DE102011087275A1

DE102011087275A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Abschätzung einer Restlebensdauer von Bauteilen

Info

Publication number: DE102011087275A1
Application number: DE102011087275A
Authority: DE
Inventors: Patrick Kniess; Ulrich Mair
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2011-11-29
Filing date: 2011-11-29
Publication date: 2013-05-29

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer Restlebensdauer von antriebsspezifischen Bauteilen eines durch mindestens eine elektrische Antriebseinheit (4) antreibbaren Fahrzeuges, wobei folgende Verfahrensschritte vorgesehen sind: antriebsspezifische Daten wie Motorstrom, Motorspannung und Motordrehzahl werden im Fahrzeug erfasst, im Fahrzeug aufgezeichnet und verarbeitet, auf der Basis der verarbeiteten Daten wird im Fahrzeug eine Restlebensdauer der antriebsspezifischen Bauteile berechnet. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abschätzung einer Restlebensdauer von antriebsspezifischen Bauteilen sowie die Verwendung eines Telematik-Systems.
Antriebsspezifische Bauteile eines Fahrzeuges, z. B. Bauteile von Getrieben unterliegen einer technischen Lebensdauer, d. h. nach einer gewissen Anzahl von Lastereignissen erfolgen relevante Schädigungen einzelner Bauteile und Baugruppen, was zum Ausfall der geschädigten Bauteile und Baugruppen führen kann. Bei herkömmlichen Fahrzeuganwendungen mit Verbrennungsmotoren stellt die Erfassung der Lastereignisse im Fahrzeugbetrieb ein Problem dar. Eine Erfassung der Daten ist entweder direkt über eine Messstelle zwischen Motor und Getriebe oder am Getriebeausgang bzw. an den Radnaben oder indirekt über die Motorsteuerung mit größeren Ungenauigkeiten möglich.
Durch die DE 10 2005 032 720 B4 wurde eine Vorrichtung für eine elektrische Maschine zur Lebensdauerberechnung eines Lagers bekannt. Dabei werden Belastungsgrößen wie Temperatur, Querkraft, Drehzahl und Zeit ermittelt und der Berechnung der Restlebensdauer zu Grunde gelegt. Die so berechnete Restlebensdauer der Lager wird direkt am Motor bzw. der elektrischen Maschine abgespeichert, sodass sie jederzeit vor Ort abgerufen werden kann.
Durch die DE 10 2005 022 514 A1 wurde eine Vorrichtung zur Überwachung von Komponenten eines Kraftfahrzeuges bekannt, wobei eine laufende Ermittlung eines so genannten Verschleißwertes und ein Vergleich mit einem maximal zulässigen Verschleißwert erfolgt. Bei Erreichen des maximalen Verschleißwertes wird ein Signal zum Austausch der Komponente, z. B. eines Lüftermotors abgegeben.
Durch diverse Veröffentlichungen der Anmelderin, unter anderem durch eine Pressemitteilung vom 01.03.2010 wurde ein Telematik-System bekannt, welches von der Anmelderin unter der Marke Openmatics vertrieben und bei Stadtbussen mit Getrieben der Anmelderin bereits eingesetzt wird. Das Telematik-System Openmatics umfasst eine so genannte On-Board-Unit für Fahrzeuge, d. h. ein im Fahrzeug angeordnetes Datenerfassungsgerät sowie ein webgestütztes Software-Portal. Die On-Board-Unit im Fahrzeug erfasst und versendet Daten an das webgestützte Portal, welches die Auswertung der Daten übernimmt.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Verbesserung bei der Abschätzung einer Restlebensdauer von antriebsspezifischen Bauteilen in einem Fahrzeug zu erreichen.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die unabhängigen Ansprüche 1, 2, 4 und 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Nach einem ersten Aspekt der Erfindung ist bei einem Verfahren zur Ermittlung der Restlebensdauer vorgesehen, dass die antriebsspezifische Daten, insbesondere der Motorstrom, die Motorspannung und die Motordrehzahl im Fahrzeug erfasst, aufgezeichnet und verarbeitet werden. Aus den verarbeiteten Daten wird im Fahrzeug eine Restlebensdauer der antriebsspezifischen Bauteile errechnet. Der gesamte Prozess von der Erfassung der antriebsspezifischen Daten bis zur Berechnung der Restlebensdauer findet somit im Fahrzeug statt. Man ist damit unabhängig von einem Telematik-System.
Nach einem zweiten Aspekt der Erfindung werden bei einem Verfahren zur Ermittlung einer Restlebensdauer die antriebsspezifischen Daten, insbesondere der Motorstrom, die Motorspannung und die Motordrehzahl im Fahrzeug erfasst und per Telematik an eine stationäre Empfangsstation gesendet, wo die gesendeten Daten gespeichert und verarbeitet werden. Aus den verarbeiteten Daten wird in der Empfangsstation die Restlebensdauer für die antriebsspezifischen Bauteile berechnet und anschließend per Telematik an das Fahrzeug übermittelt, wo die aktuelle Restlebensdauer zugänglich ist. Bei diesem Verfahren, welches sich der Telematik bedient, kann auf die Komponenten zur Speicherung, Verarbeitung und Berechnung der Restlebensdauer im Fahrzeug verzichtet werden, was kostenmäßige Vorteile erbringt.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann die aktuelle Restlebensdauer für die antriebsspezifischen Bauteile, wie z. B. Getriebebauteile im Fahrzeug für den Fahrer visuell dargestellt und/oder durch einen Kundendienst am Fahrzeug ausgelesen oder über ein Telematik-System an eine stationäre Empfangstation gesendet werden. Fahrer und Werkstatt sind somit jederzeit über die aktuelle Restlebensdauer informiert und können gegebenenfalls Reparatur- oder Austauschmaßnahmen einleiten. Damit werden Totalausfälle vermieden.
Nach einem dritten Aspekt der Erfindung ist ein Telematik-System, vorzugsweise das Telematik-System mit dem Markennamen Openmatics der Anmelderin in einem Elektro-Fahrzeug, d. h. einem durch mindestens eine elektrische Maschine antreibbaren Fahrzeug implementiert. Unter dem Begriff Telematik wird eine Technologie verstanden, welche die Technologiebereiche Telekommunikation und Informatik verknüpft. Telematik ist somit das Mittel der Informationsverknüpfung von mindestens zwei Informationssystemen mit Hilfe eines Telekommunikationssystems sowie einer spezieller Datenverarbeitung. Dabei erfasst das Telematik-System antriebsspezifische Daten wie den Motorstrom, die Motorspannung, die Motordrehzahl und die Messzeitpunkte und sendet diese Daten an eine stationäre oder auch an eine mobile Empfangsstation, wo diese Daten ausgewertet werden. Durch die Messung des Motorstromes der Motorspannung ergibt sich über das Kennfeld der elektrischen Maschine direkt das vom Motor abgegebene bzw. vom nachgeschalteten Getriebe aufgenommene Drehmoment, welches in Verbindung mit der gemessenen Drehzahl den signifikanten Belastungswert für die antriebsspezifischen Bauteile liefert, d. h. im Wesentlichen Getriebewellen, Lager, Zahnräder und Schaltelemente. Vorteilhaft hierbei ist, dass das Belastungsmoment bei einem Elektro-Fahrzeug mit relativ hoher Genauigkeit festgestellt und somit eine Abschätzung der Restlebensdauer mit bekannten Berechungsmethoden wesentlich genauer als bisher bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor durchgeführt werden kann. Damit kann ein anstehender Bauteilausfall an den Fahrer oder den Fahrzeughersteller gemeldet werden. Ein gezielter Bauteiltausch sowie eine Fehlerdiagnose anhand interner Schadensrechnungen sind möglich.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Telematik-System eine so genannte On-Board-Unit, d. h. eine im Fahrzeug angeordnete Einheit, welche die antriebsspezifischen Daten erfasst und versendet. Die On-Board-Unit ist – wie oben ausgeführt – bereits bekannt und im Einsatz, sie wird erfindungsgemäß jedoch speziell für Elektro-Fahrzeuge verwendet. So wird insbesondere der Wert des Motorstroms und der Motorspannung laufend erfasst und an die Empfangsstation gesendet, wobei der Motorstrom und die Motorspannung gemäß Kennlinie eine direkte Aussage für das Motormoment enthält, d. h. der Motorstrom und die Motorspannung ist repräsentativ für die Belastung des Antriebsstranges.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Telematik-System ein webgestütztes Portal oder einen Web-Server, welcher die Auswertung der empfangenen Daten vornimmt. Dabei erfolgt die Auswertung nach bekannten Rechenprogrammen, die für die Ermittlung der Restlebensdauer von Bauteilen zur Verfügung stehen, z. B. lassen sich Bauteilbeschädigungen unter Anwendung von linearen Schadensakkumulationshypothesen errechnen, die – fortlaufend aufsummiert – Aufschluss über die Restlebensdauer einzelner Bauteile ermöglichen.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Telematik-System, insbesondere das Telematik-System der Anmelderin mit dem Markennamen Openmatics zur Abschätzung einer Restlebensdauer von antriebsspezifischen Bauteilen von Elektro-Fahrzeugen verwendet. Damit wird der Vorteil einer wesentlich höheren Genauigkeit der Berechnung der Restlebensdauer erreicht, weil der in der elektrischen Maschine fließende Strom, der maßgeblich für das Motormoment ist, wesentlich genauer ermittelt werden kann als das Drehmoment bei Fahrzeugen, die durch Verbrennungsmotoren angetrieben werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben, wobei sich aus der Beschreibung und/oder der Zeichnung weitere Merkmale und/oder Vorteile ergeben können.
Die einzige Figur zeigt ein Elektro-Fahrzeug 1, d. h. ein Fahrzeug, welches durch eine elektrische Maschine, die einerseits als Motor und andererseits als Generator arbeitet, angetrieben wird. Das Fahrzeug 1 weist eine lenkbare Vorderachse 2 sowie eine angetriebene Hinterachse 3 auf. Zwischen den Hinterrädern 3a, 3b ist eine elektrische Antriebseinheit 4, umfassend einen Elektromotor und ein nachgeschaltetes Getriebe, angeordnet, welches über Antriebswellen 3c, 3d die Hinterräder 3a, 3b antreibt. Dem Elektromotor ist ein Leistungssteller zugeordnet, über welchen – per Fußpedal (nicht dargestellt) – die Antriebsleistung, insbesondere das Antriebsmoment gesteuert wird. Mit der elektrischen Antriebseinheit 4 ist ein Datenaufzeichnungsgerät 5 über Signalleitungen 5a, 5b verbunden. Das Datenaufzeichnungsgerät 5 entspricht der oben beschriebenen On-Board-Unit des Telematik-Systems mit dem Markennamen Openmatics und umfasst eine Sendeeinrichtung 6, mit welcher die aufgezeichneten Daten an eine stationäre, nicht dargestellte Empfangsstation, einen Web-Server mit Webportal versendet werden. Optional ist ein Stecker 7 vorgesehen, über welchen gespeicherte Daten im Fahrzeug ausgelesen und/oder visualisiert werden können.
Das Datenaufzeichnungsgerät 5 in Verbindung mit der Sendeeinrichtung 6 dient der Berechnung oder Abschätzung einer Restlebensdauer von antriebsspezifischen Bauteilen, insbesondere Getriebebauteilen wie Getriebewellen, Getriebelagern, Schaltelementen sowie Zahnrädern. Grundlage einer solchen Berechnung, welche nach bekannten Methoden durchgeführt wird, ist ein Belastungskollektiv der elektrischen Antriebseinheit 4, insbesondere des Getriebes. Maßgeblich für die Belastung der Bauteile sind das Drehmoment und die Drehzahl, welche über im Getriebe vorhandene, nicht dargestellte Sensoren gemessen werden kann. Das Drehmoment, welches vom Elektromotor an das Getriebe abgegeben wird, wird nicht direkt, sondern mittelbar über den Motorstrom und die Motorspannung, d. h. den Strom im Elektromotor oder dessen elektrischer Ansteuerung (Leistungssteller) gemessen. Über ein bekanntes Kennfeld kann dem gemessenen Motorstrom und der Motorspannung direkt das entsprechende Motormoment zugeordnet werden. Das Motormoment wird über den Leistungssteller eingestellt. Die gemessenen Daten wie Motorstrom, Motorspannung respektive Motormoment sowie Drehzahl werden einerseits in dem Datenaufzeichnungsgerät 5 gespeichert, können über den Stecker 7 jederzeit ausgelesen werden und werden gleichzeitig in Echtzeit per Funk an die stationäre Empfangsstation übertragen. In der Empfangsstation werden die übertragenen Daten ausgewertet, d. h. mit bekannten Standardprogrammen kann die Restlebensdauer der antriebsspezifischen Bauteile abgeschätzt oder berechnet werden. Damit können verbindlichen Aussagen für den Zeitpunkt des Ausfalls der betreffenden Bauteile bzw. für deren Austausch gemacht werden. Die einmal berechnete Restlebensdauer kann laufend bei sich änderndem Lastkollektiv aktualisiert werden. Vorteilhaft bei dieser Methode ist die relativ große Genauigkeit der Rechenergebnisse, weil das Belastungsmoment für die Getriebebauteile durch Messung des Motorstroms und der Motorspannung relativ genau bestimmt werden kann.
Die Erfindung umfasst zwei Verfahrensvarianten zur Ermittlung der Restlebensdauer: die erste Variante arbeitet ohne Telematik mit einer On-Board-Unit im Fahrzeug; dabei wird die Restlebensdauer aufgrund gemessener und ausgewerteter Daten im Fahrzeug berechnet. Die zweite Variante arbeitet mit Telematik, wobei die gemessenen Daten an eine stationäre Empfangsstation gesendet, dort verarbeitet und ausgewertet werden. Die außerhalb des Fahrzeuges berechnete Restlebensdauer wird an das Fahrzeug zurückgemeldet und ist dort für Fahrer und Kundendienst verfügbar.
Bezugszeichenliste

1: Elektro-Fahrzeug
2: Vorderachse
3: Hinterachse
3a: Hinterrad
3b: Hinterrad
3c: Antriebswelle
3d: Antriebswelle
4: Antriebseinheit
5: Datenaufzeichnungsgerät
5a: Signalleitung
5b: Signalleitung
6: Sendeeinrichtung
7: Stecker

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102005032720 B4 [0003]
DE 102005022514 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur Ermittlung einer Restlebensdauer von antriebsspezifischen Bauteilen eines durch mindestens eine elektrische Antriebseinheit (4) antreibbaren Fahrzeuges, wobei folgende Verfahrensschritte vorgesehen sind: – antriebsspezifische Daten wie Motorstrom, Motorspannung und Motordrehzahl werden im Fahrzeug erfasst, im Fahrzeug aufgezeichnet und verarbeitet, – auf der Basis der verarbeiteten Daten wird im Fahrzeug eine Restlebensdauer der antriebsspezifischen Bauteile berechnet.
Verfahren zur Ermittlung einer Restlebensdauer von antriebsspezifischen Bauteilen eines durch mindestens eine elektrische Antriebseinheit (4) antreibbaren Fahrzeuges, wobei folgende Verfahrensschritte vorgesehen sind: – antriebsspezifische Daten wie Motorstrom, Motorspannung und Motordrehzahl werden im Fahrzeug erfasst und per Telematik an eine stationäre Empfangsstation gesendet, – in der Empfangsstation werden die gesendeten Daten aufgezeichnet und verarbeitet, – auf der Basis der verarbeiteten Daten wird in der Empfangsstation die Restlebensdauer der antriebsspezifischen Bauteile berechnet, und – die berechnete Restlebensdauer wird per Telematik an das Fahrzeug übermittelt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die berechnete Restlebensdauer – für den Fahrer des Fahrzeuges visualisiert und/oder – am Fahrzeug ausgelesen und/oder – per Telematik an eine stationäre Empfangstation gesendet wird.
Vorrichtung zur Abschätzung einer Restlebensdauer von antriebsspezifischen Bauteilen eines durch mindestens eine elektrische Antriebseinheit (4) antreibbaren Fahrzeuges (1), insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, wobei das Fahrzeug (1) ein Telematik-System (5, 6) aufweist, welches antriebsspezifische Daten wie Motorstrom, Motorspannung und Motordrehzahl erfasst und an eine Empfangsstation übermittelt.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Telematik-System ein im Fahrzeug (1) angeordnetes Datenaufzeichnungsgerät (5) mit Sendeinrichtung (6) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangsstation als webgestütztes Portal ausgebildet ist, welches die Auswertung der empfangenen Daten durchführt.
Vorrichtung nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangsstation eine Recheneinheit mit einem Programm zur Berechnung der Restlebensdauer von antriebsspezifischen Bauteilen aufweist.
Verwendung eines Telematik-Systems zur Abschätzung der Restlebensdauer von antriebsspezifischen Bauteilen von Fahrzeugen mit Elektro-Antrieb.