DE10147817C5

DE10147817C5 - Verfahren zur Verschleisserkennung bei einer Bremse oder einer Kupplung

Info

Publication number: DE10147817C5
Application number: DE10147817A
Authority: DE
Inventors: Folke Dr. Giessler
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2001-09-27
Filing date: 2001-09-27
Publication date: 2011-02-24
Anticipated expiration: 2021-09-28
Also published as: US7047797B2; US20030061872A1; DE10147817B4; DE10147817A1

Abstract

Verfahren zur Verschleißerkennung bei einer reibschlüssigen Kupplung (50) oder einer reibschlüssigen Bremse (2, 40), wobei die Kupplung (50) oder die Bremse (2, 40) wenigstens eine elektrisch erregbare Spule (4) und wenigstens ein rotatorisch um eine Achse (3) bewegbares Element (20, 21, 23) zum Reibschluss mit wenigstens einem korrespondierenden Gegenelement (22, 28, 54) aufweist, wobei wenigstens das rotatorisch bewegbare Element (20, 21, 23) oder das korrespondierende Gegenelement (22, 54) axial bewegbar ist, und sich beim Öffnen oder Schließen der Kupplung (50) oder der Bremse (2, 40) wenigstens ein Luftspalt (26) zwischen dem bewegbaren Element (20, 21, 23) und dem Gegenelement (22, 28, 54) verändert, wobei der elektrische Strom durch die elektrisch erregbare Spule (4) bei einer Änderung der Spannung über dieser Spule (4) gemessen wird, wobei wenigstens ein Teil der Messwerte datentechnisch ausgewertet wird und wenigstens ein Ergebnis der Auswertung mit wenigstens einem gespeicherten Wert verglichen wird und aus dem Vergleich...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verschleißerkennung bei einer reibschlüssigen Kupplung oder einer reibschlüssigen Bremse.
Stand der Technik
Es sind Kupplungen und Bremsen bekannt, welche reibschlüssige Verbindungen als Funktionsprinzip nutzen. Diese Bremsen und/oder Kupplungen weisen z. B. wenigstens eine elektrisch erregbare Spule, wenigstens ein rotatorisch um eine Achse bewegbares Element zum Reibschluss mit einem korrespondierenden Gegenelement auf. Dabei ist wenigstens das rotatorisch bewegbare Element oder auch das korrespondierende Gegenelement axial bewegbar. Die Kupplung bzw. die Bremse überträgt Kräfte bzw. Drehmomente, wobei die Bremse die kinetische Energie wenigstens eines bewegten Körpers durch eine reibschlüssige Verbindung mit wenigstens eifern nicht bewegten Körper reduziert und die Kupplung wenigstens zwei bewegbare Körper zur gemeinsamen Bewegung miteinander koppelt bzw. entkoppelt.
Bremsen sind beispielsweise als Permanentmagnet-Bremsen ausgeführt. Dabei wird die Kraftwirkung eines permanentmagnetischen Feldes für die Erzeugung der Bremswirkung genutzt. Permanentmagnete erzeugen ein permanentmagnetisches Feld und ziehen wenigstens ein rotatorisch bewegbares Element zu einem korrespondierenden Gegenelement zur reibschlüssigen Verbindung an. Zum Lüften der Bremse d. h. zur Aufhebung der Bremswirkung wird das permanentmagnetische Feld durch ein elektromagnetischen Feld mit wenigstens teilweise entgegengesetzter Feldrichtung überlagert, so das sich die Felder zumindest teilweise gegenseitig aufheben. Das elektromagnetische Feld ist durch eine elektrisch erregbare Spule erzeugbar. Auch Kupplungen sind mit diesem Wirkmechanismus zwischen permanetmagnetischem Feld und elektromagnetischem Feld aufbaubar.
Bremsen sind beispielsweise auch als Federdruck-Bremse ausführbar. Dabei wird die Kraftwirkung eines elektromagnetischen Feldes zum Aufheben der durch eine Feder erzeugten Kraft auf ein rotatorisch um eine Achse bewegbares Element ausgenutzt. Federn drücken z. B. ein wenigsten rotatorisch bewegbares Element zu einem korrespondierenden Gegenelement zur reibschlüssigen Verbindung an. Zum Lüften, d. h. zum Öffnen der Bremse d. h. zur Aufhebung der Bremswirkung wird durch eine elektrisch erregbare Spule ein elektromagnetischen Feld erzeugt, welches eine der Kraft der Feder entgegengesetzte Kraft, eine magnetische Kraft hervorruft. Auch Kupplungen sind mit diesem Wirkmechanismus zwischen Federkraft und magnetischer Kraft aufbaubar.
Permanentmagnet-Bremsen, Federdruck-Bremsen und -Kupplungen weisen eine elektrisch erregbare Spule auf, wobei je nach Konstruktion der Bremse bzw. der Kupplung eine Ruhestrom oder eine Arbeitsstrom Bremse bzw. Kupplung ausführbar ist. Die elektrisch erregte Spule übt eine Kraft auf ein vorteilhafter Weise ferromagnetisches Material aus, wobei das ferromagnetisch Material wenigsten ein Teil zumindest eines der am Reibschluss beteiligten Elemente ist, dessen Abstand von der elektrisch erregbaren Spule abänderbar.
Durch den Reibschluss zwischen dem rotatorisch um eine Achse bewegbaren Element und dem Gegenelement ergibt sich ein Abrieb, d. h. ein Verschleiß wenigstens an einem der am Reibschluss beteiligten Elemente. Der Verschleiß ist ein begrenzender Faktor für die Lebensdauer der Bremse oder der Kupplung. Ab einem z. B. vom Hersteller bestimmten Verschleißgrad ist die Funktion der Bremse bzw. der Kupplung nicht mehr gewährt, so dass ein Austausch von wenigstens einem Teil der Bremse oder der Kupplung, welches dem Verschleiß unterliegt zu erfolgen hat.
Bisher hat der Anwender der Bremse bzw. der Kupplung selbst dafür Sorge getragen den Verscheiß zu bestimmen. Da für den Verschleiß der Abrieb kennzeichnend ist, besteht die Möglichkeit diesen Abrieb von Zeit zu Zeit mechanisch durch einen Längenmesser zu messen. Diese Vorgehensweise ist sowohl umständlich als auch zeit- und kostenintensiv. Dieser Notwendigkeit der Abriebsmessung konnte sich der Anwender bisher nur so entziehen, indem er in zeitlichen Abständen die Bremse oder die Kupplung vorsorglich austauscht. Eine weiter Möglichkeit ist das Zählen der Anzahl der Bremsvorgänge, Notsog-Vorgänge bzw. der Kupplungsvorgänge. Nach einer festgelegten Anzahl von Vorgängen wird ein kritischer Verschleiß angenommen und die Bremse bzw. die Kupplung ausgetauscht. Bei diesem Vorgehen werden viele Bremsen bzw. Kupplungen unnötigerweise ausgetauscht, obwohl deren Verschleiß noch keinen Austausch notwendig gemacht hätte. So entstehen unnötig Kosten für z. B. Stillstandszeiten, Material und Arbeitszeit. Abhängig vom Bremsentyp bzw. vom Kupplungstyp ist bei Verschleiß nicht unbedingt die ganze Bremse bzw. die ganze Kupplung auszutauschen sondern nur wenigstens ein Verschleißteil und/oder es ist eine Vorrichtung zur Nachstellung der Bremse bzw. der Kupplung vorhanden, die den Verschleiß ausgleicht.
Aus der DE 195 48 520 A ist beispielsweise eine Kupplung bzw. eine Bremse bekannt, bei welcher die Luftspaltdicke ermittelbar ist. Hierfür ist es notwendig eine Spule eines Elektromagneten zusätzlich mit einer sich periodisch ändernden Spannung zu beaufschlagen.
Aufgabenstellung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine verbesserte, kostengünstige Einrichtung zur Verschleißerkennung bei einer reibschlüssigen Kupplung oder bei einer reibschlüssigen Bremse anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Eine Lösung ergibt sich auch die eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Beim Verfahren zur Verschleißerkennung bei einer reibschlüssigen Kupplung oder einer reibschlüssigen Bremse wird der elektrische Strom durch die elektrisch erregbare Spule bei einer Änderung der Spannung über dieser Spule gemessen, wobei wenigstens ein Teil der Messwerte datentechnisch ausgewertet wird und wenigstens ein Ergebnis der Auswertung mit wenigstens einem gespeicherten Wert verglichen wird und aus dem Vergleich ein Rückschluss auf den Verschleiß vollzogen wird.
Dabei weist die Kupplung oder die Bremse wenigstens eine elektrisch erregbare Spule und wenigstens ein rotatorisch um eine Achse bewegbares Element zum Reibschluss mit wenigstens einem korrespondierenden Gegenelement auf, wobei wenigstens das rotatorisch bewegbare Element oder das korrespondierende Gegenelement axial bewegbar ist, und sich beim Öffnen oder Schließen der Kupplung oder der Bremse wenigstens ein Luftspalt zwischen dem bewegbaren Element und dem Gegenelement verändert.
Für den Verschleiß einer reibschlüssigen Kupplung oder einer reibschlüssigen Bremse ist der Verschleiß von Reibflächen wie z. B. einem Bremsbelag, einer Bremsscheibe und/oder anderer am Reibschluss beteiligten Elemente maßgebend. Dieser Verschleiß tritt bei reibschlüssigen Bremsen oder reibschlüssigen Kupplungen mit einer elektrisch erregbarer Spule in der Regel im Bereich wenigstens eines Luftspaltes des magnetischen Kreises der elektrisch erregten Spule auf und beeinflusst diesen. Mit zunehmendem Verschleiß vergrößert sich der Luftspalt und somit nimmt die Induktivität der elektrisch erregbaren Spule ab. Nimmt die Induktivität ab, so nimmt auch die elektrische Zeitkonstante der elektrisch erregbaren Spule ab. Die Abnahme der Induktivität verändert den Verlauf des elektrischen Stromes der Spule. Auswertungen bzw. auch Kriterien für diesen Verlauf ermöglichen durch einen Vergleich mit wenigstens einem gespeicherten Sollwert einen Rückschluss auf den Verschleiß. Auch die Änderung der Zeitkonstante der Spule ist als Messgröße für die Verschleißerkennung heranziehbar. Je kleiner die Induktivität ist, desto kleiner ist die Zeitkonstante.
In vorteilhafter Weise wird beim Verfahren zur Verschleißerkennung bei einer reibschlüssigen Kupplung oder einer reibschlüssigen Bremse der Zeitpunkt wenigstens eines Einbruches oder einer Spitze des elektrischen Stromes der elektrisch erregbaren Spule während des Erregungsvorganges und/oder während des Entregungsvorganges der elektrisch erregbaren Spule verglichen mit einem gespeicherten Referenzzeitpunkt und aus der Differenz der Zeitpunkte ein Rückschluss auf den Verschleiß gezogen.
Vergrößert sich der Luftspalt durch Verschleiß, so verringert sich z. B. die Öffnungszeit bzw. Schließzeit der Bremse da die Induktivität der Spule reduziert ist. Dieser Effekt tritt auch bei Kupplungsvorgängen auf. Damit kann diese Öffnungszeit bzw. Schließzeit als Kriterium für den Verschleiß herangezogen werden. Die Abnahme der Induktivität ist bei einer Änderung der Spannung über die Spule feststellbar. Als Kriterium für die Öffnungszeit bzw. die Schließzeit sind Einbrüche bzw. Spitzen des Stromflusses heranziehbar. Diese Einbrüche bzw. Spitzen entstehen in dem Moment, in dem sich die zum Reibschluss vorgesehenen Elemente voneinander ablösen und einen Luftspalt bilden, bzw. auch in dem Moment, in dem sich die zum Reibschluss vorgesehenen Elemente in gegenseitigen Kontakt kommen und den Luftspalt auflösen. In diesen Momenten ändert sich durch den sich ausbildenden bzw. verschwindenden Luftspalt die Induktivität der Spule sehr stark, so dass dies eine entscheidende Wirkung auf den in der Spule fließenden Strom hat.
Ein Einbruch, welcher bei einem ansonsten monoton steigenden Stromverlauf auftritt, bzw. eine Spitze, welche bei einem ansonsten monoton fallenden Stromverlauf auftritt kann beispielsweise durch die Auswertung der Differenzen benachbarter Messwerte oder über die Auswertung zeitlicher Ableitungen des Stromes erfolgen. Der Zeitpunkt des ermittelten Einbruches bzw. der ermittelten Spitze wird mit einem gespeicherten Referenzzeitpunkt verglichen. Dieser Referenzzeitpunkt gibt beispielsweise den Zeitpunkt des Einbruchs bzw. der Spitze des Stromverlaufs bei einer Kupplung oder Bremse ohne Verschleiß an. Wird ein bestimmter Differenzwert zwischen dem Zeitpunkt des Einbruchs bzw. der Spitze des Referenzwertes und dem aktuellen Zeitpunkt des Einbruchs bzw. der Spitze Überschritten, so ist beispielsweise ein Warnmeldung generierbar. Beim Vergleich der Zeitpunkte ist ein vergleichbarer Anfangszeitpunkt zur Zeitermittlung bestimmt. Dieser Anfangszeitpunkt ist vorteilhafter Weise der Spannungssprung beim Anlegen der Erregerspannung an die Spule oder der Spannungssprung beim Abschalten der Erregerspannung.
In einer weiteren vorteilhaften Weise wird beim Verfahren zur Verschleißerkennung bei einer reibschlüssigen Kupplung oder einer reibschlüssigen Bremse auf die elektrisch erregbare Spule eine überlagernde Wechselspannung gelegt, welche den Betriebszustand der Kupplung oder der Bremse unverändert lässt. Aus dieser überlagerten Wechselspannung wird zusammen mit dem gemessenen Strom der komplexe Widerstand und/oder der imaginäre Anteil des komplexen Widerstandes gemessen, mit einem Referenzwert verglichen und daraus wird auf den Verschleiß geschlossen, wobei sich mit steigendem Verschleiß ein kleinerer imaginärer Anteil einstellt.
Die Induktivität der elektrisch erregbaren Spule, bzw. der damit verbundenen Scheinwiderstand, auch als komplexer Widerstand bezeichenbar wird gemessen, indem einer Spannungsversorgung der Spule ein Wechselanteil überlagert wird. Aus dem gemessenen Wechselstrom und aus der gemessenen oder bekannten eingeprägten Wechselspannung wird unter Kenntnis des Ohmschen Widerstandes der Spule der komplexe Widerstand bestimmt. Der Ohmsche Widerstand wird beispielsweise aus dem Gleichanteil von elektrischem Strom Spannung bestimmt. Werden beide Messungen, die Messung des Ohmschen Widerstandes, d. h. des Realteils des komplexen Widerstandes und die Messung des Imaginärteils des komplexen Wiederstandes und oder des Scheinwiderstandes zeitnah durchgeführt, wird damit auch der Temperatureinfluss auf den Ohmschen Widerstand berücksichtigt. Unterschreitet die aus den Messungen ermittelbare Induktivität, bzw. ein anderer vergleichbarer Wert wie der komplexe Widerstand einen gewissen Grenzwert, der als Referenzwert gespeichert ist, einen gewissen Grenzwert, so bedeutet dies, dass der Verschleiß soweit fortgeschritten ist, dass eine Warnung bezüglich des Verschleißes ausgelöst wird. Vorteilhafter Weise erfolgt die Messung bei vorhandenem Luftspalt, da die Änderung der Induktivität insbesondere in dem Betriebszustand mit Luftspalt ausgeprägt ist. Auswerteschaltungen für komplexe Wechselgrößen sind bekannt.
Werden Gleichrichter als speisende Spannungsquelle zur Erregung der Spule vorgesehen, so weisen diese oftmals bereits eine Wechselanteil auf. Dieser Wechselanteil von beispielsweise 100 Hz wird vorteilhafter Weise als überlagerte Wechselspannung genutzt.
Ist zur Verschleißerkennung nicht nur ein binäres Signal gefordert, so ist mit den beschriebenen Methoden eine genauere Verschleißerkennung realisierbar, indem die Messwerte, bzw. Werte aus der Auswertung der Messwerte, wie z. B. der komplexe Widerstand oder der Zeitpunkt des Stromeinbruches mit verschiedenen gespeicherte Referenzwerten verglichen werden. Den Referenzwerten ist jeweils ein Wert zugeordnet, welcher den Verschleiß wiedergibt, so dass eine Verschleißbestimmung vollzogen wird. Wird die Änderung des Verschleißes aufgezeichnet so kann dies als Basis für weitergehende Diagnosen verwendet werden.
Als Gleichung für die Berechnung eines Wechselanteils bei komplexen Widerständen sei beispielhaft folgende Gleichung genannt:
Prinzipiell handelt es sich bei der Berechnung von Wechselgrößen um komplexe Größen, wobei Z hier ein Betrag eines komplexen Widerstandes ist. U gibt eine Spannung, I einen Strom, R einen realen Widerstand, f eine Frequenz und L eine Induktivität an.
In vorteilhafter Weise ergibt sich eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Verschleißerkennung bei einer reibschlüssigen Kupplung oder einer reibschlüssigen Bremse. Die Kupplung oder die Bremse weist wenigstens eine, durch wenigstens eine Spannungsquelle elektrisch erregbare Spule und wenigstens ein rotatorisch um eine Achse bewegbares Element zum Reibschluss mit einem korrespondierenden Gegenelement auf, wobei wenigstens das rotatorisch bewegbare Element oder das korrespondierende Gegenelement axial bewegbar ist und ein Mittel zur Messung des elektrischen Stromes der elektrisch erregbaren Spule sowie ein Mittel zur Auswertung der Messung des elektrischen Stromes vorgesehen ist.
Vorteilhaft bei dieser Einrichtung ist die Einbeziehung des elektrischen Stromes der erregbaren Spule in die Verschleißerkennung, da diese erregbare Spule bereits ein Merkmal der Bremse bzw. der Kupplung ist. Eine zusätzliches induktives Mittel zur Erzeugung eines elektrischen Magnetfeldes zur Ermittlung des Verschleißes ist unnötig, so dass Kosten eingespart werden. Die elektrisch erregbare Spule ist vorteilhafter Weise ortsfest zu einem Mittel zur Erregung, wie einer Spannungsquelle. So lassen sich Schleifkontakte vermeiden.
Mittel zur Messung des elektrischen Stromes sind handelsübliche Strommessgeräte. Im Vergleich zu Strommessgeräten, die in den Stromkreis eingeschleift werden, haben Stromzangen den Vorteil, dass diese auch in einfacher Weise bei bereits bestehenden Bremsen oder Kupplungen Verwendung finden können, ohne den Stromkreis der elektrisch erregbaren Spule unterbrechen zu müssen. Eine weitere Möglichkeit zur Messung des Stromes ergibt sich beispielsweise durch die Messung der Spannung über einen Widerstand, der Teil des Stromkreises der elektrisch erregbaren Spule ist.
Das Mittel zur Auswertung des elektrischen Stromes ist eine elektrische Schaltung oder ein Mittel zur Datenverarbeitung, welches die Messergebnisse wenigstens der Strommessung auswertet. Vorteilhafter Weise werden zur Datenverarbeitung bereits vorhandene Mittel zur Datenverarbeitung, wie z. B. eine Numerische Steuerung, eine Computernumerische Steuerung, ein Elektronikteil eines Stromrichters oder Speicherprogrammierbare Steuerung ertüchtigt, was Kosten einspart. Die Einrichtung zur Verschleißerkennung ist beispielsweise bei Federdruckbremsen, Permanentmagnetbremsen oder Lamellenkupplungen mit einer elektrisch erregbaren Spule einsetzbar. Reibschlüssige Kupplungen und Bremsen können zwei mit unterschiedlichen Drehzahlen umlaufende Maschinenteile synchronisieren. Sie übernehmen dabei Schaltarbeit. Werden aus Sicherheitsgründen ruhestrombetätigte Bremsen oder Kupplungen, die Schaltarbeit zu leisten haben, benötigt, so können beispielsweise Lamellen-Federdruckbremsen und -Federdruckkupplungen verwendet werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Einrichtung zur Verschleißerkennung bei einer reibschlüssigen Kupplung oder einer reibschlüssigen Bremse weist wenigstens ein am Reibschluss beteiligtes Element wenigstens teilweise ferromagnetisches Material auf.
Durch den Verschleiß wird der Luftspalt vergrößert, z. B. der Luftspalt einer gelüfteten Bremse. Die vom Verschleiß betroffenen Teile, wie eine Reibfläche und/oder ein Bremsbelag befinden sich vorteilhafter Weise im Bereich des Luftspaltes eines magnetischen Kreises, welcher durch die Spule beeinflusst ist. Dieser magnetische Kreis wird im Bereich des Luftspaltes insbesondere dann beeinflusst, wenn die einem Verschleiß unterworfenen Teile ein ferromagnetisches Material aufweisen. Je stärker die Änderung der Induktivität der Spule bei Verschleiß ist, desto einfacher ist die Ermittlung des Verschleißes.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Einrichtung zur Verschleißerkennung bei einer reibschlüssigen Kupplung oder einer reibschlüssigen Bremse ist die elektrisch erregbare Spule wenigstens durch einen Spannungssprung oder durch einer Wechselspannung erregbar.
Zur Verschleißbestimmung ist ein sich ändernder elektrischer Strom durch die Spule notwendig. Eine Stromänderung ergibt sich bei einer Änderung der an die Spule angelegten Spannung. Eine derartige Spannungsänderung ist beispielsweise ein Spannungssprung. Bei Bremsen bzw. bei Kupplungen deren Spule durch eine Gleichspannung erregt wird, ergibt sich ein derartiger Spannungssprung beim Anlegen der Gleichspannung oder auch beim Trennen von der Gleichspannung zum Ändern des Betriebszustandes. Bremsen sind entweder geöffnet oder geschlossen, wobei u. U. zwischen unterschiedlichen Bremskräften unterschieden wird. Kupplungen weisen als Betriebszustände einen entkuppelten Zustand und einen gekuppelten Zustand auf. Bei Bremsen öffnet sich beispielsweise beim Anlegen der Gleichspannung an die Spule bzw. an die Anschlüsse der Spule die Bremse. Beim Trennen der Spule von der Gleichspannung schließt die Bremse. Beim Öffnen und Schließen der Bremse bewegt sich vorteilhafter Weise das rotatorisch um eine Achse bewegbares Element zum Reibschluss, welches zumeist eine Scheibe ist, axial zu einem Gegenelement hin bzw. weg. In vorteilhafter Weise wird zur Erzeugung der Spannungsänderung eine bereits vorhandene Spannungsquelle zur Erregung der Spule genutzt. Dadurch ist hierfür kein zusätzliches Mittel erforderlich, was die Kosten für die Verschleißerkennung reduziert.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Einrichtung zur Verschleißerkennung bei einer reibschlüssigen Kupplung oder einer reibschlüssigen Bremse ermittelt ein Messmittel Informationen über den zeitlichen axialen Bewegungsverlauf wenigstens des rotatorisch um eine Achse bewegbaren Elementes oder des korrespondierenden Gegenelementes, wobei das Mittel zur Auswertung des zeitlichen axialen Bewegungsverlauf auf den Verschleiß schließt.
Der Rückschluss auf den Verschleiß erfolgt durch den Vergleich mit Referenzwerten. Während des Bewegungsvorganges bzw. während des Kupplungsvorganges ändert sich die Induktivität der Spule sprungartig zu den Zeitpunkten in denen sich die Elemente gerade beginnen zu berühren bzw. in denen sich die Elemente gerade voneinander trennen. Die sprungartige Änderung der Induktivität zeigt sich in einer sprungartigen Änderung des elektrischen Stromes durch die Spule. Je kleiner die Induktivität ist, desto eher ergibt sich bei einem Spannungssprung zur Änderung des Betriebszustandes der Bremse bzw. der Kupplung die sprungartige Änderung des Stromes. So verringert sich z. B. die Öffnungszeit der Bremse mit Vergrößerung des Luftspaltes und kann damit als Kriterium für den Verschleiß des Bremsbelages bzw. aneinander am Reibschluss beteiligten Elemente herangezogen werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Einrichtung zur Verschleißerkennung bei einer reibschlüssigen Kupplung oder einer reibschlüssigen Bremse ist an die elektrisch erregbare Spule eine überlagerte Wechselspannung anlegbar, durch ein Messmittel sind Informationen über den Verlauf des elektrischen Stromes der elektrisch erregbaren Spule ermittelbar und es ist wenigstens ein Mittel zur Ermittlung eines zumindest vom imaginären Anteil des komplexen Widerstandes der Spule abhängigen Wertes vorgesehen, wobei dieser Wert mit wenigstens einem Referenzwert vergleichbar ist.
Alternativ oder ergänzend zur Bestimmung des Verschleißes über die Öffnungszeiten und oder Schließzeiten ist auch die Änderung der Induktivität der Spule selbst zur Verschleißbestimmung vorsehbar. Der Spulenspannung wird eine Wechselspannung überlagert. Diese Wechselspannung wird beispielsweise durch eine eigene Wechselspannungsquelle erzeugt oder es wird ein Wechselspannungsanteil einer bereits vorhandenen Gleichspannungsquelle, welche zur Erregung der Spule vorgesehen ist verwendet. Die überlagerte Wechselspannung lässt den Betriebszustand der Kupplung bzw. der Bremse unverändert, da Amplitude und Frequenz entsprechend gewählt sind. In Kenntnis der eingespeisten Spannung und/oder nach einer Messung der Spannung über der Spule und nach der Messung des elektrischen Stromes durch die Spule ist durch das Mittel zur Auswertung der Verschleiß ermittelbar.
Bei einer durch eine Gleichspannung erregten Spule ist die Zeitkonstant der Induktivität der Spule durch einen erneuten Spannungssprung gleicher Polarität ermittelbar. Auch bei einer nicht erregten Spule ist die Zeitkonstante durch die Erregung der Spule mit zum Betrieb entgegengesetzter Polarität ermittelbar.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Einrichtung zur Verschleißerkennung ist ein Mittel zur elektrischen Spannungserkennung über der elektrisch erregbaren Spule vorgesehen.
Ein Mittel zur elektrischen Spannungserkennung ist ein Spannungsmesser, der insbesondere dann nötig ist, wenn der Verlauf der überlagerten Wechselspannung unbekannt ist.
In einer vorteilhaften Weise ist die Einrichtung zur Verschleißerkennung bei einer Haltebremse einer elektrischen Maschine verwendet.
Haltebremsen sind sicherheitsrelevante Komponenten von Antrieben bzw. von elektrischen Motoren, wie z. B. bei Roboter-Anwendungen. Der Ausfall einer Bremse kann Unfälle mit schwerster Gefährdung von Personen und Sachen zur Folge haben. Bremsen wie die Haltebremsen haben eine begrenzte Lebensdauer, die insbesondere durch den Verschleiß des Bremsbelages und/oder anderer Reibflächen bestimmt wird. Dies hängt beispielsweise von der Anzahl der Notstops ab und davon aus welcher Drehzahl und mit welchem Gesamtträgheitsmoment abgebremst wird. Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Verschleißerkennung ist es nicht mehr allein notwendig zur Aufrechterhaltung des sicheren Betriebes z. B. die Anzahl der Notstops aufzusummieren und beim Erreichen einer maximal zugelassenen Anzahl eine Warnung und/oder einen Alarm auszulösen. Die erfindungsgemäße Verschleißerkennung ist eine direkte Methode zur Überwachung der Bremse bzw. der Haltebremse, so dass die Unzulänglichkeiten der indirekten Methoden, wie dem Aufsummieren der Anzahl der Bremsvorgänge, vermeidbar sind.
In einer vorteilhaften Weise ist die Einrichtung zur Verschleißerkennung bei einer Haltebremse einer elektrischen Maschine verwendet, wobei die elektrische Maschine wenigstens eine Einrichtung zur Datenkommunikation aufweist. Weist die elektrische Maschine ein Einrichtung zur Datenkommunikation auf, so ist diese auch dazu ertüchtigt Daten und/oder Signale wie Messgrößen an ein Mittel zur Auswertung zu übermitteln. Im Fall, dass die elektrische Maschine selbst das Mittel zur Auswertung aufweist, und somit eine intelligente elektrische Maschine ist, ist zumindest ein Signal welches den Verschleiß angibt, wie z. B. ein Warnsignal übermittelbar.
Ausführungsbeispiel
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der sowohl Beispiele für eine Bremse als auch eine Kupplung, sowie Diagramme zur Veranschaulichung des Verfahrens zur Verschleißerkennung und eine schematische Darstellung der Einrichtung zur Verschleißerkennung gezeigt sind.
1 zeigt eine Federdruckbremse,
2 zeigt eine Permanentmagnetbremse,
3 zeigt eine Elektromagneteinflächenkupplung,
4 zeigt einen elektrischen Stromverlauf beim Öffnen und Schließen einer Bremse
5 zeigt den Stromverlauf einer verschleißbehafteten Bremse im Vergleich zu einer unverschlissenen Bremse und
6 zeigt schematisch einen Aufbau einer Einrichtung zur Verschleißerkennung.
In den nachfolgenden 1 bis 6 werden gleichartige Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Die Darstellung gemäß 1 zeigt eine Federdruckbremse 2. Diese weist ein feststehendes Element wie einen Anker 22 und wenigstens ein rotatorisch um eine Achse 3 bewegbares Element, welches in der FIG ein Mitnehmer 18 und eine Reibscheibe 20 ist, auf. Der Anker 22 ist über eine Feder 6 mit einem Magnetgehäuse 28 gekoppelt. Innerhalb des Magnetgehäuses befindet sich eine elektrisch erregbare Spule 4 in einem Spulengehäuse 32. Über einen Spulenanschluss 8 ist die Spule 4 erregbar, so dass sich im erregten Zustand ein Magnetfeld ausbildet, wobei in der FIG beispielhaft ein magnetischer Fluss 5 durch Linien dargestellt ist. Zwischen dem Anker 22 und dem Magnetgehäuse 28 befindet sich ein Luftspalt 27. Dieser Luftspalt 27 entsteht, wenn die Feder 6 den Anker 22 auf die Reibscheibe 20 drückt, wobei die Reibscheibe 20 einen Bremsbelag 10, und 12 aufweist. Der Bremsbelag 10 befindet sich dann in reibflüssiger Verbindung mit dem Anker 22, wohingegen der Bremsbelag 12 sich in reibflüssiger Verbindung mit einem Reibblech 24 befindet, welches ebenso wie der Anker 22 feststeht. Ist die Bremse geöffnet so ergibt sich auch ein Luftspalt 26 zwischen den Bremsbelägen 10 und 12 und den korrespondierenden Reibflächen des Ankers 22 und des Reibblechs 24. Durch Verschleiß werden die Bremsbeläge 10 und 12, welche sich auf der Reibscheibe 20 befinden, die mit dem Mitnehmer 18 verbunden ist immer schmäler, so dass sich die Luftspalte 26, 27 vergrößern. Das Reibblech 24 ist über eine Reibblechbefestigung 30 mit dem Magnetgehäuse 28 verbunden. Der magnetische Fluss 5 führt bei erregter Spule 4 über das Magnetgehäuse, den Luftspalt 26, den Anker 22, die Bremsbeläge 10 und 12, die Luftspalte 26 sowie der Reibscheibe 20 und dem Reibblech 24 und wieder zurück zum Magnetgehäuse 28. Durch die Erregung der Spule 4 wird der Anker 22 an das Magnetgehäuse 28 herangezogen, so dass die Reibscheibe 20 mit den Bremsbelägen 10 und 12 zur Bewegung freigegeben ist, so dass der Mitnehmer 18 frei um die Achse 3 rotatorisch bewegbar ist. Die elektrisch erregte Spule 4 hebt also im geöffneten Zustand der Bremse die Federkraft der Feder 6 auf bzw. wirkt dieser entgegen. Durch Verschleiß vergrößert sich wenigstens ein Luftspalt 26, 27, so dass sich die Induktivität der Spule 4 ändert.
Die Darstellung gemäß 2 zeigt eine Permanentmagnetbremse 40. Die Aufgabe der Feder 6 aus 1 übernimmt in 2 ein Dauermagnet 42. Dieser Dauermagnet 42 befindet sich an einem Magnetgehäuse 28, welches auch eine elektrisch erregbare Spule 4 aufnimmt. Die elektrisch erregbare Spule 4 ist über den Spulenanschluss 8 erregbar. An dem Magnetgehäuse 28 grenzt ein Anker 21 an, welcher mit dem Mitnehmer 18 über wenigstens eine Blattfeder 44 und wenigstens einen Niet 45 verbunden ist. Im Gegensatz zur 1 ist in 2 der Anker 21 rotatorisch um die Achse 3 zusammen mit dem Mitnehmer 18 mitbewegbar. Bei einer derartigen Permanentmagnetbremse wird die Kraftwirkung des durch den Permanentmagneten 42 erzeugten Magnetfeldes zur Erzeugung eines Bremsmomentes benutzt. Zum Aufheben der Bremswirkung, d. h. zum Lüften der Permanentmagnetbremse 40 wird das magnetische Feld des Permanentmagneten 42 durch das elektromagnetische Feld bei erregter Spule 4 verdrängt. Durch einen Bremsvorgang tritt im Verschleißbereich 46 Verschleiß sowohl am Magnetgehäuse 28 wie auch am Anker 21 auf. Durch diesen Verschleiß vergrößert sich der Luftspalt 26, so dass sich die Induktivität der Spule 4 ändert und somit auch der Stromverlauf für den Fall, dass die Spule 4 mit einer sich ändernden Spannung gespeist ist.
Die Darstellung gemäß 3 zeigt eine Kupplung 50 in einem gekoppelten Betriebszustand in einer Aufsicht 59 und einen Schnitt 57. Wie auch die Bremsen 2, 40 weist auch die Kupplung 50 eine Spule 4 innerhalb eines Magnetgehäuses 28 auf, wobei die Spule über ein Arretierungsmittel 52 innerhalb des Magnetgehäuses 28 arretiert ist. Ein Magnetkörper 54 ist rotatorisch um die Achse 3 bewegbar und weist einen Reibbelag 56 auf. Dieser Reibbelag 56 steht in gekoppelten Zustand der Kupplung 50 in reibschlüssigem Kontakt mit einem Anker 23. Im entkoppelten Zustand entsteht zwischen dem Reibbelag 56 und dem Anker 23 ein Luftspalt 26. Das feststehende Magnetgehäuse 28 ist mit einem feststehenden Teil, z. B. einer elektrischen Maschine festverbunden. Der Magnetkörper 54 ist beispielsweise mit einer allerdings nicht dargestellten Welle mit der Achse 3 drehfest verbunden. Der stirnseitig an dem Magnetkörper 54 befindliche Reibbelag 56 verschleißt durch den Kontakt mit dem Anker 23. Bei der Erregung der Spule 4 wird der Anker 23 durch das erzeugte Magnetfeld gegen den Reibbelag 56 gepresst und kraftschlüssig vom Magnetkörper 54 mitgenommen, da auch der Anker 23 um die Achse 3 rotatorisch beweglich ist. Auch hier ergibt sich wie bei den obig beschriebenen Bremsen 4, 40 durch Verschleiß eine Veränderung der Größe des Luftspalts 26, so dass wie bei den Bremsen 4, 40 vom Verlauf des Stromes der Spule 4 auf den Verschleiß geschlossen werden kann.
Die Darstellung gemäß 4 zeigt ein Diagramm 14 mit einer T-Achse, auf welcher eine Zeit t aufzutragen ist, einer I-Achse, auf welcher ein Strom I aufzutragen ist und einer U-Achse, auf welcher eine Spannung U aufzutragen ist. Die U-Achse und die I-Achse stehen senkrecht auf der T-Achse. In dem Diagramm 14 wird sowohl der Strom I durch eine z. B. aus 2 bekannten Spule 4 einer Bremse als auch die Spannung U über der Spule 4 aufgetragen. Zu einem Zeitpunkt, welcher als Erregungsstart 72 bezeichnet ist, wird eine Nennspannung U_N an die Spule 4 gelegt. Im erregten Zustand der Spule 4 sei die Bremse geöffnet. Der Verlauf der Spannung U über der Spule 4 ist aus einer Spannungskurve 74 ersichtlich. Mit dem Erregungsstart 72 steigt wie aus einer Stromkurve 76 ersichtlich ist, der Strom I der Spule 4 an. Nach dem Zeitabschnitt t₀ ist ein Stromeinbruch M1 ersichtlich. Zu diesem Zeitpunkt entsteht der Luftspalt 26. Im Zeitbereich T₀ ist die Bremse geöffnet. Zum Zeitpunkt des Erregungsendes 77 fällt die Spannung U von U_N auf Null zurück. Dadurch ergibt sich auch eine Verringerung des Spulenstromes I. Die Stromspitze M2 kennzeichnet dabei den Zeitpunkt an dem die Bremse wieder schließt und der Luftspalt 26 verschwindet. Durch die Stromspitze ist der Zeitpunkt des Kontaktes zwischen den Elementen angegeben, welche den Reibschluss aufbauen. Verändert sich die Induktivität der Spule 4 durch Verschleiß, so verschieben sich zeitlich der Stromeinbruch M1 und die Stromspitze M2. Aus einem Vergleich zwischen dem Istzeitpunkt des Stromeinbruchs M1 bzw. der Stromspitze M2 mit wenigstens einem Referenzzeitpunkt sind Rückschlüsse auf den Verschleiß vollziehbar. Als Startpunkt für eine Zeitzählung ist beispielhaft sowohl die Spannungskurve 74 als auch die Stromkurve 76 mit einem Schwellenstromwert I_10% von z. B. 10% eines Maximalstroms I_max heranziehbar. Das Fortschreiten der Zeit während der Messung von Strom I und Spannung U lässt sich z. B. durch einen Zeitzähler oder auch durch eine Abtastfrequenz der Messung verwirklichen. Die Abtastfrequenz ist so groß zu wählen, dass der Spannungseinbruch M1 bzw. auch die Stromspitze M2 zu erkennen sind.
Die Darstellung gemäß 5 zeigt ein Diagramm mit einer Zeitachse t und einer U-Achse, wobei ein Kanal CH1 und CH2 in einem Raster 60 dargestellt ist. Die Darstellung gemäß 5 lehnt sich an einer Darstellung auf einem Oszillographen an, wobei auf einem Kanal CH1 der Stromverlauf einer Bremse ohne Verschleiß aufgelegt ist und auf Kanal CH2 der Stromverlauf einer Bremse mit Verschleiß gezeigt ist. Der Stromverlauf wird proportional zu einer Spannung angenommen und somit über die Spannung U aufgetragen. Ein Stromeinbruch M11 kennzeichnet für Kanal CH2 den Zeitpunkt, in dem sich ein Luftspalt ergibt. Dabei ist erkenntlich, dass der Stromeinbruch M11 zeitlich vor einem Stromeinbruch M12 des Kanals CH1 liegt. Der Verschleiß der Bremse der im Stromverlauf in Kanal CH2 wiedergegeben ist, ist größer als der Verschleiß der Bremse dessen Stromverlauf im Kanal CH1 wiedergegeben ist. Der Signalverlauf im Kanal CH1 zeigt zwei Stromeinbrüche M12 und M32. Zwei Stromeinbrüche M12, M32 ergeben sich daraus, dass sich bei der Ausbildung des Luftspaltes beispielsweise zunächst ein erster Bereich eines Ankers 21 vom Magnetkörper 28 ablöst und danach erst der gesamt Anker 21, so dass dies eine Art Klappeffekt darstellt. Entsteht der Luftspalt 26 in allen Bereichen gleichzeitig, so ergibt sich wie in Kanal CH2 dargestellt nur ein Stromeinbruch M11.
Die Darstellung gemäß 6 zeigt eine Bremse 66 zum Bremsen eines elektrischen Motors 64, von welchem auch eine Welle 62 dargestellt ist. Die Versorgung der Bremse 66 mit einer Speisespannung erfolgt über den Spulenanschluss 8. Ein Kabel 65 führt vom Spulenanschluss 8 zu einem Mittel 67 zur Messung des Spulenstromes. Der Spulenstrom wird über ein Mittel 68 zur Auswertung ausgewertet. Die Versorgung der Spule der Bremse 66 mit einer Spannung erfolgt über die Erregerquelle 69 zu der das Kabel 65 weitergeführt ist.

Claims

Verfahren zur Verschleißerkennung bei einer reibschlüssigen Kupplung (50) oder einer reibschlüssigen Bremse (2, 40), wobei die Kupplung (50) oder die Bremse (2, 40) wenigstens eine elektrisch erregbare Spule (4) und wenigstens ein rotatorisch um eine Achse (3) bewegbares Element (20, 21, 23) zum Reibschluss mit wenigstens einem korrespondierenden Gegenelement (22, 28, 54) aufweist, wobei wenigstens das rotatorisch bewegbare Element (20, 21, 23) oder das korrespondierende Gegenelement (22, 54) axial bewegbar ist, und sich beim Öffnen oder Schließen der Kupplung (50) oder der Bremse (2, 40) wenigstens ein Luftspalt (26) zwischen dem bewegbaren Element (20, 21, 23) und dem Gegenelement (22, 28, 54) verändert, wobei der elektrische Strom durch die elektrisch erregbare Spule (4) bei einer Änderung der Spannung über dieser Spule (4) gemessen wird, wobei wenigstens ein Teil der Messwerte datentechnisch ausgewertet wird und wenigstens ein Ergebnis der Auswertung mit wenigstens einem gespeicherten Wert verglichen wird und aus dem Vergleich ein Rückschluss auf den Verschleiß (46) vollzogen wird, wobei auf die elektrisch erregbare Spule (4) eine überlagernde Wechselspannung gelegt wird, welche den Betriebszustand der Kupplung (50) oder der Bremse (2, 40) unverändert lässt, und aus dieser überlagerten Wechselspannung zusammen mit dem gemessenen Strom der komplexe Widerstand und/oder der imaginäre Anteil des komplexen Widerstandes gemessen wird, und dieser mit einem Referenzwert verglichen wird und daraus auf den Verschleiß geschlossen wird, wobei sich mit steigendem Verschleiß ein kleinerer imaginärer Anteil einstellt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gleichrichter als speisende Spannungsquelle zur Erregung der Spule vorgesehen ist, welcher bereits einen Wechselanteil aufweist, wobei dieser Wechselanteil als überlagerte Wechselspannung genutzt wird.
Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 zur Verschleißerkennung bei einer reibschlüssigen Kupplung (50) oder einer reibschlüssigen Bremse (2, 40) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung (50) oder die Bremse (2, 40) wenigstens eine, durch wenigstens eine Spannungsquelle (69) elektrisch erregbare Spule (4) und wenigstens ein rotatorisch um eine Achse (3) bewegbares Element (20, 21, 23) zum Reibschluss mit einem korrespondierenden Gegenelement (22, 28, 54) aufweist, wobei wenigstens das rotatorisch bewegbare Element (20, 21, 23) oder das korrespondierende Gegenelement (22, 54) axial bewegbar ist und ein Mittel (67) zur Messung des elektrischen Stromes der elektrisch erregbaren Spule (4) sowie ein Mittel (68) zur Auswertung der Messung des elektrischen Stromes vorgesehen ist, das dazu ausgelegt ist, den Zeitpunkt wenigstens eines Einbruches (M1, M11, M12, M32) oder einer Spitze (M2) des elektrischen Stromes der elektrisch erregbaren Spule (4) während des Erregungsvorganges und/oder während des Entregungsvorganges der elektrisch erregbaren Spule (4) mit einem gespeicherten Referenzzeitpunkt zu vergleichen, um einen Rückschluss auf den Verschleiß (46) zu ziehen.
Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Verschleißerkennung bei einer reibschlüssigen Kupplung (50) oder einer reibschlüssigen Bremse (2, 40) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein am Reibschluss beteiligtes Element wenigstens teilweise ferromagnetisches Material aufweist.
Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Verschleißerkennung bei einer reibschlüssigen Kupplung (50) oder einer reibschlüssigen Bremse (2, 40) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch erregbare Spule (4) wenigstens durch einen Spannungssprung oder durch einer Wechselspannung erregt ist.
Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Verschleißerkennung bei einer reibschlüssigen Kupplung (50) oder einer reibschlüssigen Bremse (2, 40) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch ein Messmittel (67) Informationen über den zeitlichen axialen Bewegungsverlauf wenigstens des rotatorisch um eine Achse (3) bewegbaren Elementes (21, 23) oder des korrespondierenden Gegenelementes (22, 54) ermittelbar ist und das Mittel (68) zur Auswertung vom zeitlichen axialen Bewegungsverlauf auf den Verschleiß (46) schließt.
Verwendung der Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5 bei einer Haltebremse einer elektrischen Maschine (64).
Verwendung der Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (64) wenigstens eine Einrichtung zur Datenkommunikation aufweist.
Verwendung der Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7 bei einer Haltebremse einer elektrischen Maschine (64).
Verwendung der Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (64) wenigstens eine Einrichtung zur Datenkommunikation aufweist.