auftreten, was zur Auslöschung dieser Signalanteile führen würde, wie dies in Fig. 5 angedeutet ist.

Fig. 5 stellt im übrigen ein komplexes Zeigerbild mit seinen Kenngrößen Real- (Re) und Imaginärteil (Im) dar.

ϕ_i ist die Differenzphase zwischen phasenstarr und zufällig abgetasteten Signalanteilen der Messung i. Im günstigsten Fall können sich die zufällig abgetasteten Signalanteile bei additiver Überlagerung auslöschen, während die phasenstarr abgetasteten kumulieren.

In jedem Fall aber werden störende Signalanteile mit wachsender Anzahl von Überlagerungen, d. h. Akkumulation von Signalen einer bestimmten Periodendauer, gedämpft, sofern sie zum interessierenden Signalanteil in einem ungradzahligen Verhältnis stehen.

Eine entsprechende Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird insgesamt von einem Rechner 1 gesteuert. In diesen Rechner 1 wird über einen Drehfrequenzgeber 2 die oben erwähnte Eingangs frequenz f_E übermittelt, wobei im Rechner eine Aus wertung der Anzahl einlaufender Impulse pro Zeiteinheit erfolgt. Diese können z. B. fotoelektrisch (Reflexionsmarken auf der rotierenden Antriebswelle) oder induktiv (ferromagnetisches Flügelrad an der Antriebswelle passiert den Eisenkreis eines Elektromagneten) gewonnen werden.

An einem zu untersuchenden Zahnradgetriebe 3 ist ein Beschleunigungsaufnehmer 4 angesetzt. Das Körper schall-Summensignal wird mit dem Beschleunigungs aufnehmer in ein elektrisches Signal umgewandelt. Dieses durchläuft dann einen Verstärker 5 und wird dann mit einem Tiefpaß 6 auf eine halbe Abtastfrequenz band begrenzt. Nach Durchlaufen eines Analog-Digital-Wand lers 7 wird dieses Signal in den Rechner 1 eingegeben.

Dem A/D-Wandler 7 sowie dem Rechner 1 ist eine Zeit rahmenschaltung 8 zugeordnet, welche sicherstellt, daß das Zeitraster der Meßwertaufnahme gemäß der oben genannten Beziehung für T_M eingehalten wird.

Im übrigen wird zu Beginn der Messung das Verhältnis der Frequenz des interessierenden Elementarsignals zu der Eingangsdrehfrequenz f_E entsprechend der oben genannten Beziehung für f_Ni eingestellt.

Im Rechner 1 erfolgt dann die Verarbeitung der Signale entsprechend den Beziehungen für das Körperschall-Be schleunigungssignal A(t) sowie die Mittelwertbildung. Zur Berechnung des Spektrums ist eine geeignete Routine zur schnellen Fouriertransformation (FFT) zu imple mentieren. Die Darstellung erfolgt dann auf einem Grafikbildschirm 9, jedoch sind auch Ausgaben über Drucker, Plotter bzw. auch Massenspeicher möglich.

Steht ein frei programmierbarer Fourier-Analysator bzw. entsprechende Rechner-Ergänzungsbaugruppen zur Ver fügung, welche alle Funktionsgruppen entsprechend Fig. 6 enthalten, so läßt sich das Meßverfahren über Anwenderprogrammierung realisieren.

Claims

1. Verfahren zum Ermitteln von Unregelmäßigkeiten zweier miteinander arbeitender Elemente aus einer Vielzahl von miteinander arbeitenden Elementen, insbesondere von Schäden an Zahnrädern und/oder Lagern in Zahnradgetrieben, mit Hilfe ihres Körper schall-Beschleunigungssignales, dadurch gekennzeichnet, daß ein Summensignal aus allen Körperschall-Be schleunigungssignalen mehrfach aufgenommen und bezüglich des interessierenden Körperschall-Be schleunigungssignales phasenstarr überlagert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für jedes Elementenpaar seine eigene Frequenz, insbesondere bei einem Lager seine Drehfrequenz und bei einem Zahnradpaar seine Eingriffsfrequenz ermittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlung rechnerisch nach der Beziehung erfolgt, wobeiF_Ni=die Dreh- und Eingriffsfrequenz,
f_E=die Dreheingangsfrequenz beispielsweise am Zahnradgetriebeeingang, ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeit zwischen zwei Meßwert aufnahmen genau ein ganzzahliges Vielfaches der Periodendauer des interessierenden Körperschall-Be schleunigungssignales ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß für die Zeitdauer T_M zwischen dem Beginn zweier Meßwertaufnahmen folgende Beziehung gilt: wobei T_Ni die Periodendauer der interessierenden Elementardrehfrequenz ist.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn zeichnet, daß andere als die interessierenden Körperschall-Beschleunigungssignale, welche insbe sondere zu den interessierenden in einem ungrad zahligen Verhältnis stehen, gedämpft werden.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rechner (1) einerseits mit einem Beschleunigungsaufnehmer (4) zur Ermittlung des Körperschall-Beschleunigungssignales und andererseits mit einem Drehfrequenzgeber (2) zur Ermittlung einer Eingangsfrequenz in Verbindung steht.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem Rechner (1) eine Zeitrahmenschaltung (8) zugeordnet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekenn zeichnet, daß zwischen Rechner (1) und Beschleuni gungsaufnehmer (4) ein Verstärker (5) und/oder ein Tiefpaß (6) und/oder ein A/D-Wandler (7) einge schaltet ist.