Beschreibung:

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Restlebensdauer einer Komponente eines Getriebes und eines Getriebes.

Ein Getriebe weist wenigstens eine Verzahnung und mehrere Lager, in der Regel Wälzlager, auf. Diese Komponenten unterliegen im Betrieb einem Verschleiß, der von verschiedenen Faktoren abhängig ist. Bei der Auslegung des Getriebes wird daher eine typische Belastung zugrunde gelegt, wodurch auch eine Nennlebensdauer bestimmt ist.

Bei der Instandhaltung von technischen Anlagen, wie einem Getriebe, gibt es mehrere Ansätze, die verfolgt werden können. Ziel ist es, einem Ausfall einer Komponente vorzubeugen, das heißt mit dem Austausch der Komponente nicht zu warten, bis die Komponente ausfällt.

Die vorhersagende Instandhaltung (predictive maintenance) ist daher verstärkt in den Fokus geraten. Bei der Vorhersage von Lagerschäden ist es beispielsweise bekannt, per Mikrofon die Laufgeräusche eines Wälzlagers aufzunehmen, um auf diese Weise Unregelmäßigkeiten im Rollverhalten der Wälzkörper festzustellen. Eine andere bekannte Vorhersagemethode registriert Vibrationen im Lager, etwa mit Hilfe von Beschleunigungssensoren, um ungewöhnliche Schwingungen zu erkennen. Dadurch können Schäden frühzeitig erkannt werden und ein Austausch der Komponente ist möglich, bevor diese tatsächlich ausfällt.

Für Verzahnungen sind ebenfalls verschiedene Methoden bekannt, insbesondere die Schwingungsanalyse erlaubt hier genaue Vorhersagen.

Durch diese Methode kann jedoch nur festgestellt werden, ob ein Schaden bereits vorliegt oder sich entwickelt. Sofern keine abnormalen Geräusche oder Schwingungen vorhanden sind, kann darüber keine direkte Aussage über eine voraussichtliche Restlebensdauer erzielt werden. Nachteilig bei den bekannten Methoden ist zudem, dass prinzipiell für jede zu untersuchende Komponente ein Sensor notwendig ist, der möglichst nur diese Komponente erfasst. Demnach wären selbst bei einer kleinen Anlage oder einem mehrstufigen Getriebe sehr viele Sensoren notwendig. Um die Anzahl der Sensoren gering zu halten, ist es bekannt, an den Komponenten Messpunkte vorzusehen, an die ein entsprechender Sensor von außen aufsetzbar ist. Dabei wird über eine vorbestimmte Zeit, etwa eine Minute, eine Messung durchgeführt und gespeichert, um diese später auszuwerten. Ein Techniker arbeitet nacheinander alle Messpunkte ab, in dem er von einem Messpunkt zum nächsten vorgeht. Bei großen Anlagen mit vielen Messpunkten ist es daher üblich, diese Messungen in Intervallen von einigen Wochen oder Monaten durchzuführen. Dadurch kann jedoch nur eine ungenaue Vorhersage durchgeführt werden. Insbesondere da Schadensereignisse sich schneller entwickeln können als die Intervalldauer beträgt.

Aus der DE 10 2018 214 099 A1 ist als nächstliegender Stand der Technik ein Verfahren zur unmittelbaren Ermittelung einer theoretischen Schädigung einer Komponente bekannt.

Aus der US 2017 / 0 082 188 A1 ist ein Schmiersystem für ein Getriebe bekannt.

Aus der DE 10 52 200 A ist eine Steuerung für ein stetig regelbares Getriebe bekannt.

Aus der US 2004 / 0 122 618 A1 ist eine Alterungsanzeige für eine Komponente bekannt.

Aus der EP 1 744 934 B1 ist ein Verfahren zum Steuern eines automatisierten Kraftfahrzeug-Antriebsstranges bekannt.

Aus der DE 102 22 187 A1 ist ein Verfahren zum Bestimmen von Restnutzungsintervallen bekannt.

Die Erfindung beabsichtigt daher die Vorhersage der Restlebensdauer zu verbessern und zu vereinfachen. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 , ein Verfahren nach Anspruch 13 und einer Vorrichtung nach Anspruch 15 gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung der Restlebensdauer einer Komponente eines Getriebes ist dadurch gekennzeichnet, dass einmalig:

Parameter des Getriebes und der Komponente bestimmt werden, und aus den Parametern eine Nennlebensdauer der Komponente ermittelt wird, dass während dem Betrieb wiederholt: ein aktueller Lastzustand des Getriebes erfasst wird, wobei der Lastzustand auch die Drehrichtung beinhaltet, für jede Drehrichtung und/oder jeden Schädigungsmechanismus aus dem Lastzustand eine Teilschädigung der Komponente berechnet wird, wobei berechnete Teilschädigungen zu einer Schädigung summiert und zur vorherigen Schädigung addiert und in einem zeitlichen Verlauf gespeichert wird. und dass nach einer vorbestimmten Anzahl an Teilschädigungsberechnungen: durch lineare Regression des Schädigungsverlaufs und Extrapolation der Regressionsgeraden auf die Nennlebensdauer eine Restlebensdauer der Komponente bestimmt wird.

Der Vorteil besteht darin, dass die Erfassung des aktuellen Lastzustands des Getriebes ausreicht, um die Restlebensdauer einer Komponente des Getriebes zu bestimmen. Dabei spielt es keine Rolle für welche Komponente die Restlebensdauer berechnet werden soll. Es sind daher nicht für jede Komponente eigene Sensoren oder ein eigener Messpunkt notwendig. Die berechnete Restlebensdauer weist zudem aufgrund der Akkumulierung der Schädigungen und der Extrapolation der Regression nur geringe Schwankungen bei veränderten Betriebsbedingungen auf.

Ein weiterer Vorteil gegenüber dem Stand der Technik besteht darin, dass nicht zur Schäden erkannt werden können, sondern eine Aussage zur Restlebensdauer erfolgt. Dies ermöglicht eine bessere Planbarkeit der Instandhaltung. Durch die Erfassung des aktuellen Lastzustands wird die Restlebensdauer dynamisch an sich ändernde Betriebsbedingungen angepasst, so dass eine sehr genaue Restlebensdauer vorliegt. Die drehrichtungsabhängige Berechnung wird auch dann durchgeführt, wenn das Getriebe dauerhaft nur in einer Drehrichtung betrieben wird. Die nicht benutzte Drehrichtung geht dann mit Null in die Berechnung der Schädigung ein. Insgesamt ist dadurch die Implementierung einfacher, da nicht zuerst festgestellt werden muss ob und in welche einzige Drehrichtung das Getriebe betrieben wird.

Zweckmäßigerweise erfolgt die Bestimmung der Restlebensdauer für jede Komponente eines Getriebes. Dadurch kann eine genaue Restlebensdauer für das gesamte Getriebe berechnet werden.

In einer Ausführung ist eine Komponente des Getriebes eine Verzahnung oder ein Lager, insbesondere Wälzlager. Diese beiden Komponenten unterliegen dem größten Verschleiß, weshalb eine Restlebensdauerberechnung hier besonders vorteilhaft ist.

In einer Ausführung wird die Nennlebensdauer einer Komponente, insbesondere eines Lagers, in Abhängigkeit zu einer Nenndrehzahl und einem Nenndrehmoment unter Dauerlast berechnet. Die Nennlebensdauer kann auch beispielsweise in einer Tabelle als Parameter hinterlegt sein. Auf diese Weise ist eine Bezugsgröße vorhanden, zu der die Restlebensdauer berechnet werden kann.

In einer Ausführung werden zur Ermittlung der Nennlebensdauer, insbesondere einer Verzahnung, die Eckpunkte zur Dauerfestigkeit und Kurzzeitfestigkeit in einem Wöhlerdiagramm der Komponente zum aktuell betrachteten Schädigungsmechanismus, insbesondere Zahnfußschaden oder Zahnflankenschaden, bestimmt.

In einer Ausführung umfassen die Parameter des Getriebes und der Komponenten beispielsweise: Art und Typ der Wälzlager, Anzahl der Zähne der Zahnräder, Gesamtübersetzung des Getriebes. Die nominelle Lebensdauer, oder Nennlebensdauer, ist beispielsweise auf Grundlage einer Nennrehzahl und eines Nenndrehmoments angegeben. Daneben können die Parameter umfangreiche Daten zur Konstruktion des Getriebes, zum Material der Komponenten, und/oder weitere Daten enthalten, die für eine Lebensdauerberechnung benötigt und oder hilfreich sind. ln einer Ausführung umfasst der aktuellen Lastzustand eine aktuelle Drehzahl und ein aktuelles Drehmoment am Getriebe. Durch Erfassung von aktuellen Werten ist eine genaue Restlebensdauerberechnung möglich.

Sofern keine Messtechnik einsetzbar ist oder sofern ein Getriebe unter nahezu konstanten Bedingungen betrieben wird, können anstelle der Messwerte auch eine vorgegebene Solldrehzahl und ein vorgegebenes Solldrehmoment zur Berechnung der Restlebensdauer verwendet werden. Dies ermöglicht beispielsweise auch bei bestehenden Anlagen, an denen keine Messtechnik nachrüstbar ist, eine Restlebensdauerberechnung.

In einer weiteren Alternative kann auch ein Lastkollektiv verwendet werden. Dies kann insbesondere bei der Berechnung der Restlebensdauer einer Verzahnung vorteilhaft sein.

In einer Ausführung wird der aktuelle Lastzustand durch Messen der Drehzahl und des Drehmoments an einem Getriebe ermittelt. Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der Messort keine Rolle spielt, da die Messwerte für die jeweils betrachtete Komponente anhand der Parameter umgerechnet werden. Auf diese Weise ist die Anzahl der Sensoren pro Getriebe sehr gering, wodurch die Restlebensdauerberechnung einfacher und kostengünstiger ist.

Die Messung der Drehzahl kann dabei beispielsweise durch einen Encoder oder eine andere im Stand der Technik bekannte Drehzahlmessvorrichtung erfolgen. Die Drehzahl kann alternativ auch aus einer Motorsteuerung abgeleitet werden, in der die Drehzahl eventuell bereits vorliegt. Auf diese Weise ist eine sehr genaue Drehzahlmessung ermöglicht. Darüber hinaus kann mit Hilfe der Parameter, wie die Übersetzung der einzelnen Verzahnungen, die Drehzahl für jede Komponente des Getriebes aus dieser Drehzahl abgeleitet werden.

Das Drehmoment kann direkt bestimmt werden, beispielsweise mit einem Dehnmessstreifen an einer Welle des Getriebes. Das Drehmoment kann jedoch auch indirekt bestimmt werden, etwa über die elektrische Leistung eines elektrischen Antriebsmotors. Dabei kann beispielsweise eine Strom- und Spannungsmessung an einer Zuleitung des Elektromotors verwendet werden. Auf diese Wiese kann auch das aktuelle Drehmoment an jeder Komponente durch Umrechnung mit Hilfe der Parameter erfolgen. Vorzugsweise erfolgt die Drehzahl und/oder Drehmomentmessung an der Abtriebswelle oder der Antriebswelle des Getriebes. Diese Wellen sind einfach zugänglich wodurch eine einfache Anbringung der Messvorrichtung und der Sensoren möglich ist. Darüber hinaus ist eventuell eine Nachrüstung einer Messtechnik möglich, die zur Erfassung der Messwerte dient.

Wie bereits erwähnt, ist an einem Getriebe nur an einer Welle eine Drehzahl- und Drehmomenterfassung notwendig. Der aktuelle Lastzustand der Komponente wird durch Umrechnung der Messwerte anhand der Parameter ermittelt. Auf diese Weise kann mit nur einer Messung für jede Komponente eines Getriebes, und insbesondere für alle Komponenten, eine Restlebensdauer berechnet werden.

In einer Ausführung wird die Berechnung der Restlebensdauer in einer Berechnungseinheit durchgeführt, sobald neue Messwerte übermittelt wurden. Dadurch ist eine kontinuierliche oder zumindest aktuelle Restlebensdauerberechnung ermöglicht. Die Berechnungseinheit kann beispielsweise mit der Messtechnik kombiniert in einer Messvorrichtung an dem Getriebe angeordnet sein. Auf diese Weise kann eine Überwachung eines Getriebes einfach lokal erfolgen.

In einer vorteilhaften Ausführung ist die Berechnungseinheit als zentrale Berechnungseinheit ausgeführt. Dabei können insbesondere die Messwerte von mehreren Getrieben an diese zentrale Berechnungseinheit übermittelt werden. Dies hat den Vorteil, dass eine Berechnungseinheit die Restlebensdauerberechnung für mehrere Getriebe oder Anlagen durchführen kann. Auf diese Weise ist nur eine Berechnungseinheit notwendig, so dass die Installationskosten insgesamt gesenkt werden können.

In einer Ausführung sind die einmalig bestimmten Parameter und Nennlebensdauern in einer Parameter-Datenbank gespeichert und die Berechnungseinheit besitzt Zugriff auf die Parameter-Datenbank. Auf diese Weise ist beispielsweise eine einfache Aktualisierung der Parameterwerde möglich, unabhängig von der Berechnungseinheit.

Dabei kann eine solche Parameterdatenbank mit einer zentralen Berechnungseinheit oder mit einzelnen, je Getriebe separaten Berechnungseinheiten verbunden sein.

Besonders zweckmäßig ist es, wenn die Parameterdatenbank als zentrale Parameterdatenbank ausgebildet ist. Auf diese Weise kann eine Redundanz an Parameterwerten verhindert werden. In einer Anlage mit mehreren identischen Getrieben ist auf diese Weise nur eine Parameterdatenbank notwendig, auf die alle einzelnen oder eine zentrale Berechnungseinheit Zugriff besitzen.

In einer Ausführung werden die erfassten Lastzustände an eine Messwerte-Datenbank übertragen, auf die die Berechnungseinheit Zugriff besitzt. Auf diese Weise ist eine von der Berechnungseinheit getrennte Speicherung der Messwerte möglich.

Insbesondere vorteilhaft ist es, wenn die Messwertedatenbank als zentrale Datenbank ausgebildet ist. Auf diese Weise kann eine Redundanz an Messwertedatenbanken verhindert werden, wenn mehrere Getriebe vorhanden sind. Dadurch können die Messwerte von mehreren Getrieben in einer einzigen Messwertedatenbank gespeichert werden.

In Bezug auf die Berechnungseinheit, die Parameterdatenbank und die Messwertedatenbank kann zentral auf eine Anlage bezogen sein. Auf diese Weise ist beispielsweise in einer komplexen Anlage nur jeweils eine dieser Einheiten notwendig. Die Berechnung der Restlebensdauer von allen Komponenten erfolgt dabei zentral, etwa in einer Leitwarte oder einem Rechenzentrum vor Ort.

Zentral kann aber auch bedeuten, dass zumindest eine der Einheiten entfernt, etwa Standortübergreifend, angeordnet ist. Dabei können die Messwerte von mehreren Standorten zentral an einem Standort gebündelt sein. Die Übertragung der Messwerte kann dabei über ein Intranet oder das Internet erfolgen.

Zentral kann jedoch auch bedeuten, dass zumindest eine Einheit als Cloud-Anwendung im Internet vorhanden ist. Auf diese Weise kann eine Restlebensdauerberechnung vollständig als Dienstleistung ausgeführt sein, wobei die Datenspeicherung und die Restlebensdauerberechnung als Cloud-Anwendung ausgeführt wird. Der Vorteil dabei ist, dass für die Restlebensdauer nur eine minimale Hardwareinstallation vor Ort notwendig ist, insbesondere, wenn bestehende Anlagen zur Erfassung des aktuellen Lastzustands geeignet sind, etwa eine Drehzahlmessung einer Motorsteuerung und eine vorhandene Leistungsmessung. Eine Nachrüstung ist somit an bestehenden Anlagen sehr kostengünstig umsetzbar. Dabei ist es zweckmäßig, wenn jeder Messwert in der Messwertedatenbank zusätzlich einem Kunden und/oder einer Anlage eindeutig zuordenbar ist.

In einer Ausführung werden die Lastzustände vor der Übertragung verschlüsselt und/oder komprimiert. Auf diese Weise ist eine Datensicherheit gewährleistet und/oder die zu übertragene Datenmenge reduziert. Dies ist insbesondere bei der Übertragung der Messwerte über das Internet vorteilhaft.

Die Erfassung der aktuellen Lastzustände erfolgt in der Regel sehr hochfrequent. Beispielsweise wird die Drehzahl mehrmals pro Sekunde erfasst. Eine direkte Übertragung in dieser Frequenz wäre unmöglich. Insbesondere, weil durch jeden dieser Werte eine neue Berechnung der Restlebensdauer triggern würde. In einer Ausführung wird daher vor der Übertragung an die Messwerte-Datenbank aus mehreren Messwerten ein Lastäquivalent und ein Drehzahläquivalent berechnet. Dieses Lastäquivalent und Drehzahläquivalent wird dann in geringerer Frequenz als aktueller Lastzustand zur Berechnung an die Messwerte-Datenbank übertragen. Auf diese Weise kann die Menge an Daten reduziert werden, die an eine Messwertedatenbank übertragen wird. Auf diese Weise wird die Zeit zwischen zwei Übertragungen und damit die Zeit zwischen zwei Restlebensdauerberechnungen vergrößert.

Alternativ könnte die Bildung der Last- und Drehzahläquivalente auch auf Seite einer Berechnungseinheit erfolgen, wodurch aber die zu übertragende Datenmenge nicht reduziert wäre.

In einer Ausführung wird das Verfahren für mehrere, insbesondere alle, Komponenten des Getriebes ausgeführt. Der Vorteil dabei ist, dass eine genaue Restlebensdauerermittlung des Getriebes ermöglicht ist. Wie oben erwähnt, können für alle Komponenten die Restlebensdauern aus denselben Messwerten bestimmt werden, so dass der messtechnische Aufwand am Getriebe dadurch nicht erhöht wird.

In einer Ausführung, bei der die Komponente ein Wälzlager ist, umfasst die Nennlebensdauer eine Nenndrehzahl und ein Nenndrehmoment, und der aktuelle Lastzustand umfasst eine aktuelle Drehzahl und ein aktuelles Drehmoment, ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass zur Berechnung der Teilschädigung: ein Drehzahlfaktor berechnet wird, der die aktuelle Drehzahl in ein Verhältnis zur Nenndrehzahl setzt und ein Drehmomentfaktor berechnet wird, der das aktuelle Drehmoment in ein Verhältnis zum Nenndrehmoment setzt, und aus den Faktoren und der Nennlebensdauer eine Bezugslebensdauer berechnet wird und aus dieser Bezugslebensdauer die Teilschädigung berechnet wird.

Auf diese Weise ist die aktuelle Teilschädigung eines Wälzlagers sehr genau bestimmbar, wobei eine geringe Varianz bei sich wechselnden Betriebsbedingungen erzielt wird.

In einer Ausführung, bei der die Komponente eine Verzahnung ist, umfasst die Nennlebensdauer eine Nenndrehzahl und ein Nenndrehmoment, und die Parameter umfassen wenigstens ein Wöhlerdiagramm für jeden Schädigungsmechanismus in beide Drehrichtungen, und der aktuelle Lastzustand liegt als Lastkollektiv vor, ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass zur Berechnung der Teilschädigung die folgenden Schritte ausgeführt werden: für jeden Schädigungsmechanismus und jede Drehrichtung ein dauerhaft ertragbares Drehmoment berechnet wird, bei dem kein Schaden gemäß dem Schädigungsmechanismus auftritt, alle Messwerte mit einem Betrag kleiner als das dauerhaft ertragbare Drehmoment aus dem Lastkollektiv entfernt werden, aus dem verbleibenden Lastkollektiv eine äquivalente Drehzahl und ein äquivalentes Drehmoment bestimmt wird, aus der äquivalenten Drehzahl eine Anzahl an Lastwechseln berechnet wird, insbesondere unter Verwendung der Getriebeübersetzung, aus dem äquivalenten Drehmoment in Abhängigkeit des aktuellen Schädigungsmechanismus eine äquivalente Zahnfußspannung oder eine äquivalente Zahnflankenpressung berechnet wird, aus der Zahnfußspannung oder der Zahnflankenpressung eine ertragbare Anzahl an Lastwechseln berechnet wird und aus dem Verhältnis der berechneten Lastwechsel im Lastkollektiv und der berechneten ertragbaren Anzahl an Lastwechseln eine Teilschädigung berechnet wird.

Auf diese Weise sind die einzelnen Teilschädigungen einer Verzahnung und daraus eine Schädigung der Verzahnung sehr genau berechenbar. Die Teilschädigungen umfassen dabei zwei Schädigungsmechanismen, Zahnflankenschäden aufgrund der Zahnflankenpressung und Zahnfußschäden aufgrund der Zahnfußspannung. Beide Schädigungsmechanismen sind zudem richtungsabhängig. Für eine Schädigung einer Verzahnung müssen demnach vier unterschiedliche Teilschädigungen berechnet und addiert werden.

Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zur Bestimmung der Restlebensdauer eines Getriebes nach Anspruch 13, wobei für wenigstens eine Komponente des Getriebes eine Restlebensdauer gemäß einem oben beschriebenen Verfahren zur Bestimmung einer Restlebensdauer eine Komponente bestimmt wird. Aus den Restlebensdauern der einzelnen Komponenten wird eine Gesamt-Restlebensdauer des Getriebes ermittelt. Auf diese Weise kann eine Darstellung, etwa in einer virtuellen Darstellung einer Anlage, vereinfacht sein.

In einer Ausführung kann die Gesamt-Restlebensdauer der kürzesten, ermittelten Restlebensdauer der einzelnen Komponenten entsprechen. Auf diese Weise kann ein Ausfall einer Komponente des Getriebes sicher verhindert werden.

Die Erfindung umfasst auch eine Vorrichtung zur Ermittlung einer Restlebensdauer eines Getriebes, mit einer Messvorrichtung zur Erfassung einer Drehzahl und eines Drehmoments des Getriebes und mit einer Berechnungseinheit zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

In einer Ausführung weist die Vorrichtung eine Parameterdatenbank zum Speichern der Parameter des Getriebes auf, insbesondere wobei die Parameterdatenbank eine über das Internet zugängliche zentrale Datenbank ist, und die Berechnungseinheit zum Abrufen von Parametern mit der Parameterdatenbank verbunden ist. Auf diese Weise ist eine zentrale Wartung der Parameter möglich, so dass ein Installationsaufwand vor Ort verringerbar ist.

In einer Ausführung weist die Vorrichtung eine Messwertedatenbank auf, in der die von der Messvorrichtung erfassten Messwerte gespeichert werden, insbesondere wobei die Messwertedatenbank eine über das Internet zugängliche zentrale Datenbank ist, und die Berechnungseinheit zum Abrufen von Messwerten mit der Messwertedatenbank verbunden ist. Auf diese Weise ist eine Berechnung der Restlebensdauer von mehreren Komponenten in einer Berechnungseinheit bündelbar, wodurch ein Installationsaufwand verringerbar ist. Insbesondere kann die Restlebensdauer auf diese Weise als Dienstleistung angeboten werden.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben.

Es zeigt:

Fig. 1 : ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung der Restlebensdauer eines Getriebes,

Fig. 2: ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 3: ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Bestimmung der Teilschädigung eines Wälzlagers,

Fig. 4: ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Bestimmung der Teilschädigung einer Verzahnung,

Fig. 5: ein Schaubild zur Verdeutlichung der Bestimmung einer Teilschädigung einer Verzahnung, und

Fig. 6: ein Schädigungsverlauf einer Komponente mit extrapolierter Restlebensdauer.

Die Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Bestimmung der Restlebensdauer wenigstens einer Komponente eines Getriebes 2. Das Getriebe 2 kann ein beliebiges Getriebe sein und beispielsweise eine oder mehrere Getriebestufen besitzen. Eine Getriebestufe umfasst eine Verzahnung beispielsweise mit zwei Zahnrädern. Als Zahnräder können etwa gerade oder schrägverzahnte Stirnräder, Kegelräder oder andere Zahnräder verwendet werden. Ein Zahnrad sitzt in der Regel auf einer Welle, die mit einem oder zwei Wälzlagern drehgelagert ist. Eine Komponente im Sinne der Erfindung ist jedes Wälzlager und jede Verzahnung des Getriebes. Demnach besitzt ein Getriebe mehrere Komponenten, für die eine Restlebensdauerberechnung durchgeführt werden kann. Die Vorrichtung weist eine Messvorrichtung 3 auf, die an dem Getriebe 2 angeordnet ist. Die Vorrichtung weist im Beispiel weiter eine Messwertedatenbank 4, eine Parameterdatenbank 5 eine Berechnungseinheit 6 und eine Darstellungseinheit 7 auf,

Die Messvorrichtung 3 ist zur Erfassung eines Drehmoments und einer Drehzahl an dem Getriebe angeordnet. Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es dabei ausreichend eine Drehzahl und ein Drehmoment zu erfassen.

Die Drehzahl kann beispielsweise am Antrieb, am Abtrieb oder an einer anderen Welle innerhalb des Getriebes durch einen entsprechenden Drehzahlsensor, etwa einen Hallsensor, erfasst werden. Prinzipiell ist es auch möglich eine Drehzahl vom antreibenden Motor zu übernehmen. Insbesondere bei Elektromotoren kann die Motorsteuerung eine Drehzahl bereitstellen.

Das aktuelle Drehmoment kann beispielsweise am Antrieb, am Abtrieb oder an einer anderen Welle innerhalb des Getriebes durch einen entsprechenden Drehmomentsensor, etwa ein Dehnmessstreifen, erfasst werden. Das Drehmoment kann aber auch beispielsweise indirekt über die momentane, elektrische Leistung eines antreibenden Elektromotors bestimmt werden.

Die Messvorrichtung 3 kann dazu eingerichtet sein, Messwerte in kurzen Intervallen zu erfassen und an die Messwertedatenbank 4 zu übertragen.

Die Parameterdatenbank 5 enthält umfassende Daten zu dem Getriebe. Dazu gehören die Anzahl der Zähne aller Zahnräder und somit die Übersetzungsverhältnisse aller Getriebestufen. Aus diesen Daten kann beispielsweise die Drehzahl aller Komponenten aus der einen ermittelten Drehzahl berechnet werden. Wird beispielsweise die Drehzahl am Antrieb erfasst, kann daraus die Drehzahl jedes Wälzlagers und jeder Verzahnung berechnet werden. Analog kann das Drehmoment für jede Komponente aus dem einen erfassten Drehmomentwert berechnet werden. Die Parameterdatenbank 5 enthält unter anderem aber auch Daten zu Festigkeit und Material der Komponenten.

Die Berechnungseinheit 6 ist mit der Messwertedatenbank 4 und der Parameterdatenbank 5 verbunden, um auf deren Daten für die Berechnung zurückzugreifen. Die Berechnungseinheit 6 ist zur Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet. Dazu greift die Berechnungseinheit 6 auf die Parameterdatenbank 5 und die Messwertedatenbank 4 zu. Ein berechneter Restlebensdauerwert wird wiederum in der Messwertedatenbank 4 der Komponente zugeordnet abgespeichert.

Eine Darstellungseinheit 7 greift auf diesen Restlebensdauerwert zurück und kann die Restlebensdauer einer Komponente anzeigen oder darstellen. Die Darstellungseinheit 7 kann beispielsweise ein Abbild einer Komponente oder eines Getriebes zeigen, wobei die Restlebensdauern der Komponenten dem Bild entsprechend zugeordnet dargestellt werden. Die Darstellungseinheit 7 kann beispielsweise Teil einer Leitwarte sein oder in diese integriert sein. Die Darstellungseinheit 7 kann auch ein mobiles Gerät umfassen und/oder Warnungen anzeigen oder generieren, wenn eine Komponente eine Warnschwelle einer Restlebensdauer unterschreitet oder unterschritten ist. Auf diese Weise kann ein Austausch einer Komponente veranlasst werden.

Es kann auch vorteilhaft sein, wenn die Restlebensdauern direkt in einem Instandhaltungsplanungsprogramm verarbeitet werden. Hierzu kann das Instandhaltungsplanungsprogramm beispielsweise Zugriff auf die Messwertedatenbank besitzen, um die Restlebensdauern auszulesen.

Die Vorrichtung zur Bestimmung der Restlebensdauer kann eine dem Getriebe 2 zugeordnete Einheit bilden, wobei alle Einheiten in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Die Vorrichtung kann jedoch auch verteilt angeordnet sein. Auf diese Weise können etwa mehrere Messvorrichtungen 3 mit einer gemeinsamen Messwertedatenbank 4 verbunden sein. Somit können bei einer größeren Anlage bis auf die Messvorrichtungen 4 alle weiteren Einheiten als zentrale Einheiten ausgebildet sein und sind somit nur einmal vorhanden. Die zentralen Einheiten können etwa in einer Leitwarte oder einem gesonderten Rechenzentrum angeordnet sein.

In einer Ausführung der Erfindung kann die Berechnungseinheit 6, die Parameterdatenbank 5 und die Messwertedatenbank 3 zentral im Internet verfügbar sein. Bei dieser Cloud- Anwendung liegen die Daten vorzugsweise beim Hersteller oder Anbieter des Getriebes, wodurch die Restlebensdauerberechnung etwa als Dienstleistung angeboten werden kann. Für eine Zuordnung der Messwerte zu einem Getriebe und/oder Kunden sind diese vorzugsweise mit einer eindeutigen Kennung versehen. Vorteilhaft dabei ist, dass etwa die Parameterdatenbank sehr umfangreich sein kann und zentral gepflegt werden kann. Eine aufwändige Installation von Datenbanken und Rechenkapazität ist daher am Einsatzort des Getriebes nicht notwendig, weshalb eine Implementation der Restlebensdauerberechnung eine geringe Anfangsinvestition darstellt. Insbesondere auch dadurch, dass nur eine einfache Messvorrichtung zur Erfassung einer Drehzahl und eines Drehmoments erforderlich ist. Im

Vergleich zu bekannten Verfahren mit mehreren akustischen Sensoren oder Beschleunigungssensoren oder Messpunkten kann somit eine sehr einfache und kostengünstige Restlebensdauerberechnung betrieben werden. Auf diese Weise kann eine vorhersagende Instandhaltung durchgeführt werden, wodurch die Instandhaltungskosten und die Materialkosten für Austauschteile verringerbar sind.

Prinzipiell können alle Messwerte der Messvorrichtung in die Messwertedatenbank 4 übernommen werden. Ist die Messwertedatenbank 4 jedoch entfernt, beispielsweise über das Internet (Cloud) angebunden, kann es bei einer hohen Abtastfrequenz und/oder bei sehr vielen Messvorrichtungen 3 zu einer hohen Datenlast kommen. Daher kann die Messvorrichtung 3 eine Vorverarbeitung durchführen, bevor die Messwerte übertragen werden. Dabei werden über ein vordefiniertes Zeitintervall aus mehreren Messwerten ein Lastäquivalent und ein Drehzahläquivalent gebildet.

Zusätzlich oder alternativ können die Messwerte oder die Last- und Drehzahläquivalente vor der Übertragung komprimiert und/oder verschlüsselt werden.

Sofern zwei Wälzlager, die eine Welle abstützen baugleich sind und die gleiche aktuelle Laufzeit aufweisen, kann die Restlebensdauer des einen Wälzlager auch auf das andere Wälzlager übertragen werden. Diese sollte identisch sein und würde durch das erfindungsgemäße Verfahren auch identisch berechnet werden.

Die Fig. 2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung einer Restlebensdauer einer Komponente eines Getriebes. Das Verfahren ermittelt die Restlebensdauer einer ausgewählten Komponente. Wie bereits oben erwähnt, wird dazu eine Drehzahl- und Drehmomentermittlung benutzt, die jedoch nicht abhängig ist von der ausgewählten Komponente. Demnach kann das erfindungsgemäße Verfahren unabhängig von der Erfassung der Messwerte für jede Komponente eines Getriebes durchgeführt werden. Selbstverständlich kann das Verfahren auch für mehrere oder alle Komponenten eines Getriebes durchgeführt werden.

In einem ersten Schritt 21 werden einmalig Parameter des Getriebes und der Komponente bestimmt, für die eine Restlebensdauer ermittelt werden soll. Diese Parameter umfassen, wie oben erwähnt, zahlreiche Daten zu den einzelnen Zahnrädern und Lagern. Dazu gehören auch Typ- und Katalogdaten zu Nennlasten und Nenndrehzahlen. Dazu gehören auch Wöhlerdiagramme zu einzelnen Schädigungsmechanismen von Verzahnungen. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn die Parameterdatenbank 5 zentral, etwa im Internet, verfügbar ist. Dadurch kann eine umfangreiche Datenbank vorgehalten werden, die zentral aktualisierbar ist. Eine Installation oder Aktualisierung vor Ort ist somit vermeidbar. Aus den Parametern wird zudem eine Nennlebensdauer der Komponente ermittelt und beispielsweise in der Parameterdatenbank abgespeichert. Die Nennlebensdauer bezieht sich auf eine Nenndrehzahl und ein Nenndrehmoment.

Zur Bestimmung der Restlebensdauer wird während dem Betrieb wiederholt ein aktueller Lastzustand des Getriebes erfasst. Dies kann, wie oben beschrieben, durch eine Messvorrichtung 3 erfolgen, die beispielsweise eine aktuelle Drehzahl und ein aktuelles Drehmoment erfasst. Sofern keine Messvorrichtung vorhanden ist, kann auch eine spezifizierte Solllast, also ein Solldrehmoment und eine Solldrehzahl verwendet werden.

Die Berechnung wird durch das Vorhandensein eines neuen Messwertes getriggert oder sofern aus den Messwerten Äquivalente gebildet werden, wie oben beschrieben, nach Vorliegen der Äquivalente, die über einen vorbestimmten Zeitraum gebildet werden.

Der Lastzustand beinhaltet auch die aktuelle Drehrichtung. Daneben kann es für eine Komponente verschiedene Schädigungsmechanismen geben, die gesondert betrachtet werden müssen.

In einem nächsten Schritt 22 wird daher für jede Drehrichtung und/oder jeden Schädigungsmechanismus aus dem Lastzustand eine Teilschädigung der Komponente berechnet. Im einfachsten Fall wird als für die beiden Drehrichtungen jeweils eine Teilschädigung berechnet.

Dazu wird überprüft 23, ob bereits alle Teilschädigungen einer Komponente berechnet wurden. Falls nein, wird der Schritt 22 für die verbleibenden Teilschädigungen wiederholt. Also etwa für die andere Drehrichtung.

Falls ja, werden im folgenden Schritt 24 die berechneten Teilschädigungen zu einer Schädigung summiert. Diese Schädigung spielgelt die Schädigung der Komponente im aktuell betrachteten Zeitraum wieder.

Diese Schädigung wird im nächsten Schritt 25 zur vorherigen Schädigung addiert, so dass aus den Schädigungswerten ein zeitlicher Schädigungsverlauf gebildet werden kann. Ein solcher Schädigungsverlauf ist beispielhaft in der Fig. 6 gezeigt. Jeder Punkt des Diagramms entspricht einer auf diese Weise berechneten Schädigung.

Anschließend wird in Schritt 26 geprüft, ob eine vorbestimmte Anzahl an Schädigungen berechnet wurden. Falls nein, wird mit Schritt 22 fortgefahren.

Falls ja, wird in Schritt 27 durch lineare Regression des Schädigungsverlaufs, also der einzelnen Schädigungen, eine Regressionsgeraden 61 durch die einzelnen Schädigungs- Werte ermittelt.

Die Nennlebensdauer wurde in dem ersten Schritt 21 aus Parametern der Parameterdatenbank 5 bestimmt und ist konstant über die Lebensdauer der Komponente. Die Schädigung ist hier in Prozent der Nennlebensdauer angegeben. Im Diagramm der Fig. 6 ist die Nennlebensdauer als waagrechte Linie bei 100% eingezeichnet. Da hier Schädigungen aufgezeichnet werden, bedeutet 100% Schädigung ein Versagen der Komponente und eine Restlebensdauer von 0. Die Schädigungen besitzen immer auch eine zeitliche Dimension, da zu jeder Schädigungsberechnung eine Zeit oder aktuelle Betriebszeit bekannt ist.

Beispielsweise kann eine Schädigungsberechnung pro Minute erfolgen, wodurch automatisch die zeitlichen Abstände der Schädigungswerte jeweils eine Minute betragen. So wie die Schädigungen jeweils zum vorherigen Wert addiert werden, wird dies auch mit der Zeit durchgeführt, weshalb ein Fortschritt auf der Zeitachse automatisch gegeben ist.

Hierbei kann auch ein sogenanntes rollendes Fenster (rolling window oder moving window) verwendet werden, wobei jeweils nur eine bestimmte Anzahl an vorherigen Schädigungswerten in die Regression einfließen.

Die Regressionsgerade 61 wird über die aktuelle Zeit TA hinaus extrapoliert, bis sie die waagrechte Linie der Nennlebensdauer schneidet. Der Zeitwert TV dieses Schnittpunkts entspricht dem Versagenszeitpunkt TV der Komponente. Die Differenz aus dem aktuellen Zeitwert TA und dem Versagenszeitpunkt TV ist die Restlebensdauer RUL der Komponente, also:

RUL = TV - TA. Durch die Regression und Extrapolation der Schädigung ist eine zuverlässige Vorhersage der Restlebensdauer möglich, die auch bei schwankenden Betriebsbedingungen keine großen Schwankungen unterliegt.

Eine Komponente des Getriebes für die eine Restlebensdauer berechnet werden kann, kann beispielsweise ein Wälzlager oder eine Verzahnung sein.

Die Fig. 3 zeigt ein Ablaufdiagramm für die Berechnung einer Schädigung an einem Wälzlager. Die in Fig. 3 gezeigten Schritte bilden somit die Schritte 22 bis 24 des Verfahrens zur Bestimmung der Restlebensdauer der Fig. 2.

Bei einem Wälzlager gibt es im Wesentlichen nur einen Schädigungsmechanismus. Die ermittelten Drehzahl- und Drehmomentwerte werden demnach in einem ersten Schritt 31 nach Drehrichtung separiert.

In einem zweiten Schritt 32 werden für jede Drehrichtung getrennt ein Drehzahlfaktor k _n , der die aktuelle Drehzahl in ein Verhältnis zur Nenndrehzahl setzt und ein Drehmomentfaktor k _m , der das aktuelle Drehmoment in ein Verhältnis zum Nenndrehmoment setzt, berechnet. Diese Faktoren berechnen sich wie folgt: k _n = reale_gemessene_äquivalente_Drehzahl / Nenndrehzahl k _m = reale_gemessenes_äquivalentes_Drehmoment / Nenndrehmoment

Aus diesen Faktoren wird im folgenden Schritt 33 eine Bezugslebensdauer berechnet, die etwa einer Nennlebensdauer unter den aktuellen Betriebsbedingungen entspricht. Demnach wird für deren Berechnung die Nennlebensdauer aus der Parameterdatenbank mit den Faktoren kn und km wie folgt angepasst:

Bezugslebensdauer = k _n x kM ^exp x Nennlebensdauer

Wobei exp abhängig vom Lagertyp ist und wie die Nennlebensdauer aus der Parameterdatenbank ausgelesen wird. Der Exponent exp berücksichtigt über den Lagertyp beispielsweise auch Material und Geometrie des Lagers, etwa ob es sich um ein Kugel-, Nadel- oder Rollenlager handelt. lm folgenden Schritt 34 wird die Teilschädigung des Lagers für jede Drehrichtung dann wie folgt berechnet:

Teilschädigungjinks = Delta_t_links / Bezugslebensdauer *100

Teilschädigung_rechts = Delta_t_rechts / Bezugslebensdauer *100 wobei gilt:

Delta_t_links: Dauer der Drehrichtung links des aktuellen Datensatz Delta_t_rechts: Dauer der Drehrichtung rechts des aktuellen Datensatz

Die Schädigung wird im folgenden Schritt 35, wie bereits oben beschrieben, aus der Summe der Teilschädigungen bestimmt zu:

Schädigung = Teilschädigung Jinks + Teilschädigung _rechts

Diese Schädigung fließt dann in das weitere Verfahren der Fig. 2 gemäß Schritt 25 ein.

Die Fig. 4 zeigt ein Ablaufdiagramm für die Berechnung einer Teilschädigung einer Verzahnung. Das Verfahren wird nachfolgend mit Bezug auf die Fig. 5 erläutert. Die in Fig. 4 gezeigten Schritte bilden somit die Berechnung der Teilschädigung des Schritts 22 des Verfahrens zur Bestimmung der Restlebensdauer der Fig. 2

Eine Verzahnung besitzt zwei unterschiedliche Schädigungsmechanismen. Diese sind Zahnflankenschaden und Zahnfußbruch. Beide sind auch Drehrichtungsabhängig, so dass für eine Schädigungsberechnung einer Verzahnung insgesamt vier Teilschädigungen bestimmt werden müssen. Gemäß Fig. 2 müsste der Schritt 22, also das Verfahren nach Fig. 4, vier mal ausgeführt werden.

Die Fig. 4 zeigt beispielhaft die Berechnung eines Zahnfußschadens in Drehrichtung rechts. Die Berechnungen eines Zahnflankenschadens und der Drehrichtung links erfolgen analog hierzu.

Zunächst wird in einem ersten Schritt 41 für den aktuellen Schädigungsmechanismus und die aktuelle Drehrichtung ein dauerhaft ertragbares Drehmoment Müauerfest berechnet, bei dem kein Schaden gemäß dem Schädigungsmechanismus auftritt. Dieses dauerhaft ertragbare Drehmoment wird aus den Daten der Parameterdatenbank bestimmt. Die Ermittlung des dauerhaft ertragbaren Drehmoments Müauerfest kann mittels Umrechnungstabelle (siehe Schritt 31) und dem der Verzahnung zugeordneten Eckpunkt „FD“ im dem Schädigungsmechanismus zugeordneten Wöhlerdiagramms 51 ermittelt werden (siehe Fig. 5 rechts oben). Aus den Parametern können für jede Verzahnung im Getriebe vier Wöhlerdiagramme für jeweils beide Drehrichtungen und beide Schädigungsmechanismen ausgelesen werden. In Fig. 5 entspricht dies den gestrichelten Linien ausgehend vom Punkt FD des Wöhlerdiagramms. Die Spannung OFD des Wöhlerdiagramms wird in das Diagramm der Fig. 5 links oben übertragen und anhand der Zahnfußspannungskurve 53 das zugehörige Drehmoment bestimmt. Dieses kann nach links unten in das Lastkollektiv übertragen werden.

Für Zahnflankenschäden ist hier die Kurve zur Zahnflankenpressung 52 zu verwenden.

Die Messwerte einer Messvorrichtung liegen als Lastkollektive 54 vor. In Fig. 5 links unten ist ein Lastkollektiv 54 beispielhaft dargestellt. Die vertikale gestrichelte Linie stellt das dauerhaft ertragbare Drehmoment Müauerfest für diesen Schädigungsmechanismus dar.

Alle Werte des Lastkollektivs 54, die links von dieser Linie liegen, stellen Belastungen dar, die kleiner als das dauerhaft ertragbare Drehmoment Müauerfest sind. Diese Belastungen tragen nicht zur Schädigung bei. In einem nachfolgenden Schritt 42 werden alle Messwerte mit einem Betrag kleiner als das dauerhaft ertragbare Drehmoment Müauerfest aus dem Lastkollektiv 54 entfernt.

In einem nachfolgenden Schritt 43 wird aus dem verbleibenden Lastkollektiv eine äquivalente Drehzahl und ein äquivalentes Drehmoment M _eq bestimmt wird. In Fig. 5 ist dieses äquivalente Drehmoment M _eq als vertikale Linie dargestellt.

In einem weiteren Schritt 44, wird aus der äquivalenten Drehzahl unter Rückgriff auf die Parameterdatenbank eine äquivalente Anzahl an Lastwechseln N _VO rh, rechts berechnet, insbesondere unter Verwendung der Getriebeübersetzung. Diese ist in Fig. 5 oben rechts als Nvorh, rechts beispielhaft für die Drehrichtung rechts gezeigt. In einem nachfolgenden Schritt 45 wird aus dem äquivalenten Drehmoment in Abhängigkeit des aktuellen Schädigungsmechanismus eine äquivalente Zahnfußspannung oder eine äquivalente Zahnflankenpressung berechnet. In Fig. 5 ist hierzu beispielhaft die Zahnfußspannung dargestellt. Das äquivalente Drehmoment wird in Fig. 5 oben rechts als vertikale Linie in das Diagramm übertragen. Der Schnittpunkt mit der Zahnfußspannungskurve 53 ergibt die zum äquivalenten Drehmoment M _eq gehörende äquivalente Zahnfußspannung OF.

In einem nachfolgenden Schritt 46 wird aus der äquivalenten Zahnfußspannung OF oder der äquivalenten Zahnflankenpressung eine ertragbare Anzahl an Lastwechseln NF berechnet. Dies erfolgt anhand des zugehörigen Wöhlerdiagramms 51 aus der Parameterdatenbank. In Fig. 5 ist zur Veranschaulichung ein horizontaler Pfeil aus dem Diagramm oben links ausgehend von dem Schnittpunkt OF auf das Wöhlerdiagramm 51 oben rechts gezeigt. Der Schnittpunkt F mit der Wöhlerkurve entspricht dieser äquivalenten Anzahl an Lastwechseln NF. Da die äquivalente Zahnfußspannung OF größer als die dauerhaft ertragbare Zahnfußspannung ist, ist die äquivalente Anzahl an Lastwechseln NF kleiner als die dauerhaft ertragbare Anzahl an Lastwechseln NFD.

Schließlich wird in einem Schritt 47 aus dem Verhältnis der berechneten Lastwechsel N _VO rh, rechts im Lastkollektiv und der berechneten äquivalenten Anzahl an Lastwechseln NF eine Teilschädigung dSp, rechts berechnet zu: dSp, rechts ⁼ Nvorh, rechts / NF

Wie bereits oben erwähnt, besitzt eine Verzahnung zwei Schädigungsmechanismen, Zahnfußspannung und Flankenpressung. Das oben genannte Verfahren muss also pro Komponente für jeden dieser Schädigungsmechanismen für jede Drehrichtung, also viermal, ausgeführt werden, um eine Schädigung einer Verzahnung zu bestimmen. Bezugszeichenliste

1 Vorrichtung zur Berechnung einer Restlebensdauer

2 Getriebe

3 Messvorrichtung

4 Messwertdatenbank

5 Parameterdatenbank

6 Berechnungseinheit

7 Darstellungseinheit

21 - 27 Verfahrensschritte zur Berechnung einer Restlebensdauer einer Komponente

31 - 35 Verfahrensschritte zur Berechnung einer Teilschädigung eines Wälzlagers

41 - 47 Verfahrensschritte zur Berechnung einer Teilschädigung einer Verzahnung

51 Wöhlerdiagramm

52 Zahnflankenpressung

53 Zahnfußspannung

54 Lastkollektiv

61 Schädigungsverlauf

M _eq äquivalentes Drehmoment

NF äquivalente Anzahl an Lastwechseln

NFD dauerhaft ertragbare Anzahl an Lastwechseln

Nvorh, rechts vorhandene Anzahl an Lastwechseln im aktuellen Lastkollektiv

OF äquivalente Zahnfußspannung

OFD dauerhaft ertragbare Zahnfußspannung