Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verschleißüberwachung an Kettenlaufwerken bei mobilen Maschinen, bei denen die Kette über ein Kettenrad von einem oder mehreren Fahrantriebsmotoren angetrieben wird.

Fahrzeuge mit Kettenantrieb oder Raupenantrieb sind mit vielen Anwendungen bekannt, beispielsweise im Mining Einsatz oder in der Landwirtschaft.

Bei diesen Antrieben wird die Kette von mindestens einem Antriebsrad, im Folgenden als Antriebsturas bezeichnet, angetrieben. Die Zähne auf dem Kettenrad kommen dabei mit den Zähnen an den Kettengliedern in Eingriff und übertragen so formschlüssig das Antriebsmoment. Das oder die Antriebturasse werden von wenigstens einem Fahrantriebsmotoren in der Regel unter Zwischenschaltung eines Getriebes zur Drehzahlabstufung angetrieben.

Das Laufwerk sind einem erheblichen Verschleiß ausgesetzt, so dass es notwendig ist, in bestimmten Zeitintervallen die Kette, einzelne Kettenglieder, Verbindungselemente, Antriebsturas oder Lauf- und Umlenkrollen auszutauschen, was einen erheblichen Arbeitsaufwand darstellt und zwangsläufig mit Betriebsunterbrechungen verbunden ist.

Um den Austauschzeitpunkt möglichst optimal zu setzen, erfolgt eine Überwachung des Verschleißes an den Ketten bzw. Kettenräder. Hierzu gibt es neben der manuellen Vermessung, die zum aktuellen Zeitpunkt Stand der Technik ist, Ansätze einer automatischen Verschleißbestimmung.

US 9,592,866 B2 beschreibt verschiedene Möglichkeiten über Verschleißsensoren das Laufwerk zu monitoren. In einer Ausführung soll das Laufwerk über die Wegmessung der Spanneinrichtung überwacht werden. Hier ist ein Nachteil, dass ein „Summenverschleiß" bestimmt wird. Es fließen mit unterschiedlicher Verstärkung alle verschleißbedingten Effekte ein, die zu einer Längung der Kette, einer Durchmesserreduktion der Umlenkrollen sowie einer Änderung des Kontaktradius zwischen Kette und Antriebturas führen. Eine detaillierte Überwachung des Verschleißfortschritts an einer bestimmten Kontaktstelle ist nur sehr eingeschränkt und ungenau möglich. Die weiteren beschriebenen Lösungen zielen auf eine ortsnahe Installation verschiedener Sensoren ab. Hier ist ein Nachteil, dass eine größere Anzahl an Sensoren benötigt wird und diese sehr ortsnahe am Laufwerk installiert werden müssen. Letzteres birgt das Risiko einer schnellen mechanischen Zerstörung. US 2015/0066291 A1 sieht die Integration von Verschleißsensorik in die Komponenten (z.B.: Kettenglieder) des Laufwerks vor. Als Sensor ist auch ein Ultraschallsensor vorgesehen.

Nachteil ist die mechanische Integration in die Bauteile. Dieses ist zum einen kompliziert und zum anderen führt eine solche Integration zu einer mechanischen Schwächung. Zusätzlich ist die Signalrückführung zur Auswertung aufgrund der Integration in teilweise bewegte Teile (Kettenglieder) schwierig. Ebenso wie bei US 9,592866 B2 sind hier die zu erwartenden hohen mechanischen Belastungen der Sensorik aufzuführen.

WO 2016/032793 A1 ist im Ansatz und in Bezug auf Nachteile mit US 2015/0066291 A1 vergleichbar. Diese Offenlegungsschrift bezieht sich aber auf die Überwachung der Verbindungselemente einer Kette.

Bei US 2015/0081166 A1 und US 2016/0121945 A1 basiert der Ansatz auf Sensorintegration zur Überwachung rotierender Lagerstellen, zum Beispiel der Roller des Laufwerks.

Einen anderen Ansatz verfolgt WO 2015/187333 A1. Hier werden die Verschleißflächen, auf einem Laufwerksglied mit Verschleißindikatoren versehen.

Nachteil dieser Lösung ist, dass lediglich der Verschleiß an zu einem bestimmten Zeitpunkt optisch sichtbaren Flächen überprüft werden kann (zum Beispiel nicht bei Rotationsgleitlagerstellen), dass dieser manuell optisch geprüft werden muss und dass sich die Bestimmung nur auf den Zustand einer Komponente und nicht auf maßändernde Verschleißeffekte zwischen mehreren Komponenten anzuwenden ist.

Zur Erzielung einer gewissen Lebensdauer wird die Verzahnung zwischen Kette und Antriebsturas mit einem sogenannten Vorlaufenden Verschleiß gefertigt. Mit zunehmenden Verschleiß über die Betriebsdauer reduziert sich dieser Vorlauf, bis dieser schlussendlich in einen nachlaufenden Verschleiß übergeht. Ein Nachlaufender Verschleiß führt aufgrund des Abgleitens während des Eingriffs eines Zahns des Antriebsturas in die Kettenverzahnung zu einem progressiven Verschleiß. Somit, ist die Restlebensdauer des Laufwerks mit Einsetzen des nachlaufenden Verschleißes sehr gering.

Der verbleibende Vorlauf des Verschleißes kann bei geeigneter Positionierung von Antriebsturas und Kette für die beiden Fahrtrichtungen Vorwärts und Rückwärts manuell gemessen werden und dient als Indikator für die Restlebensdauer. Dieser Wert wird für die Vorwärtsfahrt im folgenden X1- Maß und für die Rückwärtsfahrt X2-Maß genannt. Problematisch bei dieser Messung ist zum ersten die Gefährdung durch die Messung an dem belasteten Fahrwerk, die teilweise erhebliche Schmutzanlagerung und die nötige feinfühlige Positionierung zwischen Rad und Kette. Trotz der Schwierigkeiten Aufgrund der Reduktion des X1- und X2-Maßes während der Betriebsdauer steigt mit dieser die mechanische Hysterese zwischen Rad- und Kettenverzahnung. Diese korreliert somit mit der Restlebensdauer des Kontakts zwischen Kette und Rad.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde aufwendige, händische Wartungsuntersuchungen zu automatisieren und somit Kunden zu entlasten. Durch das kontinuierliche Monitoring sind weiter bessere Restnutzungsdauerprognosen möglich, welche einen anstehenden Austausch besser planbar machen. Ein weiterer Hauptzweck der Erfindung besteht in der Steigerung der Sicherheit. Während der manuellen Vermessung durch Wartungs- oder Servicepersonal Messungen ist die Fahrwerkskette mechanisch belastet. Bei diesen Arbeiten in unmittelbarer Umgebung dieser Gefahrenquelle mit einer hohen gespeicherten mechanischen Energiemenge ist ein erhebliches Sicherheitsrisiko aufgrund potentiell abplatzender Materialsplitter gegeben.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß mit einem Verfahren zur Verschleißüberwachung an Kettenlaufwerken bei mobilen Maschinen, bei denen die Laufwerksketten über mindestens ein Kettenrad von einem Antriebsmotor direkt oder indirekt über ein Getriebe angetrieben wird, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das radiale Spiel zwischen den Zähnen der Kette und den Zähnen des Antriebsturas ermittelt wird, wozu der Weg der Zähne während der Anfahrbewegung durch eine Drehwinkelmessung am Antrieb bestimmt wird, wobei der Drehwinkel sich ergibt zwischen dem Beginn der Relativbewegung der Zähne gegenüber den Zähnen an der Kette und das Ende des Drehwinkels durch die Berührung der Zähne des Antriebsturas und der Zähne an der Kette dadurch bestimmt wird, dass das Drehmoment am Hydraulikanrieb stark ansteigt und/oder die Drehzahl stark abfällt und dass durch wiederholte Bestimmung des Spiels aus einer Vergrößerung des Spiels auf einen Verschleiß am Antriebsturas und an der Kette geschlossen wird

Beim Anfahren des Laufwerks kommt es durch die Relativbewegung nach Überwindung der Haftreibung in den Kontakten zu einer Relativbewegung zwischen Antriebsturas und Kette bis das anfängliche mechanische Spiel überwunden ist und es zu einem Drehmomentanstieg durch den einsetzenden Formschluss von mindestens einem Zahnkontakt kommt.

Die Größe des anfänglich vorhandenen Spiels hängt dabei von der zuvor getätigten Fahrbewegung aus, kann aber einen Maximalwert definiert durch die verschleißbeeinflussten Geometrie von Antriebsturas und Kette nicht überschreiten.

Somit kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Anstieg des Drehmomentes bei Auftreffen des Zahnes des Antriebsturas auf den Zahn des Kettengliedes als eine Systemgröße ermittelt werden.

Die zweite Systemgröße ergibt sich aus dem Weg, der bei der Veränderung des X1/X2-Maßes auftritt.

Da aus den erwähnten Gründen eine optische Erkennung von Außen kaum möglich ist, wird die Bewegung beim Antrieb, z.B. dem mechanischen Getriebe oder Fahrantriebsmotor ermittelt. Erfasst wird dabei der Drehwinkel an einem der mechanische Getriebeteile oder dem Motor.

Im Wesentlichen wird das festgestellte Phänomen des Durchrutschens der Kette bei Spiel zwischen den Zähnen der Kette und den Zähnen des Antriebsturas ausgenutzt. Dieses Durchrutschen ist über eine hochauflösende Drehwinkelmessung am Antrieb festzustellen und wird mit dem Abgleich des gemessenen Antriebsdrehmoments plausibilisiert. Sobald die Zähne wieder greifen steigt das Drehmoment stark an und die Drehzahl sinkt kurzfristig. Aus den Signalen eines Drehwinkelsensors im Antrieb und Sensoren zur Lasterfassung (zum Beispiel Druck bei der Verwendung hydraulischer Motoren) kann der Drehwinkel bestimmt werden, auf dem Durchrutschen stattfindet. Mit Hilfe der geometrischen Zusammenhänge des Antriebs kann das Kettenspiel quantifiziert werden. Dafür wird die Antriebsdrehzahl auf das Bogenmaß des Zahnkreises umgerechnet, um das aktuelle Spiel zu bestimmen.

Wie eingangs erwähnt gibt das X1/X2-Maß den vorlaufenden oder nachlaufenden Verschleiß bei der Vorwärts- oder Rückwärtsfahrt zwischen den Zähnen der Kette und denen des Antriebsturas wieder und ist eine der relevanten Indikatoren für die Restlebensdauer der Kette und des Antriebsturas. Das mit dem beschriebenen Verfahren bestimmte Spiel zwischen Kette und Antriebsturas korreliert mit dem X1/X2-Maß, sodass aus dem gemessenen Spiel auf das tatsächlich vorhandene X1/X2-Maß geschlossen werden kann.

Bei entsprechender Gestaltung des Systems kann über die Zeit ein Verlauf des zunehmenden Verschleißes dokumentiert und dem Fahrer dargestellt werden. Ab einem gewissen Verschleißfortschritt oder ab einer gewissen Änderungsrate soll eine entsprechende Warnung und Wartungserinnerung erfolgen. In einem ersten Schritt wird der Monitoring-Prozess durch den Fahrer bewusst ausgelöst. Eine automatische Bestimmung im regulären Betrieb ist aber ebenfalls denkbar und eine Ausbaustufe des Verfahrens.

Damit das System automatisch ohne explizite Fahrereingabe ein Monitoring durchführt, können die Anfahrvorgänge in beide Richtungen während des regulären Betriebs ausgewertet werden. So würde im normalen Betrieb bei jeder Betätigung des Laufwerks eine Überprüfung des Verschieißzustandes erfolgen. Da allerdings für den Durchrutschweg die vorherige Betätigung und somit aktuelle Positionierung zwischen Turas und Kette maßgeblich ist, muss für eine solche Überwachung eine Auswertlogik auf dem Controller implementiert wird, die die Ergebnisse entsprechend bearbeitet und Störeinflüsse zum Beispiel durch Mitnahme der Kette ausschließlich durch Haftreibung kompensiert.

Eine denkbar einfache Logik wäre die Berücksichtigung des größten im Betrieb gemessenen Durchrutschens als Maßstab für den Laufwerkszustand unter Kompensation eventuell vorhandener Störgrößen.

Der Aufwand des Betreibers wird reduziert. Bei unzureichender Inspektion sind größere Folgeschäden vorzubeugen. Hiermit werden Kosten reduziert und Ressourcen geschont.

Die Sicherheit zur Bestimmung des Laufwerkszustandes wird erhöht, da keine Messungen an der gespannten Kette mehr nötig sind.

Durch den Verschleißverlauf über der Zeit kann auch gezielt zu einem Zeitpunkt lediglich das in der Anschaffung günstigere Antriebsturas in leicht vergrößerter Ausführung eingebaut werden. Durch diese Maßnahme kann die Laufwerkskette länger Betrieben werden, da mit dem geometrisch abweichenden Antriebsturas wieder ein Vorauseilender Verschleiß erreicht wird.

Zusätzlich stellt das System lediglich geringe Anforderungen an die Sensorik, Es können handelsübliche Sensoren verbaut werden (Druck (Hydraulikmotor), Drehwinkel). Durch die Positionierung oder Integration des Drehwinkelsensors in den Fahrmotor oder in das Fahrgetriebe kann eine sehr hohe Auflösung auch mit Standardsensoren aufgrund der Untersetzung erreicht werden. Weiter erlaubt diese Lösung eine Installation der Sensorik In ausreichender Entfernung von den bewegten Laufwerksteilen was in Bezug auf Bauraum und mechanischen Schutz der Sensoren vorteilhaft ist.

Die Sensoren können alle an, in Bezug auf den Maschinenrahmen, feststehenden Teilen fixiert werden, somit kann die Signalrückmeldung einfach Kabelgebunden erfolgen. Eine störanfällige Drahtlosübermittlung oder Schleifkontakte der Signale sind nicht nötig.

Die Integration der Sensoren erfolgt nicht in die Austauschteile selber, sodass diese kostengünstiger gehalten werden können, deren mechanische Festigkeit nicht beeinträchtigt wird und ein zeitaufwendiges Abstimmen des Systems nach Austausch der Verschleißteile entfällt.