WO2023044516A1 - Verfahren zur automatischen zustandsüberwachung und schadensüberwachung von einer komponente eines fahrzeugs - Google Patents

Verfahren zur automatischen zustandsüberwachung und schadensüberwachung von einer komponente eines fahrzeugs Download PDF

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WO2023044516A1
WO2023044516A1 PCT/AT2022/060310 AT2022060310W WO2023044516A1 WO 2023044516 A1 WO2023044516 A1 WO 2023044516A1 AT 2022060310 W AT2022060310 W AT 2022060310W WO 2023044516 A1 WO2023044516 A1 WO 2023044516A1
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WO
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signal
damage
measurement
amplitudes
energy
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Application number
PCT/AT2022/060310
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Inventor
Gregor Fischer
Andreas PUNTIGAM
Hemant Bansal
Original Assignee
Avl List Gmbh
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M7/00—Vibration-testing of structures; Shock-testing of structures
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M13/00—Testing of machine parts
    • G01M13/02—Gearings; Transmission mechanisms
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M17/00—Testing of vehicles

Definitions

  • the present invention relates to a method for automatic condition monitoring and damage monitoring of a component of a vehicle.
  • the present invention relates to condition monitoring and fault detection of vehicle components. Methods for condition monitoring are known from the prior art.
  • published application DE102016206809 A1 discloses a method for the automated detection of acoustic abnormalities in the signal of a rotation-synchronous noise source and for allocating possible causes.
  • the object is achieved by a computer-implemented method for automatic condition monitoring and damage monitoring of a component of a vehicle during operation of the vehicle, using a monitoring parameter, comprising the steps: providing a measurement signal from an acceleration sensor, the measurement signal comprising measurement values over the duration of a measurement cycle; determining acceleration amplitudes from a spectral analysis of the measurement signal; assigning the acceleration amplitudes to orders of excitation; determining time-dependent excitation amplitudes from mean values and standard deviations of the acceleration amplitudes for each of the orders; and calculating the signal kinetic energy as an integral of the time-dependent excitation amplitudes over all accelerations for each of the orders.
  • the core idea of a method according to the invention is that the signal energy can be calculated from the combination of mean value and standard deviation.
  • the signal energy can be used either directly or in a derived form for condition and damage monitoring and enables more reliable conclusions to be drawn about the condition and damage of a component than parameters used in the prior art.
  • Parameters that can be used according to the invention for condition and damage monitoring are a kinetic signal energy, a vibration-induced damage index, a relative damage of the component, a cumulative damage index and an energy state of the component. The determination of these parameters is based on the same inventive idea.
  • Condition monitoring is done through automated monitoring of the monitoring parameter. A deviation of the monitoring parameter from an expected value can be interpreted as a change in status or damage event of the component.
  • the expected value can be an average value measured in the undamaged condition.
  • the Measurement signal is connected to the component to be monitored.
  • the acceleration sensor can be arranged on or in the vicinity of the component. If a change in status of the monitored component or a damage event is detected, a warning signal can be output and/or the monitored component and/or other components of the vehicle connected to the monitored component can be switched off.
  • the method further comprises the step of: determining a vibration-induced damage index by normalizing the time-dependent excitation amplitudes for each of the orders to a reference energy.
  • the steps performed for each of the orders are performed separately for each of the orders.
  • the method can also include the step of determining relative damage to the component using a damage model, with the damage model using the vibration-induced damage index to determine the relative damage.
  • the reference energy is an average of kinetic signal energies from measured values at the beginning of the measurement cycle.
  • the method also includes the step of determining a cumulative damage index as the difference between the sum of vibration-induced damage indices of the measurement cycle and a reference value, the reference value representing unchanged behavior of the component
  • the method is carried out on a vehicle test bench. Furthermore, it can be provided that a Fourier transformation of the measurement signal is carried out to determine the acceleration amplitudes.
  • the signal from the acceleration sensor is compared with a normalized signal from a second sensor and the normalized signal from the second sensor is used for automatic condition monitoring and damage monitoring.
  • the method according to the invention also comprises the steps: determining the energy state of the component by summing up all the kinetic signal energies of the measurement cycle; and normalizing the sum of all kinetic signal energies to a reference energy, the reference energy being an average value of kinetic signal energies from measured values at the start of the measurement cycle.
  • the invention provides an apparatus for carrying out a method according to any one of claims 1 to 10.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a device for parallel condition monitoring and damage monitoring of a component of a vehicle according to a particular embodiment of the invention
  • 3 shows an exemplary schematic representation of a spectral analysis of a measurement signal according to a particular embodiment of the invention
  • 4 shows a frequency spectrum of a statistical analysis of all order lines of a measurement signal
  • FIG. 6 shows a detailed view of the result of the order tracking for the third order from FIG. 5,
  • FIG. 7 shows the signal energy from FIG. 5 for the first three orders and a respectively associated vibration-induced damage index as a function of the measurement time
  • Fig. 10 A spectrum of cumulative vibration-induced damage indices based on the spectrum of Figure 8,
  • Fig. 11 is a diagram of C-VIDI signals of different frequencies.
  • FIG. 1 schematically shows a device 10 for parallel condition monitoring and damage monitoring of a component 14 of a vehicle.
  • the device includes a computing unit 12 which is connected to two acceleration sensors 16 in terms of signals. Acceleration sensors 16 are set up to record vibrations 18 of component 14 as measurement signals detect.
  • the component 14 is located in a vehicle (not shown in detail), which can be operated, for example, on a vehicle test bench (also not shown in detail).
  • the computing unit 12 is located outside the vehicle. The embodiment shown takes place on a vehicle test stand, but can also be used inside a vehicle.
  • FIG. 2 shows an exemplary measurement signal 20 of an acceleration sensor 16 according to a special embodiment of the invention.
  • the measurement signal 20 shows the amplitude of a component measured by an acceleration sensor 16, the measurement signal being recorded over a period of 20 s.
  • the measurement signal basically has at least one periodic component and, in this example, decreases over the duration of the measurement.
  • FIG. 3 shows an exemplary schematic representation of a spectral analysis 22 of a measurement signal 20 according to a particular embodiment of the invention.
  • the spectral analysis is the result of a Fourier transformation of measurement signals 20 recorded at different time periods. The vehicle was operated in different operating states during the different measurement time periods. In this example, the entire measurement cycle has a length of 90 s. The parameters of the spectral analysis can always be set manually.
  • the spectral analysis 22 shows acceleration amplitudes 24 for the different time periods as lines of different line widths. The line width here corresponds to the intensity of the measurement signal 20 associated with a respective frequency. Due to the black-and-white representation, particularly less intensive acceleration amplitudes 24 in this reproduction of a real spectral analysis 22 are not shown in detail.
  • Acceleration amplitudes 24 have also been measured in time periods between 0 s and 40 s, but only those with low intensity.
  • the acceleration amplitudes 24 can each be assigned to an associated order.
  • the order line 26 shown as a dashed line indicates the frequencies of the acceleration amplitudes 24 of an order at different times. Each data point along order line 26 corresponds to an amplitude at that frequency.
  • FIG. 4 shows a frequency spectrum 28 of a statistical analysis of all order lines 26 of a measurement signal 20.
  • the size of the excitation amplitude 36 is determined forwards along each order line 26 using a spectral analysis for each time step.
  • the excitation amplitudes 36 include mean values and standard deviations of the acceleration amplitudes 24 separately for each of the orders.
  • the frequency spectrum 28 is then created from the statistical analysis of this data record along the order lines 26, which reproduces the mean value and standard deviation of the excitation amplitudes 36 along all order lines. This process step is also called order tracking.
  • the frequency spectrum 28 shows a first-order signal 30 at approximately 143 Hz, a second-order signal 32 at approximately 287 Hz, and a third-order signal 34 at approximately 430 Hz.
  • FIG. 5 shows excitation amplitudes 36 for measurement signals 20 of the first three orders separately and associated signal energies 38 as a function of the measurement time.
  • the excitation amplitudes 36 are plotted over time in any units of the respective measurement signal.
  • the kinetic signal energy 38 can be calculated on the basis of the results of the statistical analysis of all order lines of the amplitudes shown in FIG. 4, including the mean amplitude and its standard deviation.
  • the signal energy is calculated individually for each new measurement, i.e. for each time step.
  • a temporal development of the signal energies 38 can be determined via the assignment of the calculated kinetic signal energy 38 .
  • the signal energy 38 of each order is basically made up of a number of amplitudes, each of which represents a distribution and is reproduced in FIG.
  • FIG. 6 shows a detailed view 40 of the excitation amplitude 36 for signals of the third order from FIG. 5.
  • This detailed view 40 explains by way of example how the calculation of the signal energy 38 is carried out.
  • the tracking of the order of the acceleration measurement also contains information about the mean value 44 and the standard deviation 46 of the acceleration at each point in time. First, the assumption is made that the distribution of the acceleration signals for each order corresponds to a Gaussian distribution.
  • the total kinetic signal energy E of an order is then obtained as an integral from 0 to infinity over all accelerations.
  • FIG. 7 shows the signal energy 38 from FIG. 5 for the first three orders and a respectively associated vibration-induced damage index (VIDI) 48 over the measurement period.
  • the vibration-induced damage index 48 is determined by normalizing the excitation amplitudes 36 for each of the orders separately.
  • a reference energy is calculated.
  • the mean value from several kinetic signal energies determined at the beginning of a measurement cycle is calculated as the reference energy.
  • the number of kinetic signal energies used to calculate the mean value should not be too small, so that the influence of strongly deviating signal energies does not become too great. However, the number should not be too large either, in order to identify a development that deviates from the mean value as early as possible to be able to In the example shown in FIG. 7, kinetic signal energies derived from the first five measurements were used to determine the reference energy. All subsequently determined kinetic signal energies are compared with the reference energy. The normalization of the data allows different data to be compared with one another and the relative influence of different damage events on the measurement signal from a sensor to be identified.
  • the vibration-induced damage index 48 of a first-order signal fluctuates around the reference energy in the measurement period.
  • a vibration-induced damage index 48 of a second- and third-order signal increases, in particular after a measurement time of approximately 3350 s. This increase may indicate a damaging event.
  • FIG. 8 shows a VIDI spectrum 50 of an exemplary measurement.
  • the VIDI spectrum 50 corresponds to a combination of vibration-induced damage indices 48 for all orders plotted over a measurement period.
  • Short-term changes in status can be identified as individual signals 52 in a simple manner in the VIDI spectrum 50 .
  • Signal combinations 54 at a specific time over a larger number of frequencies also allow the identification of a larger damage event at this point in time. If a signal combination occurs at a frequency over a longer period of time (not shown in detail), the development of a damage event can be tracked via the VIDI spectrum 50 in a particularly simple manner.
  • FIG. 9 shows the excitation amplitude 36 of the third-order measurement signal from FIG. 5, an associated normalized signal energy 60 and a vibration-induced damage index 48 of the same signal in comparison.
  • the normalized signal energy 60 shows a distribution of a reference energy 56 and a distribution of a measurement energy 58, which contains measured values measured at a fixed point in time. The level of the distribution is normalized to the reference energy 56 .
  • the vibration induced damage index is a value for identifying critical vibrations in relation to the total energy of the system. VIDI signals can be compared to identify significant vibration changes and their effects.
  • a value for the vibration-induced damage index VIDI is calculated according to: where the reference energy Eref is defined as the kinetic energy of a reference signal and the measurement energy E is defined as the kinetic energy of a measurement signal. If the measurement signal E is currently being measured, a currently occurring vibration change can be determined using the VIDI index.
  • a damage model can be generated from VIDI. From basic physical considerations it is known that an acceleration a is proportional to the accelerated mass M, the mass M is proportional to the force F used for the acceleration and the force F is proportional to a stress ⁇ induced in the component: a ⁇ M ⁇ F ⁇ ⁇ .
  • the kinetic energy and potential energy of the signals are also proportional to each other.
  • the reference stress ⁇ ref is an average of all assumed stresses at each point in time of the calculation of the relative damage. A quick calculation leads to an updated relative damage equation:
  • n i (t) is the rotational speed for the respective measurement i
  • M i , pos (t) is the torque
  • k is the damage exponent, which is dependent on the damage model and damage mode that is excited.
  • the relative cumulative damage is calculated according to
  • VIDI values measured over a measurement period can be summed up in order to calculate an overall damage entry.
  • FIG 10 shows a C-VIDI spectrum 62 of cumulated vibration-induced damage indices 48 based on the VIDI spectrum 50 of Figure 8.
  • C-VIDI cumulated VIDI
  • C-VIDI cumulates the VIDI signals along each order.
  • deviations from the reference can be detected at an early stage.
  • a C-VIDI signal can also be identified in terms of its intensity in the case of a C-VIDI spectrum 62 with color scaling.
  • C-VIDI signals 64 of individual orders can be easily recognized and tracked.
  • the C-VIDI spectrum 62 shows a region 66 of increased C-VIDI signals. Due to the normalized data, a comparison of the C-VIDI signals of different orders is possible. An early rise in C-VIDI signals indicates a first damage event in a specific area that can be assigned based on the order of the signals. The status of a component can thus be read directly from a C-VIDI signal.
  • C-VIDI The cumulative VIDI
  • Figure 11 shows a diagram of C-VIDI signals of different frequencies. Due to the plot, differences between different orders and increases can also be identified in the black-and-white plot.
  • FIG. 12 shows a power state diagram 68 of three different sensors attached to a component 14.
  • FIG. An energy state of a first sensor 70, an energy state of a second sensor 72 and an energy state of a third sensor 74 are plotted in the diagram. The measurement of the energy state is plotted over a longer period of several weeks.
  • the energy state is an alternative to the calculation of the VIDI.
  • VIDI when calculating the energy state, the kinetic signal energy of each measurement is summed up and related to a reference energy, which in turn is based on the first 5 measurements.
  • the reference energy can be calculated as an average of a kinetic energy of the five measurements multiplied by the number of measurements. With the energy state calculated in this way, the entire signal behavior can be tracked over the test period.
  • the energy level can also rise above a value of 1.
  • a decreasing energy state means that the actually measured signal energy is increasing. The increase is reflected in a decrease in energy state due to higher signal energy.
  • an energy state of a third sensor 74 initially increases and rises above the value of 1, while it also decreases after approximately 21 days of measurement time.
  • the different curves of the energy state can be due to the different positions of the sensors. Calculation of the energy state also enables condition monitoring and damage monitoring of one or more components 14 of a vehicle.
  • VIDI Vibration Induced Damage Index

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Abstract

Computerimplementiertes Verfahren zur automatischen Zustandsüberwachung und Schadensüberwachung von einer Komponente eines Fahrzeugs während einem Betrieb des Fahrzeugs, mittels eines Überwachungsparameters, umfassend die Schritte: Bereitstellen eines Messsignals eines Beschleunigungssensors, wobei das Messsignal Messwerte über die Dauer eines Messzyklus umfasst; Bestimmen von Beschleunigungsamplituden aus einer Spektralanalyse des Messsignals; Zuordnen der Beschleunigungsamplituden zu Ordnungen der Anregung; Ermitteln von zeitabhängigen Anregungsamplituden aus Mittelwerten und Standardabweichungen der Beschleunigungsamplituden für jede der Ordnungen; und Berechnen der kinetischen Signalenergie als Integral der zeitabhängigen Anregungsamplituden über alle Beschleunigungen für jede der Ordnungen.

Description

Verfahren zur automatischen Zustandsüberwachung und Schadensüberwachung von einer Komponente eines Fahrzeugs
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen Zustandsüberwachung und Schadensüberwachung von einer Komponente eines Fahrzeugs.
Die vorliegende Erfindung betrifft die Zustandsüberwachung und die Fehlererkennung von Fahrzeugkomponenten. Verfahren zur Zustandsüberwachung sind aus dem Stand der Technik bekannt.
Aus der Offenlegungsschrift DE102016206809 A1 ist beispielsweise ein Verfahren zum automatisierten Erkennen von akustischen Auffälligkeiten im Signal einer rotationssynchronen Geräuschquelle sowie zur Zuordnung möglicher Verursacherquellen bekannt.
Aus der Offenlegungsschrift DE19933105 A1 ist ein Verfahren zum Prüfen und/oder Überwachen von Getrieben zur Schadenserkennung bzw. Früherkennung bekannt, bei dem mittels mindestens eines Sensors getriebespezifische Parameter gemessen und unter Anwendung sowohl einer Ordnungsanalyse als auch einer Frequenzanalyse mit vorbestimmten Referenzwerten verglichen und zu einem prüf- bzw. überwachungsspezifischen Signal verarbeitet werden.
Manche bekannte Verfahren sind jedoch nur auf eine bestimmte Fehlererkennung oder Anwendung spezifiziert. Auch die Einstellung der zu detektierenden Grenzwerte der für die Überwachung verwendeten Sensoren ist meist mit Schwierigkeiten verbunden. Ferner geben verfügbare Systeme keine Auskunft darüber, ob ein Fehler erkannt wurde und was die eigentliche Ursache des Fehlers ist.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise eine Zustands- und Schadensüberwachung von Fahrzeugkomponenten zu ermöglichen.
Die voranstehende Aufgabe wird gelöst, durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 11 . Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch ein computerimplementiertes Verfahren zur automatischen Zustandsüberwachung und Schadensüberwachung von einer Komponente eines Fahrzeugs während einem Betrieb des Fahrzeugs, mittels eines Überwachungsparameters, umfassend die Schritte: Bereitstellen eines Messsignals eines Beschleunigungssensors, wobei das Messsignal Messwerte über die Dauer eines Messzyklus umfasst; Bestimmen von Beschleunigungsamplituden aus einer Spektralanalyse des Messsignals; Zuordnen der Beschleunigungsamplituden zu Ordnungen der Anregung; Ermitteln von zeitabhängigen Anregungsamplituden aus Mittelwerten und Standardabweichungen der Beschleunigungsamplituden für jede der Ordnungen; und Berechnen der kinetischen Signalenergie als Integral der zeitabhängigen Anregungsamplituden über alle Beschleunigungen für jede der Ordnungen.
Der Kerngedanke eines erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass aus der Kombination aus Mittelwert und Standardabweichung eine Berechnung der Signalenergie ermöglicht wird. Die Signalenergie kann entweder direkt oder in abgeleiteter Form zur Zustands- und Schadensüberwachung genutzt werden und ermöglicht zuverlässigere Rückschlüsse auf Zustand und Schaden einer Komponente als im Stand der Technik verwendete Parameter. Zur Zustands- und Schadensüberwachung erfindungsgemäß verwendbare Parameter sind eine kinetische Signalenergie, ein vibrationsinduzierter Schadensindex, eine relative Schädigung der Komponente, ein kumulierter Schadensindex und ein Energiezustand der Komponente. Die Bestimmung dieser Parameter basiert auf derselben erfinderischen Idee. Die Zustandsüberwachung geschieht durch automatisierte Überwachung des Überwachungsparameters. Eine Abweichung des Überwachungsparameters von einem erwarteten Wert kann als Zustandsänderung oder Schadensereignis der Komponente interpretiert werden. Der erwartete Wert kann ein im schadensfreien Zustand gemessener Durchschnittswert sein. Das Messsignal steht mit der zu überwachenden Komponente in Verbindung. Beispielsweise kann der Beschleunigungssensor an oder in der Nähe der Komponente angeordnet sein. Wird eine Zustandsänderung der überwachten Komponente oder ein Schadensereignis festgestellt, kann ein Warnsignal ausgegeben werden und/oder eine Abschaltung der überwachten Komponente und/oder anderer mit der überwachten Komponente in Zusammenhang stehender Komponenten des Fahrzeugs veranlasst werden.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren ferner den Schritt: Ermitteln eines vibrationsinduzierten Schadensindex durch Normieren der zeitabhängigen Anregungsamplituden für jede der Ordnungen auf eine Referenzenergie.
Die für jede der Ordnungen durchgeführten Schritte werden insbesondere für jede der Ordnungen separat durchgeführt.
In einer bevorzugten Weiterbildung kann hierbei das Verfahren ferner den Schritt umfassen: Bestimmen einer relativen Schädigung der Komponente über ein Schadensmodell, wobei das Schadensmodell den vibrationsinduzierten Schadensindex zur Bestimmung der relativen Schädigung nutzt.
In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist die Referenzenergie ein Mittelwert von kinetischen Signalenergien aus Messwerten zu Beginn des Messzyklus.
Vorzugsweise kann hierbei vorgesehen sein, dass der Mittelwert auf kinetischen Signalenergien aus wenigstens fünf Messwerten basiert.
In einer weiteren besonderen Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner den Schritt: Ermitteln eines kumulierten Schadensindex als Differenz zwischen der Summe von vibrationsinduzierten Schadensindizes des Messzyklus und einem Referenzwert, wobei der Referenzwert ein unverändertes Verhalten der Komponente darstellt
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Verfahren an einem Fahrzeugprüfstand durchgeführt wird. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass für die Bestimmung der Beschleunigungsamplituden eine Fouriertransformation des Messsignals durchgeführt wird.
Gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Signal des Beschleunigungssensors mit einem normierten Signal eines zweiten Sensors verglichen wird und das normierte Signal des zweiten Sensors zur automatischen Zustandsüberwachung und Schadensüberwachung genutzt wird.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass das erfindungsgemäße Verfahren ferner die Schritte umfasst: Ermitteln des Energiezustands der Komponente durch Summieren aller kinetischen Signalenergien des Messzyklus; und Normieren der Summe aller kinetischen Signalenergien auf eine Referenzenergie, wobei die Referenzenergie ein Mittelwert von kinetischen Signalenergien aus Messwerten zu Beginn des Messzyklus ist.
Ferner liefert die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen schematisch:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur parallelen Zustandsüberwachung und Schadensüberwachung einer Komponente eines Fahrzeugs gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 2 ein exemplarisches Messsignal eines Beschleunigungssensors gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 3 eine exemplarische schematische Darstellung einer Spektralanalyse eines Messsignals gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung, Fig. 4 ein Frequenzspektrum einer statistischen Analyse aller Ordnungslinien eines Messsignals,
Fig. 5 Ergebnisse einer Ordnungsverfolgung für die ersten drei Ordnungen und dazugehörige Signalenergien gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 6 eine Detailansicht von dem Ergebnis der Ordnungsverfolgung für die dritte Ordnung aus Figur 5,
Fig. 7 die Signalenergie aus Figur 5 für die ersten drei Ordnungen und einen jeweils zugehörigen vibrationsinduzierter Schadensindex in Abhängigkeit der Messzeit,
Fig. 8 ein Spektrum von frequenzabhängigen vibrationsinduzierten Schadensindex einer exemplarischen Messung,
Fig. 9 die Beschleunigungsamplitude des Signals dritter Ordnung aus Figur 5, eine zugehörige normierte Signalenergie und einen vibrationsinduzierten Schadensindex des gleichen Signals im Vergleich,
Fig. 10 Ein Spektrum von kumulierten vibrationsinduzierten Schadensindizes basierend auf dem Spektrum von Figur 8,
Fig. 11 ein Diagramm von C-VIDI-Signalen unterschiedlicher Frequenzen, und
Fig. 12 ein Energiezustandsdiagramm von drei verschiedenen Sensoren.
Figur 1 zeigt schematisch eine Vorrichtung 10 zur parallelen Zustandsüberwachung und Schadensüberwachung von einer Komponente 14 eines Fahrzeugs. Die Vorrichtung umfasst eine Recheneinheit 12, die mit zwei Beschleunigungssensoren 16 in signaltechnischer Verbindung steht. Die Beschleunigungssensoren 16 sind dazu eingerichtet, Vibrationen 18 der Komponente 14 als Messsignale zu detektieren. Die Komponente 14 befindet sich in einem Fahrzeug (nicht im Detail dargestellt), das beispielsweise an einem Fahrzeugprüfstand (ebenfalls nicht im Detail dargestellt) betrieben werden kann. Die Recheneinheit 12 befindet sich außerhalb des Fahrzeugs. Die dargestellte Ausführungsform findet an einem Fahrzeugprüfstand statt, kann jedoch auch im Inneren eines Fahrzeugs eingesetzt werden.
Figur 2 zeigt ein exemplarisches Messsignal 20 eines Beschleunigungssensors 16 gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung. Das Messsignal 20 zeigt die von einem Beschleunigungssensor 16 gemessene Amplitude einer Komponente, wobei das Messsignal über die Dauer von 20s aufgenommen wurde. Das Messsignal hat grundsätzlich mindestens eine periodische Komponente und nimmt in diesem Beispiel über die Dauer der Messung ab.
Figur 3 zeigt eine exemplarische schematische Darstellung einer Spektralanalyse 22 eines Messsignals 20 gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung. Die Spektralanalyse ist das Ergebnis einer Fouriertransformation von zu unterschiedlichen Zeiträumen aufgenommenen Messsignalen 20. Während der unterschiedlichen Zeiträume der Messung wurde das Fahrzeug in unterschiedlichen Betriebszuständen betrieben. Der gesamte Messzyklus hat in diesem Beispiel eine Länge von 90 s. Die Parameter der Spektralanalyse können grundsätzlich manuell festgelegt werden. Die Spektralanalyse 22 zeigt Beschleunigungsamplituden 24 für die verschiedenen Zeiträume als Linien unterschiedlicher Linienstärke. Die Linienstärke entspricht hierbei der Intensität des zu einer jeweiligen Frequenz gehörigen Messsignals 20. Aufgrund der Darstellung in Schwarz-Weiß sind besonders wenig intensive Beschleunigungsamplituden 24 dieser Wiedergabe einer realen Spektralanalyse 22 nicht im Detail dargestellt. Auch in Zeiträumen zwischen 0 s und 40 s sind Beschleunigungsamplituden 24 gemessen worden, jedoch nur solche, mit geringer Intensität. Die Beschleunigungsamplituden 24 können jeweils einer zugehörigen Ordnung zugeordnet werden. Die als gestrichelte Linie dargestellte Ordnungslinie 26 zeigt die Frequenzen der Beschleunigungsamplituden 24 einer Ordnung zu unterschiedlichen Zeiten an. Jeder Datenpunkt entlang der Ordnungslinie 26 entspricht einer Amplitude bei dieser Frequenz. Figur 4 zeigt ein Frequenzspektrum 28 einer statistischen Analyse aller Ordnungslinien 26 eines Messsignals 20. Für die statistische Analyse der Ordnungslinien 26 wird entlang jeder Ordnungslinie 26 mithilfe einer Spektralanalyse für jeden Zeitschritt vorwärts die Größe der Anregungsamplitude 36 bestimmt. Die Anregungsamplituden 36 umfassen dabei Mittelwerte und Standardabweichungen der Beschleunigungsamplituden 24 für jede der Ordnungen separat. Aus der statistischen Analyse dieses Datensatzes entlang der Ordnungslinien 26 wird anschließend das Frequenzspektrum 28 erstellt, das Mittelwert und Standardabweichung der Anregungsamplituden 36 entlang aller Ordnungslinien wiedergibt. Dieser Prozessschritt wird auch Ordnungsverfolgung genannt. Das Frequenzspektrum 28 zeigt insbesondere ein Signal erster Ordnung 30 bei ca. 143 Hz, ein Signal zweiter Ordnung 32 bei ca. 287 Hz und ein Signal dritter Ordnung 34 bei ca. 430 Hz.
Figur 5 zeigt Anregungsamplituden 36 für Messsignale 20 der ersten drei Ordnungen separat und dazugehörige Signalenergien 38 in Abhängigkeit der Messzeit. Die Anregungsamplituden 36 sind in beliebigen Einheiten des jeweiligen Messsignals über die Zeit aufgetragen.
Anhand der in Figur 4 gezeigten Ergebnisse der statistischen Analyse aller Ordnungslinien der Amplituden, einschließlich der mittleren Amplitude und ihrer Standardabweichung, lässt sich die kinetische Signalenergie 38 berechnen. Die Signalenergie wird für jede neue Messung, also für jeden Zeitschritt, einzeln berechnet. Über die Zuordnung der berechneten kinetischen Signalenergie 38 kann eine zeitliche Entwicklung der Signalenergien 38 bestimmt werden. Die Signalenergie 38 jeder Ordnung setzt sich grundsätzlich aus mehreren Amplituden zusammen, die jeweils eine Verteilung darstellen und in Fig. 5 wiedergegeben sind.
Figur 6 zeigt eine Detailansicht 40 der Anregungsamplitude 36 für Signale der die dritten Ordnung aus Figur 5. An dieser Detailansicht 40 wird exemplarisch erläutert, wie die Berechnung der Signalenergie 38 durchgeführt wird. Die Ordnungsverfolgung der Beschleunigungsmessung enthält neben den konkreten Messwerten 42 auch Informationen über den Mittelwert 44 und die Standardabweichung 46 der Beschleunigung zu jedem Zeitpunkt. Zunächst wird die Annahme getroffen, dass die Verteilung der Beschleunigungssignale für jede Ordnung einer Gaußschen Normalverteilung entspricht.
Die Energieverteilung jeder Ordnung wird anschließend als kinetische Energie berechnet über:
Figure imgf000010_0001
Wobei m die Masse, v die Geschwindigkeit, a die Beschleunigung und ω =2*π *v die Kreisfrequenz angibt. Mit der Annahme, dass die die Signale der Beschleunigungsamplitude normalverteilt sind, führt das zu
Figure imgf000010_0002
mit der Verteilung der Messwerte wobei μ den
Figure imgf000010_0003
Mittelwert und σ die Standardabweichung angibt. Für eine gewählte Ordnung ist der erste Faktor konstant, womit die Formel vereinfacht werden kann, zu: dE = a *N(μ,σ)* da
Die gesamte kinetische Signalenergie E einer Ordnung ergibt sich anschließend als Integral von 0 bis unendlich über alle Beschleunigungen.
Figur 7 zeigt die Signalenergie 38 aus Figur 5 für die ersten drei Ordnungen und einen jeweils zugehörigen vibrationsinduzierten Schadensindex (VIDI) 48 über die Messdauer. Der vibrationsinduzierte Schadensindex 48 wird durch Normieren der Anregungsamplituden 36 für jede der Ordnungen separat ermittelt.
Zur Berechnung des vibrationsinduzierten Schadensindex 48 wird eine Referenzenergie berechnet. Im gewählten Beispiel wird als Referenzenergie der Mittelwert aus mehreren zu Beginn eines Messzyklus bestimmten kinetischen Signalenergien berechnet. Die Anzahl der zur Berechnung des Mittelwerts genutzten kinetischen Signalenergien sollte nicht zu gering sein, um den Einfluss von stark abweichenden Signalenergien nicht zu groß werden zu lassen, Die Anzahl sollte aber auch nicht zu groß gewählt sein, um eine vom Mittelwert abweichende Entwicklung möglichst frühzeitig erkennen zu können. Im in Fig. 7 gezeigten Beispiel wurden kinetische Signalenergien, die aus den ersten fünf Messungen abgeleitet wurden, zur Bestimmung der Referenzenergie genutzt. Alle anschließend bestimmten kinetischen Signalenergien werden mit der Referenzenergie verglichen. Die Normierung der Daten erlaubt, unterschiedliche Daten miteinander zu vergleichen und einen relativen Einfluss unterschiedlicher Schadensereignisse auf das Messsignal von einem Sensor zu identifizieren.
In Figur 7 ist zu erkennen, dass der vibrationsinduzierte Schadensindex 48 eines Signals ersten Ordnung im Messzeitraum um die Referenzenergie schwankt. Ein vibrationsinduzierter Schadensindex 48 eines Signals zweiter und dritter Ordnung steigt dagegen insbesondere nach einer Messzeit von etwa 3350 s an. Dieser Anstieg kann auf ein Schadensereignis hindeuten.
Figur 8 zeigt ein VIDI-Spektrum 50 einer exemplarischen Messung. Das VIDI- Spektrum 50 entspricht einer Kombination aus über eine Messdauer aufgetragenen vibrationsinduzierten Schadensindizes 48 für alle Ordnungen. In dem VIDI-Spektrum 50 lassen sich auf einfache Art und Weise kurzfristige Zustandsänderungen als Einzelsignale 52 identifizieren. Signalkombinationen 54 zu einer bestimmten Zeit über eine größere Anzahl von Frequenzen erlauben außerdem die Identifikation eines größeren Schadensereignisses zu diesem Zeitpunkt. Tritt eine Signalkombination bei einer Frequenz über einen längeren Zeitraum auf (nicht im Detail dargestellt), ist eine Nachverfolgung der Entwicklung eines Schadensereignisses über das VIDI-Spektrum 50 auf besonders einfache Weise möglich.
Figur 9 zeigt die Anregungsamplitude 36 des Messsignals dritter Ordnung aus Figur 5, eine zugehörige normierte Signalenergie 60 und einen vibrationsinduzierten Schadensindex 48 des gleichen Signals im Vergleich. Die normierte Signalenergie 60 zeigt eine Verteilung einer Referenzenergie 56 und eine Verteilung einer Messenergie 58, die zu einem festen Zeitpunkt gemessene Messwerte enthält. Die Höhe der Verteilung ist auf die Referenzenergie 56 normiert.
Der vibrationsinduzierte Schadensindex (vibration induced damage index, VIDI) ist ein Wert zur Identifikation von kritischen Schwingungen in Bezug auf die Gesamtenergie des Systems. VIDI-Signale können miteinander verglichen werden, um signifikante Vibrationsveränderungen und deren Auswirkungen zu ermitteln. Ein Wert für den vibrationsinduzierten Schadensindex VIDI berechnet sich nach:
Figure imgf000012_0001
wobei die Referenzenergie Eref als kinetische Energie eines Referenzsignals und die Messenergie E als kinetische Energie eines Messsignals definiert sind. Wird das Messsignal E aktuell gemessen, lässt sich mittels des VIDI-Index eine aktuell stattfindende Vibrationsänderung ermitteln.
In einer Erweiterung der Erfindung lässt sich aus VIDI ein Schadensmodell generieren. Aus grundlegenden physikalischen Überlegungen ist bekannt, dass eine Beschleunigung a proportional zur beschleunigten Masse M, die Masse M proportional zur für die Beschleunigung aufgewendete Kraft F und die Kraft F proportional zu einer im Bauteil induzierten Spannung σ ist: a ~ M ~ F ~ σ.
Die kinetische Energie und die potenzielle Energie der Signale sind ebenfalls proportional zueinander. Für eine bestimmte Komponente kann die potenzielle Energie wie folgt geschrieben werden dEpot = σ * dV
Dies lässt sich mit der Formel zur Berechnung von VIDI kombinieren, wonach folgt:
Figure imgf000012_0002
Die Referenzspannung σref ist ein Mittelwert aller angenommene Spannungen zu jedem Zeitpunkt der Berechnung der relativen Schädigung. Eine kurze Berechnung führt zu einer aktualisierten Gleichung für die relative Schädigung:
Figure imgf000012_0003
Hierbei ist ni(t) die Drehzahl für die jeweilige Messung i, Mi,pos(t) das Drehmoment und k der Schadensexponent, der abhängig vom Schadensmodell und Schadensmode, die angeregt wird, ist. Das bedeutet, dass die Kombination aus einer VIDI-Messung aus Beschleunigungsmessung und einem Schadensmodell den aktuellen Zustand neu berechnet und den relativen kumulierten Schadenswert RAD (relative accumulated damage) für jede Komponente eines Fahrzeugs anpasst.
Die relative kumulierte Schädigung berechnet sich nach
RAD = AF × tTest/tRef mit dem Beschleunigungsfaktor (acceleration factor)
AF = Dtest/DRef .
Alternativ zu einem aus einem VIDI berechneten Schadensmodell lassen sich über eine Messzeitraum gemessene VIDI Werte summieren, um einen Gesamtschadenseintrag zu berechnen.
Figur 10 zeigt ein C-VIDI-Spektrum 62 von kumulierten vibrationsinduzierten Schadensindizes 48 basierend auf dem VIDI-Spektrum 50 von Figur 8. C-VIDI (cumulated VIDI) kumuliert die VIDI-Signale entlang jeder Ordnung. Mit der Auftragung der C-VIDI-Signale in einem Spektrum 62 lassen sich Abweichungen von der Referenz frühzeitig erkennen. Im Gegensatz zu der hier gewählten Skalierung in schwarz/weiß kann bei einem C-VIDI-Spektrum 62 mit Farbskalierung ein C-VIDI- Signal auch in seiner Intensität identifiziert werden. In dem C-VIDI-Spektrum 62 ist zu erkennen, dass sich C-VIDI-Signale 64 einzelner Ordnungen leicht erkennen und verfolgen lassen. Weiterhin zeigt das C-VIDI-Spektrum 62 einen Bereich 66 erhöhter C-VIDI-Signale. Aufgrund der normalisierten Daten ist ein Vergleich der C-VIDI- Signale unterschiedlicher Ordnungen möglich. Ein früher Anstieg von C-VIDI- Signalen deutet auf ein erstes Schadensereignis in einem bestimmten Bereich hin, der auf der Grundlage der Reihenfolge der Signale zugeordnet werden kann. Der Zustand eines Bauteils lässt sich somit direkt aus einem C-VIDI-Signal ablesen.
Der kumulierte VIDI (C-VIDI) ist ein guter Indikator dafür, wann eine Verhaltensänderung jeder einzelnen Ordnung in einer frühen Phase der Messung stattgefunden hat. C-VIDI-Werte sind miteinander vergleichbar, d.h. eine Ordnung mit höheren VIDI-Werten hat auch höhere Verhaltensänderungen als eine Ordnung mit niedrigerem VIDI-Wert. Die Berechnung von C-VIDI, Γ, basiert auf der Summierung der Differenz zwischen dem aktuellen VIDI-Wert und dem Referenzwert, der ein unverändertes Verhalten der Komponente für alle Zyklen darstellt (VIDI_ref = 1 ,0):
Figure imgf000014_0001
Figur 11 zeigt ein Diagramm von C-VIDI-Signalen unterschiedlicher Frequenzen. Durch die Auftragung sind Unterschiede zwischen verschiedenen Ordnungen und Anstiege auch in der schwarz-weiß-Auftragung identifizierbar.
Fig. 12 zeigt ein Energiezustandsdiagramm 68 von drei verschiedenen an einer Komponente 14 angebrachten Sensoren. Im Diagramm ist ein Energiezustand eines ersten Sensors 70, ein Energiezustand eines zweiten Sensors 72 und ein Energiezustand eines dritten Sensors 74 aufgetragen. Die Messung des Energiezustands ist über einen längeren Zeitraum von mehreren Wochen aufgetragen.
Der Energiezustand ist eine Alternative zur Berechnung des VIDI. Im Gegensatz zu VIDI wird bei der Berechnung des Energiezustands die kinetische Signalenergie jeder Messung aufsummiert und auf eine Referenzenergie bezogen, die wiederum auf den ersten 5 Messungen basiert. Die Referenzenergie kann als Mittelwert einer kinetischen Energie der fünf Messungen multipliziert mit der Anzahl der Messungen berechnet werden. Mit dem so berechneten Energiezustand kann das gesamte Signalverhalten über die Testzeit verfolgt werden. Der Energiezustand kann dabei auch über einen Wert von 1 ansteigen.
Ein abnehmender Energiezustand bedeutet, dass die tatsächlich gemessene Signalenergie zunimmt. Die Zunahme zeigt sich in einer Abnahme des Energiezustands aufgrund höherer Signalenergie.
Während im in Figur 12 gezeigten Beispiel ein Energiezustand eines ersten Sensors 70 und ein Energiezustand eines zweiten Sensors 72 über den gesamten Messzeitraum in etwa parallel und abnehmend verlaufen, nimmt ein Energiezustand eines dritten Sensors 74 zunächst zu und steigt über den Wert von 1 , währen er nach etwa 21 Tagen Messzeit ebenfalls abnimmt. Die unterschiedlichen Verläufe des Energiezustands können in unterschiedlichen Positionen der Sensoren begründet sein. Die Berechnung des Energiezustands ermöglicht ebenfalls eine Zustandsüberwachung und Schadensüberwachung von ein oder mehreren Komponenten 14 eines Fahrzeugs.
Die voranstehenden Erläuterungen zu den Ausführungsformen beschreiben die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen.
Bezugszeichenliste
10 Vorrichtung zur parallelen Zustands- und Schadensüberwachung
12 Recheneinheit
14 Komponente
16 Beschleunigungssensor
18 Vibration
20 Messsignal
22 Spektralanalyse
24 Beschleunigungsamplituden
26 Ordnungslinie
28 Frequenzspektrum
30 Signal erster Ordnung
32 Signal zweiter Ordnung
34 Signal dritter Ordnung
36 Anregungsamplitude
38 Signalenergie
40 Detailansicht
42 Messwerte
44 Mittelwert
46 Standardabweichung
48 vibrationsinduzierter Schadensindex (VIDI)
50 VIDI-Spektrum
52 Einzelsignal
54 Signalkombination
56 Referenzenergie
58 Messenergie
60 normierte Signalenergie
62 C-VIDI-Spektrum
64 C-VIDI-Signal einzelner Ordnung
66 Bereich erhöhter C-VIDI-Signale
68 Energiezustandsdiagramm
70 Energiezustand eines ersten Sensors 72 Energiezustand eines zweiten Sensors 74 Energiezustand eines dritten Sensors

Claims

Patentansprüche
1 . Computerimplementiertes Verfahren zur automatischen Zustandsüberwachung und Schadensüberwachung von einer Komponente (14) eines Fahrzeugs während einem Betrieb des Fahrzeugs, mittels eines Überwachungsparameters, umfassend die Schritte:
Bereitstellen eines Messsignals (20) eines Beschleunigungssensors, wobei das Messsignal (20) Messwerte über die Dauer eines Messzyklus umfasst;
Bestimmen von Beschleunigungsamplituden (24) aus einer Spektralanalyse des Messsignals (20);
Zuordnen der Beschleunigungsamplituden (24) zu Ordnungen der Anregung;
Ermitteln von zeitabhängigen Anregungsamplituden (36) aus Mittelwerten und Standardabweichungen der Beschleunigungsamplituden (24) für jede der Ordnungen; und
Berechnen der kinetischen Signalenergie (38) als Integral der zeitabhängigen Anregungsamplituden (36) über alle Beschleunigungen für jede der Ordnungen.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , das ferner den Schritt umfasst:
Ermitteln eines vibrationsinduzierten Schadensindex (48) durch Normieren der Anregungsamplituden (36) für jede der Ordnungen auf eine Referenzenergie.
3. Verfahren nach Anspruch 2, ferner umfassend den Schritt:
Bestimmen einer relativen Schädigung der Komponente (14) über ein Schadensmodell, wobei das Schadensmodell den vibrationsinduzierten Schadensindex (48) zur Bestimmung der relativen Schädigung nutzt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei die Referenzenergie ein Mittelwert von kinetischen Signalenergien (38) aus Messwerten zu Beginn des Messzyklus ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Mittelwert auf kinetischen Signalenergien (38), aus wenigstens fünf Messwerten, basiert.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend den Schritt:
Ermitteln eines kumulierten Schadensindex als Differenz zwischen der Summe von vibrationsinduzierten Schadensindizes (48) des Messzyklus und einem Referenzwert, wobei der Referenzwert ein unverändertes Verhalten der Komponente (14) darstellt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren an einem Fahrzeugprüfstand durchgeführt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für die Bestimmung der Beschleunigungsamplituden (24) eine Fouriertransformation des Messsignals (20) durchgeführt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Signal des Beschleunigungssensors (16) mit einem normierten Signal eines zweiten Sensors verglichen wird und das normierte Signal des zweiten Sensors zur automatischen Zustandsüberwachung und Schadensüberwachung genutzt wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend den Schritt:
Ermitteln des Energiezustands der Komponente (14) durch Summieren aller kinetischen Signalenergien (38) des Messzyklus; und
Normieren der Summe aller kinetischen Signalenergien (38) auf eine Referenzenergie, wobei die Referenzenergie ein Mittelwert von kinetischen Signalenergien (38) aus Messwerten zu Beginn des Messzyklus ist.
11. Vorrichtung (10) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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