DE102011055576A1

DE102011055576A1 - Verfahren zur Bestimmung eines Spannungszustandes

Info

Publication number: DE102011055576A1
Application number: DE201110055576
Authority: DE
Inventors: Dirk Bartsch-Kuszewski; Stefan Gössner
Original assignee: ContiTech Antriebssysteme GmbH
Current assignee: ContiTech Antriebssysteme GmbH
Priority date: 2011-11-22
Filing date: 2011-11-22
Publication date: 2013-05-23

Abstract

Verfahren zur Bestimmung eines mechanischen Spannungszustandes in einem statisch belasteten Bauteil, bei dem das Bauteil in Schwingungen versetzt und die Schwingungen des Bauteils über Sensoren erfasst und als Eingangsgrößen einer Recheneinheit (6) zugeführt werden, in der mit Hilfe eines Algorithmus aus den erfassten Schwingungen unter Berücksichtigung von Materialparametern und geometrischen Kenngrößen des Bauteils mindestens eine Hauptspannung des des Bauteiles berechnet und als Signal einer Anzeigeeinrichtung bereitgestellt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines mechanischen Spannungszustandes in einem statisch belasteten Bauteil sowie die Verwendung eines solchen Verfahrens.
Die Bestimmung eines mechanischen Spannungszustandes in einem statisch belasteten Bauteil ist beispielsweise sehr wichtig beim Einbau von Antriebsriemen, z.B. von Keilriemen, Mehrkeilriemen, Keilrippenriemen etc. zum Antrieb von Aggregaten bzw. zur Übertragung von Leistungen. Dabei muss der Spannungszustand des unbelasteten Riemens innerhalb bestimmter Grenzen liegen, damit keine zu starke Belastung von Lagern, Antrieben, Motoren, Riemen etc. entsteht, welche zu einem vorzeitigen Ausfall oder zu einer Verkürzung der Lebensdauer führen könnte.
Hierzu ist es nötig die Hauptspannungen, beispielsweise die nach dem Einbau vorhandene Zugspannung in einem Antriebsriemen, also die Riemenvorspannkraft, zu überprüfen und ggf. durch Trimm- oder Anpassungsmaßnahmen zu verändern.
Die gewärtigen Meßverfahren zur Ermittlung der Riemenvorspannkraft von Antriebsriemen basieren im Wesentlichen auf mechanischen und optischen Verfahren. Für diese Verfahren sind spezielle Messgeräte bzw. Vorrichtungen notwendig. Für die Anschaffung dieser Geräte sind erhebliche Anschaffungskosten zu tätigen.
Die Notwendigkeit, die erforderliche Riemenvorspannkraft zur messen, tritt in der Praxis ständig auf. In kleineren Werkstätten/Unternehmen bzw. Serviceabteilungen sind die kostenintensiven Messgeräte aber oft nicht vorhanden.
Es sei darauf hingewiesen dass die Antriebsriemen hier beispielhaft genannt sind. Ähnliche Verfahren sind auch bei anderen Bauteilen erforderlich, beispielsweise bei Kettentrieben oder Förderbändern.
Für die Erfindung bestand also die Aufgabe, ein einfach anzuwendendes Messverfahren zur Bestimmung eines mechanischen Spannungszustandes bereitzustellen, welches ohne kostenintensive Messgeräte und Messapparaturen durchgeführt werden kann.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Hauptanspruchs. Weitere vorteilhafte Ausbildungen sind in den Unteransprüchen offenbart.
Dabei wird das Bauteil in Schwingungen versetzt, z.B. durch Anschlagen mit einem kleinen Hammer, und die Schwingungen des Bauteils werden über Sensoren erfasst und als Eingangsgrößen einer aus Prozessoren, Speichern und Verarbeitungseinrichtungen bestehenden Recheneinheit zugeführt. In der Recheneinheit wird mit Hilfe eines Algorithmus aus den erfassten Schwingungen unter Berücksichtigung von Materialparametern und geometrischen Kenngrößen des Bauteils mindestens eine Hauptspannung des augenblicklich vorliegenden Spannungszustands des Bauteiles berechnet und als Signal einer Anzeigeeinrichtung bereitgestellt.
Damit lässt sich auf einfache Weise und ohne komplizierte Messmittel der augenblicklich vorliegende Spannungszustand bzw. mindestens eine der Hauptspannungen im Bauteil ermitteln.
Eine weitere vereinfachende vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, dass die Schwingungen des Bauteils in Form von akustischen Schwingungen über Mikrofone erfasst werden, insbesondere dann wenn die Recheneinheit und die Mikrofone sowie die Anzeigeeinrichtung einem mobilen Rechner zugeordnet sind. Damit reicht eine in der Nähe des Bauteiles erfolgende Schallaufnahme, um eine Spannung im Bauteil zu ermitteln.
Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass die Recheneinheit und die Mikrofone sowie die Anzeigeeinrichtung in einem Rechner eines Funktelefon oder eines tragbaren Computer, einem I-Pad, Tablett-Computer, Smartphone, o.ä., angeordnet ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass die Funktelefon oder Computer drahtlos mit weiteren Rechnern oder Speichern oder dem Intranet kommunizieren.
Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass der Algorithmus, die Materialparameter oder geometrische Kenngrößen in der Recheneinheit hinterlegt sind oder drahtlos aus weiteren Rechnern, Speichern oder über das Internet in die Recheneinheit geladen werden. Dies kann heute einfach und vorzugweise dadurch geschehen, dass Algorithmus, Materialparameter oder geometrische Kenngrößen in Form eines Apps auf einem Mobiltelefon, I-Pad oder Tablett-Computer bei Bedarf aufgerufen oder bereitgestellt werden.
So ist es möglich, dass durch die Ausnutzung der gegenwärtigen hohen Marktdurchdringung von Smartphones im Wesentlichen die Programmierung einer Anwendung, d.h. einer „Applikation“, auch „App“ genannt, genügt die das Gerätemikrofon zur akkustischen Ermittlung der Schwingungsfrequenz nutzt.
Alle sind für alle verfügbaren Antriebselemente (Keil-, Keilrippen-, Verbundkeil-, Flach- und Zahnriemen) die entsprechenden geometrischen Daten und Materialdaten in einer gerätelokalen Datenbasis oder auf einem externen Server verfügbar. Der Benutzer der Anwendung wählt den zu messenden Riemen über eine Menüführung aus, ermittelt die freie Trumlänge und führt mit dem Smartphone die Riemenvorspannmessung durch. Die verfügbaren Riemenparameter erlauben eine einfache Umrechnung der Schwingungsfrequenz in z.B. eine Trumkraft. Eine unmittelbare Aktualisierung der Datenbank und Anwendung ist jederzeit und weltweit möglich.
Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass eine Hauptspannung des augenblicklich/momentan vorliegenden Spannungszustands des Bauteiles mit Hilfe eines Algorithmus berechnet wird, dem eine Fourier-Analyse (Fast-Fourier-Transformation) der Schwingungen zugrunde liegt. Dies ist eine bewährte und sichere mathematische Methode der Ermittlung solcher Spannungen.
Besonders vorteilhaft lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung der statischen Trumkraft eines unter Spannung stehenden Antriebsriemens, zur Bestimmung der statischen Kettenspannkraft einer unter Spannung stehenden Antriebskette oder zur Bestimmung der statischen Trumkraft eines unter Spannung stehenden Förderbandes verwenden. Bei allen diesen Anwendungen ist es dann nicht mehr erforderlich, umfangreiche Messmittel bereitzuhalten, welche teilweise sogar in gefährlicher Nähe dieser Bauteil aufgebaut werden müssen.
Anhand eines Ausführungsbeispieles soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen
1 Skizze des erfindungsgemäßen Verfahrens
2 Eine Ausführungsform eines mobilen Rechners als Smartphone zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
3 Eine Methode zu Spannungsermittlung eines Antriebsriemens aus dem Stand der Technik
4 Ein für die Methode gem. 3 erforderliches Vorspannungskontroll-Diagramm
Die 1 zeigt anhand einer einfachen Skizze das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung eines mechanischen Spannungszustandes in einem statisch belasteten Bauteil, hier zur Bestimmung der statischen Trumkraft eines unter Spannung stehenden Antriebsriemens 1, der die beiden Riemenscheiben 2 und 3 umläuft sowie durch die Spannrolle 4 gespannt wird.
Mit einem kleinen Metallstock oder einem kleinen Hammer wird das Bauteil, hier der Antriebsriemen 1 in Schwingungen versetzt. Die Schwingungen des Antriebsriemens 1 werden hier in Form von akustischen Schwingungen über ein Mikrofon 5 erfasst und als Eingangsgrößen einer aus Prozessoren, Speichern und Verarbeitungseinrichtungen bestehenden Recheneinheit 6 zugeführt.
In der Recheneinheit wird mit Hilfe eines Algorithmus aus den erfassten Schwingungen unter Berücksichtigung von Materialparametern und geometrischen Kenngrößen des Antriebsriemens 1 die statische Zugspannung des Riemens, d.h. die statische Trumkraft berechnet und als Signal einer Anzeigeeinrichtung bereitgestellt wird.
Die Recheneinheit 6 und das Mikrofon 5 gehören zu einem mobilen Rechner, der auch eine Anzeigeeinrichtung beinhaltet.
Eine besondere Ausführung eines solchen mobilen Rechners, nämlich ausgebildet in Form eines Smartphones 7 zeigt 2. Das Smartphone 7 ist hier von seiner Vorderseite gezeigt, diese allerdings mehrfach nebeneinandergestellt mit unterschiedlichen und Ansichten des Touchscreens auf der Vorderseite des Smartphones, welche zur Eingabe der Parameter und zum Aufrufen und Durchführen des „Apps“ erforderlich sind.
Der Algorithmus, die Materialparameter und die geometrische Kenngrößen sind in der Recheneinheit des Smartphones 7 in Form einer Anwendung, d.h. einer „Applikation“, auch „App“ genannt, hinterlegt. Für alle verfügbaren Antriebselemente (Keil-, Keilrippen-, Verbundkeil-, Flach- und Zahnriemen) können die entsprechenden geometrischen Daten Materialdaten etc, auch so genannte „Updates“ sowie neue oder angepasste Algorithmen drahtlos über einen externen Server per Internet in das Smartphone 7 geladen werden.
3 zeigt im Vergleich dazu noch einmal die im Stand der Technik bisher vorhandene Methode zu Spannungsermittlung eines Antriebsriemens 1. Ein Richtscheit 8 wird dabei auf die beiden Riemenscheiben 2 und 3 aufgelegt. Im rechten Winkel zum Richtscheit 8 muss dann ein Lineal 9 positioniert werden, welches im Verbund mit einem federbelasteten Druckprüfgerät 10 bei einer bestimmten Prüfkraft F_e die zugehörige Höhe bzw. Einfederung ∆h bestimmen lässt, welche dann mit Hilfe des in 4 gezeigten
Vorspannungskontroll-Diagramms kontrolliert werden muss. Der Unterschied dieser umständlichen Methode aus dem Stand der Technik zur und die Erleichterung durch die erfindungsgemäße Lösung liegt auf der Hand.
Bezugszeichenliste

1: Antriebsriemen
2: Riemenscheibe
3: Riemenscheibe
4: Spannrolle
5: Mikrofon
6: Recheneinheit
7: Smartphone
8: Richtscheit
9: Lineal
10: Druckprüfgerät

Claims

Verfahren zur Bestimmung eines mechanischen Spannungszustandes in einem statisch belasteten Bauteil (1), bei dem das Bauteil in Schwingungen versetzt und die Schwingungen des Bauteils über Sensoren (5) erfasst und als Eingangsgrößen einer aus Prozessoren, Speichern und Verarbeitungseinrichtungen bestehenden Recheneinheit (6) zugeführt werden, wobei in der Recheneinheit mit Hilfe eines Algorithmus aus den erfassten Schwingungen unter Berücksichtigung von Materialparametern und geometrischen Kenngrößen des Bauteils mindestens eine Hauptspannung des augenblicklich vorliegenden Spannungszustands des Bauteiles berechnet und als Signal einer Anzeigeeinrichtung bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Schwingungen des Bauteils in Form von akustischen Schwingungen über Mikrofone (5) erfasst werden.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Recheneinheit (6) und die Mikrofone (5) sowie die Anzeigeeinrichtung einem mobilen Rechner zugeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Recheneinheit (6), die Mikrofone (5) und die Anzeigeeinrichtung in einem Rechner eines Funktelefon (7) oder eines tragbaren Computer angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei Funktelefon oder Computer (7) drahtlos mit weiteren Rechnern oder Speichern oder dem Internet kommunizieren.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Algorithmus, Materialparameter oder geometrische Kenngrößen in der Recheneinheit hinterlegt sind oder drahtlos aus weiteren Rechnern, Speichern oder über das Intranet in die Recheneinheit geladen werden, insbesondere in Form einer Anwendungsprogrammierung, d. h. in Form einer einer „Applikation“ („App“) für
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem eine Hauptspannung des augenblicklich/momentan vorliegenden Spannungszustands des Bauteiles mit Hilfe eines Algorithmus berechnet wird, dem eine Fourier-Analyse (Fast-Fourier-Transformation) der Schwingungen zugrunde liegt.
Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Bestimmung der statischen Trumkraft eines unter Spannung stehenden Antriebsriemens (1).
Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Bestimmung der statischen Kettenspannkraft einer unter Spannung stehenden Antriebskette.
Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Bestimmung der statischen Trumkraft eines unter Spannung stehenden Förderbandes.