DE102021125852A1

DE102021125852A1 - Verfahren zum Bestimmen einer Ausdehnung eines Schadens in einem Lager

Info

Publication number: DE102021125852A1
Application number: DE102021125852.9A
Authority: DE
Inventors: Georg Martin; Tobias Schirra
Original assignee: Hcp Sense GmbH
Current assignee: Hcp Sense GmbH
Priority date: 2021-10-05
Filing date: 2021-10-05
Publication date: 2023-04-06

Abstract

Ein Verfahren zum Bestimmen einer Ausdehnung eines Schadens (20) an einem ersten Bauteil (12), das relativ zu einem zweiten Bauteil (13, 14) beweglich gelagert ist, umfasst ein Bewegen (S110) des ersten Bauteils (12) relativ zu dem zweiten Bauteil (13, 14). Weiter umfasst das Verfahren ein Messen (S120) eines Verlaufs (110, 111, ...) einer elektrischen Impedanz, die durch das erste Bauteil (13) und das zweite Bauteil (13, 14) bewirkt wird, während des Bewegens (S110). Das Verfahren umfasst weiter ein Feststellen (S130) des Schadens (20) basierend auf einer Impedanzänderung (120). Das Verfahren umfasst zudem ein Bestimmen (S140) der Ausdehnung des Schadens (20) basierend auf einer Zeitdauer der Impedanzänderung (120).

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Ausdehnung eines Schadens an einem ersten Bauteil, das relativ zu einem zweiten Bauteil beweglich gelagert ist, und insbesondere auf ein Verfahren zur Diagnose von Wälzlagerschäden, insbesondere Bestimmung der Schadenslänge, anhand der elektrischen Impedanz.
HINTERGRUND
Abweichungen der Oberfläche von Wälzkörpern oder Laufbahnen von der Nenngeometrie sind ein häufiges Schadensbild bei Wälzlagern. Eine reine Erkennung eines Schadens ist beispielsweise durch eine Frequenzanalyse von Schwingungsdaten möglich. Weiter kann eine Erkennung eines Schadens durch Messung einer Impedanz durch das Wälzlager erfolgen. Eine darauf basierende Nutzung der Impedanz als Werkzeug zur Zustandsüberwachung von Wälzlagern ist beispielsweise in dem Patent DE 10 2019 117 879 A1 beschrieben. Dort wird insbesondere ein Schmierstoffzustand überwacht. Auch das Patent DE 10 2017 212 666 A1 offenbart eine Zustandsüberwachung, die ebenfalls über die Impedanz erfolgt und bei der mechanische Schäden erkannt werden. Dabei kann insbesondere ein Bewerten des Zustands durch Zuordnen einer Zustandsinformation zu einem Messergebnis anhand einer Tabelle erfolgen. Auf diese Weise lässt sich ein Fortschritt eines Schadens über die Zeit feststellen.
Den Methoden ist gemeinsam, dass sie keine genauen Angaben zu Eigenschaften des Schadens selbst, und insbesondere zu dessen Ort und Ausdehnung, liefern. Es besteht daher ein Bedarf nach einem Verfahren zum Bestimmen einer Ausdehnung eines Schadens in einem Wälzlager, bzw. allgemein an einem Bauteil, das gegenüber einem anderen Bauteil beweglich gelagert ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Dieses Ziel wird zumindest teilweise durch das Verfahren nach Anspruch 1 bzw. eine Vorrichtung nach Anspruch 7 erreicht. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf vorteilhafte Weiterbildungen der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bestimmen einer Ausdehnung eines Schadens an einem ersten Bauteil, das relativ zu einem zweiten Bauteil beweglich gelagert ist. Das Verfahren umfasst ein Bewegen des ersten Bauteils relativ zu dem zweiten Bauteil. Das Bewegen kann dabei insbesondere wiederholt und/oder periodisch, beispielsweise in einem Betriebsmodus, erfolgen. Das Verfahren umfasst während des Bewegens ein Messen eines Verlaufs einer durch das erste Bauteil und das zweite Bauteil bewirkten elektrischen Impedanz.
Unter dem Begriff der Impedanz soll dabei eine Form des elektrischen Widerstands verstanden werden, der sich insbesondere aus einer Kapazität, einer Induktivität und einem ohmschen Widerstand zusammensetzen kann. Der Begriff der Impedanz soll im Rahmen dieser Darstellung jedoch auch für entsprechende Größen einer Messung mit Hilfe eines Gleichstroms stehen.
Zum Messen des Verlaufs wird die Impedanz fortlaufend über einen bestimmten Zeitraum gemessen. Die Impedanz kann beispielsweise durch einen Wechselstrom gemessen werden, der durch die Bauteile geleitet oder diesen zugeführt wird. Vorteilhafterweise wird der Verlauf der Impedanz während der Bewegung der beiden Bauteile aufgezeichnet.
Das Verfahren umfasst weiter ein Feststellen des Schadens, basierend auf einer Impedanzänderung. Die Impedanzänderung tritt dabei in dem Verlauf der Impedanz auf. Die Impedanzänderung kann insbesondere eine zeitlich eingegrenzte Schwankung in dem Verlauf der Impedanz sein; beispielsweise kann der Verlauf einen oder mehrere Ausschläge bzw. lokale Maxima oder Minima aufweisen. Eine Identifikation der Impedanzänderung im Verlauf der Impedanz kann auf einem Schwellwert, auf einer Änderungsrate oder allgemein auf einem anderen für den Schaden charakteristischen Teil des Verlaufs basieren. Zudem kann es vorteilhaft sein, zur Identifikation der Impedanzänderung einen Durchschnittswert der Impedanz über den Verlauf oder über Teile des Verlaufs zu bilden, mit dem zeitlich lokalisierte Werte der Impedanz verglichen werden können.
Das Verfahren umfasst weiter ein Bestimmen der Ausdehnung des Schadens, basierend auf einer Zeitdauer der Impedanzänderung. Dabei beruht das Verfahren auf der Erkenntnis, dass charakteristische Zeiten, Amplituden und Frequenzen der Impedanzänderung durch die Geometrie und insbesondere die Ausdehnung des Schadens bestimmt sind.
Die Zeitdauer der Impedanzänderung hängt in der Regel von einer Geschwindigkeit ab, mit der die beiden Bauteile relativ zueinander bewegt werden. Insbesondere kann die Zeitdauer üblicherweise durch schnelleres Bewegen verkürzt und durch langsameres Bewegen verlängert werden. Ein lokalisierterer (räumlich weniger ausgedehnter) Schaden kann auf eine lokalisiertere (kürzere) Zeitdauer der Impedanzänderung führen. Die Geschwindigkeit der Bewegung der beiden Bauteile kann angepasst bzw. variiert werden, um die Impedanzänderung im Verlauf der Impedanz deutlicher zu machen und so das Feststellen des Schadens und das Bestimmen der Zeitdauer zu erleichtern.
In Ausführungsbeispielen sind das erste Bauteil und das zweite Bauteil bei dem Bewegen durch ein Schmiermittel voneinander getrennt. Die Dicke und Qualität eines Schmierfilms zwischen den beiden Bauteilen kann ebenfalls durch das Messen des Verlaufs der Impedanz bestimmt werden. Effekte des Schmiermittels auf die Impedanz können aus der festgestellten Impedanzänderung herausgerechnet werden.
Optional bilden das erste Bauteil und das zweite Bauteil einen Kontakt eines Dreh-, Gleit- oder Wälzlagers, einen Zahnradkontakt oder einen Nocken-Stößel-Kontakt. In Ausführungsbeispielen wird das Verfahren insbesondere zur Bestimmung eines Schadens in einem Wälzlager mit Wälzkörpern zwischen einem äußeren und einem inneren Ring eingesetzt. Die Wälzkörper können beispielsweise Kugeln oder Zylinder sein.
In Ausführungsbeispielen handelt es sich bei dem Bewegen der beiden Bauteile insbesondere um ein periodisches Drehen. Dabei nehmen die beiden Bauteile periodisch dieselben Zustände ein. Die Zeit zwischen zwei identischen Zuständen wird im Folgenden als Drehperiode bezeichnet. Der Verlauf der Impedanz ist in einem solchen Fall im Wesentlichen periodisch. Die Zeitdauer der Impedanzänderung kann insbesondere innerhalb einer Drehperiode lokalisiert sein. Das Bestimmen der Ausdehnung des Schadens kann zumindest teilweise auf der Drehperiode basieren; insbesondere kann das Bestimmen ein Vergleichen der Drehperiode und der Zeitdauer der Impedanzänderung umfassen.
Optional umfasst das Messen ein Leiten eines elektrischen Stroms in das erste Bauteil und/oder in das zweite Bauteil. Insbesondere kann ein elektrisches Signal in das erste und oder das zweite Bauteil eingespeist werden. Die Impedanz kann etwa basierend auf einem Spannungsabfall über die beiden Bauteile und/oder auf einer Stromstärke in dem jeweils anderen Bauteil gemessen werden.
Alternativ oder zusätzlich umfasst das Messen der Impedanz ein Messen eines resistiven Widerstandes zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil. Der resistive Widerstand kann sich insbesondere aus einem Gleichstrom ergeben, der durch die beiden Bauteile geleitet wird. Die Kontaktierung insbesondere eines gegenüber einer Messvorrichtung bewegten Bauteils, wie etwa einer Welle in einem Drehlager, kann dabei beispielsweise über einen Schleif- oder auch einen Quecksilberkontakt geschehen.
Alternativ oder zusätzlich umfasst das Messen der Impedanz ein kontaktloses, kapazitives Koppeln an eines der Bauteile, an beide Bauteile, oder auch an ein mit dem ersten oder dem zweiten Bauteil in Kontakt stehendes weiteres Bauteil. Insbesondere für ein gegen eine Messvorrichtung bewegtes Bauteil ist diese Form der Kontaktierung vorteilhaft, da im Unterschied zur resistiven Kontaktierung Fehlerquellen wie etwa eine Thermospannung, ein Kontaktrauschen, mechanische Reibung oder eine temperaturabhängige Drift des elektrischen Widerstands entfallen können.
Alternativ oder zusätzlich kann das Messen des Verlaufs des elektrischen Widerstands zudem auch auf einer telemetrischen Signalübertragung basieren. Eine telemetrische Signalübertragung kann insbesondere bei langsam rotierenden Drehlagern vorteilhaft sein.
Optional umfasst das Verfahren weiter ein Feststellen einer Amplitude und/oder einer Frequenz der Impedanzänderung. Insbesondere können geeignete Teile eines Spektrums oder eines Cepstrums des Verlaufs der Impedanz bestimmt werden. Diese Daten können für das Bestimmen der Ausdehnung sowie weiterer Merkmale des Schadens verwendet werden.
Alternativ oder zusätzlich umfasst das Verfahren zudem ein Feststellen einer Periodizität der Impedanzänderung und/oder einer Abweichung der Impedanzänderung von einer Periodizität. Die Impedanzänderung kann mit einer Periodizität in dem Verlauf auftreten, wobei sich eine Form der Impedanzänderung von einer Wiederholung zur nächsten verändern kann. Die Abweichung der Impedanzänderung von einer Periodizität, beispielsweise von der Drehperiode, kann insbesondere zur Unterscheidung zwischen einem Schaden und z.B. einer Unreinheit in einem Schmierfilm als Ursache der Impedanzänderung dienen. Zudem lässt sich aus der Impedanzänderung so auch auf Unreinheiten oder andere Unregelmäßigkeiten im Schmierstoff rückschließen.
Optional basiert das Bestimmen der Ausdehnung des Schadens auf einer Hertzschen Fläche zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil. Dies kann insbesondere bei Wälzlagern vorteilhaft sein. Eine Hertzsche Fläche ist eine Auflagefläche, die sich aus einer Last auf das Lager und aus einer Elastizität des ersten und des zweiten Bauteils ergibt. Die Hertzsche Fläche kann auch durch das Eigengewicht der beiden Bauteile bestimmt sein. Die Hertzsche Fläche kann basierend auf einer Kenntnis von Material und Geometrie der Bauteile, von einer Lagerarchitektur sowie von der Last auf das Lager bestimmt werden.
Optional umfasst das Verfahren weiter zumindest eines der Folgenden:

- ein Bestimmen einer Oberflächenrauheit des ersten und/oder des zweiten Bauteils,
- ein Bestimmen einer Art des Schadens,
- ein Bestimmen eines Orts des Schadens,
- ein Bestimmen einer Breite des Schadens,
- ein Bestimmen eines Schadensfortschritts.

Insbesondere können als Art des Schadens beispielsweise eine Vertiefung (z.B. ein Pitting oder ein Riss), eine Erhöhung (z.B. eine Partikeleindrückung), eine Abweichung von der Oberflächenrauheit (z.B. Graufleckigkeit), eine unregelmäßige Struktur (z.B. Riffel, ein abrasiver oder adhäsiver Verschleiß, ein Krater oder eine Schlagstelle) oder Kantenlaufmerkmale bestimmt werden.
Das Verfahren erlaubt das Bestimmen des Orts des Schadens, also der Stelle des Schadens auf dem ersten Bauteil. Der Ort des Schadens kann sich zudem auch darauf beziehen, auf welchem der Bauteile der Schaden lokalisiert ist (d.h. welches von zwei gegeneinander beweglichen Bauteilen als das erste Bauteil anzusehen ist). Das Bestimmen des Orts des Schadens kann insbesondere auf der vorangehend erwähnten Periodizität der Impedanzänderung basieren.
Das Verfahren lässt auch eine Bestimmung mehrerer Schäden gleichzeitig zu. Schäden können dabei sowohl durch unterschiedliche Art als auch durch unterschiedliche Lokalisierung auf den Bauteilen voneinander abgegrenzt werden. Unterschiedliche Schäden können sowohl durch unterschiedliche also auch durch gemeinsame Ursachen entstehen. Eine Abgrenzung von Schäden kann insbesondere über eine Abgrenzung bzw. Identifizierung verschiedener Impedanzänderungen erfolgen. So können etwa zeitliche Lokalisierungen von Impedanzänderungen, Periodizitäten von Impedanzänderungen, Zeitdauern, Spektren oder Amplituden von Impedanzänderungen zur Identifizierung verwendet werden.
Ausführungsbeispiele des vorgestellten Verfahrens beziehen sich auch auf ein Speichermedium mit darauf gespeichertem Softwarecode, welches bei Ausführung des Softwarecodes durch eine datenverarbeitende Maschine dazu vorgesehen ist, dass ein Verfahren der vorangehend vorgestellten Art durchgeführt wird.
Ausführungsbeispiele beziehen sich auch auf eine Vorrichtung für ein Verfahren zum Bestimmen einer Ausdehnung eines Schadens an einem ersten Bauteil, das relativ zu einem zweiten Bauteil beweglich gelagert ist. Die Vorrichtung umfasst ein Messmodul, das ausgebildet ist, um während des Bewegens des ersten Bauteils relativ zu dem zweiten Bauteil eine Verlauf einer durch das erste Bauteil und das zweite Bauteil bewirkten elektrischen Impedanz fortlaufend zu messen. Weiter umfasst die Vorrichtung ein Auswertemodul, das ausgebildet ist, um basierend auf einer Impedanzänderung in einem Verlauf der Impedanz den Schaden festzustellen, und um die Ausdehnung des Schadens aus einer Zeitdauer der Impedanzänderung zu bestimmen.
Wesentliche Aspekte des vorgestellten Verfahrens lassen sich auch wie folgt beschreiben. Abweichungen von einer Nenngeometrie an Oberflächen von gegeneinander beweglich gelagerten Bauteilen, insbesondere von Wälzkörpern oder Laufbahnen, stellen ein häufiges Schadensbild dar. Bei Wälzlagern können solche Abweichungen bzw. Schäden z.B. Pittings oder Riffel sein. Während die Erkennung eines Schadens durch Frequenzanalyse von Schwingungsdaten prinzipiell möglich ist, ist die Bestimmung der Ausdehnung des Schadens im Betrieb deutlich schwieriger; hierfür gibt es noch keine allgemein etablierten Lösungen. Eine Bestimmung einer Ausdehnung des Schadens ermöglicht eine Überwachung des Schadensfortschritts. Insbesondere Pittingschäden schreiten nach einem Initialschaden zunächst langsam und später exponentiell fort, und eine Bestimmung der Ausdehnung kann in einer entscheidenden Phase des Schädigungsverlaufs eine zielführende Aussage darüber zulassen, wie dringlich ein Lagertausch ist.
In dem vorgestellten Verfahren wird eine Impedanz der Bauteile bzw. des Lagers gemessen. Bei einer Überrollung des Schadens treten charakteristische, durch den Schaden versursachte Ausschläge im Impedanzsignal auf. Durch die Analyse der Zeitdauer dieser Ausschläge kann auf die Länge des Schadens entlang einer Bewegungsrichtung bzw. einer Wälzrichtung zurückgeschlossen werden. Eine Analyse der Veränderungen des Impedanzsignals erlaubt darüber hinaus eine Bestimmung weitere Merkmale des Schadens, insbesondere bezüglich seiner Lage (bzw. Position oder Ort), seiner Art und seiner Geometrie.
Das vorgestellte Verfahren bietet gegenüber dem Stand der Technik insbesondere die Vorteile, nicht nur lediglich das Vorhandensein eines Schadens feststellen zu können, sondern die Größe des Schadens zu bestimmen. Damit kann eine Aussage über die Schwere der Schädigung und über das Fortschreiten (bzw. das Wachstum) des Schadens getroffen werden. Da ein Lager nach dem Initialschaden noch eine lange Zeit weiterlaufen kann, bis das Wachstum des Schadens zum Ausfall führt, kann durch Beobachtung des Schadensfortschritts präziser über die Notwendigkeit einer Wartung entschieden werden. Falls eine Wartung aufgeschoben werden kann, werden somit Wartungskosten gespart, gleichzeitig wird das Risiko kostspieliger Ausfälle gesenkt. Die Wartung kann genau zum „richtigen“ Zeitpunkt, weder zur früh noch zu spät, durchgeführt werden.
Figurenliste
Die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen der unterschiedlichen Ausführungsbeispiele, die jedoch nicht so verstanden werden sollten, dass sie die Offenbarung auf die spezifischen Ausführungsformen einschränken, sondern lediglich der Erklärung und dem Verständnis dienen.

1 zeigt Schritte eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung zum Bestimmen einer Ausdehnung eines Schadens an einem ersten Bauteil, das relativ zu einem zweiten Bauteil beweglich gelagert ist.
2 zeigt einen Verlauf einer Impedanz.
3 illustriert das Bestimmen der Ausdehnung des Schadens unter Berücksichtigung der Hertzschen Fläche.
4 zeigt drei Verläufe einer Impedanz zu Entwicklungsstadien eines Schadensfortschritts.
5 zeigt Beispiele von Impedanzänderungen.
6 illustriert einen Pitting-Schaden in zwei Entwicklungsstadien eines Schadensfortschritts.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
1 zeigt Schritte eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung zum Bestimmen einer Ausdehnung eines Schadens an einem ersten Bauteil, das relativ zu einem zweiten Bauteil beweglich gelagert ist. Das erste und das zweite Bauteil können beispielsweise Teile eines Wälzlagers sein, etwa ein Innenring oder ein Außenring sowie ein Wälzkörper. Andere Ausführungsbeispiele des Verfahrens eignen sich etwa für einen Einsatz an Zahnradgetrieben oder an Nocken-Stößel-Kontakten.
Das Verfahren umfasst ein Bewegen S110 des ersten Bauteils relativ zu dem zweiten Bauteil. Dies kann beispielweise durch ein Betreiben des Lagers geschehen. Das Verfahren umfasst weiter ein Messen S120 eines Verlaufs einer elektrischen Impedanz während des Bewegens. Die Impedanz charakterisiert den Kontakt zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil. Sie kann als komplexwertige Größe einen ohmschen Widerstand, eine Kapazität und eine Induktivität umfassen. Das Messen S120 kann ein Durchleiten von Strom durch das erste und das zweite Bauteil, ein Anlegen einer Spannung oder ein kapazitives Koppeln an das erste und/oder zweite Bauteil oder auch an ein anderes geeignetes Teil des Lagers umfassen.
Das Verfahren umfasst weiter ein Feststellen S130 des Schadens, basierend auf einer Impedanzänderung, die aus dem Verlauf der Impedanz ermittelt wird. Die Impedanzänderung ist dabei vorteilhafterweise ein für den Schaden charakteristischer Teil in dem Verlauf der Impedanz. Das Verfahren umfasst weiter ein Bestimmen S140 der Ausdehnung des Schadens, basierend auf einer Zeitdauer der Impedanzänderung. Die Zeitdauer kann mit einer Art bzw. mit einer Geschwindigkeit des Bewegens S110 (beispielsweise über eine Umdrehungsrate, eine Frequenz oder eine Drehperiode) zusammenhängen.
2 zeigt einen Verlauf 111, 112 einer Impedanz aus einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens. Dargestellt sind ein Verlauf eines Realteils 111 der Impedanz sowie ein Verlauf eines Imaginärteils 112 der Impedanz, jeweils in Ohm, über der Zeit in Millisekunden. Ein solcher Verlauf 111, 112 der Impedanz kann beispielsweise in einem Wälzlager gemessen werden, das Wälzkörper zwischen einem Innenring und einen Außenring aufweist.
Durch den Schaden am ersten Bauteil (beispielsweise dem Außenring) entstehen Impedanzänderungen 120, hier in Form von Ausschlägen im Verlauf 111, 112 der Impedanz. Die Impedanzänderungen 120 weisen jeweils eine in Details unterschiedliche Substruktur auf, treten aber im Wesentlichen in einer Abfolge mit bestimmbarem zeitlichem Abstand auf. Dabei können aufgrund mehrerer Schäden mehrere verschiedene Impedanzänderungen 120 mit unterschiedlichen zeitlichen Abständen auftreten. Die Impedanzänderungen 120 sind abzugrenzen von einem mit einem Rauschen behafteten Hintergrund in dem Verlauf 111, 112. Eine Impedanzänderung 120 kann quantitativ etwa basierend auf Schwellwerten, Periodizitäten oder Änderungsraten bestimmt und von dem Hintergrund abgegrenzt werden.
Durch das Vorhandensein der Impedanzänderungen 120 kann zunächst das Vorhandensein des Schadens bzw. einer Oberflächenabweichung festgestellt werden. Der zeitliche Abstand derjenigen Impedanzänderungen 120, die durch denselben Schaden verursacht sind, entspricht dem Kehrwert einer Überrollfrequenz des Schadens, sodass durch die Analyse des zeitlichen Abstands bestimmt werden kann, auf welchem Bauteil (z.B. Innenring, Außenring, Wälzkörper) sich der Schaden befindet.
Alternativ kann diese Analyse auch im Frequenzbereich durchgeführt werden. In diesem Fall wird der Verlauf 111, 112 zunächst in den Frequenzbereich transformiert (etwa durch eine Schnelle Fourier-Transformation) und dann dort die Amplitude der Überrollfrequenz ermittelt.
Über das Feststellen S130 des Schadens hinaus erlaubt der Verlauf 111, 112 insbesondere das gezielte Bestimmen S140 der Ausdehnung des Schadens. Eine Impedanzänderung 120 ist insbesondere charakterisiert durch eine Zeitdauer eines Ausschlags. Aus der Zeitdauer des Ausschlags lässt sich eine Ausdehnung des Schadens in Bewegungsrichtung bestimmen. Das Verfahren kann auch ein Bestimmen weiterer den Schaden charakterisierender geometrischer Daten umfassen. Dies kann insbesondere durch ein Analysieren der Substruktur der Impedanzänderungen 120 geschehen, wobei neben dem Feststellen charakteristischer Merkmale von Spektren der Impedanzänderungen 120 auch statistische Methoden zum Einsatz kommen können.
3 illustriert das Verfahren in einem Ausführungsbeispiel an einem Wälzlager, und verdeutlicht insbesondere Aspekte des Bestimmens S140 der Ausdehnung des Schadens.
Ein oberer Teil der Figur zeigt links einen Querschnitt durch ein Wälzlager 10 mit einem Außenring 11, einem Innenring 12 und dazwischenliegenden Wälzkörpern 13, 14, beispielsweise Kugeln oder Zylindern. Der Querschnitt umfasst eine Achse 15 des Wälzlagers 10, die in der Figur in horizontaler Richtung verläuft. Im oberen Teil der Figur ist rechts eine Detailansicht des Wälzkörpers 14 auf dem Innenring 12 eingesetzt.
Eine elektrische Kapazität von Wälzkontakten (insbesondere zwischen Außenring 11 und einem oder mehreren der Wälzkörper 13, 14 oder Innenring 12 und Wälzkörper 13, 14) kann als Plattenkondensator modelliert werden, wobei die Kapazität des Kondensators durch eine Schmierfilmdicke 16 sowie eine Hertzsche Fläche 17 bestimmt wird. In ähnlicher Weise hängt auch ein elektrischer Widerstand des Wälzlagers 10 von der Kontaktfläche 17 und der Schmierfilmdicke 16 ab. Die elektrischen Größen lassen sich in einer komplexwertigen Impedanz des Kontakts mit einem Realteil und einem Imaginärteil zusammenfassen. Im unbeschädigten Zustand der Bauteile 11, 12, 13, 14 und bei voll ausgebildetem Schmierfilm schwankt die Impedanz nur leicht. Wenn der Schmierfilm insbesondere aufgrund eines Schadens an einem der Bauteile 11, 12, 13, 14 zusammenbricht und es zu metallischem Kontakt kommt, sinkt der Widerstand deutlich ab, was zum Feststellen S130 des Schadens 20 und zur Bestimmung des Schmierungszustandes genutzt werden kann.
Ein linker unterer Teil der Figur zeigt einen Querschnitt durch einen Teil senkrecht zur Achse 15 des Wälzlagers 10 zu einem ersten Zeitpunkt t₁. Dargestellt ist der Innenring 12 mit einem Schaden 20, der eine Ausdehnung l_p aufweist. Weiter ist ein Wälzkörper 13 dargestellt. Zwischen dem Wälzkörper 13 und dem Innenring 12 hat sich eine Hertzsche Fläche 17 ausgebildet, die in einer Wälzrichtung einen halben Durchmesser bzw. - bei einem kugelförmigen Wälzkörper - eine kleine Halbachse b aufweist. Die Schmierfilmdicke 16 ist hier nicht explizit dargestellt.
Ein rechter unterer Teil der Figur zeigt den Querschnitt wie im linken unteren Teil der Figur, diesmal zu einem im Vergleich zu dem Zeitpunkt t₁ späteren zweiten Zeitpunkt t₂ .
Das Verfahren nutzt die durch einen Schaden 20 an einem der Bauteile 11, 12, 13, 14, hier dem Innenring 12, verursachte Veränderung der Impedanz, um eine Geometrie des Schadens 20 zu bestimmen. Der Zusammenhang zwischen Schaden 20 und Impedanz wird genutzt, um den Schaden 20 zu diagnostizieren und die Ausdehnung l_p des Schadens 20 zu bestimmen
Der Schaden 20 kann allgemein eine Abweichung in der Oberfläche der Kontaktpartner (Innenring 11, Außenring 12, Wälzkörper 13, 14) von einer Nenngeometrie sein. Es kann sich dabei um Vertiefungen (z.B. Pittings), Erhöhungen (Partikeleindrückungen), Abweichungen der Rauheit (z.B. Graufleckigkeit) oder unregelmäßige Strukturen (z.B. Riffel) handeln. Wenn eine solche Oberflächenabweichung im Wälzkontakt liegt, stellt sich eine veränderte Impedanz im Vergleich zum unbeschädigten Kontakt ein. Die Impedanzänderung kann allgemein z.B. einem der folgenden entsprechen:

- einer Erhöhung der Kapazität (und damit einer Reduzierung eines Betrags des Imaginärteils der Impedanz) infolge eines durch den Schaden 20 bewirkten dünneren Schmierfilms,
- einer Verringerung der Kapazität (und damit eine Erhöhung eines Betrags des Imaginärteils der Impedanz) infolge eines durch den Schaden 20 bewirkten dickeren Schmierfilms und/oder
- einer Reduzierung des Widerstands (und damit eine Erhöhung des Realteils der Impedanz) infolge eines durch den Schaden 20 verursachten metallischen Kontakts.

Für das Bestimmen der Ausdehnung l_p des Schadens 20 kann in diesem Ausführungsbeispiel aus den kinematischen Bedingungen im Wälzlager 10 (z.B. Drehzahl des Außenrings 11, des Innenrings 12 und des Wälzkörpersatzes 13, 14) sowie aus Abmessungen dieser Bauteile 11, 12, 13, 14 ein Wälzweg Δl berechnet werden, den die Kontaktfläche 17 innerhalb einer bestimmten Zeitdauer Δt auf dem Außenring 11, Innenring 12 oder Wälzkörper 13, 14 zurücklegt. Am dargestellten Beispiel des Schadens 20 auf dem Innenring 12 wird der Wälzweg Δl durch $Δ l = π (ƒ_{n} - ƒ_{K}) d_{I R} Δ t$
berechnet. Dabei sind in und f_K die Drehzahlen von Innenring 12 und Wälzkörpersatz 13, 14, und d_IR ist der Laufbahndurchmesser des Innenrings 12. Der Außenring 11 wird hier als stillstehend angenommen. Bei einem (entlang der Wälzrichtung) größeren Schaden 20 ist der Wälzweg Δl größer als bei einem kleinen Schaden 20.
Der Wälzweg Δl kann bereits näherungsweise als ein physikalisch interpretierbares Maß für die Ausdehnung bzw. Länge l_p des Schadens 20 dienen. Zudem wird der Einfluss einer variablen Drehzahl eliminiert. Eine präzisere Auswertung berücksichtigt zusätzlich eine Größe der Hertzschen Fläche 17. Dies wird insbesondere in den unteren Teilen der Figur dargestellt.
Die Beeinflussung des elektrohydrodynamischen Kontakts zwischen dem Innenring 12 und dem Wälzkörper 13 durch den Schaden 20, und damit auch die Beeinflussung der Impedanz durch den Schaden 20, beginnt, wenn ein in Rollrichtung vorderer Rand der Hertzschen Fläche 17, der um die Länge der kleinen Halbachse b vor einem Mittelpunkt des Wälzkörpers 13 liegt, zum Zeitpunkt t₁ einen Rand des Schadens 20 erreicht.
Zu dem zweiten Zeitpunkt t₂ endet das Überrollungsereignis, und damit im Wesentlichen auch die Beeinflussung, indem ein hinterer Rand der Hertzschen Fläche 17 den Schaden 20 wieder verlässt. Dabei bewegt sich der Wälzkörper 13 relativ zum Innenring 12 zwischen dem ersten Zeitpunkt t₁ und dem zweiten Zeitpunkt t₂ um die Strecke $Δ l = 2 b + l_{p} .$
Durch Umkehrung dieses Zusammenhangs kann bei bekannter Wälzkörperlast (aus der die Hertzsche Fläche 17 und insbesondere deren kleine Halbachse b berechnet werden kann) direkt auf die Ausdehnung l_p des Schadens 20 geschlossen werden.
Da der Innenring 12 auf mehreren Wälzkörpern 13, 14 gelagert ist, überrollen die Wälzkörper 13, 14 den Schaden 20 aufgrund der Bewegung des Wälzlagers 10 aufeinanderfolgend in zyklischer Weise.
In weiteren Ausführungsbeispielen können Daten aus dem Verlauf 111, 112 der Impedanz, zu einer Geometrie des Lagers 10 und insbesondere der Bauteile 11, 12, 13, 14, zu Zustand und Art der Schmierung und zu Bedingungen wie Last oder Temperatur einem Machine-Learning-Algorithmus übergeben werden. Der Machine-Learning-Algorithmus kann dabei ausgebildet sein, um bei dem Bestimmen der Ausdehnung l_p sowie weiterer geometrischer Größen des Schadens 20 die Einflüsse von Drehzahl, Temperatur und Belastung mit einem empirischen Modell anstelle der hier beschriebenen physikalischen Modells zu berücksichtigen.
Bei einer Anwendung des Verfahrens in anderen Lagertypen können vorangehend beschriebene Details des Ausführungsbeispiels, insbesondere etwa die mathematischen Formeln, an die veränderten Geometrien angepasst werden.
4 zeigt drei Verläufe 113, 114, 115 jeweils eines Imaginärteils einer Impedanz (in Ohm) aus einem Ausführungsbeispiel des vorgestellten Verfahrens. Die Verläufe 114, 115, 116 sind in diesem Ausführungsbeispiel jeweils über die Zeit (in Millisekunden) dargestellt. Das Ausführungsbeispiel wird an einem Dreh- oder Wälzlager eingesetzt, das einen fortschreitenden Pitting-Schaden 20 aufweist.
Ein oberer Teil der Figur zeigt einen ersten Verlauf 113 des Imaginärteils der Impedanz. Das Bewegen erfolgt hier mit 4000 Umdrehungen pro Minute. Dieser Verlauf 113 entsteht durch das Lager in unbeschädigtem Zustand.
Ein mittlerer Teil der Figur zeigt einen zweiten Verlauf 114 des Imaginärteils der Impedanz. Das Bewegen erfolgt hier mit 2000 Umdrehungen pro Minute. Dieser Verlauf 114 stellt ein Beispiel einer Aufzeichnung unmittelbar nach einem Entstehen eines initialen Pitting-Schadens 20 dar.
Ein unterer Teil der Figur zeigt einen dritten Verlauf 115 des Imaginärteils der Impedanz. Das Bewegen erfolgt hier wieder mit 2000 Umdrehungen pro Minute. Ein solcher Verlauf 115 kann beispielsweise 30 Minuten nach dem ersten Initialschaden (Verlauf 114 im mittleren Teil der Figur) aufgenommen werden. Der Schaden 20 hat sich nach seiner Entstehung ausgedehnt. Ein Rauschen, das unmittelbar nach der Entstehung des Schadens 20 im Verlauf 114 noch stark vorhanden ist, ist hier deutlich zurückgegangen. Dafür zeigt sich im unteren Verlauf 115 eine periodisch auftretende Impedanzänderung mit höherer Deutlichkeit.
5 zeigt verschiedene Beispiele von Impedanzänderungen 120, wie sie durch einen Pitting-Schaden 20 in einem Wälzlager 10 in Verläufen 110 einer Impedanz hervorgerufen werden können. Dargestellt sind acht Impedanzänderungen 120 (Ausschläge) zu bestimmten Zeiten nach einer Entstehung eines Initialschadens. Jede Impedanzänderung 120 ist dabei Teil eines Verlaufs 110 der Impedanz. Die Impedanzänderungen 120 können alle oder auch teilweise einem gemeinsamen, durchgehenden Verlauf 110 entnommen worden sein, oder jeweils aus einem eigenen Verlauf 110 (von jeweils lediglich z.B. einigen Minuten Länge) stammen. Die Zeiten, zu denen die Impedanzänderungen 120 in dem Verlauf oder in den Verläufen 110 auftreten, sind jeweils über dem sie enthaltenden Teil des Verlaufs 110 angegeben (in einem Format Minuten:Sekunden). Für jede Impedanzänderung 120 ist dabei ein Ausschnitt von 4 Millisekunden des entsprechenden Verlaufs 110 dargestellt.
Für jede der dargestellten Impedanzänderungen 120 sind zudem ein erster Zeitpunkt t₁ und ein zweiter Zeitpunkt t₂ markiert. Die Differenz der beiden Zeitpunkte t₁, t₂ entspricht der Zeitdauer der jeweiligen Impedanzveränderung 120.
6 illustriert einen Pitting-Schaden 20 in zwei Entwicklungsstadien.
In einem oberen Teil des Bildes ist links eine Aufnahme, rechts ein Modell einer Oberfläche des ersten Bauteils im Bereich des initialen Pitting-Schadens 20 dargestellt. Der initiale Pitting-Schaden 20 weist eine Breite w_p und eine Länge l_p auf. Insbesondere die Länge l_p kann wie vorangehend erläutert als Ausdehnung aus einer Impedanzänderung 120 im Verlauf 110, 111, 112, ... der Impedanz bestimmt werden (siehe insbesondere 3).
In einem unteren Teil des Bildes ist links eine Aufnahme, rechts ein Modell einer Oberfläche des ersten Bauteils im Bereich des fortgeschrittenen Pitting-Schadens 20 dargestellt. Eine Zeit zwischen den beiden Aufnahmen beträgt im vorliegenden Beispiel etwa 30 Minuten. Der Pitting-Schaden 20 hat sich in dieser Zeit durch weiteres Betreiben des Lagers ausgedehnt.
Die Figuren, die vorangehend beschriebenen Lager, Impedanzverläufe, mathematischen Modelle und Aufnahmen sollen lediglich als Verdeutlichung konkreter Ausführungsbeispiele des vorgestellten Verfahrens verstanden werden. Insbesondere im Bereich der mathematischen Modelle können bei anderen Lagertypen Modifikationen der hier beschriebenen Ausführungsbeispiele angebracht bzw. vorteilhaft sein.
Die in der Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren offenbarten Merkmale können allerdings sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
Bezugszeichenliste

10: Wälzlager
11: Außenring
12: Innenring; erstes Bauteil
13, 14: Wälzkörper; zweites Bauteil
15: Achse
16: Schmierfilmdicke
17: Hertzsche Fläche
20: Schaden
110, 111, ...: Verlauf
120: Impedanzänderung
S110, S120, S130, S140: Verfahrensschritte

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 102019117879 A1 [0002]
DE 102017212666 A1 [0002]

Claims

Ein Verfahren zum Bestimmen einer Ausdehnung eines Schadens (20) an einem ersten Bauteil (12), das relativ zu einem zweiten Bauteil (13, 14) beweglich gelagert ist, mit: Bewegen (S110) des ersten Bauteils (12) relativ zu dem zweiten Bauteil (13, 14); Messen (S120), während des Bewegens(S120), eines Verlaufs (110, 111, ...) einer elektrischen Impedanz, die durch das erste Bauteil (12) und das zweite Bauteil (13, 14) bewirkt wird; Feststellen (S130) des Schadens (20) basierend auf einer Impedanzänderung (120); und Bestimmen (S140) der Ausdehnung des Schadens (20) basierend auf einer Zeitdauer der Impedanzänderung (120).
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste Bauteil (12) und das zweite Bauteil (13, 14) einen Kontakt der folgenden Art bilden: - einen Kontakt eines Wälzlagers (10), - einen Zahnradkontakt, - einen Nocken-Stößel-Kontakt.
Das Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Messen (S120) des Verlaufs (110, 111,...) der Impedanz zumindest eines der folgenden umfasst: - Einspeisen eines elektrischen Stroms in das erste Bauteil (12) oder in das zweite Bauteil (13, 14), - Messen eines resistiven Widerstandes zwischen dem ersten Bauteil (12) und dem zweiten Bauteil (13, 14), - Kapazitives Koppeln an das erste Bauteil (12) und/oder an das zweite Bauteil (13, 14), - Übertragen eines telemetrischen Signals.
Das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das weiter zumindest eines der folgenden umfasst: - Feststellen einer Amplitude und/oder Frequenz der Impedanzänderung (120), - Feststellen einer Periodizität und/oder einer Abweichung von einer Periodizität der Impedanzänderung (120).
Das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bestimmen der Ausdehnung auf einer Hertzschen Fläche (17) zwischen dem ersten Bauteil (12) und dem zweiten Bauteil (13, 14) basiert.
Das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das weiter zumindest eines der folgenden umfasst: - Bestimmen einer Oberflächenrauheit des ersten Bauteils (12) und/oder des zweiten Bauteils (13, 14), - Bestimmen einer Art des Schadens (20), - Bestimmen eines Orts des Schadens (20), - Bestimmen einer Breite des Schadens (20), - Bestimmen eines Schadensfortschritts.
Eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zum Bestimmen einer Ausdehnung eines Schadens (20) an einem ersten Bauteil (12), das relativ zu einem zweiten Bauteil (13, 14) beweglich gelagert ist, die Vorrichtung umfasst: Ein Messmodul, das ausgebildet ist, um während eines Bewegens des ersten Bauteils (12) relativ zu dem zweiten Bauteil (13, 14) eine durch das erste Bauteil (12) und das zweite Bauteil (13, 14) bewirkte elektrische Impedanz fortlaufend zu messen; und Ein Auswertemodul, das ausgebildet ist, um basierend auf einer Impedanzänderung (120) in einem Verlauf (110, 111, ...) der Impedanz den Schaden festzustellen und die Ausdehnung des Schadens (20) aus einer Zeitdauer der Impedanzänderung (20) zu bestimmen.