AT524895A1

AT524895A1 - Vorrichtung zur Bestimmung chemisch-physikalischer Eigenschaften in einem tribologischen System

Info

Publication number: AT524895A1
Application number: ATA50205/2021A
Authority: AT
Inventors: Schirru Dr Michele; Tatzgern Bsc Fabio; Varga Dr Mont Msc Markus; Pauschitz Prof Dipl -Ing Dr Andreas
Original assignee: Ac2T Res Gmbh
Priority date: 2021-03-24
Filing date: 2021-03-24
Publication date: 2022-10-15
Also published as: WO2022198248A1

Abstract

Die Vorrichtung (1) zur Bestimmung chemisch-physikalischer Eigenschaften in einem tribologischen System umfasst einen freiformgeometrischen Körper (3) mit einer Körperoberfläche (4) mit einer Kontaktzone (27), zumindest zwei mit dem Körper (3) akustisch gekoppelte piezoelektrische Wandler (2), von denen zumindest einer als Sender (2a) und zumindest einer als Empfänger (2b) wirkt. Der Sender (2a) ist so mit dem Körper (3) gekoppelt, dass eine von ihm orthogonal abgestrahlte Ultraschallwelle (8l) die Körperoberfläche (4) in der Kontaktzone (27) unter einem von 90° unterschiedlichen Winkel (θ1) trifft. Der Empfänger (2b) ist so mit dem Körper (3) akustisch gekoppelt, dass zumindest eine von der Kontaktzone (27) reflektierte Wellenfront (9) vom Empfänger (2b) erfasst wird. Die Körperoberfläche (4) des Körpers (3) bildet mit einer interagierenden Oberfläche (6) eines anderen Körpers und einer sich zwischen der Körperoberfläche (4) des Körpers (3) und der interagierenden Oberfläche (6) des anderen Körpers befindlichen Zwischenschicht (5) ein tribologisches System.

Description

Vorrichtung zur Bestimmung chemisch-physikalischer Eigenschaften in einem

tribologischen System

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung chemisch-physikalischer Eigenschaften in einem tribologischen System gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 2.

Beispielshafte Elemente (Körper) eines tribologischen Systems, im Folgenden auch als Tribosystem bezeichnet, sind u.a. in der ÖNORM M8121 oder DIN 50323 oder DIN 50324

beschrieben.

Zum Stand der Technik gehören Verfahren zur Verwendung von Ultraschallsignalen, die durch Reflexion von, orthogonal zu einer Oberfläche einfallenden, Ultraschallwellen entstehen und durch einen einzelnen piezoelektrischen Wandler, welcher gleichzeitig als Sender und Empfänger wirkt, erfasst werden. Diese Verfahren umfassen die Bestimmung von physikalischen Eigenschaften, wie beispielweise Aggregatszustand, Filmdicke, Scherviskosität, oder von chemischen Eigenschaften, wie z.B. Bildung und Abbau von Oberflächenschichten, oder von physikalischen Eigenschaften, die sich aus der Messung der

Modenkombination ableiten, wie beispielweise die Messung von Grenzflächenspannungen.

Zum Stand der Technik gehören, neben piezoelektrischen Wandlern, ebenso piezoresistive Wandler, welche eine auf den Wandler einwirkende Kraft oder Dehnung in eine Spannung umwandeln und das Messsignal zur Bestimmung von Kraft und Dehnung verwenden (US9157845).

In einer Reihe von Veröffentlichungen (US20040045356, US20180372695) ist eine Methodik zur Umwandlung der Reflexion von Ultraschallwellen in eine Bestimmung der Filmdicke erläutert. In WO2020070481A1 ist die Messung von mehrschichtigen dünnen Körpern beschrieben. Diese Veröffentlichungen berücksichtigen nur die Ultraschallreflexion orthogonal zu einer Oberfläche einfallender Ultraschallwellen, nicht aber die Transmission

und Reflexion von Ultraschallquellen unter anderen Winkellagen.

Ultraschallreflexionen im Schermodus oder Oberflächenwellen werden zur Bestimmung von Materialabtrag (US8679019B2), Viskosität einer Flüssigkeit (US10794870B2) und chemischer Absorption am instrumentierten Körper verwendet (A. Mujahid und F.L. Dickert: “Surface Acoustic Wave (SAW) for Chemical Sensing Applications of Recognition Layers.” Sensors 17.12 (2017): 2716.).

Dwyer-Joyce et al. beschreibt die Messung der Filmdicke der flüssigen Zwischenschicht in einem Tribosystem. In diesem Fall wird als Ultraschallquelle eine einzelne, für eine Punktmessung fokussierende 50-MHz-Tauch-Ultraschallsonde verwendet, die sich in einem Wasserbad befindet und den Abstand zur nicht bewegten Komponente des Tribosystem erfasst. (R.S. Dwyer-Joyce, B.W. Drinkwater, und C.J. Donohoe: “The measurement of lubricant-film thickness using ultrasound.” Proceedings of the Royal Society of London. Series A, 459.2032 (2003): 957-976.).

Alle genannten Verfahren und Vorrichtungen unterliegen Einschränkungen in ihrer Anwendbarkeit bzw. sind auf die Bestimmung einzelner spezifischer Eigenschaften von

Tribosystemen ausgerichtet.

Es besteht daher nach wie vor ein Bedürfnis an einer Vorrichtung zur Bestimmung von mehr

als einer chemisch-physikalischen Eigenschaft in einem tribologischen System.

Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe durch Bereitstellen einer Vorrichtung zur Bestimmung chemisch-physikalischer Eigenschaften in einem tribologischen System mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 2. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen dargelegt. Diese erfindungsgemäße Vorrichtung stellt eine Messvorrichtung zur gleichzeitigen Bestimmung von mehr als einer physikalisch-chemischen Eigenschaft eines Tribosystems

unter Verwendung von Ultraschall dar.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst einen freiformgeometrischen Körper, der z.B. als Kugel, Stift, Scheibe oder allgemein als ein Maschinenelement oder Teil eines Maschinenelements ausgebildet sein kann. Der freiformgeometrische Körper weist eine Körperoberfläche mit einer Kontaktzone auf. Zumindest zwei piezoelektrische Wandler sind mit dem Körper akustisch gekoppelt. Von diesen piezoelektrischen Wandlern wirkt

zumindest einer als Sender und zumindest einer als Empfänger.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist der Sender so mit dem Körper gekoppelt, dass eine von ihm orthogonal abgestrahlte Ultraschallwelle die Körperoberfläche in der Kontaktzone unter einem Winkel, welcher von 90° unterschiedlich ist, trifft, und der Empfänger ist so angeordnet und mit dem Körper so akustisch gekoppelt, dass zumindest

eine von der Kontaktzone reflektierte Wellenfront vom Empfänger erfasst wird.

Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung weist der Sender eine Senderoberfläche auf, die mit einer Kontaktierungsschnittstelle akustisch gekoppelt ist, wobei die Senderoberfläche und die Kontaktierungsschnittstelle eine Abweichung der Flächenparallelität zueinander mit einem Anbringungswinkel innerhalb von + 3° zu einem sich aus den Materialparametern ergebenden kritischen Winkel aufweisen. Die Senderoberfläche ist mit dem Körper akustisch so gekoppelt, dass zumindest eine abgestrahlte Oberflächenwellenfront, über die Körperoberfläche und die Kontaktzone hinweg, zumindest einen Empfänger mit einer zur Signalerfassung ausreichenden Ultraschallenergie der abgestrahlten Oberflächenwellenfront

erreicht.

Gemäß beiden Aspekten der Erfindung bildet im Betrieb der Vorrichtung die Körperoberfläche des Körpers mit einer interagierenden Oberfläche eines anderen Körpers und einer sich zwischen der Körperoberfläche des Körpers und der interagierenden

Oberfläche des anderen Körpers befindlichen Zwischenschicht ein tribologisches System.

In anderen Worten schließt sich an den freiformgeometrischen Körper - körperlich betrachtet - eine Zwischenschicht 5 an, die zwischen der Körperoberfläche des Körpers und einer interagierenden Oberfläche eines weiteren Körpers liegt, mit welchem die Körperoberfläche

bzw. die Kontaktzone der Körperoberfläche ein Tribosystem bildet.

Die vorliegende Erfindung weist gegenüber dem Stand der Technik folgende Vorteile auf:

e Zumindest eine Ultraschallwelle, welche unter einem Winkel, der von 90° zur Kontaktzone abweicht, auf die Kontaktzone auftrifft, wobei die Kontaktzone sich mit der Zwischenschicht im Kontakt befindet, sodass der höchstmögliche Anteil der Ultraschallwelle die Kontaktzone der Körperoberfläche passiert und in die Zwischenschicht eintritt und hierdurch das Signal-Rausch-Verhältnis, die Bestimmung von physikalisch-chemischen Eigenschaften der Zwischenschicht

betreffend, maximiert wird.

e* Eine spezielle Ausführungsform berücksichtigt die Integration zumindest eines piezoelektrischen Wandlers in einen Halter, um damit einerseits die Wiederverwendbarkeit zumindest eines Teils der Vorrichtung und andererseits die Optimierung der schalltechnischen Anordnung dieses piezoelektrischen Wandlers in

Bezug zur Kontaktzone zu erzielen.

e Die piezoelektrischen Wandler können zur gleichzeitigen in-situ Bestimmung von zumindest 2 bis vorzugsweise 20 physikalisch-chemischen Eigenschaften eines Tribosystems (umfassend die Kontaktzone auf der Körperoberfläche, die Zwischenschicht und die interagierende Oberfläche eines weiteren Körpers)

verwendet werden.

e* Eine spezielle Ausführungsform der Erfindung beinhaltet einen Mechanismus, mit welchem entweder die Flächenparallelität zwischen den piezoelektrischen Wandlern und Kontaktierungsschnittstellen beeinflusst, oder die Winkellage zwischen den

piezoelektrischen Wandlern und der Kontaktzone verändert werden kann.

e* Eine spezielle Ausführungsform der Erfindung erzeugt eine Oberflächenwellenfront, welche zur Bestimmung bestimmter physikalisch-chemischer Eigenschaften der

Kontaktzone und/oder der Zwischenschicht verwendet werden kann.

e Eine spezielle Ausführungsform der Erfindung ermöglicht die Fokussierung von mehr als einer Ultraschallwelle, sowie durch Lageveränderung des Phantomfokus und dessen Überwachung, die Bestimmung von physikalisch-chemischen

Eigenschaften in der Kontaktzone und/oder der Zwischenschicht.

e Eine Verbesserung des Federmodells für die Verwendung für piezoelektrische Wandler unter einem Winkel abweichend von 90° zur Kontaktzone zur Bestimmung der Dicke der Zwischenschicht.

Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung schematisch als 2DQuerschnitt;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines tribologischen Kontakts als 2D-Querschnitt;

Fig. 3 eine Ausführungsform der Vorrichtung nach Fig. 1, bei welcher die Vorrichtung aus dem Körper, den piezoelektrischen Wandlern und einem Halter gebildet wird;

Fig. 4 eine Ausführungsform der Vorrichtung zur Positionierung und Ausrichtung zumindest eines piezoelektrischen Wandlers durch einen im Halter integrierten Mechanismus.

Fig. 5 eine Ausführungsform der Vorrichtung zur Veränderung der Ausrichtung zumindest eines piezoelektrischen Wandlers durch einem in Körper integrierten Mechanismus.

Fig. 6 eine Ausführungsform der Vorrichtung nach Fig. 1 und Fig. 3 bis Fig. 5 zur Abstrahlung und Empfang einer Oberflächenwellenfront und einen schematisch dargestellten

Pfad einer Oberflächenwelle zwischen Sender und Empfänger;

Fig. 7 eine beispielhafte Signalkurve erfasster Messdaten;

Fig. 8 eine Ausführungsform der Vorrichtung nach Fig. 1 und Fig. 3 bis Fig. 5 mit schematischer Darstellung des Pfads von orthogonal von jedem Sender abgestrahlten Ultraschallwellenfronten und deren schematischen Pfaden zwischen Sender und Empfänger, sowie eine sich daraus ergebende Lage des Phantomfokus; und

Fig. 9 eine Ausführungsform der Vorrichtung nach Fig. 1 und Fig. 3 bis Fig. 5 mit einer Anordnung von mehreren in der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendeten Sendern und

Empfängern.

Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Bestimmung chemisch-physikalischer Eigenschaften in einem tribologischen System. Die Vorrichtung 1 weist einen freiformgeometrischen Körper 3 mit einer Körperoberfläche 4 mit einer Kontaktzone 27 auf. Es sind (in diesem Beispiel) zwei mit dem Körper 3 akustisch gekoppelte piezoelektrische Wandler 2 vorgesehen, von denen einer als Sender 2a und einer als Empfänger 2b wirkt. In Fig. 1 ist schematisch der generische Fall einer nicht parallel zur Kontaktzone 27 liegenden Senderoberfläche 7a des Senders 2a dargestellt. Jede eine Senderwellenfront 8 (einschließlich der zentralen Ultraschallwelle 81) orthogonal aussendende Senderoberfläche 7a des Senders 2a steht mit einer Kontaktierungsschnittstelle 7 derart über eine, insbesondere trockene, Kopplung mittels einer dazwischenliegenden, bevorzugt dünnen, Verbindungsschicht 16, z.B. Lötschicht, in Kontakt, dass die Senderwellenfront 8 sich in Richtung der, gemäß der erfindungsgemäßen Verwendung, zu analysierenden Kontaktzone 27 auf der Körperoberfläche 4 und/oder der Zwischenschicht 5 ausbreitet. Die Zwischenschicht 5 weist eine Dicke 13 auf, wie in Fig. 2 zu sehen ist. An der Körperoberfläche 4 wird ein Teil der Energie der Senderwellenfront 8 durch die Körperoberfläche 4 in die Zwischenschicht 5 als Ultraschallwelle 14 hinein übertragen (siehe Fig. 2), während ein weiterer Teil der Energie der Senderwellenfront 8 als reflektierte Wellenfront 9 an der Körperoberfläche 4 in unterschiedlichen Winkeln reflektiert wird. Diese reflektierte Wellenfront 9 wird, wenn sie auf die empfangende Empfängeroberfläche 7b des Empfänger 2b auftrifft, vom Empfänger 2b als Messsignal erfasst. Der Empfänger 2b ist mit der Kontaktierungsschnittstelle 7 über eine, insbesondere trockene, Kopplung mittels einer dazwischenliegenden, bevorzugt dünnen, Verbindungsschicht 16, z.B. Lötschicht, mit dem Körper 3 verbunden. Von der reflektierten Wellenfront 9 bzw. deren Wellenmodenzerlegung in Form der reflektierten Longitudinalwelle 91 unter dem Winkel 01 und der Scherwelle 9s unter dem Scherwellenwinkel 02, sowie von der an der interagierenden Oberfläche 6 eines weiteren Körpers reflektierten Ultraschallwelle 15,

werden, da verschiedene Wellenmoden das Ausbreitungsmedium mit unterschiedlicher

Schallgeschwindigkeit durchlaufen, chemisch-physikalische Parameter der Zwischenschicht

5 abgeleitet.

Für den Fall, dass die Weglänge der Ultraschallwelle 14 in der Zwischenschicht 5 kleiner ist als die Wellenlänge X der Ultraschallwelle 81, ist die Laufzeit innerhalb der Zwischenschicht 5 zu kurz, um die Trennung der reflektierten Impulse zu ermöglichen. Damit wird die

Energie der reflektierten Ultraschallwelle 15 mit der reflektierten Wellenfront 9 überlagert.

Zusammengefasst ist der Sender 2a so mit dem Körper 3 gekoppelt, dass eine von ihm orthogonal abgestrahlte Ultraschallwelle 81 die Körperoberfläche 4 in der Kontaktzone 27 unter einem Winkel 01, welcher von 90° unterschiedlich ist, trifft. Der Empfänger 2b ist so angeordnet und mit dem Körper 3 akustisch gekoppelt, dass zumindest eine von der Kontaktzone 27 reflektierte Wellenfront 9 vom Empfänger 2b erfasst wird. Die Körperoberfläche 4 des Körpers 3 mit einer interagierenden Oberfläche 6 eines anderen Körpers und der sich zwischen der Körperoberfläche 4 des Körpers 3 und der interagierenden Oberfläche 6 des anderen Körpers befindlichen Zwischenschicht 5 ein

tribologisches System.

Fig. 1 zeigt in makroskopischer Betrachtung in Längsansicht schematisch einen tribologischen Kontakt zwischen der Körperoberfläche 4 und der interagierenden Oberfläche 6 unter einer von außen einwirkenden Kraft 11, wobei sich die Körperoberfläche 4 und die interagierende Oberfläche 6 zueinander in einer Relativbewegung 10, bevorzugt entlang den beiden Flächen, bewegen. Dabei kann in einer besonderen geometrischen Ausführungsform der Körper 3 als Teil eines Maschinenelements ausgebildet oder ein Maschinenelement

selbst sein.

Fig. 2 zeigt hierzu schematisch den tribologischen Kontakt mit einer theoretischen Dicke 13 in mikroskopischer Betrachtung, welcher durch eine Zwischenschicht 5, ausgefüllt durch ein gasförmiges, flüssiges oder festes Medium oder einer Kombination dieser Aggregatzustände, und in einer besonderen Ausprägung durch Festkörperkontakte 12 zwischen der Körperoberfläche 4 und der interagierenden Oberfläche 6 ausgebildet ist. Die einfallende Ultraschallwelle 14 wird an der interagierenden Oberfläche 6 als reflektierte Ultraschallwelle 15 reflektiert. Die longitudinalen und scherakustischen Impedanzen sind mit einer Reihe von physikalischen und chemischen Eigenschaften verbunden, wobei die Dicke 13 der Zwischenschicht 5 ein entscheidender Parameter hierzu ist. Durch Lösen des Wellengleichungs-Ausbreitungssystems für die Reflexion von Ultraschallwellen mit dem

Reflexionskoeffizienten R in geschichteten Medien und die Kombination dieser Lösung mit

der Theorie des Federmodells (R.S. Dwyer-Joyce, B.W. Drinkwater, und 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): 957-976.) ist es möglich, eine Verbesserung des Federmodells für die Messung der Zwischenschicht 5 zu erhalten, wenn die Weglänge der Ultraschallwelle 14 kleiner ist als die

Wellenlänge X der einfallenden Welle 14. Der Reflexionskoeffizienten R ergibt sich dabei

gemäß: IR = — NM? 1 AM? + (N? — M? +1)? mit ns Cs COS(90 — 91) cos’ (2a;) = p3 C3 cos(a)) sin(wd coS(d,/Cs5.1)) + Ps Cs, COS(90 — 0;) sin’ (2(as)) P3 C3 COos(@s) sin(w d cos((ds)/Cs5,s)) M — 55 cos(90 — 61) cos‘ (2(a;)) P3C3 Cos(&,) tan(w d cos((d,)/cs,1)) „Ps Css cos(90 — 81) sin‘ (2(a;))

P3 C3 COS(@s) tan(w d cos((ds)/Cs,s))

wobei p; die Dichte und c,, die Schallgeschwindigkeit im zugehörigen Medium 7 ist. Der Index j charakterisiert die Moden der Ultraschallwelle, Longitudinal- oder Scherwelle. w@ ist die Kreisfrequenz der einfallenden Ultraschallwelle 81, d die Dicke 13 der Zwischenschicht 5 und a, bzw. x; die zugehörigen Reflexions- und/oder Brechungswinkel für die jeweilige Mode.

Fig. 3 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der die piezoelektrischen Wandler 2 mittels Halter 21 mit der Kontaktierungsschnittstelle 7 in schalltechnisch stabilen Kontakt gebracht werden. Weiters zeigt Fig. 3, beispielhaft am Empfänger 2b ausgeführt, eine Ausgestaltung der Erfindung, bei der eine Senderoberfläche 7a eines Sender 2a oder die Empfängeroberfläche 7b eines Empfängers 2b an die jeweilige Kontaktierungsschnittstelle 7, über eine, bevorzugt trockene oder flüssige, Kopplung, mittels eines Mechanismus (z.B. Aktuator) fixiert wird. Der Mechanismus weist bevorzugt einen Drehpunkt 20 auf, insbesondere aktiviert durch Haltekraft 18, welche im Sonderfall sowohl gleich der von außen einwirkenden Kraft 11 (siehe Fig. 1) sein kann, als auch in einer Höhe, welche einen piezoresistiven Effekt beim piezoelektrische Wandler 2 auslöst. In dieser Ausführungsform ist bevorzugt zumindest ein

Sender 2a oder ein Empfänger 2b fest mit dem Halter 21 verbunden. Der Halter 21 hat die

Funktion die Kontaktzone 27 der Körperoberfläche 4 in ihrer räumlichen Lage in Bezug auf die interagierende Oberfläche 6 zu fixieren und in weiterer Ausgestaltung der Erfindung zusätzlich den Sender 2a oder den Empfänger 2b mit der jeweiligen Kontaktierungsschnittstelle 7 am Körper 3 in schalltechnischem Kontakt zu halten. Weiters wird in einer Ausführungsform der Erfindung der elektrische Anschluss 19 für die

Ansteuerung des piezoelektrischen Wandlers 2 in den Halter 21 integriert.

Fig. 4 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform der Erfindung, um einen piezoelektrischen Wandler 2, z.B. den Sender 2a, mittels Halter 21 mit der Kontaktierungsschnittstelle 7 in schalltechnischen Kontakt zu bringen. In dieser Ausführungsform wird eine erwünschte räumliche Ausrichtung und Parallelität der Senderoberfläche 7a zur Kontaktierungsschnittstelle 7 mittels einem, bevorzugt einen Drehpunkt 20 aufweisenden Mechanismus (z.B. Aktuator), insbesondere aktiviert durch Haltekraft 18, erreicht. Die räumliche Ausrichtung wird so eingestellt, dass die Senderwellenfront 8, insbesondere die Ultraschallwelle 81, innerhalb des Körpers 3 eine

maximale Amplitude aufweist.

Fig. 5 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform, um die räumliche Lage der Kontaktierungsschnittstelle 7, welche bevorzugt mit Senderoberfläche 7a verbunden ist, zur Kontaktzone 27 bzw. zur Körperoberfläche 4 durch einen im Körper 3 integrierten Mechanismus (z.B. Aktuator) zu verändern. Die Lageveränderung wird durch thermische Energie aktiviert, um den Drehpunkt 20 zu verändern, was eine Veränderung des Lagewinkels 03 bewirkt und den Sender 2a so räumlich positioniert, dass dessen von der Senderoberfläche 7a orthogonal abgestrahlte Senderwellenfront 8 die Körperoberfläche 4 an der Kontaktzone 27 unter dem Winkel 01 trifft. In einer Erweiterung der Ausführungsform wird die räumliche Lage der Senderoberfläche 7a dynamisch so gesteuert, dass die Ultraschallwelle 81, d.h. der Bereich mit der höchsten Energie der Senderwellenfront 8, in sequenziellen Schritten über die Kontaktzone 27 in Form einer Flächenabrasterung geführt wird. Alternativ zur dynamischen Steuerung der räumlichen Lage der Senderoberfläche 7a könnte auch die Empfängeroberfläche des Empfängers 2b dynamisch in ihrer Lage verändert

werden, insbesondere durch thermische Energie.

Fig. 6 zeigt eine weitere Möglichkeit der Ausgestaltung der Verbindungsschicht 16, welche zwischen der Senderoberfläche 7a des Senders 2a und der Kontaktierungsschnittstelle 7 ausgebildet und so geformt ist, dass sie eine Abweichung der Flächenparallelität mit einem Anbringungswinkel 0s aufweist. Liegt der Anbringungswinkel 6s innerhalb von + 3° zum

sich aus den Materialparametern ergebenden kritischen Winkel und unterscheidet sich die

akustische Impedanz der Verbindungsschicht 16 sich von der akustischen Impedanz des Körpers 3, so kann mit Sender 2a eine Oberflächenwellenfront 17 ausgesendet werden, die sich über die äußere Oberfläche des Körpers 3, bevorzugt die Körperoberfläche 4 und die Kontaktzone 27 hinweg, zu zumindest einem Empfänger 2b mit einer zur Signalerfassung ausreichenden Ultraschallenergie fortpflanzt. In einer Erweiterung der Ausführungsform wird der Anbringungswinkel Os durch einen in die Verbindungsschicht 16 integrierten

Mechanismus verändert.

Fig. 7 zeigt ein Beispiel eines von einem Empfänger 2b erfassten Messsignals in Form eines Wellenpakets 22 der reflektierten Wellenfront 9, das durch zumindest eine Wellenmodenreflexion 23 (z.B. Longitudinalwelle 91), 24 (z.B. Scherwelle), 25 (z.B. Oberflächenwelle) oder 26 (z.B. Oberflächenwelle) gekennzeichnet ist und Ultraschallenergien von Longitudinalwelle 91, Scherwelle 9s und Oberflächenwellenfront 17

repräsentiert, welche gleichzeitig, jedoch mit Zeitversatz, erfasst werden.

Fig. 8 zeigt schematisch den Verlauf der Senderwellenfront 8 bei einer makroskopisch angenähert, bevorzugt sphärischen oder zylindrischen Ausführungsform der Kontaktzone 27 auf der Körperoberfläche 4. In diesem Fall wird die Winkellage von Sender 2a und Empfänger 2b so gewählt, dass die Amplitudenreflexion der Ultraschallwelle 81 von der Kontaktzone 27, welche mikroskopisch betrachtet als Punkt-, Linien- oder Flächenkontakt vorliegen kann, erfolgt. Die auf die Körperoberfläche 4, insbesondere die Kontaktzone 27, einfallende Senderwellenfront 8 bewirkt eine Fokussierung der reflektierten Wellenfront 9 in einem Bereich, insbesondere innerhalb des Körpers 3, welcher Bereich als Phantomfokus 28 bezeichnet ist und sich durch einen hohen Energiegehalt auszeichnet. Da die Zwischenschicht 5 eine variable akustische Impedanz aufweist und die Vorrichtung 1 variablen Belastungen, Scherspannungen und Temperaturgradienten ausgesetzt ist, ändert sich in Abhängigkeit von diesen Parametern die Position des Phantomfokus 28. Die exakte Bestimmung der Position des Phantomfokus 28 ermöglicht die genaue Bestimmung der akustischen Eigenschaften der Zwischenschicht 5 mit Hilfe moderner Verfahren, wie dem

Gesetz von Snellius.

Fig. 9 zeigt schematisch, wie die Bestimmung der Position des Phantomfokus 28 durch ein Array von Empfängern 2b erfolgt, die insbesondere in Übereinstimmung mit dem Veränderungsbereich des Phantomfokus 28 positioniert sind. Wenn sich der Reflexionswinkel der reflektierten Wellenfront 9 ändert, verschiebt sich die Position des Phantomfokus 28, was folglich insbesondere aus den Messsignalen von unterschiedlichen

Empfängern 2b abgeleitet werden kann. Darüber hinaus ermöglicht die Verwendung von

mehreren Sendern 2a und Empfängern 2b eine Rekonstruktion von 1D- bis 3DReflexionsscans der Kontaktzone 27 und/oder der Zwischenschicht 5.

Im Falle eines Arrays von Sendern 2a und/oder Empfängern 2b werden diese bevorzugt in unterschiedlichen Winkellagen zur Kontaktzone 27 positioniert. Der Winkel zwischen Sender 2a und der Kontaktzone 27 ist geeignet so zu wählen, dass die jeweils zentralen Ultraschallwellen 81 der Senderwellenfronten 8 an der Kontaktzone 27 bestmöglich zusammentreffen, damit die reflektierte Ultraschallwelle 91 und 9s, als Teil der reflektierten

Wellenfront 9, nur Informationen über die Kontaktzone 27 und die Zwischenschicht 5 trägt.

Claims

Ansprüche:

1. Vorrichtung (1) zur Bestimmung chemisch-physikalischer Eigenschaften in einem tribologischen System, gekennzeichnet durch einen freiformgeometrischen Körper (3) mit einer Körperoberfläche (4) mit einer Kontaktzone (27), zumindest zwei mit dem Körper (3) akustisch gekoppelte piezoelektrische Wandler (2), von denen zumindest einer als Sender (2a) und zumindest einer als Empfänger (2b) wirkt, wobei der Sender (2a) so mit dem Körper (3) gekoppelt ist, dass eine von ihm orthogonal abgestrahlte Ultraschallwelle (81) die Körperoberfläche (4) in der Kontaktzone (27) unter einem Winkel (01), welcher von 90° unterschiedlich ist, trifft und der Empfänger (2b) so angeordnet und mit dem Körper (3) so akustisch gekoppelt ist, dass zumindest eine von der Kontaktzone (27) reflektierte Wellenfront (9) vom Empfänger (2b) erfasst wird, wobei die Körperoberfläche (4) des Körpers (3) mit einer interagierenden Oberfläche (6) eines anderen Körpers und einer sich zwischen der Körperoberfläche (4) des Körpers (3) und der interagierenden Oberfläche (6) des anderen Körpers befindlichen Zwischenschicht (5) ein tribologisches System bildet.

2. Vorrichtung (1) zur Bestimmung chemisch-physikalischer Eigenschaften in einem tribologischen System, gekennzeichnet durch einen freiformgeometrischen Körper (3) mit einer Körperoberfläche (4) mit einer Kontaktzone (27), zumindest zwei mit dem Körper (3) akustisch gekoppelte piezoelektrische Wandler (2), von denen zumindest einer als Sender (2a) und zumindest einer als Empfänger (2b) wirkt, wobei der Sender (2a) eine Senderoberfläche (7a) aufweist, die mit einer Kontaktierungsschnittstelle akustisch gekoppelt ist, wobei die Senderoberfläche (7a) und die Kontaktierungsschnittstelle (7) eine Abweichung der Flächenparallelität zueinander mit einem Anbringungswinkel (0s) aufweist, wobei der Anbringungswinkel (0s) nicht mehr als + 3° von einem sich aus den Materialparametern ergebenden kritischen Winkel unterscheidet, wobei die Senderoberfläche (7a) mit dem Körper (3) akustisch so gekoppelt ist, dass zumindest eine abgestrahlte Oberflächenwellenfront (17), über die Körperoberfläche (4) und die Kontaktzone (27) hinweg, zumindest einen Empfänger (2b) mit einer zur Signalerfassung ausreichenden Ultraschallenergie der abgestrahlten Oberflächenwellenfront (17) erreicht, wobei die Körperoberfläche (4) des Körpers (3) mit einer interagierenden Oberfläche (6) eines anderen Körpers und einer sich zwischen der Körperoberfläche (4) des Körpers (3) und der interagierenden Oberfläche (6) des anderen Körpers befindlichen Zwischenschicht (5)

ein tribologisches System bildet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen

Halter (21) aufweist, wobei zumindest ein piezoelektrischer Wandler (2) mit dem Körper (3)

fest haftend verbunden ist, und zumindest ein weiterer piezoelektrischer Wandler (2) auf dem Halter (21) fixiert ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (3) für jeden piezoelektrischen Wandler (2) eine Kontaktierungsschnittstelle (7), und die Körperoberfläche (4) in der Kontaktzone (27) eine variable akustische Impedanz, welche zur

Zwischenschicht (5) orientiert ist, aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschall-Wellenlänge zumindest einer von zumindest einem Sender (2a) ausgesendeten Ultraschallwelle (14) größer ist als der Signalweg der Ultraschallwelle (14) in der

Zwischenschicht (5) zwischen der Körperoberfläche (4) und der interagierenden Oberfläche

(6).

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Senderoberfläche (7a) des zumindest einen Senders (2a) oder eine Empfängeroberfläche (7b) des zumindest einen Empfängers (2b) in ihrer Winkellage zur Kontaktierungsschnittstelle (7) und/oder zur Kontaktzone (27) auf der Körperoberfläche (4) veränderbar ist, wobei die Veränderung der Winkellage optional durch mechanische Einwirkung auf einen Halter (21), an dem zumindest ein piezoelektrischer Wandler (2)

fixiert ist, verstellbar ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Sender (2a) so angeordnet sind, dass sich die Ultraschallwellenfronten (8) der von ihnen ausgesendeten Ultraschallwellen, insbesondere die Ultraschallwellen (81), an einem

Punkt, insbesondere in der Kontaktzone (27), energiemäßig überlagern.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Senderoberfläche (7a) des zumindest einen Senders (2a) oder zumindest eine Empfängeroberfläche (7b) des zumindest einen Empfängers (2b) in ihrer Winkellage zur Kontaktzone (27) auf der Körperoberfläche (4) dynamisch veränderbar ist, insbesondere durch thermische Einwirkung auf den Körper (3), wobei der höchste Energiebereich der von der Senderoberfläche (7a) abgestrahlten Ultraschallwellenfront (8) in sequenziellen Schritten

über die Kontaktzone (27) in Form einer Flächenabrasterung geführt wird.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine

Empfängeroberfläche (7b) des zumindest einen Empfängers (2b) so am Ort eines

Phantomfokus (28) angeordnet ist, dass zumindest eine vom Bereich der Kontaktzone (27) auf der Körperoberfläche (4) reflektierte Wellenfront (9) vom Empfänger (2b) erfasst wird.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die von zumindest einem Empfänger (2b) erfasste Ultraschallenergie der Rekonstruktion von 1D- bis 3D-Reflexionsscans der Kontaktzone (27) auf der Körperoberfläche (4) und/oder der

angrenzenden Zwischenschicht (5) dient.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die von zumindest einem Empfänger (2b) erfasste Ultraschallenergie der gleichzeitigen Bestimmung von mehr als einer chemisch-physikalischen Eigenschaft der im Bereich der Kontaktzone (27) körperlich an die Körperoberfläche (4) des Körpers (3) anschließenden Zwischenschicht (5) dient.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die von zumindest einem Empfänger (2b) erfasste Ultraschallenergie der gleichzeitigen Bestimmung des mittleren Abstands zwischen der Körperoberfläche (4) des Körpers (3) im Bereich der Kontaktzone (27) und der interagierenden Oberfläche (6) des anderen Körpers sowie der Schersteifigkeit der im Bereich der Kontaktzone (27) an die Körperoberfläche (4) des Körpers (3)

anschließenden Zwischenschicht (5) dient.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die von zumindest einem Empfänger (2b) erfasste Ultraschallenergie der gleichzeitigen Bestimmung der Relaxationszeit, des Aggregatszustands und einer chemischen Veränderung der im Bereich der Kontaktzone (27) an die Körperoberfläche (4) des Körpers (3) anschließenden Zwischenschicht (5) dient.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Sender (2a) in Bezug zur Körperoberfläche (4) des Körpers (3) so angeordnet ist, dass ein Phantomfokus (28) im Bereich der Kontaktzone (27) vorliegt.

15. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die von zumindest einem Empfänger (2b) erfasste Ultraschallenergie der Bestimmung der Dicke (13) der Zwischenschicht (5) unter Anwendung einer Berechnungsformel, welche eine

Verallgemeinerung des Federmodells darstellt, dient.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der

Körper (3) ein Maschinenelement oder ein Teil eines Maschinenelements ist.