DE69208160T2 - Verfahren und Vorrichtung zum kontinuierlichen Messen der Spannung eines Riemens - Google Patents

Description

• Vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Messung der Spannung eines Riemens, beispielsweise eines Steuerriemens.
• Außerdem betrifft sie ein Verfahren zur Messung mittels einer derartigen Vorrichtung.
• Die meisten Verbrennungsmotoren sind heutzutage mit einem Steuerriemen versehen, welcher die Kraftübertragung zwischen der Kurbelwelle und der Nockenwelle bewirkt.
• Für einen leisen Lauf und eine hohe Lebensdauer muß der Riemen in präziser Weise während seines Einbaues am Fließband für die Herstellung von Motoren gespannt werden.
• Die Einstellung der Spannung erfolgt durch Verdrehung einer auf einem Exzenter gelagerten Spannrolle, wobei nach der Einstellung die Messung der Spannung üblicherweise mittels eines mechanischen Fühlers erfolgt, der sich auf dem Riemen abstützt.
• Patent Abstract of JAPAN 62.278.352 von MITSUBISHI MOTORS CORP. beschreibt eine Vorrichtung zur berührungslosen Kontrolle der Spannung eines Riemens mittels eines elektronischen und optischen Systems, in dem die Frequenz der Schwingungen des Riemens gemessen und analysiert wird.
• Die Veröffentlichung US-A-2.342.605 beschreibt eine photoelektrische Meßvorrichtung für die Schwingungen eines sich bewegenden Riemens, wobei die Bewegung des von einem beleuchteten Abschnitts des Riemens erzeugten Schattens analysiert wird.
• Aus der Veröffentlichung WO 87/05699 ist eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Messung der Spannung eines Riemens bekannt. Diese Meßvorrichtung verwendet ein Prinzip, bei dem die Spannung des Riemens proportional zum Quadrat der Eigenfrequenz der Querschwingungen eines Riementrums sind für eine gegebene Länge und eine gegebene längenbezogene Masse und wobei die Spannungsmessung daraus besteht, die Eigenfrequenz zu messen.
• Die dabei verwendete Meßvorrichtung weist eine Detektoranordnung aus bestehend aus zwei Mikrophonen, wobei jeweils eines gegenüber einer Riemenfläche angeordnet ist, wobei die Schwingung des Riemens durch eine mechanische Erregeranordnung aufrecht erhalten wird, welche den Riemen in regelmäßigen Zeitabständen beaufschlagt.
• Die Verwendung von Mikrophonen als Detektoranordnung weist noch den Nachteil auf, daß in dem Maße, in dem diese auf Umgebungsgeräusche reagieren, momentane Meßabweichungen hervorgerufen werden können.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diesen Nachteil zu vermeiden und dabei anstelle von Mikrophonen eine optoelektronische Detektoranordnung zu verwenden.
• Die vorliegende Erfindung bezieht sich also auf eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Messung der Spannung eines Riemens mit einer Detektoranordnung, mit einem Meßgerät, das elektrisch mit der Detektoranordnung verbunden ist und mit einer Erregungsanordnung, welche die Schwingungen des Riemens aufrecht erhält.
• Erfindungsgemäß besteht die Detektoranordnung aus wenigstens einer Lichtquelle, die gegenüber einer Seite des Riemens angeordnet ist und aus zwei gegenüber der anderen Seite des Riemens angeordneten lichtempfindlichen Flächen, wobei die Schwingungen des Riemens abwechselnd den beleuchteten Oberflächenbereich der einen lichtempfindlichen Fläche vergrößern und im gleichen Maße den beleuchteten Oberflächenbereich der anderen lichtempfindlichen Fläche verringern und umgekehrt.
• Gemäß einer Besonderheit der Erfindung besteht die Lichtquelle aus einer Elektrolumineszenz-Diode und die beiden lichtempfindlichen Flächen aus zwei Photo- Empfängern.
• Gemäß einer anderen Besonderheit der Erfindung ist die Detektoranordnung auf Halterungen angeordnet, wobei die Gesamtheit dieser Bauteile eine Detektorgabel bildet.
• Die mechanische Erregungsanordnung, wie sie in der Veröffentlichung WO 87/05699 beschrieben ist, erzeugt dabei Unregelmäßigkeiten bei jedem Schlag, so daß während dieses Zeitpunkts jegliche Messung ausfällt.
• Daher ist es weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Messung ohne Unterbrechungen zu schaffen, wobei diese Aufgabe dadurch gelöst wird, daß eine Erregungsanordnung verwendet wird, welche ohne direkten Kontakt auf den Riemen einwirkt.
• Erfindungsgemäß besteht die Erregungsanordnung aus zwei Lautsprechern, die jeweils am Ende mit dem großen Durchmesser eines akustischen Kegels angeordnet sind, wobei die Enden mit dem kleinen Durchmesser der akustischen Kegel jeweils gegenüber einer der Riemenseiten angeordnet sind.
• Gemäß einer Besonderheit der Erfindung weisen die Enden mit dem kleinen Durchmesser der Kegel jeweils ein Kniestück auf, wobei die Kegel im wesentlichen parallel und die Lautsprecher im wesentlichen nebeneinander angeordnet sind.
• Gemäß einer anderen Besonderheit der Erfindung sind die Lautsprecher in einer durch einen Deckel verschlossenen Kammer angeordnet.
• Gemäß noch einer anderen Besonderheit der Erfindung bilden die beiden Kniestücke, die beiden Kegel, die beiden Laursprecher und der Deckel eine akustische Gabel.
• Gemäß noch einer anderen Besonderheit der Erfindung ist die Detektorgabel auf einer verschwenkbaren Halterung angeordnet, wodurch es ermöglicht wird, nachdem die akustische Gabel beidseits der Seiten des Riemens angeordnet worden ist, die Detektorgabel ebenfalls beidseits der Riemenseiten anzuordnen.
• Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren, das mit Hilfe der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durchgeführt wird, wobei es dadurch gekennzeichnet ist, daß der Schritt der Detektion der Schwingungen darin besteht, auf einer Seite des Riemens wenigstens eine Lichtquelle anzuordnen, und auf der anderen Seite des Riemens zwei lichtempfindliche Flächen anzuordnen, deren Oberflächenbereich als Funktion der Verschiebungen des Riemens variiert.
• Gemäß einer Besonderheit dieses Meßverfahrens werden die Schwingungen der verschiedenen Trume des Riemens gemessen und eine Äquivalenzspannung berechnet. In der Praxis läuft der Riemen, dessen Spannung gemessen werden soll, über mehrere Riemenscheiben, welche nicht frei von Drehmomenten sind. Dies bedeutet, daß jedes Trum, welches durch zwei Riemenscheiben begrenzt wird, eine unterschiedliche Spannung aufweist, so daß also mehrere Meßvorgänge zugleich durchgeführt werden müssen mit Hilfe mehrerer Meßvorrichtungen und zwar für jeden Riementrum eines und daß eine Aquivalenzspannung zu berechnen ist, die so nahe wie möglich an der gemittelten Spannung liegt, d. h. an derjenigen, die man erhalten würde, wenn die Riemenscheiben von Drehmomenten frei wären.
• Im nachfolgenden wird im Zusammenhang mit der beigefügten Zeichnung ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung beschrieben zur Messung der Spannung eines gezahnten Steuerriemens für einen Verbrennungsmotor.
• Figur 1 zeigt die Meßvorrichtung in der den Riemen umgebenden Stellung.
• Figur 2 zeigt die Meßvorrichtung gemäß der Linie II von Figur 1.
• Figur 3 zeigt im einzelnen die Detektorgabel der Vorrichtung und die schwenkbare Halterung.
• Figur 4 ist eine Ansicht entlang IV von Figur 3, wobei die Detektorgabel im Falle der Figuren 3 und 4 zu ihrer Halterung ausgerichtet ist.
• Figur 5 zeigt nur eine Seite des Riemens und die beiden von der Lichtquelle beleuchteten lichtempfindlichen Flächen.
• Figur 1 zeigt einen Riemen 1 im Schnitt sowie die erfindungsgemäße Meßvorrichtung bestehend aus einer Detektorgabel 2 und einer akustischen Gabel 3. Die Detektorgabel 2 ist elektrisch mit einem Differentialverstärker 4 verbunden sowie mit einem Meßgerät 6, während der Verstärker 4 mit der akustischen Gabel über ein Kabel 5 verbunden ist. Das Meßgerät 6, z. B. ein Frequenzmesser, ermöglicht es, die Spannung des Riemens abzulesen.
• Die akustische Gabel 3 weist zwei hohle Kniestücke 7a, 7b auf, deren Auslässe gegenüber einer Seite des Riemens angeordnet sind sowie zwei akustische im wesentlichen parallele Kegel 8a, 8b, welche die beiden Kniestücke verlängern und zwei Lautsprecher 9a, 9b, die mit ihrem konischen Abschnitt am Ende des großen Durchmessers eines jeden akustischen Kegels 8a, 8b angeordnet sind und einen Deckel 10, welcher die beiden Lautsprecher 9a, 9b bedeckt.
• Das Verbindungskabel 5 weist zwei Drähte 5a, 5b auf, wobei der Draht 5a mit dem Lautsprecher 9a und der Draht 5b mit dem Lautsprecher 9b verbunden ist.
• Jedes Kniestück 7a, 7b ist am Ende mit dem kleinen Durchmesser eines der Kegel 8a bzw. 8b in dichter Weise verbunden, während der Deckel 10 wiederum am Ende mit dem großen Durchmesser eines jeden Kegels 8a, 8b in dichter Weise angeordnet ist.
• Das Innere des Deckels bildet eine einzige Kammer 11, in welcher die beiden Lautsprecher 9a, 9b nebeneinander angeordnet sind.
• Zwischen jedem Ende eines Kniestücks 7a, 7b und einer Seite des Riemens besteht ein Zwischenraum, welcher die Schwingungen des Riemens ermöglicht.
• Die Detektorgabel 2 weist eine Haupthalterung 12 und eine obere Haltung 13 auf, welche mit der Haupthalterung 12 verschraubt ist. Die Halterung 12 nimmt zwei Elektrolumineszenz-Quellen 14 auf und die Halterung 13 zwei lichtempfindliche Fläche 15, 16, wie es aus Figuren 3 und 4 erkenntlich ist. Die Quellen 14 sind gegenüber einer Seite des Riemens angeordnet, während die lichtempfindlichen Flächen 15, 16 gegenüber der anderen Seite des Riemens angeordnet sind. Die Quellen 14 sind Elektrolumineszenz- Dioden, welche mit einer nicht dargestellten gedruckten Schaltung verbunden sind, die im freien Raum 12a der Halterung 12 vorgesehen ist, während die lichtempfindlichen Flächen ebenfalls mit dieser gedruckten Schaltung verbunden sind. Die elektrischen Verbindungen, welche die Geräte 4 und 6 miteinander verbinden, treten aus der Detektorgabel durch eine Hohlachse 12b aus. Die Detektorgabel 2 ist auf einer Halterung 17 über die Hohlachse 12b angeordnet, wodurch eine Verdrehung der Gabel bezüglich der Halterung 17 ermöglicht wird, wie es aus Figur 2 erkenntlich ist. Figur 2 zeigt in der Tat, daß die Meßvorrichtung bezüglich des Riemens 1 geneigt ist und daß es erforderlich ist, die Detektorgabel 2 bezüglich ihrer Halterung 17 zu neigen, damit die Lumineszenzquelle 14 und die beiden Detektorflächen 15, 16 senkrecht zum Riemen angeordnet werden können. Die Halterung 17 weist ein verschwenkbares Balanceteil 22 auf (Figur 3), um zuerst das Anordnen der beiden Kniestücke 7a, 7b der akustischen Gabel gegenüber den Seiten des Riemens zu ermöglichen und anschließend durch Verschwenken der Halterung 17 das Anordnen der Detektorgabel 2. Die Halterung 17 enthält außerdem, wie Figur 2 erkennen läßt, eine Platte 18, die an den akustischen Kegeln 8a, 8b befestigt ist sowie eine zweite Platte 19, die an der Platte 18 befestigt ist und schließlich zwei Platten 20, 21, zwischen denen das Balanceteil 22, welches die Detektorgabel 2 trägt, verschwenkbar ist um die in Figur 3 erkenntliche Achse 23.
• Der feste Abschnitt eines Druckzylinders 24 ist zwischen den beiden unteren Gabeln 25 des Balanceteils 22 angeordnet und das Ende des beweglichen Abschnitts dieses Druckzylinders 24 weist einen Nocken 26 auf, welcher zwischen den beiden oberen Gabeln 27 des Balanceteils 22 gleitet. Die Enden der Gabeln 27 tragen eine Achse 28, auf welcher sich eine Rolle 29 dreht, die auf dem Nocken 26 abrollt.
• Eine in Figur 3 sichtbare Rolle 30 dreht sich um eine Achse 31, die fest mit den beiden Platten 20, 21 verbunden ist. Diese Rolle 30 dient als Stütze und als Führung für den Nocken 26. Die beiden oberen Gabeln 27 des Balanceteils 22 weisen jeweils eine in Figur 3 sichtbare Aussparung 32 auf, wobei diese Aussparungen ein Verschwenken des Balanceteils trotz des Vorhandenseins der die beiden Gabeln 27 durchsetzenden Achse 31 ermöglichen. Zwischen den beiden Platten 20, 21 ist im wesentlichen auf Höhe des Balanceteils 22 eine Halterung 33 vorgesehen zur Aufnahme von zwei Federn 34, welche das Balanceteil in Richtung der geneigten Stellung beaufschlagen, wenn sich der Nocken 26 in der unteren Stellung befindet.
• Figur 5 zeigt den Riemen 1 und die beiden lichtempfindlichen Flächen 15, 16 von der Lumineszenzquelle 14 aus. Der Riemen, bei dem es sich in diesem Fall um einen Zahnriemen handelt, wird von der Seite betrachtet. Sofern der Riemen nicht vibriert, deckt er einen kleinen Teil des Oberflächenbereichs der lichtempfindlichen Fläche 15 ab und ungefähr die Hälfte des Oberflächenbereichs der lichtempfindlichen Fläche 16. Vibriert hingegen der Riemen zwischen den beiden Extremstellungen 1a und 1b, werden die beiden lichtempfindlichen Flächen mehr oder weniger abwechselnd abgedeckt. Nimmt dabei die nicht mit Zähnen versehene Seite des Riemens die Position 1a ein, so wird die lichtempfindliche Fläche 15 mehr abgedeckt und die Fläche 16 weniger abgedeckt und umgekehrt, wenn die gezahnte Seite des Riemens 1 die Position 1b einnimmt, wird die lichtempfindliche Fläche 16 nicht abgedeckt, während die lichtempfindliche Fläche 15 dies weniger ist und sogar völlig freiliegen kann. Diese Veränderung der Oberflächen erzeugt eine Modulation der vom Empfänger 4 empfangenen Signale und ermöglicht damit, die Amplitude der Schwingungen festzustellen.
• Die Vorrichtung funktioniert wie folgt:
• Der Riemen kann unter der Einwirkung eines Umgebungsgeräusches oder unter der Einwirkung eines elektronisch erzeugten Impulses und dem Riemen durch die Lautsprecher übertragenen Geräusches Schwingungen ausführen. Unabhängig von der Art, in der diese Schwingungen erzeugt werden, sind sie ein Maß für die Riemenspannung, da diese Spannung eine Funktion der Eigenspannung eines Riementrums ist gemäß der Beziehung T=4ml²f² mit
• T: Riemenspannung
• m: längenbezogene Masse des Riemens
• l: freie Länge des Trums
• f: Eigenfrequenz des Trums
• Die Detektorgabel 2 empfängt die Schwingungen des Riemens und überträgt sie über den Verstärker den Lautsprechern 9a, 9b. Jeder Lautsprecher vibriert und jede Luftsäule, welche den akustischen Kegel 8a, 80 durchläuft, beaufschlagt also den Riemen und läßt ihn schwingen.
• Die Schwingungen werden dadurch aufrecht erhalten und da die Detektorgabel 2 ebenfalls mit dem Frequenzmesser verbunden ist, wird der Wert der Eigenfrequenz am Frequenzmesser permanent angezeigt, woraus die Spannung des klemens kontinuierlich und präzise ablesbar ist, so daß damit eine Einstellung des Riemens, z. B. auf Einwirkung durch den herkömmlichen Exzenter bis zum gewünschten Spannungswert ermöglicht wird.

Claims (11)

1. Vorrichtung zur kontinuierlichen Messung der Spannung eines Riemens (1), mit einer Detektoranordnung (14, 15, 16), mit einem Meßgerät (6), das elektrisch mit der Detektoranordnung verbunden ist und mit einer Erregungsanordnung (9a, 9b), welche Schwingungen des Riemens aufrecht erhält, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoranordnung aus wenigstens einer Lichtquelle (14) besteht, die gegenüber einer Seite des Riemens angeordnet ist und aus zwei lichtempfindlichen Flächen (15, 16) besteht, die gegenüber der anderen Seite des Riemens angeordnet sind, wobei abwechselnd die Schwingungen des Riemens den beleuchteten Oberflächenbereich einer lichtempfindlichen Fläche vergrößern und zugleich den beleuchteten Oberflächenbereich der anderen lichtempfindlichen Fläche verkleinern und umgekehrt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (14) aus einer Elektrolumineszenz-Diode besteht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtempfindlichen Flächen (15, 16) aus zwei Photoempfängern bestehen.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoranordnung (14, 15, 16) auf Halterungen (12, 13) angeordnet ist und daß die dergestalt gebildete Anordnung eine Detektorgabel (2) bildet.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregungsanordnung aus zwei Lautsprechern (9a, 9b) besteht, die jeweils am Ende mit dem großen Durchmesser eines akustischen Kegels (8a, 8b) angeordnet sind, während die Enden mit dem kleinen Durchmesser der akustischen Kegel jeweils gegenüber einer Seite des Riemens (1) angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden mit dem kleinen Durchmesser der Kegel jeweils ein Kniestück (7a, 7b) aufweisen, wobei die Kegel (8a, 8b) im wesentlichen parallel und die Lautsprecher (9a, 9b) im wesentlichen nebeneinander angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lautsprecher (9a, 9b) in einer durch einen Deckel (10) abgeschlossenen Kammer (11) angeordnet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kniestücke (7a, 7b) , die beiden Kegel (8a, 8b), die beiden Lautsprecher (9a, 9b) und der Deckel (10) eine akustische Gabel (3) bilden.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorgabel (2) auf einer verschwenkbaren Halterung (17) gelagert ist, so daß zuerst das Einsetzen der akustischen Gabel (3) beidseits der Seiten des Riemens und danach das Einsetzen der Detektorgabel (2) beidseits der Seiten des Riemens ermöglicht wird.

10. Verfahren, das mit der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Detektion der Schwingungen darin besteht, auf einer Seite des Riemens wenigstens eine Lichtquelle (14) anzuordnen und auf der anderen Seite des Riemens zwei lichtempfindliche Flächen (15, 16) anzuordnen, deren Oberflächenbereich als Funktion der Verschiebungen des Riemens variiert.

11. Meßverfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungen der verschiedenen Riementrume gemessen werden und daß eine Äquivalenzspannung berechnet wird.