DE102011082674A1

DE102011082674A1 - Verfahren zum Bestimmen eines Zeitpunktes eines Wechsels eines Betriebsmittels eines Aggregates

Info

Publication number: DE102011082674A1
Application number: DE102011082674A
Authority: DE
Inventors: Stefan Prebeck; Andreas Keller; Martin Sagmeister; Martin Klaffenböck
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2011-09-14
Filing date: 2011-09-14
Publication date: 2013-03-14

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Bestimmen eines Zeitpunktes eines Wechsels eines Betriebsmittels eines Aggregates, insbesondere eines Hydraulikfluides einer Getriebevorrichtung, unter Berücksichtigung von in Abhängigkeit aktueller Betriebszustände des Aggregates variierenden aktuellen Temperaturen (T_G, T_H, T_B) des Betriebsmittels beschrieben. In Abhängigkeit der zu einem definierten Zeitpunkt jeweils ermittelten aktuellen Temperatur (T_G, T_H, T_B) des Betriebsmittels wird eine mit der aktuellen Temperatur (T_G, T_H, T_B) korrespondierende Schädigungszeit (t_G, t_H, t_B) des Betriebsmittels bestimmt, um die ein maximaler Zeitraum (t_max) bis zu einem theoretischen Zeitpunkt eines Wechsels des Betriebsmittels reduziert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Zeitpunktes eines Wechsels eines Betriebsmittels eines Aggregates gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art.
Zur Leistungsübertragung, zur Schmierung, zur Ableitung von Wärme, zum Abtransport von Verschmutzungen, dem Korrosionsschutz oder dergleichen sind Aggregate, wie Getriebevorrichtungen oder Antriebsmaschinen bekannterweise mit Betriebsmittel bzw. Hydraulikfluid führenden Einrichtungen ausgebildet. Während des Betriebes der Aggregate treten physikalisch und chemisch nicht reversible Veränderungen im Bereich der Betriebsmittel auf, aus denen beispielsweise Alterungsprodukte in den Betriebsmitteln resultieren oder die eine Erschöpfung der den Betriebsmitteln zugesetzten Additiven bewirken und die eine Leistungsfähigkeit eines Schmierstoffs herabsetzen. Dies führt wiederum zu einer Verschlechterung eines Betriebsverhaltens und einer Standfestigkeit der jeweils vorliegenden Konstruktion eines Aggregates. Aus diesem Grund werden die Betriebsmittel der Aggregate in regelmäßigen Abständen beispielsweise in Form eines Ölwechsels ersetzt.
Um ein Betriebsmittel über seine gesamte Lebensdauer zu nutzen und damit Betriebskosten zu senken und gleichzeitig eine Umweltbelastung zu reduzieren, wird versucht, die Ölwechselintervalle durch verschiedenste Vorgehensweisen möglichst flexibel zu gestalten und auch die Qualität der Betriebsmittel zu verbessern und dadurch die Wechselintervalle verlängern zu können. Hierfür werden das jeweils geeignete Betriebsmittel sowie dessen Wechselintervalle auf die jeweilige Konstruktion festgelegt und die Ölwechselintervalle derart abgestimmt, dass auch bei ungünstigen Betriebsbedingungen noch Qualitätsreserven vorhanden sind.
Um für in PKW-Motoren eingesetztes Motoröl flexible Ölwechselintervalle realisieren zu können, sind unterschiedliche Lösungen bekannt. So werden beispielsweise von verschiedenen Herstellern Ölwechselintervalle für PKW-Motoren fest vorgeschrieben, wobei die Wechselintervalle aktuell auf eine Fahrleistung von ca. 15.000 Kilometern oder zeitlich auf 12 Monate begrenzt werden.
Alternativ hierzu werden Ölwechselintervalle mittels einer direkten oder indirekten Qualitätsüberwachung des Betriebsmittels bzw. des Schmierstoffs flexibel festgelegt. Kurz vor Erreichen des Endes oder bei Ablauf des Intervalls wird der anstehende Wechsel des Betriebsmittels im Fahrzeug optisch oder akustisch über entsprechende Mittel angezeigt. Dabei variieren die Ölwechselintervalle beispielsweise in Abhängigkeit der jeweiligen Einsatzbedingungen und auch in Abhängigkeit des Fahrstiles eines Fahrers. Bei der indirekten Qualitätsüberwachung werden verschiedenste Motorbetriebsparameter berücksichtigt und in mathematischen Modellen bzw. Algorithmen verarbeitet. Aus den aufgenommenen Parametern wird im Algorithmus eine Restlaufstrecke bis zum nächsten Motorölwartungszeitpunkt berechnet, in dem eine ermittelte fiktive Wegstrecke von einem vorgegebenen Gesamtstreckenpotential subtrahiert wird.
Nachteilhafterweise wird bei der indirekten Qualitätsüberwachung jedoch der tatsächliche Ölzustand nicht berücksichtigt.
Der aktuelle Ölzustand wird bei gemeinsamen Entwicklungen der Fahrzeug- und Mineralölindustrie über die direkte Qualitätsüberwachung des Motorenöls im Fahrzeug mit Hilfe zusätzlicher Ölsensoren versucht zu überwachen. Dabei wird die indirekte Qualitätsüberwachung durch die direkte Qualitätsüberwachung unterstützt. Bei der Festlegung flexibler Ölwechselintervalle bietet die zusätzliche Erfassung des Ölzustandes im Betrieb eine Reihe von Vorteilen. Die Erfassung der indirekten Betriebsdaten definiert die maximal mögliche Öllaufleistung in Abhängigkeit von den Motorbetriebsparametern. Die direkte Qualitätsüberwachung bzw. Messung des Ölzustandes mittels einer Sensoreinrichtung modifiziert dann das aus den Betriebsdaten hergeleitete Resultat. Ein überproportional großer Abbau der Ölqualität führt zu einer Verkürzung der empfohlenen Laufleistung und gewährleistet damit die Betriebssicherheit. Dies kann zu einer noch genaueren Vorhersage des Ölwechselzeitpunktes beitragen.
Dabei ist jedoch von Nachteil, dass die direkte Erfassung der Ölqualität mit vielen Unsicherheitsfaktoren bezüglich der Messgenauigkeit verbunden ist.
Aus der DE 10 2006 015 678 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung des Zeitpunktes eines erforderlichen Wechsels für ein Betriebsmedium, insbesondere Öl, während des Betriebes eines Antriebsaggregates in Antriebssträngen bekannt. Für das verwendete Betriebsmittel wird eine Lebensdauerkennlinie vorgegeben, die die zeitliche Verfügbarkeit des Betriebsmittels als Funktion einer die Temperatur des Betriebsmittels während des Betriebes im Antriebsaggregat wenigstens mittelbar charakterisierende Größe abbildet. Die Temperatur des Betriebsmittels wird während des Betriebes des Antriebsaggregates überwacht und die Zeitdauer des Auftretens einer Temperatur bestimmter Größe als Einzelschaden zu einer Schadenssumme aufsummiert. Eine Grenzschadenssumme wird vordefiniert, die durch die Lebensdauerkennlinie vorgegeben ist oder aber als Funktion von dieser gebildet wird. Die Schadenssumme wird mit der Grenzschadenssumme verglichen und zumindest bei Erreichen der Grenzschadenssumme für eine bestimmte Temperatur ein erforderlicher Wechsel des Betriebsmittels signalisiert.
Zur Berechnung der Öl-Lebensdauervorhersage wird der vorhandene bzw. klassierte Zeitraum, über welchen das Betriebsmittel eine Temperatur aufweist, ins Verhältnis zur maximal erreichbaren Zeit gesetzt, die das Betriebsmittel bei der ermittelten Temperatur bis zu einem Wechselzeitpunkt des Betriebsmittels maximal aufweisen kann. Dabei wird der maximale Zeitraum, über welchen das Betriebsmittel eine bestimmte Temperatur aufweisen kann, über die Öl-Lebensdauerkennlinie bestimmt bzw. begrenzt.
Die Überwachung der Temperatur des Betriebsmittels erfolgt fortlaufend und es wird jedes Auftreten einer bestimmten Temperatur als Einzelschaden deklariert. Die einzelnen Einzelschäden werden hinsichtlich ihrer Häufigkeit summiert. So wird beispielsweise bei Auftreten einer bestimmten Temperatur die Anzahl der Zeiteinheiten aufsummiert und bei erneutem Auftreten dieser konkreten Temperatur die dann wiederum ermittelte vorhandene Zeiteinheit dazu summiert. Die sich ergebende Schadenssumme wird mit einer Grenzschadenssumme für diese konkrete Temperatur verglichen. Aus dem Vergleich der aktuellen Schadenssumme für eine konkrete Temperatur mit der Grenzschadenssumme für diese Temperatur ergibt sich dann der Ölwechselzeitpunkt. Dieser tritt zumindest spätestens dann ein, wenn die Grenzschadenssumme erreicht ist.
Nachteilhafterweise wird der relevante Betriebstemperaturbereich eines Betriebsmittels eines Aggregates in Temperaturklassen unterteilt, wodurch eine Bestimmung des Zeitpunktes eines erforderlichen Wechsels des Betriebsmittels nicht mit der gewünschten Genauigkeit ermittelbar ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Bestimmen eines Zeitpunktes eines Wechsels eines Betriebsmittels eines Aggregates zur Verfügung zu stellen, mittels welchem ein Zeitpunkt, zu welchem das Betriebsmittel zu wechseln ist, mit der gewünschten Genauigkeit ermittelbar ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
Während des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Zeitpunkt eines Wechsels eines Betriebsmittels eines Aggregates, insbesondere eines Hydraulikfluides einer Getriebevorrichtung unter Berücksichtigung von in Abhängigkeit aktueller Betriebszustände des Aggregates variierenden aktuellen Temperaturen des Betriebmediums durchgeführt. Erfindungsgemäß wird in Abhängigkeit der zu einem definierten Zeitpunkt jeweils ermittelten aktuellen Temperatur des Betriebsmittels eine mit der aktuellen Temperatur korrespondierende Schädigungszeit des Betriebsmittels bestimmt, um die ein maximaler Zeitraum bis zu einem theoretischen Zeitpunkt des Wechsels des Betriebsmittels reduziert wird.
Dabei entsprechen die jeweils ermittelten Schädigungszeiten des Betriebsmittels nicht einem tatsächlichen Zeitraum, über den die Temperatur des Betriebsmittels der jeweiligen Schädigungstemperatur entspricht bzw. über den die Schädigungstemperatur des Aggregates auf das Betriebsmittel einwirkt. Die Schädigungszeiten stehen jeweils stellvertretend für die thermischen Schädigungen, die von den jeweiligen Schädigungstemperaturen auf das Betriebsmittel zum definierten Zeitpunkt ausgehen, zu dem die aktuelle Temperatur des Betriebsmittels bestimmt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren stellt einen funktionierenden Algorithmus für die Bestimmung flexibler Wechselintervalle eines Betriebsmittels eines Aggregates dar, der mit möglichst geringem Aufwand unter Berücksichtigung der Einflüsse auf den Zustand des Betriebsmittels in bestehende Systeme implementierbar ist.
Zur Beschreibung des Zustandes des Betriebsmittels sind betriebliche, servicerelevante und konstruktive Einflussfaktoren sowie die Parameter für die Alterung des Betriebsmittels und eines Fremdstoffeintrages in Abhängigkeit der jeweils vorliegenden Konstruktion berücksichtigbar. Diese sind entweder rechnerisch oder aufgrund von Versuchsergebnissen indirekt oder über entsprechende Sensoreinrichtungen im Betriebsmittel direkt ermittelbar. Bei der Gewichtung von Einflüssen auf den Zustand des Betriebsmittels sind der spezifische Nutzen der Information und dessen technische Ermittlung im Hinblick auf die Verarbeitbarkeit im Algorithmus bzw. während der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens für die jeweilige Konstruktion zu prüfen.
Der Ablauf der erfindungsgemäßen Vorgehensweise basiert auf der Alterung des Betriebsmittels bzw. einer thermo-oxidativen Alterung des Betriebsmittels, deren Verlauf vorzugsweise mit Hilfe der Arrhenius-Gleichung für ideale Gase annähernd beschreibbar ist. Die Arrhenius-Gleichung beschreibt in der chemischen Kinetik die quantitative Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von der Temperatur. Der Zusammenhang besteht darin, dass bei einer Temperaturerhöhung von 10 °C die Reaktionsgeschwindigkeit und somit die thermische Alterung eines Betriebsmittels auf ihren doppelten Wert ansteigt.
Im Betrieb eines Aggregates werden die aktuellen Temperaturen des Betriebsmittels als so genannte Schädigungstemperaturen verarbeitet und stehen für die jeweiligen thermischen Einflussfaktoren des Zustandes des Betriebsmittels, wobei jeder ermittelten Schädigungstemperatur eine Schädigungszeit zugeordnet wird, die stellvertretend für die Reaktionsgeschwindigkeit steht.
Bei einer vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der um die Schädigungszeit reduzierte maximale Zeitraum jeweils als neuer maximaler Zeitraum hinterlegt. Damit ist ein für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorzuhaltender erforderlicher Speicher gering.
Werden für verschiedene Bereiche des Aggregates jeweils die dort vorliegenden Temperaturen des Betriebsmittels ermittelt und für jede Temperatur des Betriebsmittels eines Bereiches eine Schädigungszeit bestimmt, ist ein Einfluss der Temperatur des Betriebsmittels in einem Bereich auf die gesamte Menge des Betriebsmittels zumindest in Abhängigkeit des Verhältnisses des Anteiles des in dem jeweils betreffenden Bereich des Aggregates vorliegenden Betriebsmittels zur gesamten Menge des Betriebsmittels gewichtbar und der maximale Zeitraum jeweils um die Summe der gewichteten Schädigungszeiten reduzierbar.
Damit ist der Einfluss der Schädigungstemperaturen eines Teils des Betriebsmittels, der in einem bestimmten Bereich des Aggregates mit einer bestimmten Temperatur beaufschlagt und auf diese erwärmt wird, auf die gesamte Ölmenge beispielsweise prozentual über konstante Faktoren gewichtbar, wobei die Faktoren mit den jeweils zugehörigen Schädigungszeiten multiplizierbar und über eine Schädigungsgleichung zu einer momentanen Gesamtschädigungszeit aufaddierbar sind. Die derart ermittelte Gesamtschädigungszeit ist dabei abhängig von der Frequenz, mit der die erfindungsgemäße Vorgehensweise wiederholt wird, fortlaufend vom maximalen Zeitraum bis zum theoretischen Zeitpunkt des Wechsels des Betriebsmittels abziehbar.
Wird ein Startwert des maximalen Zeitraums in Abhängigkeit des Grenzwertes der Temperatur des Betriebsmittels bestimmt, unterhalb der eine Schädigung des Betriebsmittels wenigstens annähernd vernachlässigbar ist, entspricht der Startwert des maximalen Zeitraums bis zum theoretischen Zeitpunkt eines Wechsels des Betriebsmittels dem Zeitraum, über den das Betriebsmittel ohne thermo-oxidative Alterungsprozesse im Aggregat maximal einsetzbar ist.
Wird der Startwert des maximalen Zeitraums in Abhängigkeit der Arrhenius-Gleichung für ideale Gase ermittelt, ist der maximale Zeitraum mit geringem Aufwand bestimmbar.
Wird der Startwert des maximalen Zeitraums dagegen empirisch ermittelt, ist dieser für den jeweils vorliegenden Anwendungsfall mit hoher Genauigkeit zur Verfügung stellbar. Dabei ist der Startwert des maximalen Zeitraums beispielsweise über Alterungsversuche oder Analysen aus Feldtests und Lastläufen bestimmbar.
Bei einer mit geringer Rechenleistung durchführbaren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die temperaturabhängigen Schädigungszeiten in Abhängigkeit der Arrhenius-Gleichung für ideale Gase ermittelt.
Alternativ hierzu werden die temperaturabhängigen Schädigungszeiten mit hoher Genauigkeit für den jeweils vorliegenden Anwendungsfall empirisch ermittelt.
Eine einen aktuellen Betriebszustand eines Aggregates exakt abbildende Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die aktuelle Temperatur des Betriebsmediums während des Betriebs des Aggregates kontinuierlich über eine Temperaturmesseinrichtung bestimmt wird.
Bei einer mit geringem apparativem Aufwand durchführbaren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die aktuelle Temperatur des Betriebsmittels vorzugsweise von zumindest einem der Bereiche des Aggregates während des Betriebs des Aggregates kontinuierlich über eine Temperaturmesseinrichtung bestimmt und die Temperaturen des Betriebsmittels in den weiteren Bereichen werden rechnerisch in Abhängigkeit eines aktuellen Betriebszustandes des Aggregates auf Basis der messtechnisch ermittelten Temperatur des Betriebsmittels eines der Bereiche ermittelt.
Ist ein Aggregat ohne Temperaturmesseinrichtung ausgeführt, wird bei einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens als aktuelle Temperatur des Betriebsmediums eines der Bereiche gleich einer Grenztemperatur des Betriebsmediums angenommen, unterhalb der eine thermisch-oxidative Schädigung des Betriebsmediums vernachlässigbar ist, und die Temperaturen des Betriebsmediums in den weiteren Bereichen werden auf Basis der Grenztemperatur in Abhängigkeit des jeweils vorliegenden Betriebszustandes des Aggregates ermittelt.
Sowohl die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale als auch die im nachfolgenden Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Gegenstandes angegebenen Merkmale sind jeweils für sich alleine oder in beliebiger Kombination miteinander geeignet, den erfindungsgemäßen Gegenstand weiterzubilden. Die jeweiligen Merkmalskombinationen stellen hinsichtlich der Weiterbildung des Gegenstandes nach der Erfindung keine Einschränkung dar, sondern weisen im Wesentlichen lediglich beispielhaften Charakter auf.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen und dem unter Bezugnahme auf die Zeichnung prinzipmäßig beschriebenen Ausführungsbeispiel.
Es zeigt:
1 ein Blockschaltbild einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens;
2 ein Getriebeschema einer Getriebevorrichtung; und
3 ein Hydraulikschaltbild eines Hydrostaten der Getriebevorrichtung gemäß 2.
1 zeigt eine vereinfachte Blockschaltbilddarstellung einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bestimmen eines Zeitpunktes eines Wechsels eines Betriebsmittels eines Aggregates bzw. eines Hydraulikfluides einer in 2 näher dargestellten Getriebevorrichtung 1.
Da ein Abgleich mehrerer existierender Gebrauchtölanalysen aus Versuchsgetrieben ergeben hat, dass keine wesentliche Öl-Verschlechterung durch hohe Viskositätsänderungen, Partikel oder Abriebelemente zu erwarten ist, betrachtet das vorgestellte Verfahren bei der Bestimmung des Zeitpunktes des Hydraulikfluides vornehmlich thermische Einflussfaktoren, die in der später beschriebenen Art und Weise gewichtet werden. Das Verfahren ist beispielsweise im Bereich eines übergeordneten Fahrzeugsteuergerätes durchführbar, wobei das Verfahren auch im Bereich des Getriebesteuergerätes oder eines anderen Steuergerätes eines Fahrzeuges oder dergleichen durchgeführt werden kann.
Da ein Einfluss auf das Hydraulikfluid bzw. das Getriebeöl durch eine Arbeits- und Hubhydraulik eines mit der Getriebevorrichtung 1 ausgeführten Fahrzeuges aufgrund einer unabhängigen Ausführung einer Zusatzhydraulik von der Getriebevorrichtung 1 ausgeschlossen werden kann und eine Fahrzeughinterachse in Abhängigkeit des jeweils vorliegenden Anwendungsfalles einen gemeinsamen Ölhaushalt mit der Getriebevorrichtung aufweisen kann, werden die thermischen Öl-Einflussfaktoren auf den Schmierstoff bei der betrachteten Variante des Verfahrens hauptsächlich im Bereich einer Hydrostateinheit 2 der Getriebevorrichtung 1 und zwei nasslaufenden Lamellenbremsen im Bereich der Hinterachse, die in der Zeichnung nicht dargestellt ist, näher betrachtet.
Die Getriebevorrichtung 1 ist zur Bestimmung einer Einspeisetemperatur des Hydraulikfluides im Bereich der Hydrostateinrichtung 2 mit einer Temperaturmesseinrichtung ausgeführt. Die Einspeisetemperatur wird einer Getriebeöltemperatur gleichgesetzt, die das Hydraulikfluid im Bereich eines Ölsumpfes der Getriebevorrichtung 1 aufweist und die abhängig vom Betriebszustand der Getriebevorrichtung 1 schwankt. Der Ölsumpf stellt allgemein den Bereich der Getriebevorrichtung 1 mit der geringsten Betriebstemperatur dar.
Zur Ermittlung des Endes des Ölwechselintervalls wird die Einspeisetemperatur bzw. die damit korrespondierende Getriebeöltemperatur dem Verfahren als Schädigungstemperatur T_G der Getriebevorrichtung 1 zugrunde gelegt. Der Schädigungstemperatur T_G der Getriebevorrichtung 1 sowie den zusätzlichen thermischen Öl-Einflüssen durch die Hydrostateinheit 2 und der Lamellenbremsen der Hinterachse bzw. von Schädigungstemperaturen T_H, T_B in diesen Bereichen werden während des Betriebs in einem in 3 in einem Schritt S3 näher gezeigten Zeit-Temperatur-Schädigungsdiagramm Schädigungszeiten t_G, t_H und t_B fortlaufend zugeordnet. Dazugehörige konstante Einflussfaktoren k_G, k_H und k_B, die den thermischen Einfluss der Schädigungstemperaturen T_G, T_H und T_B auf die Gesamtölmenge beschreiben, werden ermittelt, gewichtet und in einem Schritt S5 über eine Schädigungsgleichung zur Bestimmung einer Gesamtschädigungszeit t_ges verwendet.
Die Abgreifrate der Schädigungstemperatur T beträgt 100 Hz und wird mit einer definierten Toleranz gemessen. Unabhängig davon ist die Rechengeschwindigkeit im übergeordneten Steuergerät ebenfalls 100 Hz, weshalb diese Taktung die Rechenschleifen durch den Algorithmus vorgibt. Anhand dieser Abgreifrate wird die Einheit eines maximalen Zeitraumes t_max bis zu einem theoretischen Zeitpunkt eines Wechsels des Betriebsmittels bzw. für die Öl-Lebensdauer bzw. den Öl-Grenzwert festgelegt. Die jeweils über den Countdown errechnete verbleibende Gesamtzeit kann dann als Öl-Lebensdauervorhersage ausgegeben werden. Es besteht die Möglichkeit auch eine andere Abgreifrate als 100 Hz zu verwenden.
Um den maximalen Zeitraum t_max bis zu einem theoretischen Zeitpunkt eines Wechsels des Betriebsmittels bzw. des Hydraulikfluides der Getriebevorrichtung 1, der gleich einem voraussichtlichen Zeitpunkt einer thermischen Ermüdung des Hydraulikfluides ist, bestimmen zu können, ist der Öl-Grenzwert für den Schmierstoff zu definieren.
Hierfür werden Ergebnisse durchgeführter Oxidationstests herangezogen, um eine Aussage für ein thermisches Versagen des Schmierstoffes treffen zu können. Unter Annahme einer gleichmäßig ablaufenden Reaktion und unter Berücksichtigung der vorliegenden Versuchswerte wird der maximale Zeitraum t_max mit Hilfe der Arrhenius-Gleichung für ideale Gase bzw. die voraussichtliche Öl-Lebensdauer ermittelt. Die dem Verfahren zugrunde liegende Gesamtzeit t_max orientiert sich vorliegend an einer Scheiteltemperatur von 95 °C, da Öltemperaturen von unter 95 °C für die thermo-oxidative Alterung als unkritisch erachtet werden.
Während eines dem Schritt S1 folgenden Schrittes S2, der vor dem Schritt S3 durchgeführt wird, wird die Getriebeöltemperatur T_G bzw. die Einspeisetemperatur des Hydrostaten 2 messtechnisch erfasst und direkt im Verfahren verarbeitet. Da diese Temperatur stellvertretend für die niedrigste Temperatur im gesamten Getriebe angesehen werden kann, ist der konstante Schädigungsfaktor k_G zu dieser Temperatur mit 100% zu gewichten. Damit ist der in die Schädigungsgleichung gemäß Schritt S5 eingehende konstante Schädigungsfaktor k_G gleich 1,0.
Für die Ermittlung und Gewichtung des zusätzlichen thermischen Öl-Einflussfaktors auf das Hydraulikfluid, der durch die in der Getriebevorrichtung 1 integrierte Hydrostateinheit 2 verursacht wird, wird zunächst der Aufbau und die Funktionsweise der Hydrostateinheit 2 näher betrachtet.
Die Hydrostateinheit 2 ist zur Darstellung eines leistungsverzweigten, stufenlosen Betriebes der Getriebevorrichtung 1 vorgesehen. Über dieses Antriebskonzept ist eine kraftflussunterbrechungsfreie, stufenlose Übersetzungseinstellung realisierbar, was insbesondere für die Anwendung in landwirtschaftlichen Fahrzeugen, Baumaschinen besonders vorteilhaft ist.
Die Hydrostateinheit 2 umfasst vorliegend eine Axialkolbenpumpe 3 und einen Axialkolbenmotor 4 in Schrägscheibenausführung. Die Axialkolbenpumpe 3 ist als Verstelleinheit ausgeführt und besitzt eine elektronische/hydraulische Schrägscheiben-Verstellung. Der Axialkolbenmotor 4 ist als Konstantmotor ausgeführt und hat das gleiche theoretische Schluckvolumen wie die Axialkolbenpumpe 3, womit der Motor also in beiden Drehrichtungen die Drehzahl der Axialkolbenpumpe 3 erreichen kann. Durch elektrohydraulisches Verstellen der Schrägscheibe kann sowohl die Drehzahl als auch die Drehrichtung des Axialkolbenmotors 4 verändert werden. Es besteht die Möglichkeit auch andere Hydrostateinheiten zu verwenden.
Die Umgebungstemperatur der Hydrostateinheit 2 liegt hauptsächlich im Bereich von –25 °C bis 100 °C. Die Ölanspeisung der Hydrostateinheit 2 aus der Getriebehydraulik der Getriebevorrichtung 1 erfolgt in der Regel bei einer Dauerbetriebstemperatur von 75 °C bis 80 °C. Die Ölversorgung inklusive Speisedruckbegrenzung ist durch die Versorgungspumpe in der Getriebevorrichtung 1 sichergestellt. Der Ölbedarf der Hydrostateinheit 2 setzt sich aus Regelöl, Spülmenge und Spaltverlusten zusammen. Dabei ist der Ölbedarf so geregelt, dass bei erschwerten Betriebszuständen abhängig von Öltemperatur, Pumpendrehzahl, Hochdruck und Schwenkscheibenstellung eine definierte Menge nicht überschritten wird. Unter bestimmten Betriebsbedingungen können die Speiseöltemperaturen und die Öltemperaturen in der Hydrostateinheit 2 Werte von über 100 °C annehmen. Um Schäden zu vermeiden, werden die zulässigen Drehzahlen einer im Bereich einer Getriebeeingangswelle 5 an die Getriebevorrichtung 1 ankoppelbaren Antriebsmaschine 6 im unteren und oberen Temperaturbereich vom Getrieberegler begrenzt.
Durch Reibungs- und Scherungsvorgänge sowie durch erhöhte Drücke in der Hydrostateinheit 2 ist das Hydraulikfluid der Getriebevorrichtung 1 thermischen Belastungen ausgesetzt. Da die Getriebevorrichtung 1 im Bereich der Hydrostateinheit 2 selbst keine Temperaturmesseinrichtung aufweist, wird die zusätzliche thermische Ölbelastung im Bereich der Hydrostateinheit 2 in Abhängigkeit von Betriebsparametern ermittelt, wobei die im Bereich der Hydrostateinheit 2 thermisch belastete Ölmenge unabhängig vom Betriebszustand der Hydrostateinheit 2 als konstant angenommen wird. Unter Berücksichtigung der Wärmeleitung bzw. der thermischen Beeinflussung des mit erhöhter Temperatur rückströmenden Hydraulikfluids in das Getriebeölbad der Getriebevorrichtung 1 wird für die Berechnung eine definierte permanent belastete Ölmenge des Hydraulikfluids angesetzt und ins Verhältnis zur gesamten Ölmenge der Getriebevorrichtung 1 und auch der Hinterachse gesetzt. Das Verhältnis zwischen der im Bereich der Hydrostateinheit 2 thermisch belasteten Hydraulikfluidvolumenmenge und der gesamten Hydraulikfluidvolumenmenge der Getriebevorrichtung 1 und der Hinterachse stellt gleich den in die Schädigungsgleichung gemäß Schritt S5 eingehenden konstanten Schädigungsfaktor k_H der Hydrostateinheit 2 dar.
Bekannterweise führen auch die im Bereich der nasslaufenden Lamellenbremsen während einer Verzögerung auftretenden Temperaturen im Bereich der Hinterachse zu einer zusätzlichen thermischen Schädigung des Hydraulikfluides der Getriebevorrichtung 1, wenn diese wie vorliegend angenommen einen gemeinsamen Ölhaushalt mit der Hinterachse aufweist. Dieser Einfluss wird durch das Produkt der Schädigungstemperatur T_B der Bremsen der Hinterachse und des Schädigungsfaktors k_B berücksichtigt, wobei der Schädigungsfaktor k_B den Einfluss der Schädigung des Hydraulikfluides im Bereich der Hinterachse auf das gesamte Hydraulikfluidvolumen berücksichtigt.
In Landmaschinen werden überwiegend in Öl laufende und speziell auf die schweren Einsatzbedingungen im Off-Road-Bereich abgestimmte Mehrscheibenbremsen verbaut. Die so genannten nassen Lamellenbremsen werden beidseitig in der Hinterachse neben dem Achsdifferential verbaut. Die jeweiligen Lamellenpakete der Lamellenbremsen bestehen aus mehreren Stahl- und Bremslamellen. Bei Betätigung der Betriebsbremse werden mittels hydraulischer Unterstützung die Stahl- und Bremslamellen durch den Bremsenaktuator gegeneinander gedrückt. Dabei wird während der Fahrzeugverzögerung zwischen den mit der Achswelle rotierenden Bremslamellen und den feststehenden Stahllamellen Reibarbeit verrichtet. Die Bewegungsenergie des Fahrzeugs wird dadurch in Reibenergie bzw. Wärme umgewandelt.
Da die konstruktive Umsetzung der Lamellenbremsen sehr kompakt ist und die Lamellen nur eine geringe Wärmekapazität aufweisen, wird die bei einem Bremsvorgang auftretende Wärme durch Ölkühlung abgeführt. Diese erfolgt zum einen über die im Ölbad plantschenden Lamellen selbst und zum anderen über eine separate Schmierölversorgung.
Die im Bereich der Betriebsbremse in der Schädigungsgleichung gemäß Schritt S5 berücksichtigte Schädigungstemperatur T_B wird auf Basis empirischer Daten vorliegend auf konstante 120 °C angesetzt. Da eine im Bereich der Hinterachse bzw. der Lamellenbremsen thermisch beeinflusste Ölmenge etwa 4,5% bezogen auf die gesamte Getriebeölmenge beträgt, wird der in der Schädigungsgleichung berücksichtigte konstante Schädigungsfaktor k_B mit einem Wert gleich 0,045 angenommen. Die thermisch beeinflusste Ölmenge kann auch einen anderen Wert annehmen, wobei dann der Faktor angeglichen wird.
Während des Verfahrens werden die während des Schrittes S2 ermittelten Schädigungstemperaturen T_G, T_H und T_B im Bereich der Getriebevorrichtung 1, im Bereich der Hydrostateinheit 2 sowie im Bereich der Hinterachse als Eingangsgrößen dem dritten Schritt S3 zugeführt, während dem über das Zeit-Temperatur-Schädigungsdiagramm jeweils damit korrespondierende Schädigungszeiten t_G, t_H und t_B bestimmbar sind.
Das Zeit-Temperatur-Schädigungsdiagramm enthält eine Öl-Lebensdauerkennlinie KT, die mittels der Arrhenius-Gleichung für ideale Gase bestimmt wird. Dabei stehen die jeweils über das Zeit-Temperatur-Schädigungsdiagramm ermittelbaren Schädigungszeiten t stellvertretend für die thermische Ölbelastung, die vom jeweiligen thermischen Einflussfaktor, d. h. der jeweiligen Schädigungstemperatur T im jeweils betrachteten Bereich eines Aggregates ausgeht.
Die im Schritt S3 ermittelten Schädigungszeiten t_G, t_H und t_B werden während eines Schrittes S4 dem Schritt S5 als Eingangsgrößen zugeführt und zur Berechnung der Gesamtschädigungszeit t_ges während des Schrittes S5 verwendet. Hierfür werden die Schädigungszeiten t_G, t_H und t_B jeweils mit den damit korrespondierenden konstanten Schädigungsfaktoren k_G, k_H bzw. k_B multipliziert und anschließend die Einzelprodukte aufaddiert, wobei die Summe die Gesamtschädigungszeit t_ges darstellt. Die Gesamtschädigungszeit t_ges wird beim ersten Rechenlauf des Verfahrens vom Startwert des maximalen Zeitraums t_max bis zum theoretischen Zeitpunkt des Wechsels des Betriebsmittels subtrahiert, wobei das Ergebnis den neuen verbleibenden maximalen Zeitraum t_max bis zum theoretischen Zeitpunkt des Wechsels des Betriebsmittels darstellt. Das bedeutet, dass mit jedem Durchlauf des Verfahrens von dem maximalen Zeitraum t_max bis zum theoretischen Zeitpunkt des Wechsels des Betriebsmittels die während des Schrittes S5 bestimmte Gesamtschädigungszeit t_ges in einer Art Countdown abgezogen wird. Ausgegeben wird der in einem Schritt S6 ermittelte Zeitraum t_max in einem Schritt S7, wobei der ausgegebene Wert der erwarteten Öl-Lebensdauervorhersage t_rest für das Betriebsmittel bzw. für das Hydraulikfluid darstellt.
Während des Betriebes eines mit der Getriebevorrichtung 1 ausgeführten Fahrzeuges wird jeweils vom Schritt S6 zum Schritt S2 zurückverzweigt und in etwa alle 100 ms die vorbeschriebene Prozedur erneut durchgeführt, womit während des Betriebes des Fahrzeuges die Gesamtzeit bzw. der maximale Zeitraum t_max bis zum theoretischen Zeitpunkt des Wechsels des Betriebsmittels in Abhängigkeit des vorliegenden Betriebszustandsverlaufes mehr oder weniger reduziert wird. Wird das Fahrzeug abgestellt, wird das Verfahren während eines Schrittes S8 beendet.
Steht die Gesamtzeit t_max bzw. der maximale Zeitraum bis zu einem theoretischen Zeitpunkt des Wechsels des Betriebsmittel auf Null, ist die voraussichtliche Lebensdauer des Betriebsmediums erreicht und das Betriebsmittel zu wechseln.
Generell sind über das erfindungsgemäße Verfahren flexible Wechselintervalle für verschiedenste Betriebsmittel unterschiedlich ausgeführter Aggregate während des Betriebes bestimmbar. Dabei ist vorgestellte Vorgehensweise für beliebig viele Bereiche eines Aggregates durchführbar, wenn die jeweiligen Einflussfaktoren, d. h. die Schädigungstemperaturen T und die mit den Bereichen korrespondierenden Schädigungsfaktoren k bekannt sind sowie das betriebsmittelspezifische Zeit-Temperatur-Schädigungsdiagramm zur Verfügung steht.
Bezugszeichenliste

1: Getriebevorrichtung
2: Hydrostateinheit
3: Axialkolbenpumpe
4: Axialkolbenmotor
5: Getriebeeingangswelle
6: Antriebsmaschine
S1 bis S8: Schritt
KT: Öl-Lebensdauerkennlinie
T: Schädigungstemperatur
t: Schädigungszeit
k: Schädigungsfaktor
t_max: maximaler Zeitraum bis zum theoretischen Zeitpunkt eines Wechsels des Betriebsmittels
t_ges: Gesamtschädigungszeit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006015678 A1 [0009]

Claims

Verfahren zum Bestimmen eines Zeitpunktes eines Wechsels eines Betriebsmittels eines Aggregates, insbesondere eines Hydraulikfluides einer Getriebevorrichtung (1), unter Berücksichtigung von in Abhängigkeit aktueller Betriebszuständen des Aggregates variierenden aktuellen Temperaturen (T_G, T_H, T_B) des Betriebsmittels, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit der zu einem definierten Zeitpunkt jeweils ermittelten aktuellen Temperatur (T_G, T_H, T_B) des Betriebsmittels eine mit der aktuellen Temperatur korrespondierende Schädigungszeit (t_G, t_H, t_B) des Betriebsmittels bestimmt wird, um die ein maximaler Zeitraum (t_max) bis zu einem theoretischen Zeitpunkt eines Wechsels des Betriebsmittels reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein um eine Schädigungszeit (t_ges) reduzierter maximaler Zeitraum (t_max) jeweils als neuer maximaler Zeitraum (t_max) hinterlegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für verschiedene Bereiche des Aggregates (1) jeweils die dort vorliegenden Temperaturen (T_G, T_H, T_B) des Betriebsmittels ermittelt werden und für jede Temperatur (T_G, T_H, T_B) des Betriebsmittels eines Bereiches eine Schädigungszeit (t_G, t_H, t_B) bestimmt wird, wobei ein Einfluss der Temperatur (T_G, T_H, T_B) des Betriebsmittels in einem Bereich auf die gesamte Menge des Betriebsmittels zumindest in Abhängigkeit des Verhältnisses des Anteiles des in dem jeweils betreffenden Bereiches des Aggregates (1) vorliegenden Betriebsmittels zur gesamten Menge des Betriebsmediums gewichtet wird und der maximale Zeitraum (t_max) jeweils um die Summe der gewichteten Schädigungszeiten (t_G, t_H, t_B) reduziert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Startwert des maximalen Zeitraums (t_max) in Abhängigkeit eines Grenzwertes der Temperatur (T) des Betriebsmittels bestimmt wird, unterhalb der eine Schädigung des Betriebsmittels wenigstens annähernd vernachlässigbar ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Startwert des maximalen Zeitraums (t_max) in Abhängigkeit der Arrhenius-Gleichung für ideale Gase ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Startwert des maximalen Zeitraums (t_max) empirisch ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die temperaturabhängigen Schädigungszeiten (t_G, t_H, t_B) in Abhängigkeit der Arrhenius-Gleichung für ideale Gase ermittelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die temperaturabhängigen Schädigungszeiten empirisch ermittelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die aktuelle Temperatur (T_G) des Betriebsmittels während des Betriebs des Aggregates (1) kontinuierlich über eine Temperaturmesseinrichtung bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die aktuelle Temperatur (T_G) des Betriebsmittels vorzugsweise von zumindest einem der Bereiche des Aggregates (1) während des Betriebs des Aggregates kontinuierlich über eine Temperaturmesseinrichtung bestimmt wird und die Temperaturen des Betriebsmittels in den weiteren Bereichen rechnerisch in Abhängigkeit eines aktuellen Betriebszustandes des Aggregates auf Basis der messtechnisch ermittelten Temperatur des Betriebsmittels eines der Bereiches ermittelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass als aktuelle Temperatur des Betriebsmittels eines der Bereiche des Aggregats gleich eine Grenztemperatur des Betriebsmittels angenommen wird, unterhalb der eine thermisch-oxidative Schädigung des Betriebsmittels vernachlässigbar ist, und die Temperaturen des Betriebsmittels in den weiteren Bereichen auf Basis der Grenztemperatur in Abhängigkeit des jeweils vorliegenden Betriebszustandes des Aggregates ermittelt werden.