DE10215927B4

DE10215927B4 - Vorrichtung zum Erkennen eines Wellenbruches

Info

Publication number: DE10215927B4
Application number: DE2002115927
Authority: DE
Inventors: Frank Bürger; Norbert Ludwig
Original assignee: Pierburg GmbH
Current assignee: Pierburg GmbH
Priority date: 2002-04-11
Filing date: 2002-04-11
Publication date: 2004-12-02
Anticipated expiration: 2022-04-12
Also published as: DE10215927A1

Abstract

Vorrichtung zum Erkennen eines Wellenbruches einer anzutreibenden Welle, welche eine Antriebseinheit und eine Elektronikeinheit aufweist, wobei die zu überwachende Welle von der Antriebseinheit antreibbar ist und an ihren beiden Enden in zumindest zwei Lagern gelagert ist, die aus elektrisch leitendem Material hergestellt sind und wobei die Lager jeweils in einer Buchse angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (2) über die Lager (3, 4) und die Buchsen (5, 6) eine elektrische Verbindung zwischen einer Masse (M) und einer Elektronikeinheit (14) herstellt, die bei einem Bruch der Welle (2) unterbrochen wird, wobei die näher zur Elektronik angeordnete erste Buchse (5) eine Kontaktnut (11) zur Aufnahme eines mit der Elektronikeinheit (14) elektrisch verbundenen Kontaktstiftes (12) aufweist, über welchen eine elektrische Verbindung zwischen der Elektronikeinheit (14) und dem ersten Lager (3) herstellbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erkennen eines Wellenbruches einer anzutreibenden Welle, welche im wesentlichen aus einer Antriebseinheit und einer Elektronikeinheit besteht, wobei die zu überwachende Welle von der Antriebseinheit antreibbar ist und im wesentlichen an ihren beiden Enden in zumindest zwei Lagern gelagert ist, die aus elektrisch leitendem Material hergestellt sind und wobei die Lager jeweils in einer Buchse angeordnet sind.

Vorrichtungen und Verfahren zum Erkennen eines Wellenbruches sind insbesondere aus dem Bereich der Strömungskraftmaschinen bekannt. Das Prinzip einer solchen Vorrichtung wird beispielsweise in der DE 198 57 552 A1 beschrieben. Hierbei ist ein drehmomentabgebender Turbinenläufer mit einem drehmomentaufnehmenden Aggregat über die hinsichtlich eines Bruches zu überwachende im wesentlichen endseitig in zumindest zwei Wälzlagern gelagerte Welle verbunden. Zum Erkennen des Wellenbruchs werden die beiden Drehfrequenzen der Wellenenden in den Wälzlagern kontinuierlich ermittelt und miteinander verglichen, wobei bei einer gegenüber der Drehfrequenz am Wälzlager des drehmomentaufnehmenden Aggregates höhere Drehfrequenz am turbinenläuferseitigen Wälzlager auf einen Bruch der Welle geschlossen wird.

In der DE 20 46 981 wird eine Einrichtung zum Messen der Beanspruchung in einer drehenden Welle beschrieben, welche einen ersten Schaltkreis, der einen die Beanspruchung feststellenden Messwandler sowie ein steuerbares Element enthält und mit der Welle umläuft sowie einen zweiten stationären Schaltkreis aufweist, der mit dem ersten Schaltkreis verbunden ist. Diese Verbindung erfolgt über zwei Strompfade, welche in der Welle eingelassen sind und über die Lager weiter nach außen zum ersten Schaltkreis laufen. Die beiden Schaltkreise sind so ausgeführt, daß über eine Anzeigevorrichtung im ersten Schaltkreis Kompressions- und Drehmomentbelastungen der Welle ausgegeben werden können, Eine derartige Vorrichtung weist jedoch einen sehr hohen elektronischen Aufwand auf und ist lediglich als Prüfvorrichtung nicht aber für eine Lebenszeitüberwachung beispielsweise für eine von einer Stellvorrichtung angetriebenen Welle in einem Verbrennungsmotor geeignet.

In der DE 199 23 143 A1 wird eine Anordnung zur Online-Überwachung von versagenstoleranten Hochleistungsrotoren beschrieben. Dabei dient eine auf dem Scheibenrotor angeordnete Metallfolie gleichzeitig als Rißsensor und als Antennenkreis. Die Folie ist dabei so anzuordnen, daß ihre Ausrichtung in der zu überwachenden Richtung maximaler Dehnung erfolgt. Bei einem Riß des Rotors und somit der Folie in dieser Richtung erfolgt eine Unterbrechung des Antennenkreises, so daß über eine Basisstation mit einer Auswerteschaltung auf einen Wellenbruch erkannt werden kann. Auch hier besteht ein erhöhter elektronischer Aufwand. Des weiteren ist eine solche Anordnung mit Übertragung von Frequenzen auch nicht für eine Anordnung in Verbrennungskraftmaschinen geeignet, so daß ihr Einsatzgebiet eingeschränkt ist.

Eine Wellenbrucherkennung an Schaltorganen in Verbrennungskraftmaschinen erfolgt üblicherweise über berührungslose Sensoren wie Reed-Schalter oder Hall-Sensoren oder über Potentiometer. Im ersten Fall, also bei der Wellenbrucherkennung mit berührungslosen Sensoren wird auf die Abtriebsseite der Welle ein magnetischer Körper angebracht, der mit dem außenliegenden berührungslosen Sensor kommuniziert. Bei einem Drehen der Welle ändert sich das auf den Sensor einwirkende Magnetfeld, welches durch den Sensor in ein elektrisches Signal umgewandelt wird, welches wiederum ein Maß für den Drehwinkel der Welle darstellt. Über ei ne Auswerteeinheit wird dann eine Soll-Ist-Wert-Analyse durchgeführt, d.h. der von der Antriebseinheit vorgegebene Drehwinkel der Welle wird mit dem abtriebsseitig über die Sensoren gemessenen Drehwinkel verglichen, so daß bei auftretender Differenz auf einen Wellenbruch geschlossen werden kann. Im zweiten Fall der Wellenbrucherkennung über Potentiometer ist dieses abtriebsseitig am Wellenende angebracht, so daß auch hier die durch die Drehung entstehenden elektrischen Signale ein Maß für den Drehwinkel der Welle darstellen. Die Auswertung über die Soll-Ist-Analyse erfolgt wie bei den berührungslosen Sensoren über eine Auswerteeinheit.

Der Nachteil all dieser Ausführungen ist der hohe und kostenintensive elektronische Aufwand. Hinzu kommen die Programmierung der Auswerteeinheit sowie die Kalibrierung und Montage des gesamten Systems. In der Ausführung mit Potentiometer entsteht zusätzlich Verschleiß.

Aufgabe der Erfindung ist es dementsprechend, eine montagetechnisch einfache Vorrichtung zur Wellenbrucherkennung zu schaffen, die ohne großen elektronischen Aufwand und ohne kostenintensive elektronische Bauteile eine sichere Aussage zum Vorhandensein eines Wellenbruchs geben kann.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß eine zu überwachende Welle über Lager und Buchsen eine elektrische Verbindung zwischen einer Masse und einer Elektronikeinheit herstellt, die bei einem Bruch der Welle unterbrochen wird.

Durch diese Unterbrechung der elektrischen Verbindung zwischen der Elektronikeinheit und der Masse bei Wellenbruch kann bereits durch eine sehr einfach aufgebaute Elektronikeinheit das Signal zum Erkennen eines Wellenbruchs erzeugt werden.

In einer besonders günstigen Ausführungsform ist in einer aus einem elektrisch nicht leitenden Material hergestellten Welle ein elektrischer Leiter angeordnet, der die Verbindung zwischen Masse und Elektronikeinheit herstellt. Das elektrisch nicht leitende Material der Welle wird dabei wie in bisherigen Ausführungen ein Kunststoff sein, während der in die Welle integrierte elektrische Leiter aus einem elektrisch leitenden Kunststoff hergestellt sein kann und in die Welle eingespritzt ist.

In einer weiteren Ausführungsform weist die näher zur Elektronik angeordnete erste Buchse Vorrichtungen zur Aufnahme einer Antriebswelle und eine Kontaktnut zur Aufnahme eines mit der Elektronikeinheit elektrisch verbundenen Kontaktstiftes auf. Gleichzeitig stellt sie eine elektrische Verbindung zwischen einem Kontaktstift und dem ersten Lager her und ist gegen Massenkontakt nach außen isoliert. Die zweite Buchse stellt den elektrischen Kontakt zwischen dem zweiten Lager und der Masse her. In einer besonders einfachen Ausführungsform enthält die Elektronikeinheit einen Transistor, der bei Unterbrechung des Leiters, also Bruch der Welle, seinen Pegel ändert. Dies stellt gegenüber den aufwendigen elektronischen Schaltungen der bisher eingesetzten Systeme einen erheblichen Minderaufwand dar. Zur Vermeidung weiterer Verbindungsleitungen sowie zur weiteren Minimierung der Kosten können die Buchsen aus einem elektrisch leitenden Metall hergestellt werden. Zusammenfassend wird durch eine solche erfindungsgemäße Ausführung somit der Montageaufwand und die Kosten für die Elektronikeinheit minimiert. Des weiteren entfällt die aufwendige Programmierung und Kalibrierung der Auswerteeinheit.

Ein Ausführungsbeispiel einer solchen erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erkennen eines Wellenbruchs ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
Die Zeichnung zeigt eine schematische geschnittene Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in Seitenansicht.
Die dargestellte Vorrichtung zum Erkennen eines Wellenbruchs besteht aus einer Antriebseinheit 1, die eine zu überwachende Welle 2 antreibt. Die Welle 2 ist an ihren Enden in zwei metallischen Wellenlagern 3, 4 gelagert. Diese Wellenlager 3, 4 laufen in zwei Metallagerbuchsen 5, 6 wovon die erste Buchse 5 nach außen von einer Isolierschicht 7 umgeben ist, die einen elektrischen Kontakt zu einer Masse M verhindert. In der Mitte der Buchse 5 befindet sich eine Bohrung 8, durch welche die Welle 9 der Antriebseinheit 1 bis in eine Aufnahmevorrichtung 10 der zu überwachenden Welle 2 geschoben wird. Eine Kontaktnut 11 in der Buchse 5 nimmt einen elektrisch leitenden Kontaktstift 12 der Antriebseinheit 1 beim Zusammenbau auf. Dieser Kontaktstift 12 ist über eine Verbindungsleitung 13 mit einer Elektronikeinheit 14 elektrisch verbunden.
Die zweite Metallagerbuchse 6 ist über eine Befestigungsvorrichtung 15 mit der Masse des Fahrzeugs verbunden. Dargestellt ist eine Welle 2 zur Verstellung von einer Klappe 16, wie sie in Verbrennungskraftmaschinen verwendet werden. Im Inneren der aus einem nicht leitenden Kunststoff hergestellten Welle 2, wie es bei solchen Antrieben von Schaltklappen 16 üblich ist, befindet sich ein Leiter 17, der einen elektrischen Kontakt zwischen den beiden Wellenlagern 3, 4 und somit zwischen der Masse M des Fahrzeugs und der Elektronikeinheit 14 herstellt. Dieser Leiter 17 kann z.B. ein in die Welle 2 eingespritzter elektrisch leitender Kunststoff sein. Kommt es nun zu einem Wellenbruch, wird dieser elektrische Leiter 17 in der Welle 2 brechen und somit der Kontakt zwischen der Masse M des Fahrzeugs und der Elektronikeinheit 14 unterbrochen. Dadurch ändert z.B. ein in die Elektronikeinheit 14 integrierter Transistor, der über den Leiter 17 mit der Masse M verbunden ist, seinen Pegel. Dadurch wird ein Wellenbruch auf einfach Art und Weise festgestellt.
Mit der beschriebenen Ausführungsform liegt eine Konstruktion vor, die den Montageaufwand minimiert und die entstehenden Kosten insbesondere zur Anschaffung der benötigten Elektronikbauteile minimiert.
Es sollte deutlich sein, daß die Erfindung nicht auf die beschriebene Ausführungsform der konstruktiven Bestandteile beschränkt ist und auch eine andere einfach aufgebaute elektronische Schaltung zur Pegeländerung bei Wellenbruch einsetzbar ist.

Claims

Vorrichtung zum Erkennen eines Wellenbruches einer anzutreibenden Welle, welche eine Antriebseinheit und eine Elektronikeinheit aufweist, wobei die zu überwachende Welle von der Antriebseinheit antreibbar ist und an ihren beiden Enden in zumindest zwei Lagern gelagert ist, die aus elektrisch leitendem Material hergestellt sind und wobei die Lager jeweils in einer Buchse angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (2) über die Lager (3, 4) und die Buchsen (5, 6) eine elektrische Verbindung zwischen einer Masse (M) und einer Elektronikeinheit (14) herstellt, die bei einem Bruch der Welle (2) unterbrochen wird, wobei die näher zur Elektronik angeordnete erste Buchse (5) eine Kontaktnut (11) zur Aufnahme eines mit der Elektronikeinheit (14) elektrisch verbundenen Kontaktstiftes (12) aufweist, über welchen eine elektrische Verbindung zwischen der Elektronikeinheit (14) und dem ersten Lager (3) herstellbar ist.
Vorrichtung zum Erkennen eines Wellenbruches nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Welle (2) ein elektrischer Leiter (17) angeordnet ist, wobei die Welle (2) aus einem elektrisch nicht leitenden Material hergestellt ist.
Vorrichtung zum Erkennen eines Wellenbruches nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch nicht leitende Material der Welle (2) ein Kunststoff ist.
Vorrichtung zum Erkennen eines Wellenbruches nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Leiter (17) aus einem elektrisch leitenden Kunststoff hergestellt und in die Welle (2) eingespritzt ist.
Vorrichtung zum Erkennen eines Wellenbruches nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die näher zur Elektronik angeordnete erste Buchse (5) Vorrichtungen zur Aufnahme einer Antriebswelle (9) aufweist und gegen Massenkontakt isoliert ist.
Vorrichtung zum Erkennen eines Wellenbruches nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Buchse (6) eine elektrische Verbindung zwischen dem zweiten Lager (4) und der Masse (M) herstellt.
Vorrichtung zum Erkennen eines Wellenbruches nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronikeinheit (14) einen Transistor enthält, der bei Unterbrechung des Leiters (17) seinen Pegel ändert.
Vorrichtung zum Erkennen eines Wellenbruches nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Buchsen (5, 6) aus einem elektrisch leitenden Metall hergestellt sind.