JP2006170998A - 張力手段伝動装置、エンドレス張力手段の摩耗の測定方法およびこのような張力手段伝動装置用エンドレス張力手段 - Google Patents

Abstract

【課題】エンドレス張力手段特にベルトを含む張力手段伝動装置並びにこのような張力手段伝動装置の張力手段の摩耗の測定方法を、非接触で且つ他の影響をほとんど受けない張力手段伝動装置のモニタリングおよび特にエンドレス張力手段の摩耗のモニタリングが実行可能なように改良し、さらに、このような張力手段伝動装置内に使用可能なようにエンドレス張力手段を改良する。
【解決手段】駆動要素（１１０）および被駆動要素と結合されている少なくとも２つのベルト車（１１５、１３０、１４０、１５０）を結合するエンドレス張力手段（１２０）特にベルトを含む張力手段伝動装置は、張力手段（１２０）の表面を走査するための光学式走査装置（１７０）を特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は請求項１の上位概念に記載の張力手段伝動装置に関するものである。さらに、本発明は、請求項１０の上位概念に記載のこのような張力手段伝動装置のエンドレス張力手段の摩耗の測定方法並びに請求項１７の上位概念に記載のこのような張力手段伝動装置用エンドレス張力手段に関するものである。

今日の内燃機関においてのみならず他の駆動装置においてもまた、今日においてはきわめてしばしば張力手段伝動装置が使用される。この場合、例えば過給器、圧縮機等を駆動するために例えばクランク軸からカム軸へ、または主軸から従動軸へ力を伝達するように、プラスチック、ゴムまたは類似材料からなるＶベルトを有するＶベルト伝動装置が使用される。駆動ベルトは高い摩耗を受けるので、定期的保守間隔で交換されなければならない。この場合、摩耗現象は、たいていの場合、駆動ベルトの弾性変化、ヘア・クラックの形成、歯付ベルトの場合には歯の摩耗、または個々の歯の欠損において、および一部厚さ変化においても現われる。保守間隔を守らないことが重大な損傷をもたらすことがある。例えば歯付ベルトによる内燃機関内弁駆動の制御において、歯付ベルトが破損した場合にピストンが弁に衝突することがあり、これによりエンジンは損傷されることになる。この結果、エンジンの交換が必要となるが、少なくとも手間のかかる修理したがって高価な修理もまた必要となる。

したがって、このような損傷を予防するために、摩耗限界への到達に関してエンドレス張力手段特にＶベルトまたは歯付ベルトの瞬間状態をモニタリングすることが望ましい。
ドイツ特許公開第１０２１６３５４号から、張力手段伝動装置の全ての構成部品ないし個別部品が使用材料とは無関係に導電性を有するこのタイプの張力手段伝動装置が既知となっている。これにより、内燃機関の運転中に、導電性の決定により連続的に張力手段の摩耗状態が決定可能である。張力手段の抵抗値は使用寿命の間新しい状態に比較して変化するので、限界値を特定することにより、張力手段が破損する前にエンドレス張力手段の交換が実行可能である。この場合、抵抗値の測定のために、摩耗を上昇させる滑り接点または高価な非接触誘導作用測定装置が必要となる。ここで、例えば表面が汚れたときに抵抗値が変化することがあり、これが摩耗に関して誤った判定を導く場合があることが問題である。

したがって、冒頭記載のタイプの張力手段伝動装置（例えば、ベルト伝動装置）並びにこのような張力手段伝動装置の張力手段（例えば、ベルト、Ｖベルト、歯付きベルト）の摩耗の測定方法を、非接触で且つ他の影響をほとんど受けない張力手段伝動装置のモニタリングおよび特にエンドレス張力手段の摩耗のモニタリングが実行可能なように改良することが本発明の課題である。

さらに、このような張力手段伝動装置内に使用可能なようにエンドレス張力手段を改良することもまた本発明の課題である。

本発明はこれらの課題を独立請求項１、１０および１７の特徴により解決する。
有利な変更形態がこれらの独立請求項に引用されているそれぞれの従属請求項に記載されている。

張力手段が、例えば光ビームにより特にレーザ・ビームにより、停止中、または運転の間に常時、または特定の時間間隔または角度間隔においてのみ光学的に走査され、およびこのようにして測定された走査信号によりエンドレス張力手段特にＶベルトまたは歯付ベルトの状態を推測することが本発明の基本的な考え方である。

この場合、摩耗されていない張力手段の記憶基準信号が走査信号と比較され、およびこの比較から、張力手段即ち例えば歯付ベルトである駆動ベルトの瞬間状態が推測されることが好ましい。設定可能な基準が超えられているとき、張力手段伝動装置がその中で使用されている機械例えば内燃機関における損傷を回避するために張力手段の交換を示唆する信号が出力される。

この場合、走査は、光信号を送るための１つの送信装置により、および張力手段において反射されおよび／または回折されおよび／または散乱されおよび／または吸収された光信号を受けるための少なくとも１つの受信装置により行われることが好ましい。

光信号は送信装置から常時送られてもよい。一実施形態において、光信号が送信装置からパルス状に送られるように設計されている。
この場合、パルス状送信が駆動要素の回転速度に同期して行われることが有利である。

このために、張力手段は、光ビームを反射し、回折し、屈折し、または吸収する少なくとも１つのコーティング表面を有している。
張力手段の走査をさらに改善するために、有利な実施形態において、テンション装置（引っ張り装置又は緊張装置）が設けられ、テンション装置は走査装置に向かい合って配置され、これにより、張力手段は、走査装置の範囲内において、張力手段のコーティング側が走査装置を向くようにテンションプーリー（張り車又は緊張ローラ）を介して転向される。場合により存在するクラックはテンションプーリーにより特に強力に拡張され、これにより、改善された表面走査が可能である。テンションプーリーを介しての転向は特に歯付ベルトないしＶベルトの歯またはＶ型とは反対側において行われる。

存在するそれ自身既知のエンジン制御装置の一部であることが有利な回路装置内において、受けられた光信号が処理および評価される。
この場合、走査信号と、摩耗されていない張力手段の記憶走査信号との比較が行われることが好ましい。この比較から、設定可能な摩耗しきい値が超えられているとき、摩耗が推測される。この場合、光摩耗信号（摩耗が生じていることを示す光信号）および／または音響摩耗信号（摩耗が生じていることを示す音響信号）が回路装置から発生され且つ出力され、これにより、存在する張力手段の故障が例えば車両のドライバに指示される。さらに、これらの摩耗信号はエラー・メモリ内に記憶され且つ例えば保守作業において読み取られてもよく、これにより、張力手段伝動装置が故障し、その結果として、例えば内燃機関が著しく損傷する前に、張力手段の交換が行われる。

このような張力手段伝動装置において使用されるエンドレス張力手段即ち例えばＶベルトまたは歯付ベルトは、張力手段の少なくとも１つの表面上に、電磁放射線特に光を反射し、回折し、屈折し、または吸収する少なくとも１つの層を有している。この層はＶベルトのＶ側または歯付ベルトの歯側に配置されていることが好ましい。

本発明のその他の利点および特徴が一実施例の以下の説明並びに図面から明らかである。

図１にエンジン１００例えば自動車の内燃機関が略図で示され、エンジン１００のクランク軸１１０はベルト車１１５を駆動し、ベルト車１１５を介して例えばＶベルト１２０が走行し、Ｖベルト１２０は、さらに、ベルト車１３０、１４０、１５０を介して、例えば水ポンプ１３５、サーボ・ポンプ１４５並びに照明発電機１５５を作動させる。Ｖベルト１２０に張力を与えるためにテンション装置（引っ張り装置）が設けられ、テンション装置はテンションプーリー（張り車）１８０を有し、テンションプーリー１８０にＶベルト１２０が当接し、およびテンションプーリー１８０はＶベルト１２０にそれ自身既知のように張力を与える。

ベルト車１１５、１３０、１４０、１５０並びにテンションプーリー１８０からなる全体装置は張力手段伝動装置を示し、この場合、張力手段はＶベルト１２０により形成されている。Ｖベルト１２０のほかに張力手段としてきわめてしばしば歯付ベルトもまた使用され、歯付ベルトはＶベルト１２０と同様に力伝達可能な張力手段伝動装置を可能にし、即ち多数の付属機器例えば発電機、換気装置、水ポンプ、空調圧縮機、ステアリング・ポンプ等の駆動もまた可能にする。

エンジン１００の正面側における張力手段伝動装置の範囲内に光学式走査装置１７０が配置され、光学式走査装置１７０は光ビーム１７２を放射し且つ再びそれを受ける。走査信号は電気信号ライン２１０を介して評価電子装置例えばそれ自身既知の制御装置２００に供給され、制御装置２００内において走査信号は以下に記載のように評価される。

以下においてはまとめて駆動ベルトとも呼ばれる歯付ベルトまたはＶベルト１２０の光走査および信号の評価は、例えば商店のレジスタにおける商品上のバーコードの読取りにおいて使用されるものと類似の方法に基づいている。しかしながら、白黒バーの一定模様に特定の数値が対応するバーコードに対して、本方法において評価される信号は不規則であり且つ駆動ベルト１２０の損耗によって形成される。この場合、不規則模様は駆動ベルト１２０の下側（即ち歯側）の歯１２４の間の細かいヘア・クラック１２５（図２、図３）によって発生し、ヘア・クラック１２５は、種々のベルト車１１５、１３０、１４０、１５０上並びにテンションプーリー１８０上を駆動ベルト１２０が走行するときに受ける強力な圧着運動によって発生される。

ここで、本発明により、その下側に光ビームを反射する少なくとも１つの層１２２がコーティングされている駆動ベルト１２０が使用される。走査装置１７０から放射された光ビーム１７２はこのコーティング１２２において反射され且つ走査装置内に配置されているセンサ（図２には示されていない）によって受けられる。

図２に、反射するように形成されているコーティングの１つの層１２２のみが示されている。しかしながら、本発明は１つの層を有するコーティングに限定されず、むしろ駆動ベルト１２０上に複数の層を配置すること、例えばはじめに１つの反射層を配置し、次に光ビームを屈折し、吸収する等の１つの層を配置することもまた可能であることがわかる。吸収層の場合、設定可能な特定の周波数割当を有する光が走査装置１７０から放射され、光の成分は駆動ベルト１２０上に配置されている層により異なって吸収される。走査装置１７０ははじめに放射された光の吸収成分を検出する。例えば吸収周波数等の強度変化から、新しい駆動ベルト１２０と古い駆動ベルト１２０との間で区別される。このために、模様比較、信号比較、類似性比較等が実行可能である。走査は常時またはパルス状に行われてもよく、または所定の回転速度範囲内で行われてもよい。

本発明は、光ビーム１７２を放射するのみならずそれを再び受けることも行う１つの走査装置１７０に限定されない。むしろ、光ビーム１７２を放射し且つ受けるために２つの異なる装置を配置するように設計されていてもよく、この場合、これらは例えば相互に角度をつけて配置されていても、または光を回折する層の場合には、送信装置から放射された光が層内で回折したのちに受信装置に再び受けられるようにそれらが配置されていてもよい。

ヘア・クラック１２５のない、摩耗されていない新しいＶベルトにおいては、図２ａに示され且つ″Ｎ″で表わされている、ほぼ等間隔の方形パルス２２２の信号が発生し、方形パルス２２２の幅はそれぞれ歯１２４と相関を有し、歯１２４はコーティング１２２を遮断している。ヘア・クラック１２５が存在する場合、図２ｂにおいて″Ａ″で表わされた信号により略図で示されているように、これらの方形パルス２２２の間に他の方形パルス２２５が発生する。

ここで、制御装置２００の一部であり且つ例えばプログラムとして実行されてもよく、または神経回路網の形で形成されている評価電子装置内において、測定信号″Ａ″が摩耗されていない駆動ベルト１２０の信号″Ｎ″と比較され、これから駆動ベルト１２０の摩耗が推測される。評価基準は例えば方形パルスの数であってもよく、方形パルスの数の増加は駆動ベルト１２０の摩耗の上昇を推測させる。さらに、摩耗基準の特定のために、適切な模様比較、信号レベル比較、度数比較、反復率比較、差比較等の各々が使用されてもよい。

図２に、ほとんど曲げられることなく走行する駆動ベルト１２０の下側即ち「歯側」における走査装置１７０の配置が略図で示されている。走査装置１７０がテンションプーリー１８０に向かい合って配置され、駆動ベルト１２０の下側が走査装置１７０を向くようにテンションプーリー１８０が駆動ベルト１２０を転向させる（図１）ことにより、走査精度はさらに上昇可能である。テンションプーリー１８０により駆動ベルト１２０の下側が特に強力に伸長され、これが場合により存在するヘア・クラックを拡張させ、これにより、ヘア・クラックは走査装置１７０によってより良好に検出可能である。

摩耗されていない新しい駆動ベルトの信号列″Ｎ″および走査された駆動ベルト１２０の信号列″Ａ″の比較が行われたのちに、例えば、設定可能な摩耗しきい値に到達したことが、例えば上記張力手段伝動装置がその中に配置されている車両のドライバに音響警報または光警報によって指示されることにより、摩耗が推測される。さらに、エラー・メッセージがメモリ内に記憶され且つ例えばのちの保守作業においてそれ自身既知のように読み取られてもよい。

この場合、走査は、エンジン１００の停止中、またはエンジン１００の運転の間に継続して、または特定の時間間隔または角度間隔においてのみ行われてもよい。
使用される光ビーム１７２は、常時、パルス状に、または例えばクランク軸１１０の回転に同期してオン／オフ切換されてもよい。

図３に示されている、駆動ベルト１２０の走査およびこの場合に得られる信号の実施例においては、図２に示されている実施例と同じ要素は同じ符号で示されているので、その説明に関しては前の説明がそのまま参照される。

図３に示されている実施例においては、歯付ベルト１２０が反射コーティング１２２のほかに屈折コーティング１２６もまた有していることが、図２に示されている実施例と相違している。この場合、単色光およびコヒーレント光をレーザ・ビームの形で発生する光源を有する走査装置１７０が使用される。この場合、走査は光記憶媒体（ＣＤ、ＤＶＤ等）と同様に行われる。摩耗の増加と共に、機械的荷重によりヘア・クラック１２５が発生する位置において屈折層１２６の屈折率または透過率または反射率が変化し、これにより、走査において、ＣＤまたはＤＶＤの走査と同様に、ディジタル信号例えば入射光ビームと反射光ビームとの間で位相がシフトされている信号が発生される。特性位相シフトは、さらに、駆動ベルト１２０が摩耗の増加と共に厚さを変化させたときにも発生する。位相シフトは、この場合、時間と共に変化するので、診断変数として評価されてもよい。それに続いて、信号は、例えば既存のエンジン制御装置２００の一部である、それに対応して適合された評価電子装置を用いて、上記の比較法により評価されてもよい。

図４に示されている他の実施例においては、図２および図３に示されている実施例と同じ要素は同じ符号で示されているので、その説明に関しては前の説明がそのまま参照される。図４に示されている実施例においては、歯の上側に反射コーティング１２７が設けられていることが、図２および図３に示されている実施例と相違している。追加態様または代替態様として、歯１２４の上側のコーティングのほかに、その側面がコーティングされていてもよい。摩耗が増加したとき、歯幅／側面幅が減少し、これにより、走査された方形信号が、摩耗の増加と共に、摩耗されていない新しい駆動ベルト１２０の信号に対して著しく変化する。この変化が制御装置２００内において評価される。この場合、歯走査時間は駆動装置の回転速度と相関を有している。回転速度の関数として固有歯走査時間が形成され、固有歯走査時間は特性曲線群内または数値表内に、またはそれに対応する方法で記憶されてもよい。摩耗が増加したとき、同じ回転速度において歯走査時間は基準値より著しく短くなる。したがって、歯走査時間の相違が診断に使用可能である。

歯幅の製作公差が避けられない場合、診断信号として平均歯幅が使用されてもよい。
さらに、例えば駆動ベルト１２０上の歯が欠損した場合には隙間が発生し、この結果、歯走査時間列内に中断が形成され、これが同様に検出される。

図４に、さらに、走査装置１７０′を有する第４の他の実施例が示され、走査装置１７０′は駆動ベルト１２０の下側に向かい合ってなく、光が斜め下から入射され、および例えば回折層において回折され、且つ（図示されていない）受信ユニット内に受けられる。

図１は、エンドレス張力手段の摩耗を測定するための光学式走査装置を有する内燃機関の略正面図である。 図２は、第１の実施例による張力手段の摩耗を測定するための光学式走査装置および走査信号の略図である。 図３は、第２の実施例による張力手段の摩耗を測定するための光学式走査装置および走査信号の略図である。 図４は、第３および第４の実施例による張力手段の摩耗を測定するための光学式走査装置および走査信号の略図である。

符号の説明

１００ エンジン
１１０ 駆動要素（クランク軸）
１１５、１３０、１４０、１５０ ベルト車
１２０ 張力手段（歯付ベルトまたはＶベルト、駆動ベルト）
１２２、１２６、１２７ コーティング表面（コーティング、層）
１２４ 歯
１２５ ヘア・クラック
１３５ 水ポンプ
１４５ サーボ・ポンプ
１５５ 照明発電機
１７０、１７０′ 光学式走査装置（送信装置）
１７２、１７２′ 光信号（光ビーム）
１８０ テンションプーリー（張り車又は緊張ローラ）
２００ 回路装置
２１０ 電気信号ライン
２２２、２２５ 方形パルス
Ａ 走査信号（測定信号）
Ｎ 記憶走査信号

Claims (18)

1. 駆動要素（１１０）および被駆動要素と結合されている少なくとも２つのベルト車（１１５、１３０、１４０、１５０）を結合するエンドレス張力手段（１２０）特にベルトを含む張力手段伝動装置において、
   張力手段（１２０）の表面を走査するための光学式走査装置（１７０）を備えたことを特徴とする張力手段伝動装置。
2. 請求項１に記載の張力手段伝動装置において、
   光学式走査装置（１７０）が、光信号（１７２）を送るための少なくとも１つの送信装置と、および張力手段（１２０）において反射されおよび／または回折されおよび／または散乱されおよび／または吸収された光信号を受けるための少なくとも１つの受信装置とを含むことを特徴とする張力手段伝動装置。
3. 請求項２に記載のの張力手段伝動装置において、
   光信号（１７２）がレーザ・ビームであることを特徴とする張力手段伝動装置。
4. 請求項２または３に記載の張力手段伝動装置において、
   光信号（１７２）が送信装置から常時送られることを特徴とする張力手段伝動装置。
5. 請求項２または３に記載の張力手段伝動装置において、
   光信号（１７２）が送信装置からパルス状に送られることを特徴とする張力手段伝動装置。
6. 請求項５に記載の張力手段伝動装置において、
   光信号（１７２）のパルス状送信が駆動要素（１１０）の回転速度に同期して行われることを特徴とする張力手段伝動装置。
7. 請求項１ないし６のいずれか１項に記載の張力手段伝動装置において、
   張力手段（１２０）が、光ビームを反射し、回折し、屈折し、または吸収する少なくとも１つのコーティング表面（１２２、１２６、１２７）を有することを特徴とする張力手段伝動装置。
8. 請求項７に記載の張力手段伝動装置において、
   走査装置（１７０）に向かい合って配置されている、少なくとも１つのテンションプーリー（１８０）を有するテンション装置であって、テンションプーリー（１８０）は、張力手段（１２０）の少なくとも１つのコーティング表面が走査装置（１７０）を向くように張力手段（１２０）を転向させることを特徴とする張力手段伝動装置。
9. 請求項１ないし７のいずれか１項に記載の張力手段伝動装置において、
   送信装置（１７０）により受けられた光信号（１７２）を処理および評価するための回路装置（２００）を備えたことを特徴とする張力手段伝動装置。
10. 請求項１ないし８のいずれか１項に記載の張力手段伝動装置のエンドレス張力手段（１２０）特にベルト駆動装置のベルトの摩耗の測定方法において、
    張力手段（１２０）の少なくとも１つの表面が光学的に走査されおよび走査信号から張力手段（１２０）の摩耗が推測されることを特徴とするエンドレス張力手段の摩耗の測定方法。
11. 請求項１０に記載の方法において、
    光を反射し、回折し、屈折し、または吸収する層（１２２、１２６、１２７）でコーティングされた張力手段（１２０）の表面が走査されることを特徴とする方法。
12. 請求項１０または１１に記載の方法において、
    走査が連続的に行われることを特徴とする方法。
13. 請求項１０または１１に記載の方法において、
    走査が設定可能な時間間隔で行われることを特徴とする方法。
14. 請求項１３に記載の方法において、
    走査が、設定可能な時間間隔で、内燃機関の駆動要素（１１０）の回転速度またはクランク軸の回転速度またはカム軸の回転速度に同期して行われることを特徴とする方法。
15. 請求項１０ないし１４のいずれか１項に記載の方法において、
    走査信号（Ａ）が、摩耗されていない張力手段（１２０）の記憶走査信号（Ｎ）と比較され、これから摩耗が推測されることを特徴とする方法。
16. 請求項１０ないし１５のいずれか１項に記載の方法において、
    設定可能な摩耗しきい値が超えられているとき、光摩耗信号および／または音響摩耗信号が回路装置（２００）から発生され且つ出力されおよび／またはエラー・メモリ内に記憶されることを特徴とする方法。
17. 特に請求項１ないし８のいずれか１項に記載の張力手段伝動装置用のエンドレス張力手段（１２０）において、
    張力手段（１２０）の少なくとも１つの表面が、電磁放射線特に光を反射し、回折し、屈折し、または吸収する少なくとも１つの層（１２２、１２６、１２７）でコーティングされていることを特徴とする張力手段伝動装置用のエンドレス張力手段。
18. 請求項１７に記載の張力手段において、
    該張力手段は、Ｖベルトまたは歯付ベルトであり、そのＶベルトのＶ側あるいは歯付ベルトの歯側が、電磁放射線特に光を反射し、回折し、屈折し、または吸収する少なくとも１つの層（１２２、１２６、１２７）でコーティングされていることを特徴とする張力手段。

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