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Die Erfindung betrifft eine Messeinrichtung für einen Drehschwingungsdämpfer und ein Verfahren zum Messen einer statischen Steifigkeit eines Drehschwingungsdämpfers mit einer solchen Messeinrichtung.
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Als Drehschwingung, die auch Drillschwingung oder Torsionsschwingung genannt wird, wird eine elastische Schwingung bezeichnet, die einen schwingenden Körper auf Verdrehung bzw. Torsion beansprucht. Solche Drehschwingungen treten bei Körpern auf, die um eine Achse drehbar sind und von einer rücktreibenden Kraft aber wieder in die Ruhe- bzw. Ausgangslage gebracht werden. Der Körper schwingt bei einer einmaligen Auslenkung aus der Ausgangslage, bis die Schwingungsbewegung durch Reibungsverluste beendet wird. Bei einem ständigen Anstoßen kann sich bei Resonanz die Schwingung aufschaukeln, bis die Drehauslenkung, begrenzt durch die Reibungsverluste, ihren maximalen Wert erreicht.
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Ein Drehschwingungsdämpfer ist ein Maschinenelement, das zur Reduzierung von Torsionsschwingungen eingesetzt wird. So ist bei Brennkraftmaschinen zu beachten, dass durch die stoßweise Übertragung vom Kolben über Kolbenbolzen, Pleuelstange auf die Kurbelwelle kurzzeitig Drehmomentspitzen erzeugt werden, die zu einer Überbeanspruchung der Kurbelwelle führen können. Drehschwingungsdämpfer dämpfen diese Torsionsschwingungen. Als Dämpfungsmasse kann Gummi, Kautschuk, Silikon oder Öl verwendet werden. Die vorgestellte Messeinrichtung ist insbesondere für einen federgekoppelten Drehschwingungsdämpfer ausgelegt, der als Dämpfungsmasse Öl verwendet.
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Zu beachten ist, dass Schwingungsdämpfer mit Stahlfedern aufgrund der Reibung Metall/Metall im System und dem j eweiligen Lastprofil der Anwendung einem undefinierten Verschleiß unterliegen. Bei einem Ausbau des Dämpfers nach Ablauf des Hauptwartungsintervalls oder bei der Prüfung der Verwendbarkeit für eine Wiederverwertung ist es derzeit aufgrund des Verschleißes nicht bekannt, ob der Dämpfer seine Eigenschaften, insbesondere hinsichtlich Dämpfung und Steifigkeit, noch besitzt oder ob diese sich zu stark verschlechtert haben. Um dies zu überprüfen, kann eine sogenannte Verdrehmesseinrichtung eingesetzt werden.
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Eine solche Verdrehmesseinrichtung soll als kleine, kompakte und mobile Vorrichtung einsetzbar sein, um die Steifigkeitskennlinie zu vermessen und hieraus Rückschlüsse über die weitere Verwendbarkeit zu ziehen.
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Statische Steifigkeitskennlinien werden heute schon an großen Verdrehmaschinen gemessen. Diese sind jedoch nicht kompakt und können außerhalb der Fertigung oder eines Versuchslabors wegen ihrer Abmessungen nicht eingesetzt werden.
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In der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2006 015 867 A1 wird ein Verfahren zum Überprüfen eines Drehschwingungsdämpfers mit einem an eine Welle anschließbaren Anschlußteil und einer mit dem Anschlußteil drehelastisch verbundenen seismischen Drehmasse offenbart. Dabei werden die Drehwinkel sowohl des Anschlußteils als auch der seismischen Drehmasse digital gemessen und in einer Rechenstufe zur Ausgabe eines Kennwertes verrechnet. Weiterhin wird aus den zeitsynchron gemessenen Drehwinkeln des Anschlußteils und der seismischen Drehmasse einerseits der relative Verdrehwinkel zwischen diesen beiden Teilen und andererseits die Drehwinkelbeschleunigungen der seismischen Drehmasse unter Berücksichtigung allfälliger Änderungen der Winkelgeschwindigkeit des Anschlußteils ermittelt. Anschließend werden mit Hilfe des konstruktiv vorgegebenen Massenträgheitsmomentes der seismischen Drehmasse die Torsionssteifigkeit und die Torsionsdämpfung als Kennwerte errechnet und angezeigt.
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Weiterhin wird in der internationalen Patentanmeldung
WO 2008/ 089 742 A2 ein Verfahren zum Überwachen eines Antriebsstrangs mit zwei durch eine hochelastische Kupplung verbundenen Wellenabschnitten offenbart. Dabei wird an beiden Seiten der Kupplung jeweils mittels mindestens eines induktiven oder elektromagnetischen Wegsensors der zeitliche Verlauf des Abstands zwischen dem jeweiligen Sensor und mindestens einem Markierungselement an jeder Seite der Kupplung erfasst. Zusätzlich wird der jeweils erfasste zeitliche Verlauf des Abstands zwischen dem jeweiligen Sensor und jedem Markierungselement an beiden Seiten der Kupplung ausgewertet und verglichen, um den zeitlichen Verlauf des Verdrehwinkels zwischen den Wellenabschnitten zwecks Überwachung des Zustandes des Antriebsstrangs zu erfassen.
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Ebenso wird in der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2011 111 485 A1 eine Vorrichtung zum Prüfen einer relativen Verdrehung eines Primärbauteils einer Wellenkupplung zum Sekundärbauteil einer Wellenkupplung offenbart. Die Wellenkupplung weist ein primärseitiges Koppelglied, ein sekundäres Koppelglied, ein Wirkmittel, einen Kraftmesser und ein Entkoppelglied auf. Das primärseitige Koppelglied ist zur Prüfung am Primärbauteil festgelegt. Das sekundäre Koppelglied ist zur Prüfung an dem Sekundärbauteil festgelegt. Das Wirkmittel wirkt auf das Primärbauteil und das Sekundärbauteil und die Wirkkraft des Wirkmittels bewegt das Primärbauteil und das Sekundärbauteil relativ zueinander um die Drehachse der Wellenkupplung. Der Kraftmesser erfasst die Umfangskraft des Wirkmittels. Zusätzlich fängt das Entkoppelglied die radial wirkende Kraftkomponente der Wirkkraft des Wirkmittels gegenüber dem Kraftmesser ab.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Messeinrichtung und ein Verfahren zu schaffen, wobei die genannten Nachteile zumindest reduziert, vorzugsweise vermieden sind.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem eine Messeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 6 geschaffen werden. Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung.
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Die vorgestellte Messeinrichtung dient zum Bestimmen einer statischen Steifigkeit eines Drehschwingungsdämpfers, der einen Innenteil und einen Außenteil umfasst, mit einer Adapteranordnung, die einen inneren Adapterflansch zum Anbringen an dem Innenteil und einen äußeren Adapterflansch zum Anbringen an dem Außenteil umfasst, wobei ein erster Sensor zur Aufnahme eines Verdrehwinkels zwischen innerem Adapterflansch und äußerem Adapterflansch vorgesehen ist, wobei die Adapteranordnung derart eingerichtet und an dem Drehschwingungsdämpfer anzuordnen ist, dass ein Verdrehen des Innenteils und des Außenteils des Drehschwingungsdämpfers ein Verdrehen des inneren Adapterflansches und des äußeren Adapterflansches zueinander bewirkt.
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Die Steifigkeit eines Körpers beschreibt den Widerstand des Körpers gegen elastische Verformungen aufgrund einer Kraft oder eines Drehmoments. Die statische Steifigkeit beschreibt die Drehsteifigkeit des Drehschwingungsdämpfers, die unter statischer, konstanter Belastung gemessen wird. Es wird zwischen statischer und dynamischer Steifigkeit unterschieden, da die Schwingungsdämpfer im Betrieb unter dynamischer Beanspruchung eine leicht veränderte Steifigkeit aufweisen.
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In Ausgestaltung weist die Messeinrichtung einen zweiten Sensor zur Aufnahme eines anliegenden Drehmoments auf, der dazu eingerichtet ist, an dem inneren Adapterflansch angebracht zu werden.
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Als zweiter Sensor ist bspw. mindestens ein Dehnungsmessstreifen vorgesehen. Der mindestens eine Dehnungsmessstreifen kann als Wheatstonesche Messbrücke ausgebildet sein.
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In einer weiteren Ausführung dient als erster Sensor ein induktiver Wegaufnehmer.
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Erfindungsgemäß sind der innere Adapterflansch und der äußere Adapterflansch über ein Planetengetriebe zu koppeln. Dieses Planetengetriebe überträgt das angelegte Drehmoment auf den Innenteil, der sich aufgrund des angelegten Drehmoments verwindet bzw. in sich verdreht. Die sich daraus ergebende Torsion kann mit dem zweiten Sensor, bspw. einem Dehnungsmessstreifen, aufgenommen werden.
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Es wird weiterhin ein Verfahren zum Bestimmen einer statischen Steifigkeit eines Drehschwingungsdämpfers, der einen Innenteil und einen Außenteil umfasst, vorgestellt. Das Verfahren nutzt eine Messeinrichtung, insbesondere eine Messeinrichtung der vorstehend beschriebenen Art, wobei ein innerer Adapterflansch an dem Innenteil angebracht wird und ein äußerer Adapterflansch an dem Außenteil angebracht wird. Weiterhin ist ein erster Sensor zur Aufnahme eines Verdrehwinkels zwischen dem inneren Adapterflansch und dem äußeren Adapterflansch bereitgestellt. Durch Anlegen eines Drehmoments an dem Drehschwingungsdämpfer wird ein Verdrehen zwischen dem Innenteil und dem Außenteil bewirkt.
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Aus dem Verdrehwinkel und dem angelegten Drehmoment kann die statische Steifigkeit bestimmt werden. Bei einem vorgegebenen Drehmoment ist grundsätzlich gegeben, dass ein höherer Verdrehwinkel auf eine niedrigere statische Steifigkeit hinweist.
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Von Bedeutung ist, dass das Verfahren mit einer Messeinrichtung durchgeführt wird, die kompakt und mobil ist und zum Messen an dem Drehschwingungsdämpfer problemlos angebracht werden kann. Nach der Messung wird die Messeinrichtung wieder abgenommen bzw. entfernt. Weiterhin von Bedeutung ist, dass das Verfahren händisch durchgeführt werden kann.
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In einer Ausführung des Verfahrens wird ein zweiter Sensor an dem inneren Adapterflansch zum Messen des angelegten Drehmoments angebracht. Dies ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn das angelegte Drehmoment händisch aufgebracht wird und daher nicht in bekannter Höhe angelegt werden kann.
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In einer weiteren Ausführung wird eine Federkennlinie bzw. Steifigkeitskennlinie des Drehschwingungsdämpfers aufgenommen. Eine solche ist bspw. in 7 dargestellt. Der Verlauf dieser Steifigkeitskennlinie ermöglicht Rückschlüsse auf den Verschleißzustand des Drehschwingungsdämpfers.
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Durch die konstruktive Ausarbeitung einer komplexen aber kleinen Adapteranordnung kann deren Körper in sich durch eine aufgebrachte Auslenkung verdreht werden. Die Auslenkung korreliert mit der Auslenkung des Dämpfers. Durch die Verdrehung werden Spannungen in der Adapteranordnung erzeugt, die dann bspw. mit Dehnungsmessstreifen gemessen und ausgewertet werden können. Mit Hilfe der gemessenen Dehnungen und Spannungen wird das anliegende Drehmoment bzw. Torsionsmoment ermittelt.
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Der innere Adapterflansch ist geometrisch so gestaltet, dass sich eine gleichmäßige Spannungs- und Dehnungsverteilung unter Belastung ergibt. Dies erhöht die Empfindlichkeit der Messung. Aufgrund dieses Umstands kann vom Dehnungszustand auf den Spannungszustand und damit auf das wirkende Torsionsmoment rückgeschlossen werden. Es handelt sich hierbei um lineare Zusammenhänge, zu deren Berechnung der E-Modul und die Querkontraktionszahl des Werkstoffs sowie die Bauteilgeometrie mit einbezogen werden. Der E-Modul (Elastizitätsmodul) ist ein Materialkennwert, der den Zusammenhang zwischen Spannung und Dehnung bei der Verformung eines festen Körpers beschreibt. Die Querkontraktionszahl definiert das Verhältnis der Dicke zu einer relativen Änderung der Länge, sobald eine äußere Kraft auf ein Werkstück einwirkt. Von Vorteil ist, wenn der innere Adapterflansch eine gewisse Weichheit aufweist und sich daher leicht verdreht. Dies erhöht die Empfindlichkeit der Messung.
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Zusätzlich kann über einen induktiven Wegsensor der Verdrehwinkel bzw. Torsionswinkel zwischen Dämpferaußen- und Dämpferinnenteil gemessen werden. Der Quotient aus anliegendem statischen Drehmoment (M) und entsprechendem Verdrehwinkel (φ) ist die statische Steifigkeit bzw. die Drehsteifigkeit (C
T). Dies ist in folgender Gleichung 1 wiedergegeben:
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Die vorgestellte Messeinrichtung hat, zumindest in einigen der Ausführungen, eine Reihe von Vorteilen. So ist diese klein und kompakt sowie im Feld direkt beim Distributor oder auch beim Kunden verwendbar. Dem Nutzer der Messeinrichtung werden die Kosten und Zeit einer Befundung beim Lieferanten gespart. Außerdem wird die qualitative Aussage, ob der Dämpfer eine weitere Lebensdauer einsatzbereit ist und somit für eine Wiederverwertung verwendbar ist, hierdurch erst sinnvoll möglich. Zudem können, insbesondere wenn weitere Erfahrungswerte vorliegen, die Service-Intervalle angehoben werden. Hierdurch können dann die Betriebskosten gesenkt werden.
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Weitere Vorteile oder Ausgestaltungen ergeben sich aus der Beschreibung der Ausführungsformen und der beiliegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
- 1 zeigt einen Ausschnitt aus einem Drehschwingungsdämpfer
- 2 zeigt einen Drehschwingungsdämpfer.
- 3 zeigt einen Drehschwingungsdämpfer mit Messeinrichtung in einer Schnittansicht.
- 4 zeigt die Anordnung aus 3 in einer Explosionsdarstellung.
- 5 zeigt die Anordnung aus 3 in einer perspektivischen Darstellung.
- 6 zeigt einen inneren Adapterflansch.
- 7 zeigt in einem Graphen eine gemessene Federkennlinie.
- 8 zeigt in einem Graphen Verläufe der Steifigkeit eines Drehschwingungsdämpfers.
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1 zeigt einen Ausschnitt aus einem Drehschwingungsdämpfer mit einem Innenteil 1 und einem Außenteil 2. Zwischen dem Innenteil 1 und dem Außenteil 2 befindet sich ein Radialspalt 3. Das Innenteil 1 und das Außenteil 2 sind entweder über Federn 4 oder separate Lagerstellen zueinander gelagert. In dem Außenteil 2 sind radiale Federn 4 bspw. aus Stahl aufgenommen, die in Nuten 5 in dem Innenteil 1 eingreifen. Durch eine Relativbewegung zwischen Innenteil 1 und Außenteil 2 kommt es zu einer Belastung und ggf. einen Verschleiß dieser radialen Federn 4, insbesondere am Federeingriff der Nuten 5.
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Weiterhin zeigt die Darstellung eine erste Ölkammer 6 und eine zweite Ölkammer 7, die über den Radialspalt 3 miteinander verbunden sind. Der Drehschwingungsdämpfer, der in verschiedenen Größen ausgeführt sein kann, umfasst somit den Innenteil 1, der auch als Innenstern bezeichnet wird und den Drehschwingungsdämpfer bspw. mit der Kurbelwelle verbindet und an dessen Außenseite radial sich die Nuten 5, in denen die Federn 4 eingreifen können, befinden, und einen Außenteil, der funktional sogenannten seismischen Drehmasse. Diese Drehmasse sitzt auf dem Innenteil 1 und ist mit diesem über das Nut- und Federsystem, das die Federn 4 und die Nuten 5 umfasst, verbunden.
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Der Innenteil 1 und der Außenteil sind miteinander spielfrei gekoppelt. Die Federn 4 befinden sich jeweils in den Ölkammern 6, 7. Zwischen dem Innenteil 1 und dem Außenteil 2 gibt es den dünnen Radialspalt 3, durch den bei Belastung Öl fließen kann. Bei einer relativen Bewegung zwischen dem Innenteil 1 und dem Außenteil 2 werden die Federn 4 gebogen. Dadurch beeinflussen sie die Volumina der beiden Ölkammern 6, 7 und drücken das Öl von einer Kammer zur anderen. Die Größe des Radialspalts 3 bestimmt dabei die Dämpfung.
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In 2 ist ein Drehschwingungsdämpfer in einer Draufsicht dargestellt, der insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet ist. Dieser Drehschwingungsdämpfer 10 umfasst einen Innenteil 12 und einen Außenteil 14. Die Darstellung zeigt weiterhin einen äußeren Adapterflansch 16 und einen induktiven Wegaufnehmer 18 als ersten Sensor, der mit einem ersten Halter 20 und einem zweiten Halter 22 angebracht ist.
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Es handelt sich bei dem dargestellten Drehschwingungsdämpfer 10 um einen Stahlfederdämpfer, der eine Drehsteifigkeit zwischen dem Innenteil 12 und dem Außenteil 14 über Stahlfedern herstellt und eine dämpfende Wirkung durch Öl erzeugt.
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3 zeigt einen Drehschwingungsdämpfer 30 mit einer Messeinrichtung 40 in einer Schnittdarstellung. Der Drehschwingungsdämpfer 30 umfasst einen Innenteil 32 und einen Außenteil 34, die zueinander zu verdrehen sind. Komponenten der Messeinrichtung 40 sind ein innerer Adapterflansch 50, ein äußerer Adapterflansch 58, die eine Adapteranordnung bilden, die mittels eines Planetengetriebes 76 per Schlüssel bzw. Ratsche mechanisch zueinander verdreht werden. Zur Aufnahme einer Torsion des inneren Adapterflansches 50 ist ein Dehnungsmessstreifen 61 vorgesehen.
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In 4 ist die Anordnung aus 3 in einer Explosionsdarstellung wiedergegeben. Die Darstellung zeigt den Drehschwingungsdämpfer 30 und die Messeinrichtung 40. Der Drehschwingungsdämpfer 30 umfasst den Innenteil 32 und den Außenteil 34.
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Insbesondere zeigt 3 den inneren Adapterflansch 50, einen Befestigungswinkel 52, acht Scheiben 54 jeweils mit Sechskantschraube 56, einen äußeren Adapterflansch 58, einen Zwischenhebel 60, vier weitere Sechskantschrauben 62, einen Sensor 64 zum Bestimmen eines Drehwinkels, ein Klemmstück 66, eine Scheibe 68, eine erste Flügelschraube 70, eine zweite Flügelschraube 72, zwei Sechskantschrauben 74 und das Planetengetriebe 76.
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5 zeigt die Anordnung aus 3 ebenfalls in einer Explosionsdarstellung, wobei die Komponenten perspektivisch dargestellt sind. Zu erkennen ist der Drehschwingungsdämpfer 30, der innere Adapterflansch 50, der äußere Adapterflansch 58, das Planetengetriebe 76 und eine Aufnahme 90. Über das Planetengetriebe 76 sind der innere Adapterflansch 50 und der äußere Adapterflansch 58 zueinander zu verdrehen. An das Planetengetriebe 76 ist hierzu ein Kontaktstück 80 angeformt. Die Aufnahme 90 dient als Anbindungsstück für das Außenteil des Planetengetriebes 76.
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6 zeigt den inneren Adapterflansch 50 in einer perspektivischen Gesamtansicht. Dieser umfasst einen zylinderförmigen Körper 100, an dem umfänglich Vertiefungen 102 vorgesehen sind. Weiterhein erstrecken sich umfänglich von dem zylinderförmigen Körper 100 vier Flügel 104, in denen jeweils zwei Bohrungen 106 vorgesehen sind. Die Bohrungen 106 dienen zur Montage des inneren Adapterflansches 50 an den Drehschwingungsdämpfer.
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Weiterhin ist in der Stirnseite des zylinderförmigen Körpers 100 eine Aussparung 108 vorgesehen, in die das Kontaktstück des Planetengetriebes eingreift. Weiterhin zeigt die Darstellung einen Dehnungsmessstreifen 110 mit Verbindungsleitungen 112.
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In einer Ausführung sind die Dehnungsmessstreifen 110 an gekennzeichneten Oberflächen des inneren Adapterflansches 50 als Wheatstonesche Messbrücken aufgeklebt bzw. installiert.
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Der Dehnungsmessstreifen 110, der als zweiter Sensor dient, nimmt eine aufgrund des angelegten Drehmoments auftretende Torsion innerhalb des inneren Adapterflansches 50 auf. Aufgrund dessen kann auf das angelegte Drehmoment rückgeschlossen werden. Das Verhältnis zwischen Verdrehwinkel zwischen dem inneren Adapterflansch 50 und dem äußeren Adapterflansch zu der erfassten Torsion gibt ein Maß für die statische Steifigkeit des Drehschwingungsdämpfers.
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7 zeigt in einem Graphen eine gemessene Federkennlinie 120 eines verschleißbehafteten Drehschwingungsdämpfers. Dabei ist an einer Abszisse 122 ein Verdrehwinkel [mrad] und an einer Ordinate 124 ein Drehmoment [kNm] aufgetragen.
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Aus der Federkennlinie 120, die eine Drehmoment-Winkel-Kurve darstellt, kann die mathematische Ableitung, die Drehsteifigkeit-Winkel-Kurve ermittelt werden:
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Mit Hilfe dieser Kurve kann entschieden werden, ob der zulässige Verschleiß erreicht ist. Angelegte Asymptoten 126 verdeutlichen die Hysterese im Verlauf der Federkennlinie 120.
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8 zeigt in einem Graphen Verläufe der Steifigkeit eines Drehschwingungsdämpfers. Dabei ist an einer Abszisse 150 der Drehwinkel φ und an einer Ordinate 152 die statische Steifigkeit CT aufgetragen. Unterschiedliche Verläufe für unterschiedliche Verschleißgrade sind eingetragen, verdeutlicht durch eine erste Kurve v1 154, eine zweite Kurve v2 156, eine dritte Kurve v3 158 und eine vierte Kurve v4 160.
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Dabei wird die Kurve v2 156 als Grenzkurve festgelegt. Die Steifigkeit nähert sich unabhängig vom Verschleißzustand einer Nennsteifigkeit 162 an. Befindet sich die Ist-Kurve unter der Grenzkurve v2 156, so muss der Drehschwingungsdämpfer als Ausschuss behandelt werden.
