DD244637C2

DD244637C2 - METHOD FOR DIAGNOSIS OF ROTARY VIBRATION DAMPERS UNDER APPLICATION CONDITIONS

Info

Publication number: DD244637C2
Application number: DD28484185A
Authority: DD
Inventors: Guenter Peschel; Wolfgang Spruch; Manfred Mundt; Ruediger Werner; Axel Richter
Original assignee: Zfiv Zentrum Fuer Material Und
Priority date: 1985-12-20
Filing date: 1985-12-20
Publication date: 1988-04-27
Also published as: DD244637A1

Description

1. Anwendungsgebiet der Erfindung1. Field of the invention

Die Erfindung betrifft ein Meßverfahren zur Wirksamkeitskontrolle von Drehschwingungsdämpfern unter Einsatzbedingungen. Das Verfahren ist für die Kontrolle aller an Kurbelwellen von Kolbenkraftmaschinen angebrachten Drehschwingungsdämpfern anwendbar.The invention relates to a measuring method for controlling the effectiveness of torsional vibration dampers under conditions of use. The method is applicable for the control of all mounted on crankshafts of piston engines torsional vibration dampers.

2. Charakteristik der bekannten technischen Lösungen2. Characteristic of the known technical solutions

Bekanntermaßen werden die Kurbelwellen von Kolbenkraftmaschinen im betrieblichen Einsatz durch Umlaufbiegungen und Torsionsschwingungen belastet, die zu Kurbelwellenverschleiß und im Extremfall zu Kurbelwellenbrüchen führen können. Um dies zu vermeiden, werden Torsionsschwingungsdämpfer (Drehschwingungsdämpfer) als Zusatzmasse mit relativ großem Trägheitsmoment mit der Kurbelwelle verbunden. Der Torsionsschwingungsdämpfer (in der Regel ist es ein Viskositätstorsionsschwingungsdämpfer) bewirkt durch seinen konstruktiven Aufbau eine Senkung der Torsionsschwingungsamplituden der Kurbelwellenschwingung, so daß es zu keiner Überbeanspruchung der Kurbelwelle kommen kann. Diese Wirkung ist jedoch nur bei einer einwandfreien Funktion des Schwingungsdämpfers erreichbar, so daß die Funktionsdauer des Schwingungsdämpfers große Beachtung finden muß.As is known, the crankshafts of reciprocating engines are loaded during operation by circulation bends and torsional vibrations which can lead to crankshaft wear and in extreme cases to crankshaft fractures. To avoid this, torsional vibration dampers (torsional vibration dampers) are connected as additional mass with a relatively large moment of inertia with the crankshaft. The torsional vibration damper (usually it is a viscosity torsional vibration damper) caused by its structural design, a reduction in the torsional vibration amplitudes of the crankshaft vibration, so that there may be no overuse of the crankshaft. However, this effect can only be achieved with proper functioning of the vibration damper, so that the functional life of the vibration damper must be given high attention.

Meßverfahren zur Schnellkontrolle der vollen Runktionsfähigkeit von Schwingungsdämpfern sind bekannt und in der Fachliteratur wiedergegeben. Ein derartiges Verfahren einschließlich der erforderlichen Vorrichtung beschreibt die DE-Offenlegungsschrift 2718790. Inhaltlich wird ein Verfahren dargelegt, welches eine Schnellkontrolle des Dämpfungsfaktors von mit viskoser Flüssigkeit gefülltem Torsionsschwingungsdämpfer ermöglicht. Der zu prüfende Schwingungsdämpfer ist in ein Torsionsschwingungssystem einzubauen, um so in eine Torsionsschwingung mit immer gleicher Anfangsamplitude gebracht zu werden mit nachfolgender freier Ausschwingung. Dabei wird eine Schwingungszahl η gemessen, die mit festgelegten Grenzschwingungszahlen n_min und n_max verglichen wird. Eine einwandfreie Qualität des geprüften Schwingungsdämpfers liegt bei n_min < η < n_max vor.Measuring methods for rapid control of the full functionality of vibration dampers are known and reflected in the literature. Such a method including the required device is described in the DE-Offenlegungsschrift 2718790. The content of a method is set out, which allows a quick check of the damping factor of viscous fluid filled torsional vibration damper. The vibration damper to be tested is to be installed in a torsional vibration system in order to be brought into a torsional vibration with always the same initial amplitude with subsequent free swinging. In this case, a vibration number η is measured, which is compared with specified limit vibration numbers n _min and n _max . A perfect quality of the tested vibration damper is present at n _min <η <n _max .

Als wesentlicher Nachteil dieses Meßverfahrens ist die Schnellkontrolle eines Schwingungsdämpfers außerhalb der Einsatzbedingungen am Dieselmotor anzusehen.The main disadvantage of this measurement method is the quick check of a vibration damper outside the operating conditions of the diesel engine.

Ein in der Praxis sehr verbreitetes Verfahren zur Funktionskontrolle von Drehschwingungsdämpfer im eingebauten Zustand wird in der Zeitschrift „Schienenfahrzeuge" 1979, Heft 6, Seiten 289-294, beschrieben. Kennzeichnend für dieses Verfahren ist die Schwingungsmessung am Motor. Ausgehend von der in der Praxis bestätigten Tatsache, daß bei schadhaften Schwingungsdämpfern eine verstärkte Schwingungserregung am Motorgehäuse auftritt, wird diese Schwingungserregungszunahme als Maßstab zur Beurteilung der Funktionstüchtigkeit der Schwingungdämpfer genutzt. Das Meßverfahren wird stark beeinträchtigt, wenn ausgeprägte Drehzahlschwankungen auftreten. Ferner ist eine exakte Unterscheidung zwischen defekten Schwingungsdämpfern und beispielsweise Zylinderausfall sowie Zündunregelmäßigkeiten nicht möglich, auch ist eine Überlagerung des Nutz-Signals durch andere Schwingungen nicht auszuschließen. Kontrollmeßverfahren mittels Drehschwingungsaufnehmer nach dem Seismometerprinzip mit einer federgefesselten Masse, deren Relativbewegung gegenüber dem Gehäuse mittels induktiven Wegaufnehmern in ein elektrisches Signal umgewandelt werden, wurden in einer Studie des VEB WTZ Dieselmotoren Roßlau (Nr.20/2-32.000:4/79, Drehschwingungsdämpfer — Dämpfungsmeßverfahren) dargelegt. Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß Meßsignalstörungen infolge des auftretenden Lagerspiels zwischen der seismischen Masse und dem Übertragungssystem unvermeidlich sind, was zu Meßwertverfälschungen führen kann. Als weitere Vorteile sind zu nennen:A method widely used in practice for checking the functioning of torsional vibration dampers when installed is described in the journal "Schienenfahrzeuge" 1979, Issue 6, pages 289-294, which is characterized by the vibration measurement on the engine The fact that defective vibration dampers cause increased vibration excitation on the engine housing, this vibration excitation increase is used as a yardstick for evaluating the functioning of the vibration damper.The measuring method is severely impaired when pronounced speed fluctuations occur.Also, a precise distinction between defective shock absorbers and, for example, cylinder failure and ignition irregularities not possible, also a superimposition of the useful signal by other oscillations can not be ruled out p with a spring-bound mass whose relative movement with respect to the housing by means of inductive displacement transducers are converted into an electrical signal, were in a study by VEB WTZ diesel engines Roßlau (No.20 / 2-32,000: 4/79, torsional vibration damper - Dämpfungsmeßverfahren) set out. The disadvantage of this method is that Meßsignalstörungen are unavoidable due to the occurring bearing clearance between the seismic mass and the transmission system, which can lead to Messwertverfälschungen. Other advantages include:

— bei Drehschwingungsmessungen an Wellen von Kolbenkraftmaschinen treten Querbewegungen der Wellen auf, die in der Lagerung der seismischen Masse zu Verschleißerscheinungen führen, was ebenfalls Meßwertverfälschungen zur Folge hat,- In torsional vibration measurements on shafts of piston engines occur transverse movements of the waves, which lead to wear in the storage of the seismic mass, which also results in Meßwertverfälschungen,

— die auf die seismische Masse einwirkende Fliehkraft führt zu einer drehzahlabhängigen Veränderung der Massenauslenkung infolge veränderter Lager- bzw. Gleitführungsreibung; bei hohen Drehzahlen kann dadurch die Drehschwingungsmessung- The force acting on the seismic mass centrifugal force leads to a speed-dependent change in the mass deflection due to changing bearing or Gleitführungsreibung; at high speeds can thereby the torsional vibration measurement

. undurchführbar werden,, become impracticable,

— nicht immer zu vermeiden sind Resonanzerscheinungen, die ebenfalls eine Meßwertverfälschung bewirken können.- Not always to avoid resonance phenomena, which can also cause a Meßwertverfälschung.

3. Ziel der Erfindung3. Object of the invention

Ziel der Erfindung ist es, ein Meßverfahren zur Wirksamkeitskontrolle von Drehschwingungsdämpfern unter den Bedingungen des betrieblichen Einsatzes zu entwickeln, welches die Einflüsse von kolbenkraftmaschinenspezifischen Störfällen berücksichtigt und dadurch eine eindeutige Aussage über die Wirksamkeit des geprüften Drehschwingungsdämpfers zuläßt.The aim of the invention is to develop a measuring method for controlling the effectiveness of torsional vibration dampers under the conditions of operational use, which takes into account the influences of piston engine specific accidents and thereby allows a clear statement about the effectiveness of the tested torsional vibration damper.

4. Wesen der Erfindung4. Essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch eine sinnvolle Nutzung an sich bekannter Meßeinrichtungen eine Wirksamkeitskontrolle an Drehschwingungsdämpfern von Kolbenkraftmaschinen unter Einsatzbedingungen, also im eingebauten Zustand, in Abhängigkeit von den Zylinderleistungen der Kolbenkraftmaschine zu ermöglichen. Bisher bekannt gewordene Kontrollverfahren haben im wesentlichen die Nachteile, daß zum einen eine eindeutige Unterscheidung zwischen Motorstörungen, wie Zylinderausfall, Zündunregelmäßigkeiten, ungleichmäßige Zylinderleistungen u.a.m. und einen unwirksamen Drehschwingungsdämpfer im betrieblichen Einsatz nicht möglich ist, zum anderen Meßverfälschungen infolge von Lagerspielen, Kurbelwellenquerbewegungen, Resonanzerscheinungen u.a.m. auftreten können.The invention has for its object to enable an effective control of torsional vibration dampers of piston engines under operating conditions, ie in the installed state, depending on the cylinder performance of the reciprocating piston engine by a meaningful use of known measuring devices. So far known control methods have essentially the disadvantages that on the one hand a clear distinction between engine malfunctions, such as cylinder failure, ignition irregularities, uneven cylinder performance u.a.m. and an ineffective torsional vibration damper in operational use is not possible, on the other Meßverfälschungen as a result of bearing clearance, crankshaft traverses, resonance phenomena u.a.m. may occur.

Erfindungsgemäß werden diese Nachteile dadurch vermieden, daß als Voraussetzung zur Wirksamkeitskontrolle eines Drehschwingungsdämpfers eine zylinderbezogene Analyse des Ungleichförmigkeitsgrades der Kurbelwellendrehbewegung zugrunde gelegt wird.According to the invention, these disadvantages are avoided in that a cylinder-related analysis of the degree of irregularity of the crankshaft rotational movement is taken as a basis for the effectiveness control of a torsional vibration damper.

Bekanntermaßen hängt der Winkelgeschwindigkeitsverlauf der Kurbelwelle in charakteristische¹- Art und Weise von den Takten der Kolbenmaschine ab, da durch das Wechselspiel der Gas- und Massenkräfte in den einzelnen Zylindern und der Geometrie des Kurbeltriebes periodische Drehzahlschwankungen erzeugt werden, insbesondere wenn die Gaskräfte dominieren, d. h. bei niedrigen Drehzahlen.As is known, the angular velocity profile of the crankshaft depends in a characteristic ¹ -way on the strokes of the piston engine, since periodic speed fluctuations are generated by the interplay of the gas and mass forces in the individual cylinders and the geometry of the crank mechanism, especially if the gas forces dominate, ie at low speeds.

Die zeitlichen Verläufe der periodischen Drehzahlschwankungen gemäß der Zündfolgen der Einzelzylinder werden dabei in geeigneter Art und Weise miteinander verglichen, um im Ergebnis des Vergleiches zwischen den Einzelzylindern die Einflüsse von Motorstörungen und Verstellungen auf die Wirksamkeitskontrolle des Drehschwingungsdämpfers zu eliminieren. Dabei werden mit Hilfe eines Drehwinkelgebers, der nach jeder äquidistanten Drehung der Kurbelwelle ein Signal liefert, die Speicher eines Mikrorechners ausgehend von einer definierten Stellung der Kurbelwelle angesteuert. Auf die Speicher werden die Takte eines hochfrequenten Zeittaktgebers des Mikrorechners gezählt, bis die Umschaltung auf den nächsten Speicher durch das Signal des Drehwinkelgebers erfolgt. Nach η-Umdrehungen der Kurbelwelle, in denen jeder Zylinder bei einem 4-Takt-motor ^пІг Arbeitstakte durchlief, wird dieser Meßvorgang abgebrochen. Der so abgespeicherte zeitliche Verlauf der Kurbelwellendrehbewegung wird im m (m = ⁿ/2 χ Anzahl der Zylinder des Motors) gleich große Segmente derart zerlegt, daß im Mittelpunkt dieser Segmente der OT des zu diesem Zeitpunkt arbeitenden Zylinders liegt. Für diese Segmente wird mit Hilfe der Fourieranalyse eine Frequenzanalyse durchgeführt und aus den Fourierkoeffizienten der jeweiligen zusammengehörigen Segmente der Mittelwert und die Streuung berechnet. Das Ergebnis wird mit dem motorspezifischen Spektrum verglichen. Die Verschiebung der Fourierkoeffizienten an nur einem Zylinder weist auf einen Fehler an diesem Zylinder hin. Die Verschiebung des gesamten Spektrums ist ein Maß für die Wirksamkeit des Drehschwingungsdämpfers.The time profiles of the periodic speed fluctuations according to the firing sequences of the individual cylinders are thereby compared with one another in a suitable manner in order to eliminate the effects of engine malfunctions and adjustments on the efficiency control of the torsional vibration damper as a result of the comparison between the individual cylinders. In this case, the memory of a microcomputer is driven starting from a defined position of the crankshaft with the aid of a rotary encoder, which delivers a signal after each equidistant rotation of the crankshaft. On the memory, the clocks of a high-frequency clock of the microcomputer are counted until the switch to the next memory is performed by the signal of the rotary encoder. After η-revolutions of the crankshaft, in which each cylinder went through ^п Іг work cycles with a 4-stroke engine, this measuring process is stopped. The thus stored temporal course of the crankshaft rotational movement is in m (m = ⁿ / 2 χ number of cylinders of the engine) equally sized segments disassembled such that the center of these segments is the TDC of the working cylinder at this time. For these segments, a frequency analysis is carried out with the aid of the Fourier analysis, and the mean value and the scattering are calculated from the Fourier coefficients of the respective associated segments. The result is compared with the engine-specific spectrum. The shift of Fourier coefficients to only one cylinder indicates an error on that cylinder. The displacement of the entire spectrum is a measure of the effectiveness of the torsional vibration damper.

5. Ausführungsbeispiel5th embodiment

Für die Wirksamkeitskontrolle eines Drehschwingungsdämpfers eines Dieselmotors im eingebauten Zustand sind als notwendige Voraussetzungen folgende Meßeinrichtungen erforderlich:For the effectiveness control of a torsional vibration damper of a diesel engine when installed, the following measuring equipment is required as necessary prerequisites:

— ein geeignet programmierter Mikrorechner- a suitably programmed microcomputer

— ein inkrementaler Drehwinkelgeber mit einer Auflösung von 1° Drehwinkel und definiertem OT-Impuls- An incremental rotary encoder with a resolution of 1 ° rotation angle and defined OT pulse

— ein Quarzdruckgeber für das ZOT-Signal- a quartz pressure transducer for the ZOT signal

— ein Zeittaktgeber mit einer Frequenz von 10 MHz sowie Rechnerprogramme zur- A clock with a frequency of 10 MHz and computer programs for

— Ermittlung des zeitlichen Verlaufs der Kurbelwellendrehbewegung in Schritten von 1° Drehung (digitalisiert)- Determination of the time course of the crankshaft rotational movement in steps of 1 ° rotation (digitized)

— Zerlegung des Kurvenzuges in die entsprechenden Segmente um den ZOT der einzelnen Zylinder und der Zuordnung der einzelnen Segmente zu den richtigen Zylindern- Breaking of the curve into the corresponding segments around the ZOT of the individual cylinders and the assignment of the individual segments to the correct cylinders

— Durchführung der Harmonischen Analyse der einzelnen Segmente der Drehbewegung und Berechnung der Mittelwerte der Fourierkoeffizienten.- Performing the harmonic analysis of the individual segments of the rotary motion and calculating the mean values of the Fourier coefficients.

An einer 6-Zylinder Kolbenkraftmaschine, z. B. einem 4-Takt-Dieselmotor mit Drehschwingungsdämpfer wird ein Drehwinkelgeber (1° Auflösung, d.h. 360 Impulse pro Umdrehung) schlupffrei mit der Kurbelwelle verbunden, so daß der definierte OT-Impuls des Drehwinkelgebers mit den OT des I.Zylinders übereinstimmt.On a 6-cylinder piston engine, z. As a 4-stroke diesel engine with torsional vibration damper, a rotary encoder (1 ° resolution, i.e. 360 pulses per revolution) without slipping connected to the crankshaft, so that the defined OT pulse of the rotary encoder coincides with the TDC of the I.Zylinders.

Zur ZOT-Erkennung wird in oder auf der Einspritzleitung des I.Zylinders ein Druckgeber installiert, der den Druckanstieg in der Einspritzleitung durch einen Impuls signalisiert. Nach dem Starten des Motors wird der Meßvorgang bei stationärem Motorbetrieb eingeleitet.For ZOT detection, a pressure transducer is installed in or on the injection line of the I.Zylinder, which signals the pressure increase in the injection line by a pulse. After starting the engine, the measuring process is initiated at steady-state engine operation.

Ist das Signal des Quarzdruckgebers ausgelöst, werden, ausgehend vom OT-Signal des Drehwinkelgebers nach 660 Impulsen (entspricht 660° Kurbelwellendrehung), die Speicherplätze des Meßcomputers mit den Zählergebnissen der Takte des Zeittaktgebers gefüllt. Das Umschalten von einem Speicherplatz zum nächsten erfolgt jeweils durch die ansteigende Flanke der vom Drehzahlwinkelgeber gelieferten Rechteckimpulse. Auf diese Weise wurden in 3600 Speicherplätzen die Anzahl der Zeittakte abgespeichert, die den Zeitraum zwischen den jeweiligen aufeinanderfolgenden Anstiegsflanken zweier Rechtecki-npuise entsprechen. So wird der Ungleichförmigkeitsgrad der Kurbelwellendrehbewegung über 10 Umdrehungen der Kurbelwelle erfaßt. Diese 10 Umdrehungen werden in 30 je 120° Drehwinkel umfassende Segmente zerlegt, in deren Mittelpunkt sich entsprechend der Zündfolge der OT des jeweils arbeitenden Zylinders befindet. Für jedes einzelne Segment wird mit Hilfe der Harmonischen Analyse das Schwingungsspektrum ermittelt und für alle 5 zu einem Zylinder gehörenden Segmente die Mittelwerte der Fourierkoeffizienten, d. h. die Amplitudenwerte der einzelnen auftretenden Frequenzen und deren Streuungen werden errechnet.If the signal of the quartz pressure sensor is triggered, starting from the OT signal of the rotary encoder after 660 pulses (corresponds to 660 ° crankshaft rotation), the memory locations of the measuring computer filled with the count results of the clocks of the clock. Switching from one memory location to the next takes place in each case by the rising edge of the square pulses supplied by the speed angle encoder. In this way, in 3600 memory locations, the number of time clocks were stored, which correspond to the time period between the respective successive rising edges of two Rechtecki-npuise. Thus, the degree of unevenness of the crankshaft rotational movement is detected over 10 revolutions of the crankshaft. These 10 revolutions are broken down into 30 segments each comprising 120 ° rotation angle, at the center of which is the firing order of the TDC of the respective working cylinder. For each individual segment, the oscillation spectrum is determined with the help of the harmonic analysis, and for all 5 segments belonging to one cylinder, the mean values of the Fourier coefficients, ie. H. the amplitude values of the individual occurring frequencies and their variations are calculated.

An Hand der Verschiebung des aufgenommenen Spektrums gegenüber dem Normalspektrum lassen sich Fehler am Einzelzylinder und auch am Drehschwingungsdämpfer diagnostizieren. Eine Verschiebung des Spektrums für einen oder mehrere Zylinder, läßt auf Fehler an diesen Zylindern schließen, eine Verschiebung des gesamten Spektrums steht für einen defekten Drehschwingungsdämpfer.On the basis of the shift of the recorded spectrum compared to the normal spectrum, errors can be diagnosed on the single cylinder and also on the torsional vibration damper. A shift of the spectrum for one or more cylinders suggests faults on these cylinders, a shift in the entire spectrum represents a faulty torsional vibration damper.

Claims

Invention claim:

Method for the diagnosis of torsional vibration dampers under operating conditions, characterized in that the non-uniform degree of crankshaft rotation over several revolutions is detected as a curve or Meßdatenreihe, these are divided into equal segments such that each segment is preferably assigned to a cylinder, these segments individually in a suitable manner be analyzed and with this analysis, the vibration spectra of the individual cylinders are compared with each other and a statement about the state of the torsional vibration damper is made via a shift in the vibration spectra of the individual cylinders or the entire engine.