AT523895A1 - Triboakustischer Sensor, dessen Herstellverfahren, Messverfahren und Verwendung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft Aufbau, Herstellung und Anwendung eines triboakustischen Sensors aus Grundkomponenten A, bestehend aus einem aktiven piezoelektrische Element 1 und einer mechanische Komponente 4, die durch Lotschicht 2 von einer Schichtdicke von nicht mehr als λ/10, mittels einer unter bestimmten erfindungsgemäßen Spezifikationen hergestellten metallische Beschichtung 3, unter Anwendung einer Wärmequelle 17 von mindestens 500 W bei einem Heißluftstrom von mindestens 250 l/min, stoffschlüssig verbunden werden. Die mechanische Komponente 4 weist auf der zur metallische Beschichtung 3 vorgesehenen Fläche eine Rauheit Ra von nicht mehr als λ/100 auf und bildet mit der der Lötverbindungszone B gegenüberliegenden Fläche eine Grenzfläche 14 eines Tribokontakts. Bei Ansteuerung des piezoelektrische Elements 1 mit longitudinalen und transversalen Schallwellen der Wellenlänge λ im Frequenzbereich 20 kHz-100 MHz werden auf Basis einer neuartigen Referenzmessung durch Auswertung der Reflexionsamplituden 10 des Schallsignales sowie Anwendung entsprechender Algorithmen, physikalische Parameter eines Tribokontakts, wie Filmdicke von einem, insbesondere flüssigen Zwischenstoff 28 oder eine Verschleißhöhe eines Gleitelementes, ermittelt, wie beispielsweise im Kontakt Gleitkissen 26 - Reibfläche 29 einer Nocke.

Description

Triboakustischer Sensor, dessen Herstellverfahren,

Messverfahren und Verwendung

In der folgenden Beschreibung der Aufgabenstellung und deren erfindungsgemäßen LÖsung wird insbesondere auf die Terminologie der 6sterreichischen Norm Bezug genommen: ÖNORM M 8120-1:1985 12 01 - „Tribologie; Tribotechnik, Tribosysteme; allgemeine Grundlagen,

Begriffsbestimmungen“.

Diese Erfindung betrifft Aufbau, Herstellung und Anwendung (einschließlich des dafür vorgesehenen Mess- bzw. Kalibrierverfahrens) eines triboakustischen Sensors, mit dessen Hilfe als piezoelektrischer Wandler diverse, den Zustand charakterisierende Parameter eines als Probe betrachteten Tribokontaktes (Reibflächenpaar, gebildet zufolge eines mit einem Grundkörper interagierenden Gegenkörpers - einschließlich des darin befindlichen Zwischenstoffes), beispielsweise von Motorkomponenten (wie etwa Welle/Lager, Nocken/Stössel oder Kolbenring/Zylinderlaufbahn), auch unter ungünstigen Umgebungsbedingungen, z. B. bei höheren Temperaturen bis etwa 300 °C oder Drücken, erfasst werden kann. Der erfindungsgemäße Aufbau bietet unter Berücksichtigung des Herstellungs- und Verbindungsverfahrens im Vergleich zu bisher bekannten zeitgemäßen Sensorprinzipien

höhere akustische Leistungen.

Ein triboakustischer Sensor ist definiert als eine Vor-

richtung, die bestimmte physikalische, hier konkret

akustische, Parameter in tribologischen Kontakten als systemspezifische Größen messen kann, wie z. B. Verschleißtiefe, Kontaktflächenzustand, Größe der mechanischen Spannungen der am tribologischen Kontakt beteiligten mechanischen Komponenten (also den Festkörpern von Grund- bzw. Gegenkörper), Viskosität und

Filmdicke des Zwischenstoffes,.

Reflexions-Ultraschall ist an sich eine etablierte Messmethode. Ein piezoelektrisches Element wird auf der Probe oder - wenn dies im Hinblick auf z. B. kleine Abmessungen oder die besondere Beschaffenheit der Probe erforderlich ist - auf einem „Pufferstab“ befestigt,

der sich in direktem Kontakt mit der Probe befindet.

Für Messaufgaben in einem Tribokontakt kann die Funktion des Pufferstabes eine der mechanischen Komponenten übernehmen, die anteilig mit ihrer Reibfläche einen Teil der Berandung eines Tribokontaktes darstellt. Es bieten sich hierfür beispielsweise an: Zylinderlaufbahn, Kolbenring, Lagerschale, Walze, Schiene (vgl. hierzu Mills, Robin, Emin Yusuf Avan, and Rob DwyerJoyce. Measuring Lubricant Films at the Piston-Cylinder Contact: An Overview of Current Technologies with Focus on Ultrasound. No. 2013-01-0294. SAE Technical Paper, 2013).

Das plezoelektrische Sensorelement wird als aktives Element (Wandler) verwendet, um eine Ultraschallwelle

zu generieren, die dann gegebenenfalls durch den

„Pufferstab“ weitergeleitet wird und auf die Probe, im gegenständlichen Fall den Tribokontakt, trifft. An der Grenzfläche des Tribokontaktes (Teile der Reibfläche der betreffenden mechanischen Komponente) wird die ULtraschallwelle teilweise reflektiert. Die reflektierte Welle wird dann als Schwingung wieder vom piezoelektrischen Element (Sensor) empfangen und in ein elektrisches Signal umgewandelt, das die Messinformationen enthält. Welche physikalische Eigenschaft gemessen wird, hängt von der Wellenart ab, die vom piezoelektrischen Element gepulst wird und im Wesentlichen, jedoch nicht notwendigerweise ausschließlich, transversal oder longitudinal polarisiert ist. Die Reflexion wird hauptsächlich durch Amplitude und Phase charakterisiert, wie in der Norm ASTM E-1065 „E1065-08 Standard Guide for Evaluating Characteristics of Ultrasonic Search Units“,

ASTM International (2008), definiert.

Sowohl Phasen- als auch Amplitudenmessungen vergleichen die jeweilige Messgröße der vom tribologischen Kontakt reflektierten Welle mit einem Referenzsignal. Der Vergleich wird durch den (Gesamt-)Reflexionskoeffizienten R oder als (Gesamt-)Phasenänderung ® quantitativ be-

wertet. Die beiden werden wie folgt bestimmt: = — (1)

PD Pin (2)

Dabei ist An die Amplitude des als Reflexion von der

tribologischen Grenzfläche gemessenen Signals und Ar die

Amplitude des Referenzsignals, ®, ist die Phase des vom tribologischen Kontakt gemessenen Signals und &® die

Phase des Referenzsignals.

Sowohl der experimentell gemessene Reflexionskoeffizient als auch die Phasenänderung stehen in direktem Zusammenhang mit der entsprechenden tribologisch relevanten physikalischen Größe. Beispiele für die Bestimmung der Viskosität des im Tribokontakt befindlichen Schmierstoffes sind der Literatur zu entnehmen (z. B. a) Franco, Ediguer E., Julio C. Adamowski, and Flavio Builochi. „Ultrasonic viscosity measurement using the shear-wave reflection coefficient with a novel signal processing technique.” IEEE transactions on ultrasonics, ferroelectrics, and frequency control 57.5 (2010): 1133; sowie b) Shah, Vimal V., and Krishnan Balasubramaniam. „Measuring Newtonian viscosity from the phase of reflected ultrasonic shear wave.”

Ultrasonics 38.9 (2000): 921).

Demnach kann die Scherviskosität nn des betreffenden Schmiermediums als Funktion der Phasenänderung oder des

Reflexionskoeffizienten wie folgt bestimmt werden:

35 Rsine(1- R®)

n= — — — (3) app {1 + A + ZECOsP Te | (4) 7 WO 5 + R)

Dabei steht @ für die Rotationsfrequenz der Schwingung des Piezoelementes, po: für die Flüssigkeitsdichte und Zs

ist die akustische Impedanz des „Pufferstabes“,

Ähnliche Algorithmen existieren für andere tribologisch relevante Parameter, wie z. B. zur Messung der Dicke eines Schmierfilmes (siehe Dwyer-Joyce, R. S., B. W. Drinkwater, and C. J. Donohoe. „The measurement of lubricant-film thickness using ultrasound.” Proceedings of the Royal Society of London. Series A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences 459.2032 (2003): 957976).

Obwohl derartige Informationen z. B. in Hinblick auf die Betriebssicherheit von Anlagen von Bedeutung wären, sind triboakustische Sensoren für den industriellen Einsatz minder geeignet bzw. auf dem Markt kaum verfügbar bzw. liefern sie nicht die erforderliche Signalgüte. Gründe hierfür sind einerseits die rauen Einsatzbedingungen, andererseits die mangelnde Robustheit des Sensoraufbaus, Letztere bedingt durch die derzeit ange-

wandten Montagemethoden.

Nach dem Stand der Technik gibt es zurzeit keine im Zeitverlauf des Einsatzes stabile bzw. signalgetreue triboakustische Vorrichtung für In-situ-Überwachung eines Tribokontaktes. Dies ist vor allem auf die Einsatzbedingungen der einen Tribokontakt bildenden Komponenten und des übergeordneten Aggregates im jeweiligen

Anwendungsumfeld (etwa im industriellen Einsatz bei

hohen Temperaturen, z. B. 200 °C und darüber, zyklische Belastungen bzw. Vibrationen, hohe spezifische Flächenbelastungen, etwa bis zu 3 GPa in Punktkontakten (z. B. in Wälzlagerlaufbahnen)), zurückzuführen. Unter derartigen Bedingungen zeigt sich bei konventionellen triboakustischen Vorrichtungen im Betrieb eine Beeinträchtigung des mechanischen Verbundes zwischen Sensor und zu überwachenden Komponenten, was die Sensorreaktion verändert und damit die Genauigkeit bzw. die Zuver-

lässigkeit verringert.

Die gegenständliche Erfindung bezieht sich auf eine triboakustische Vorrichtung, die unter thermisch, mechanisch und chemisch anspruchsvollen Umgebungsbedingungen mit hoher Signaltreue arbeiten kann. Die Vorrichtung und deren Befestigungs- bzw. Verbindungsverfahren werden im Folgenden anhand der Fig. 1 und in einer besonderen Ausführungsform mit Gehäuse bzw. gehäuseähnlicher Vertiefung - der Fig. 2 beschrieben. Dabei zeigt Fig. 1 die Grundkomponenten A des triboakustischen Sensors, bestehend aus piezoelektrische Element 1 mit einer in der Hauptebene, d. 1. die Ebene mit den größten längenmäßigen Erstreckungen, gemessene Länge der längeren Seite des piezoelektrische Elements (1) von größer als 52, Lotschicht 2, metallische Beschichtung 3 und mechanische Komponente 4 mit der

Funktion des „Pufferstabes“.

Fig. 3a und - in einer besonderen Ausführungsform mit

Gehäuse bzw. gehäuseähnlicher Vertiefung - Fig. 3b er-

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läutern die Verbindungstechnik für den Zusammenbau des plezoelektrische Elements 1 mit der metallischen mechanische Komponente 4. Dazu gehören ein metallischer Schirm 15, eine für den Zweck des Montagevorgangs in an sich bekannter Weise kraftaufbringende Gewichtsplatte

16 und eine Wärmequelle 17.

Das piezoelektrische Element 1 wird stoffschlüssig über eine Lotschicht 2 und eine metallische Beschichtung 3 mit der mechanische Komponente 4 verbunden, die als akustischer „Pufferstab“ dient und das piezoelektrische Element 1 einerseits vom tribologischen Kontakt C trennt, andererseits die akustische Koppelung mit diesem gewährleistet. Als Werkstoff für das piezoelektrische Element 1 wird piezoelektrisches Material eingesetzt, vorzugsweise PZT (Bleizirkoniumtitanat), BiT (Wismuttitanat), PT (Bleititanat), Bleimetaniobat, Jeweils in der Struktur von Perowskit oder SchichtenStrukturen, und weiters Wolfram-Bronze, sofern dieses Material eine Curie-Temperatur von mindestens 300 °C, eine dielektrische Temperaturkonstante von kleiner oder gleich 4 K7! und eine Mittenfrequenz gemäß der erwähnten

ASTM-Norm E-1065 zwischen 20 kHz und 100 MHz aufweist.

Das Hauptmerkmal bei der Herstellung der Grundkomponenten A des triboakustischen Sensors ist die zwischen plezoelektrische Element 1 und mechanische Komponente 4

realisierte Verbindung, bestehend aus Lotschicht 2 und

metallische Beschichtung 3. Im Gegensatz zu herkömmlichen Verbindungsmethoden durch Verwendung eines Epoxids bzw. anderen Klebstoffs oder keramischer Stoffe wird erfindungsgemäß die Verbindung aus piezoelektrische Element 1 und mechanische Komponente 4 durch Löten unter bestimmten Spezifikationen und nach entsprechender Vorbereitung der genannten Komponenten hergestellt. Damit werden erhebliche Nachteile üblicher

Verbindungstechniken vermieden:

Um akustisch hinreichend wirkungsvolle, dünne Verbindungsschichten zu erreichen, sind bei Verwendung von Epoxiden Varianten mit niedriger Viskosität zu verwenden. Derartige Epoxidschichten verlieren die Funktionalität im Laufe der Zeit unter extremen Betriebsbedingungen, und das ordnungsgemäße Haften des Aufbaus wird nicht mehr gewährleistet. Darüber hinaus ist die zuverlässige Kontrolle über Dicke sowie gleichbleibende

Qualität der Verbindung schwierig zu erreichen.

Alternative, nach dem Stand der Technik angewandte Methoden zur Verbindung von Piezoelementen mit einem „Pufferstab“ sind die Verwendung von keramischen Stoffen, Löttechniken sowie mechanische Verbindungen durch einfaches Zusammenpressen. Die Verwendung von solchen Lötpasten, um eine leitende Elektrode des plezoelektrische Elements 1 auf einer metallische Beschichtung 3 (metallisierten Substratoberfläche) der mechanische Komponente 4 zu fixieren, ist bekannt,

siehe beispielweise a) Daidai, Muneyuki. „Chip-type

piezoelectric component.” U.S. Patent No. 6,531,806. 11 Mar. 2003, b) Kitajima, Masayuki, et al. „Method of bonding piezoelectric element and electrode, and piezoelectric microactuator using the bonding method.” U.S. Patent No. 6,541,898. 1 Apr. 2003, cc) Rinner, Franz, et al. „Solder material for fastening an outer electrode on a Ppiezoelectric component and piezoelectric component comprising a solder material.” U.S.

Patent No. 8,823,245. 2 Sep. 2014.

Die gegenständliche Erfindung ist wesentlich gekennzeichnet durch Verbesserung des Verfahrens zur stoffschlüssigen Verbindung des piezoelektrische Elements 1 und der präparierten Oberfläche der mechanische Komponente 4. Die hier beschriebene Methode zur Befestigung DZW. Verbindung (unter den beschriebenen ARandbedingungen) der Grundkomponenten A des triboakustischen Sensors verbessert den Stand der Technik in der Triboakustik, weil dadurch die Dicke der Lötverbindungszone B gering gehalten werden kann und die Herstellung solcher Kontakte auch auf (stark) oxidierten ©Oberflächen ermöglicht wird. Diese Verbesserungsschritte sind entscheidend, um einen leistungsfähigeren, stabileren triboakustischen Reflexionssensor mit besseren akustischen und mechanischen Eigenschaften herzu-

stellen.

In diesem Zusammenhang ist nochmals hervorzuheben, dass die Art der Verbindungsmethode relevante, d. h. quali-

tätsbestimmende Auswirkungen auf die Eigenschaften der

triboakustischen Messvorrichtung hat. Beispielsweise erfährt bei der Verwendung von keramischen Verbindungsstoffen und beim Hartlöten der gesamte Aufbau der Verbindung eines Piezoelementes mit einem Substrat („Pufferstab“) eine thermische Behandlung bei Temperaturen über 600 °C, was einerseits hochtemperaturgeeignete Piezoelemente voraussetzt und andererseits nach Abschluss der Verbindungsprozedur - eine zusätzliche Repolarisierung des Piezoelementes selbst erfordert. Die simple mechanische Verbindung durch Zusammenpressen hingegen erfordert die Verwendung von zumeist komplizierten Vorrichtungen, um das Piezoelement mit dem jeweiligen Substrat zu kontaktieren, und ist daher

für kompakte Geräte nicht geeignet.

Löten und Kaltlöten haben mehrere Vorteile im Vergleich zu den oben genannten Verbindungstechniken. Allerdings erfordern moderne Lötmethoden eine nach dem Stand der Technik komplizierte Vorbereitung durch Aufbringen von Beschichtungen der für die Verbindung vorgesehenen Flächen, um bestehende störende Oxidfilme von den aus Metall bestehenden mechanische Komponente 4 zu entfernen und anschließendes Löten zu ermöglichen. Herkömmliche Beschichtungen von mechanische Komponente 4 sind aus Sicht der akustischen Signalantwort wegen zu großer Schichtdicken nicht ideal. Um die akustische Reflexion nicht zu stören, muss die LöÖötverbindungszone B eine Dicke von nicht mehr als \A/10 - mit A als Wellenlänge der Schallwelle des piezoelektrische Elements 1 -

aufweisen. Abhängig von der Betriebsfrequenz des piezo-

elektrische Elements 1 und dem Werkstoff der mechanische Komponente 4 muss Lotschicht 2 etwa 1-50 um dick sein. Darüber hinaus darf das Verbindungsverfahren (zZ. B. bei erforderlichem Brennen in Öfen) keine Depolarisation des piezoelektrische Elements 1 hervorrufen und keine unerwünschten Gradienten in der thermischen Ausdehnung zwischen piezoelektrische Element 1, Lotschicht 2 und mechanische Komponente 4 induzieren, Letzteres würde ein Ablösen des piezoelektrische Elements 1 vom Substrat hervorrufen oder zumindest

begünstigen.

Um die Grundkomponenten A des triboakustischen Sensors zu realisieren, der langlebig und resistent gegen thermische Zyklen (bis 300 °C) sowie (zyklische) mechanische Belastungen (bis 3 GPa) ist, von Umgebungsbedingungen unabhängige Messsignale liefert und zuverlässig unter Vermeidung nachteiliger Effekte (z. B. Depolarisation, wie oben beschrieben) mit reproduzierbarer Qualität hergestellt werden kann, ist es - neben den geeigneten Algorithmen zur hochzuverlässigen Messung der Referenzphase und Referenzamplitude des akustischen Signales - erforderlich, die Lötverbindungszone B zwischen piezoelektrische Element 1 und mechanische Komponente 4 unter Berücksichtigung bestimmter Spezifi-

kationen zu gestalten.

Die erfindungsgemäße Gestaltung des triboakustischen Sensors ist dadurch gekennzeichnet, dass die Lötver-

bindungszone B zwischen piezoelektrische Element 1 und

mechanische Komponente 4 eine Dicke von nicht mehr als einem Zehntel der Wellenlänge der Betriebsfrequenz (d. h. A/10) aufweist, wie anhand von Fig. 4 gezeigt, wo beispielhaft die Lötverbindungszonen-Dicke 19 der Lötverbindungszone B in Relation zu der Dicke 18 des

piezoelektrische Elements 1 dargestellt ist.

Die Einschränkungen bestehender Verbindungstechniken werden dadurch vermieden, dass mechanische Komponente 4 vor dem LlLöttechnischen Herstellen von Lotschicht 2, wie weiter unten noch im Detail beschrieben, mit einer dünnen metallische Beschichtung 3versehen und metallisiert wird. Diese metallische Beschichtung 3 besteht bevorzugt aus Nickel (Ni) oder aus der Gruppe der Metalle Silber (Ag), Gold (Au), Palladium (Pd), Kupfer (Cu), Zinn (Sn), Rhodium (Rh), jeweils auch in Form von Legierungen innerhalb der genannten Metalle. Die primäre Ni-Schicht wird verwendet, um die Oxide von der mechanische Komponente 4 als vorgesehenes Metallsubstrat zu entfernen, während die metallische Beschichtung 3 das Anlöten des piezoelektrische Elements 1 ermöglicht und die Lötverbindungszone B vor Korrosion

in rauen Umgebungen schützt.

Die mechanische Komponente 4 besteht aus einem Metall insbesondere aus Aluminium, Stahl, Kupfer, Titan und deren Legierungen, oder einem im Wesentlichen aus Metall bestehenden Verbundwerkstoff, z. B. mit Wolfram-

carbid.

Um die Lötverbindung herzustellen, wird als Vorstufe für die Lotschicht 2 bevorzugt eine Lötpaste, alternativ auch eine andere Art der Bereitstellung des Lötmetalles (Lotes), z. B. LÖtstreifen oder Lötband, verwendet, wobei die metallischen Bestandteile jeweils aus Metallen aus der Gruppe Sn, Ag, Cu, Ga, Ni, Co, Pd, Pt, Au, Rh bestehen und die Größe der dispergierten

Teilchen der Metallpartikel zwischen 1-30 um Liegt.

Bei der zur Realisierung von Lotschicht 2 verwendeten Lötpaste oder gegebenenfalls der erwähnten Alternativen hat die Benetzungszeit höchstens 3 8s zu betragen und ihre Schmelztemperatur höchstens 300 °C. Darüber hinaus beträgt die Oberflächenrauheit der mechanische Komponente 4 vor dem Aufbringen der metallische Beschichtung 3 im Bereich der Lötverbindungszone B höchstens

Ra = A/100.

Im Hinblick darauf, dass eine Depolarisierung des piezoelektrische Elements 1 zu vermeiden und ebenso das Niveau von Eigenspannungen in der metallische Beschichtung 3 möglichst gering zu halten sind, wird eine Wärmequelle 17 verwendet, die das Lot mit der oben beschriebenen Zusammensetzung innerhalb von maximal 3 s schmilzt und sich zu diesem Zweck in einem Abstand von höchstens 10 mm von der Verbindungszone befindet. Die Wärmequelle 17 verfügt über eine Heizleistung von zumindest 500 W und generiert, z. B. als Heißluftpistole, einen Heißluftstrom von mindestens 100 1/min,

vorzugsweise Jedoch von mindestens 250 1/min.

Der konfektionierte triboakustische Sensor (im Wesentlichen das auf der mechanische Komponente 4 montierte plezoelektrische Element 1) wird anhand von Fig. 2 erläutert: Zum Ensemble gehören ein gehäuseähnlicher Aufbau 8, der dem Schutz der einzelnen Komponenten dient und der durch ein an sich bekanntes Verfahren, wie beispielsweise Löten, Kleben oder Schweißen, mit der mechanische Komponente 4 verbunden oder gegebenenfalls als Ausnehmung 13 (Fig. 3b) der mechanische Komponente 4 ausgeführt ist, ein Hochfrequenz-(HF-)Steckverbinder 6 zur Kommunikation der elektrischen Signale mit einer Mess- und Steuerelektronik D (Fig. 5), ein typischerweise aus Messing oder Kupfer gefertigter Rauschunterdrückungsstreifen 7 für die Reduzierung des Störeinflusses elektromagnetischer Quellen, die der mechanische Komponente 4 zugewandte Fläche des Tribokontaktes (Grenzfläche 14), eine Vergussmasse 12, eine Abdeckung 11, ein Anschlussdraht 5 für die elektrischen Anschlüsse des piezoelektrische Elements 1 und die mechanische Komponente 4 (Pufferstab). Diese kann beispielsweise der Zylinder einer Verbrennungskraftmaschine, die Außenfläche eines Kolbens, eine Gleitlagerbuchse oder ein Gleitkissen eines Nockentriebes sein. Um die mechanische Rückstreuung an der der mechanische Komponente 4 gegenüberliegenden Seite des piezoelektrische Elements 1 zu reduzieren, wird die Vergussmasse 12 verwendet, die vorzugsweise aus Epoxidharz besteht,

porös ist und/oder Metallpulver (z. B. Ti) enthält.

Eine typische Steuerelektronik des Sensors ist in Fig. 5 dargestellt. Diese besteht aus einer Steuerung 30, die den Signalgenerator 31 steuert. Das elektronische Signal wird durch einen Verstärker 32 verstärkt und steuert die Anregung des piezoelektrische Elements 1 im triboakustischen Sensor über den Anschlussdraht 5. Das reflektierte Ultraschallsignal durchläuft den Anschlussdraht 5, wird mit einem Filter 33 gefiltert, nach einem Verstärker 34 angezeigt und beispielsweise von einem Oszilloskop 35 gespeichert. Die Nachbearbeitung der erfassten Daten erfolgt dann beispielsweise in der Steuerung 30 oder in einer

speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS).

Die Verbindungsfläche zwischen piezoelektrisch Element 1 und mechanische Komponente 4 ist insbesondere eben ausgeführt bzw. weist eine Krümmung mit einem Radius von mindestens dem Zehnfachen eines allfälligen Radius der für Lotschicht 2 vorgesehenen Fläche der Elektrode 1b des piezoelektrische Elements 1 auf. Die elektrische Kontaktierung la und 1b des piezoelektrische Elements 1 erfolgt über Elektroden aus Metall bzw. Metallen der Gruppe aus Ag, Cu, Au, Pd, Ni und deren Legierungen. Die Oberflächen der Elektroden 1a und 1b werden zunächst mechanisch gereinigt, um insbesondere Oxide zu entfernen. Hierfür werden an sich bekannte Methoden eingesetzt, beispielsweise die Verwendung einer Glas-

faserbürste oder die Gasplasmareinigung.

Die metallische Beschichtung 3 und die weitere Vorbereitung der Elektroden la und 1b des piezoelektrische Elements 1 muss chemische Schritte (wie z. B. Beizen) beinhalten, die eine mögliche Passivierung der Ober-

fläche verhindern.

Die Dicke der metallische Beschichtung 3 ist im Zusammenhang mit der für die Betriebsfrequenz des piezoelektrische Elements 1 charakteristischen Wellenlänge festzulegen und beträgt nicht mehr als )\/10. Typischerweise

liegt die Schichtdicke im Bereich von 1-50 um.

Fig. 2 zeigt den Montagevorgang der instrumentierten

mechanische Komponente 4.

Für den weiteren Montagevorgang wird eine Lötpaste auf die metallische Beschichtung 3 aufgebracht. Die werkstofftechnische Zusammensetzung bzw. deren Spezifika-

tionen sind bereits weiter oben angeführt.

Flussmittel als weitere Komponente für die Herstellung von Lotschicht 2 wird mechanisch auf die für die zur Herstellung der Verbindung vorgesehene Oberfläche der metallische Komponente 4 aufgetragen, um diese während des LöÖötprozesses weiter oxidfrei zu halten. Das piezoelektrische Element 1 wird dann auf der Lötpaste zweckmäßigerweise mit Hilfe einer Gewichtsplatte 16 in dem vorgesehenen ©Oberflächenbereich der mit der metallische Beschichtung 3 ausgestatteten mechanische Komponente 4 platziert und durch Aufbringen einer

Kraft, gegebenenfalls einer Gewichtskraft, im Bereich

von 2-10 N, vorzugsweise 5 N belastet, wie Fig. 3a und alternativ Fig. 3b für die Unterbringung des plezoelektrische Elements 1 in einer Vertiefung, beispielsweise einer Nut, der mechanische Komponente 4 verdeutlicht, um eine möglichst gleichmäßige und dünne

Lötverbindungszone B zu erhalten.

Sodann wird eine Wärmequelle 17 in einem geringen Abstand (<10 mm) des piezoelektrische Elements 1 gebracht. Die Heizleistung der Wärmequelle 17 wird mit

mindestens 500 W gewählt.

Im Hinblick auf Vermeidung einer Depolarisation des plezoelektrische Elements 1 und nachteiliger thermischer Dehnung ist eine Schmelzzeit für die verwendete

Lötpaste von weniger als 3 Sekunden einzuhalten.

Sobald das Lot geschmolzen ist, wird die Wärmequelle 17 entfernt, damit Lotschicht 2 abkühlen und sich verfes-

tigen kann.

Das mit dem Einsatz des erfindungsgemäßen triboakustischen Sensors angewendete Messverfahren wird im

Folgenden erläutert:

Gleichung 1 und 2 zeigen, dass Reflexionskoeffizienten von der Genauigkeit abhängen, mit der die Referenzamplitude und Referenzphase gemessen werden. Referenzen werden normalerweise von einer Zwischenschnittstelle

(Grenzfläche) innerhalb fester Kontinuen oder einer

Grenzfläche mit Gas bzw. Luft erfasst. Für das erfindungsgemäße Messverfahren wird eine neue Methode der Referenzierung verwendet. Hierfür werden zur Bestimmung von Referenzgrößen die Reflexionsamplituden 10 des Schallsignales an der Grenzfläche (der mechanische Komponente 4) mit einer in newtonschen Flüssigkeit mit einer Viskosität von weniger als 5 mPa s gemessen. Fig. 6 zeigt einen Vergleich, zwischen der an einer Grenzfläche mit einem Referenzschmierstoff und der an einer Grenzfläche mit Luft erfassten Reflexionsamplituden 10 und dem an einer Grenzfläche mit Flüssigkeit ermittelten. Es ist zu erkennen, dass der anhand der Reflexion von einer Grenzfläche mit einer Flüssigkeit mit niedriger Viskosität erfasste Referenzparameter einen geringeren Messfehler aufweist: Die Abweichung vom Mittelwert beträgt hier lediglich bis zu 7 $% - im Gegensatz zu der Messung an der Grenzfläche mit Luft bis zu 15 %. Für die Auswertung der Schallsignalpegel zur Bestimmung physikalischer Parameter im Tribokontakt ist dies von entscheidender Bedeutung, da sich Fehler bei der Messung der Referenzparameter nicht nur bei der Messung des Reflexionskoeffizienten, sondern überproportional bei der Bestimmung der relevanten physikalischen Parameter auswirken. Dies geht z. B. aus den Gleichungen 3 und 4 hervor. Die Anwendung dieser erfindungsgemäßen Referenzmethode führt daher zu einer

beträchtlichen Steigerung der Messgenauigkeit.

Die Messprozedur wird nachfolgend anhand einer An-

wendung im Tribokontakt eines Maschinenelementes, bei-

spielhaft für den Kontakt Nockenwelle - Kipphebel (vgl. Fig. 7) beschrieben: Während der Messung sendet das plezoelektrische Element 1 ein auswertbares Signal, eine Ultraschallwelle, vorzugsweise in Form eines Chirp, Burst, einer kontinuierlichen Welle oder stehenden Welle, das sich durch das Gleitkissen 26 ausbreitet, bis sie auf die Grenzfläche 27 mit dem Zwischen-

stoff 28 auftrifft.

Die erste Reflexion 23 eines Teils der Schallenergie findet zwischen der Gleitkufe 21 und dem Gleitkissen 26, im Oberflächenbereich 22 der Grenzfläche 27 statt, die dem piezoelektrische Element 1 zugewandt ist. Die Reflexion 23 wird zum piezoelektrische Element 1 zurückübertragen und als Referenz verwendet. Die zweite Reflexion 25a eines Teils der Schallenergie findet zwischen dem Gleitkissen 26 und dem Zwischenstoff 28, im Oberflächenbereich 24 der Grenzfläche 27 statt. Die dritte Reflexion 25b eines Teils der Schallenergie findet zwischen der Reibfläche 29 des im Tribokontakt interagierenden Gegenkörpers, welche mit einem Zwischenstoff 28 (in diesem Fall Öl) von der Grenzfläche 27 im Oberflächenbereich 24 getrennt sein kann, statt. Der Unterschied zwischen der zweiten Reflektion 25a und dritter Reflexion 25b führt zur Information den tribologischen Kontakt betreffend, deren charakteristische Parameter gemäß Gleichung 5 mit den Parametern der

Referenzreflexion verglichen werden.

Der Index 1 bezieht sich auf die Reflexion 23 und der

Index 2 entweder auf die Reflexion 25a oder 25b.

Der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gemessene Reflexionskoeffizient wird nachfolgend in physikalische Parameter des Tribokontakts, z. B. Verschleißtiefe oder Schichtdicke eines Adhäsionsbelages einer Reibfläche, umgewandelt. Durch eine Kombination von Wellenmoden und einer Kombination von Reflexions- und Phasenmesstechniıken können simultan weitere tribologisch relevante

Parameter ermittelt werden.

Fig. 6 zeigt die einfallende Ultraschallwelle 9 und den Vergleich der Abweichung von Reflexionsamplituden 10 gemessen mit der herkömmlichen Referenzierungsmethode (mit Luft an der reflektierenden Grenzfläche) (Fig. 6a) mit der erfindungsgemäßen Methode (Fig. 6b), bei der das reflektierte Schallsignal, bei Anwesenheit eines niedrigviskosen newtonschen Fluids 20, an der Grenzfläche 14 ausgewertet wird. Die Verwendung einer FLüssigkeitsschicht an der Grenzfläche 14 reduziert die Ungenauigkeit um bis zu 50 % über den für die Referenzierung betrachteten Temperaturbereich. Als Referenzflüssigkeit wird eine Flüssigkeit mit einem Molekulargewicht von unter 300 g/mol und einer Viskosität unter

10 mPa s, vorzugsweise unter 5 mPa s, verwendet, unter

anderem Squalen, Hexadecan, reines Wasser, Mineralöle

und synthetische Öle mit den vorstehend genannten

Spezifikationen.

Als Beispiel für einen erfindungsgemäßen Anwendungsfall für den triboakustischen Sensor wird eine bevorzugte Applikation, direkt integriert in eine Gleitkufe 21 eines Kipphebels, nachstehend im Detail beschrieben,

und in Fig. 7 dargestellt:

Auf der freien, gegenüber dem Gleitkissen 26 liegenden, Oberfläche der Gleitkufe 21 des Kipphebels wird eine Vertiefung bzw. Ausnehmung 13, im Speziellen eine Nut, hergestellt. Die Oberfläche der Ausnehmung wird so bearbeitet, dass sie ein Rauheit Ra von nicht mehr als A/100 aufweist. Sie wird nach dem oben beschriebenen Verfahren metallisiert. Das piezoelektrische Element 1 wird aus den bereits erwähnten Materialien gefertigt und nach dem oben beschriebenen Verfahren mit der mechanische Komponente 4 (hier die Gleitkufe 21 des Kipphebels) 1l1öttechnisch verbunden (bevorzugte Applikation). Das piezoelektrische Element 1 wird mit dem Anschlussdraht 5 verbunden und dann mit einer wasser-

dichten Vergussmasse 12 vergossen.

Claims (14)

Patentansprüche

1. Triboakustischer Sensor zur messtechnischen Erfassung physikalischer Parameter eines Tribokontakts, in einer Grundkomponenten (A), im Wesentlichen bestehend aus einem, auf einer mechanische Komponente (4) applizierten aktiven piezoelektrische Element (1), gekennzeichnet dadurch, dass die akustische Energieübertragung zwischen diesen beiden Komponenten Lediglich durch eine einzige Lötverbindungszone (B), bestehend aus Lotschicht (2) und metallische Beschichtung (3), erfolgt.

2. Triboakustischer Sensor nach Anspruch 1, wobei die Dicke der Lötverbindungszone (B) nicht mehr als A/10, in Abhängigkeit von der Betriebsfrequenz und der daraus resultierenden Wellenlänge A der akustischen Welle des

piezoelektrische Elements (1) selbst, beträgt.

3. Triboakustischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, dass das piezoelektrische Element (1) mit mechanische Komponente (4), mithilfe einer auf dieser aufgebrachten metallische Beschichtung (3) und mittels Weichlötvorgang hergestellten Lotschicht (2), stoffschlüssig verbunden ist und die mechanische Komponente (4) an der der Lötverbindungszone (B) gegenüberliegenden Seite eine Grenzfläche (14) eines Tribokontakts bildet, das piezoelektrische Element (1) zur Kommunikation der elektrischen

Signale mit einer Mess- und Steuerelektronik (D) über

einen Anschlussdraht (5) sowie über einen HochfrequenzHF-) Steckverbinder (6) und weiters über einen, aus Messing oder Kupfer gefertigten, Rauschunterdrückungsstreifen (7) verfügt, und die Grundkomponente (A) des triboakustischen Sensors in einem, mit der mechanische Komponente (4) verbundenen gehäuseähnliche Aufbau (8) oder unmittelbar in einer Ausnehmung (13) der mecha-

nische Komponente (4) untergebracht ist.

4, Triboakustischer Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzechnet, dass der gehäuseähnliche Aufbau (8) oder die entsprechende Ausnehmung (13) der mechanische

Komponente (4) mit einer Abdeckung (11) versehen ist.

5. Triboakustischer Sensor nach einem der Ansprüche 3 oder 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Grundkomponenten (A) des triboakustischen Sensors in einer in die Hohlräume des gehäuseähnliche Aufbaus (8) bzw. der entsprechenden Ausnehmung (13) der mechanische Komponente (4) eingebrachten Vergussmasse (12) einge-

schlossen ist.

6. Triboakustischer Sensor nach Anspruch 5, wobei die mechanische Komponente (4) aus einem Metall insbesondere aus Aluminium, Stahl, Kupfer, Titan, und deren Legiereungen, oder einem im Wesentlichen aus Metall aufgebauten Verbundwerkstoff, z. B. mit Wolframcarbid,

besteht und:

a. die Verbundfläche zwischen dem piezoelektrische

Element (1) und der mechanische Komponente (4) eben

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ausgeführt bzw. eine Krümmung mit einem Radius von mindestens dem Zehnfachen eines allfälligen Radius der für Lotschicht (2) vorgesehenen Fläche (1b) des

piezoelektrische Elements (1) aufweist, und

b. die Seitenlängen in der Hauptebene, d. i. die Ebene mit den größten längenmäßigen Erstreckungen, des pliezoelektrische Elements (1) größer oder gleich dem 5-fachen der Erstreckung des akustischen Nahfeldes bei der Betriebsfrequenz des piezoelek-

trische Elements (1) ausgeführt sind.

7. Triboakustischer Sensor nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei das piezoelektrische Element (1) aus piezoelektrischem Material, vorzugsweise aus wenigstens einem Material der Gruppe PZT, BiT, PT, Bleimetaniobat in der Struktur von Perowskit oder einer Schichtstruktur, und weiters Wolfram-Bronze,

besteht und folgende Spezifikationen aufweist,

nämlich: a. die in der Hauptebene, d. i. die Ebene mit den größten längenmäßigen Erstreckungen, gemessene

Länge der l1ängeren Seite des piezoelektrische

Elements (1) ist größer als 514,

bb. eine Mittenfrequenz, gemäß Norm ASTM E-1065 definiert, beträgt 0,02-100 MHz,

CC. die thermische Dielektrizitätskonstante des Werkstoffes des piezoelektrische Elements (1)

beträgt weniger als 4 K"”!,

d. der Werkstoff des piezoelektrische Elements (1) weist eine Curie-Temperatur von mindestens 300 °C

auf.

8. Triboakustischer Sensor nach Anspruch 7/7, wobei das piezoelektrische Element (1) über metallisierte Elektroden, hergestellt vorzugsweise aus Ag, Cu, Au, Pd, Ni oder einer Kombination bzw. Legierung aus den genannten

Metallen, verfügt.

9, Herstellverfahren für einen triboakustischen Sensor

nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei

a. eine Oxidschicht (4a) auf der Elektrode (1b), auf der für die 15öttechnische Verbindung vorgesehenen Seite des piezoelektrische Elements (1),

beseitigt wird,

bb. auf der für die Lötverbindung der mechanische Komponente (4) vorgesehenen Fläche eine metallische

Beschichtung (3) auf Nickel-Basis aufgebracht ist,

CC. die zur Herstellung der Lotschicht (2) bzw. der Lötverbindungszone (B) verwendete Lötpaste, bzw. alternativ verwendeten Materialien, beispielsweise Bänder, als wesentliche Bestandteile in einer üblichen Trägersubstanz dispergierte Metallparti-

keln in der Größe zwischen 1-30 um von zumindest

einem Metall aus der Gruppe Sn, Ag, Cu, Ga, Ni, Co, Pd, Pt, Au, Rh enthält und eine Benetzungszeit von

weniger als 3 s aufweist,

d. die LöÖötverbindungszone (B) einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten gleich oder kleiner als

20 107° m/(m K) hat.

10. Herstellverfahren für einen triboakustischen Sensor nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei die für die Lötverbindungszone (B) vorgesehene Oberfläche der mechanische Komponente (4) eine Oberflächenrauheit Ra < A/100 und die Lötverbindungszone (B) eine Dicke

von nicht mehr als A/10 aufweist.

11. Herstellverfahren für einen triboakustischen Sensor nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei für die löttechnische Verbindung des piezoelektrische Elements (1) mit mechanische Komponente (4) mittels der Lötver-

bindungszone (B)

a. eine Wärmequelle (17) mit einer Mindestleistung von 200 W, bevorzugt jedoch von mehr als 500 W, und einem Heißluftstrom von mindestens 250 1/min

eingesetzt wird,

b. senkrecht auf die freie Oberfläche (1a) des piezoelektrische Elements (1), gegebenenfalls mit Hilfe einer Gewichtsplatte (16), eine Kraft von 2-

10 N, vorzugsweise von 5 N, aufgebracht wird.

12. Messverfahren unter Verwendung des triboakustischen Sensors nach einem der Ansprüche 6 bis 11 zur Messung physikalischer Parameter eines Tribokontakts dadurch

gekennzeichnet, dass

a. das piezoelektrische Element (1) in Kombination von Tranversal- und Longitudinalwellen betrieben

wird,

b. die mechanische Komponente (4) in der Anwendung als Maschinenelement, wie beispielsweise Lagerbuchse oder Zylinderlaufbahn, anteilig mit zumindest einem Teil ihrer Reibfläche eine der Grenzfläche (14) eines Tribokontakts, d. ii. ein Reibflächenpaar zufolge eines mit einem Grundkörper interagierenden Gegenkörpers inklusive des dazwi-

schen befindlichen Zwischenstoffes, darstellt,

C. durch Referenzierung auf das Messverhalten einer der mit einer newtonsche Flüssigkeit (20) mit einer Viskosität von nicht mehr als 5 mPa s bei 2030 °C, vorzugsweise bei 25 °C, vorgenommenen Kalibrierung unter Verwendung der Reflexion des Schallsignals an einer Grenzfläche (14) Änderungen im akustischen Reflexionsverhalten in Amplitude und Phase der Grenzfläche (14) zur Messung der Temperatur der mechanische Komponente (4) verwendet

werden und

d. durch gleichzeitige Messung der Amplitude des

Reflexionskoeffizienten und der Phasenänderung der

Reflexionsamplituden (10) von der Grenzfläche (14) des Tribokontakts mittels geeigneter Korrelationen bzw. Algorithmen insbesondere Verschleißtiefe der Reibfläche der mechanische Komponente (4) und Schichtdicke des Zwischenstoffes (28) ermittelt

werden.

13. Messverfahren unter Verwendung des triboakustischen Sensors nach einem der Ansprüche 6 bis 11 bzw. Messverfahren gemäß Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet,

dass

a. das piezoelektrische Element (1) mit Ultraschallschwingungen im Frequenzbereich von 0,02-

100 MHz betrieben wird,

b. die Schwingungen als kurze Bursts, Chirps und kontinuierliche Wellen als Sweeps oder in frequenz-

modulierten stehenden Wellen ausgeführt werden,

C. für die Messauswertung und gegebenenfalls gleichzeitige Messung mehrerer physikalischer Parameter zur Charakterisierung des Tribokontakts, wie Temperatur, mechanische Spannung (spezifische Belastung), Filmdicke und rheologischen Eigenschaften des im Tribokontakt vorhandenen Schmierstoffes, das Signal der von der Grenzfläche (14) reflektierten Reflexionsamplituden (10) herange-

zogen wird.

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14. Anwendung des triboakustischen Sensors nach einem der Ansprüche 6 bis 11 bzw. der Messverfahren nach den Ansprüchen 12 oder 13 auf einen durch Maschinenelemente gebildeten Tribokontakt (C), insbesondere den Tribokontakt Ventilkipphebel-Nockenwelle, dadurch gekenn-

zeichnet, dass

a. die mechanische Komponente (4) durch zumindest einen Teil eines Maschinenelementes mit einer am Tribokontakt beteiligten Reibfläche, insbesondere eines Gleitkissens (26) einer Gleitkufe (21) eines

Kipphebels gebildet wird,

b. zur Aufnahme der Grundkomponenten (A) und der weiteren Komponenten des triboakustischen Sensors in der im Wesentlichen der Gleit- bzw. Reibfläche gegenüberliegenden, freien Fläche des Maschinenelementes, beispielsweise der Gleitkufe (21), eine Nut oder sonst geeignete, beispielsweise prismatische oder nutenförmige, Ausnehmung (13) vorge-

sehen ist,

CC. der für die Verbindung des piezoelektrische Elements (1) mit einer Mess- und Steuerelektronik (D) erforderliche Anschlussdraht (5) ohne Beeinträchtigung durch den Zwischenstoff (28) entlang der Oberfläche des Maschinenelementes, z. B. des

Kipphebels, verläuft,

d. die Reflexion (23) im Oberflächenbereich (22)

der Grenzfläche (27) zwischen dem Gleitkissen (26)

und der Gleitkufe (21) für die Bestimmung der

Referenzamplitude A, herangezogen werden, und

e. die Reflexion (25a) im Oberflächenbereich (24) der Grenzfläche (27) sowie die Reflexion (25b) an Reibfläche (29), Jeweils insbesondere im Kontakt mit Zwischenstoff (28), für die Korrelation zur Bestimmung von charakteristischen Eigenschaften des Tribokontakts (C), wie beispielsweise Verschleiß der mechanische Komponente (4), Schichtdicke adhäsiver Ablagerungen sowie die rheologischen Eigen-

schaften des Schmierstoffes, herangezogen werden.