CN108700555A - 啮合装置和用于确定啮合装置的特性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种啮合装置，具有：至少一个第一元件(11)，所述第一元件具有齿部(111)；和至少一个第二元件(12)，所述第二元件与所述第一元件(11)共同作用。根据本发明，设有至少一个设置在第一或第二元件(11，12)上的接收器(3)，所述接收器用于接收在第一和/或第二元件(11，12)中激发的声波(SAW)，其中通过评估在所述接收器(3)接收所述声波(SAW)时产生的信号，能够确定关于所述啮合装置(1)的特性的信息。

Description

啮合装置和用于确定啮合装置的特性的方法
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的啮合装置以及一种根据权利要求16的前序部分所述的用于确定啮合装置的特性的方法。
背景技术
啮合装置在各种技术领域中使用，例如用作为传动装置的组成部分。啮合装置包括至少一个第一元件，所述第一元件经由齿部至少一个另外的元件(尤其形状配合地)共同作用。第二元件例如同样具有齿部或者另一结构(例如与涡轮共同作用的蜗杆的螺纹状的结构)，第一元件的齿部接合到所述齿部或另一结构中。在使用齿部(啮合装置)时困难的是，难以检查在啮合装置运行期间啮合装置的部件的状态。
发明内容
本发明所基于的问题在于，即使在运行期间也可确定齿部的部件的特性。
该问题通过根据权利要求1的啮合装置以及通过根据权利要求16的方式来解决。
据此，提供一种啮合装置，其具有：
-至少一个第一元件，所述第一元件具有齿部；和
-至少一个第二元件，所述第二元件与第一元件共同作用；以及
-至少一个设置在第一或第二元件上的接收器，所述接收器用于接收在第一和/或第二元件中激发的声波，其中通过评估在接收器接收声波时产生的(电)信号可确定关于啮合装置的特性的信息。
本发明原则上能够与啮合装置的任意部件一起应用。例如啮合装置的第一元件构成为齿轮，所述齿轮例如与呈另一齿轮或者齿条形式的第二元件共同作用。也可以考虑的是，第一元件是行星传动装置的齿圈，即具有沿着内环周构成的齿部的元件。
根据本发明的啮合装置也能够具有至少一个发送器，所述发送器用于在第一和/或第二元件中激发声波，其中接收器尤其检测由发送器产生的声波。发送器例如构成用于在第一和/或第二元件中激发声表面波。特别地，发送器构成为，使得所述发送器能够在第一和/或第二元件中激发呈兰姆波(Lamb-Welle)或者兰姆-瑞利波(Lamb-Rayleigh-Welle)形式的声表面波，所述声表面波从发送器传播至接收器。例如，为了产生兰姆波，在第一和/或第二元件的具有相对小的厚度(所述厚度尤其小于所激发的声表面波的波长)的区域中产生声表面波。表面波的频率与第一或第二元件的厚度相关地来选择；例如使用在500kHz和2MHz之间的范围中或者在800kHz和1.5MHz之间的范围中的频率。
通过评估接收器信号，例如能够获得关于啮合装置的润滑剂(所述润滑剂尤其位于第一和第二元件之间)的状态(例如温度、成分和/或这些特性的变化)的信息。当润滑剂中的声速小于表面声波的速度时(对于常见的润滑剂，例如油，是这种情况)，在第一或者第二元件中产生的表面声波的一部分耦合输出到润滑剂中。
表面声波的一部分的耦合输出引起接收器信号的变化，其中所述变化与润滑剂的状况相关。例如，接收器信号的振幅与润滑剂量相关地变化，使得(在相应的校准之后)例如通过评估信号振幅能够推导出关于润滑剂量的信息(例如存在于第一和第二元件之间的润滑剂膜的厚度)。
尤其经由评估单元进行接收器信号的评估，所述评估单元例如通过相应编程的可编程的装置实现。可以考虑的是，评估单元与接收器间隔开地设置，其中接收器信号例如通过无线电转发给评估单元。
根据本发明的另一改进方案，不仅接收器而且发送器设置在第一元件上。自然也可以考虑的是，接收器和发送器设置在第二元件上。如已经提及的那样，第一元件例如是齿圈(尤其行星传动装置的齿圈，例如具有内齿部)，其中发送器和接收器设置在齿圈的外侧上。也可行的是，第一元件是锥齿轮、冠齿轮、混合齿轮或者椭圆齿轮。
例如，借助于发送器激发声波，所述声波沿着第一和/或第二元件的齿部传播，并且所述声波尤其也沿着第一元件的齿部与第二元件(尤其与第二元件的齿部)的接触面传播。
接收器和发送器例如设置在第一元件的背离齿部的一侧上，或者接收器和发送器设置在第二元件的背离齿部的一侧上。
也可行的是，第一元件如同样已经在上文中所提及的那样是齿轮，并且不仅发送器而且接收器设置在齿轮上或齿轮中(所述齿轮例如以小齿轮的形式构成)。特别地，齿轮具有外齿部并且具有(例如中央的)开口，其中发送器和接收器设置在所述开口中。在另一变型形式中，第二元件构成为齿条，其中不仅发送器而且接收器设置在齿条上。齿条例如是固定的(也就是说，固定在啮合装置外部的保持结构上)。然而也可行的是，齿条可随着发送器和接收器运动。特别地，发送器和接收器设置在第二元件(尤其呈另一齿轮或齿条的形式)的背离第一元件(尤其呈齿轮的形式)的一侧上。
根据本发明的另一设计方案，第一和第二元件的齿部的齿面弧形地伸展或者相对于第一或第二元件的运动方向倾斜地伸展。也可以考虑的是，第一和第二元件的齿部构成摆线齿部或者渐开线齿部。
发送器和/或接收器例如根据叉指式换能器的类型构成，其中本发明然而自然不局限于特定的发送器或者接收器类型。此外可以考虑的是，发送器生成声波的(尤其声表面波的)脉冲，例如不同频率的脉冲。也可行的是，使用调制脉冲，例如频率或者振幅调制的脉冲。
发送器和/或接收器此外尤其经由固定机构可松开地与第一或第二元件连接。固定机构例如用作为可松开的粘合剂。也可以考虑的是，设有机械的固定机构，所述固定机构允许发送器和/或接收器可松开地(例如以夹持式的方式)固定在啮合装置的第一或第二元件上；例如通过螺旋连接或者借助于弹簧机构。除此之外，能够在发送器或接收器和第一或第二元件之间设置耦合机构，以便改进声波到第一或第二元件中的耦合输入。作为耦合机构例如考虑具有相应的声学特性的膏状材料或者由硅或其他声传导材料构成的垫。也可以考虑的是，发送器和接收器构成共同的结构单元；特别地，发送器和接收器设置在共同的壳体中和/或设置在共同的承载件上。
除此之外，发送器和接收器能够相对于彼此设置为，使得声波相对于第一和/或第二元件的齿面成一定角度传播。自然也可行的是，发送器和接收器设置为，使得所激发的声波平行于齿部的至少一些齿面传播。
应指出的是，用于在第一或第二元件中产生声波的发送器并非是强制必需的。相反也能够利用如下声波实现本发明，所述声波在啮合装置运行期间产生，尤其通过啮合装置的部件(尤其第一和/或第二元件)的振动或者运动产生。也可以考虑的是，接收器通过转换器形成，所述转换器同时起到发送器的作用。由转换器产生的声波被引导，使得所述声波能够由转换器本身接收。例如能够设有反射结构，借助于所述反射结构，声波传导向回朝转换器转向。
本发明也涉及一种用于确定啮合装置的特性的方法，尤其在使用如在上文中所描述的啮合装置的情况下，所述方法具有如下步骤：
-提供至少一个第一元件以及至少一个第二元件，所述第一元件具
有齿部，所述第二元件与第一元件共同作用，
-在第一和/或第二元件中激发声波，以及
-借助于设置在第一或第二元件上的接收器接收在第一和/或第二
元件中激发的声波，并且通过评估在接收器接收声波时产生的信号
确定关于啮合装置的特性的信息。
除了在上文中已经探讨的确定关于啮合装置的润滑剂的信息之外，能够通过评估接收器的信号确定啮合装置的其它特性，例如关于作用到啮合装置上的负荷的信息、关于第一或第二元件的运动的信息，和/或能够探测第一或第二元件的缺陷，例如这些元件的齿部的齿的缺陷。
评估接收器的信号例如包括：评估信号的振幅、频率谱和/或包络线和/或在信号中结构的时间间隔。替选地或者附加地，也能够使用模式识别的方法，以便在接收器信号的变化曲线中识别如下模式，所述模式能够用于表征啮合装置的特性，例如用于确定齿部的齿的数量。
附图说明
在下文中借助实施例参考附图详细阐述本发明。附图示出：
图1示出根据本发明的第一实施例的啮合装置，
图2示出根据本发明的第二实施例的啮合装置，
图3示出图2中的啮合装置的一个变型形式，
图4示出根据本发明的另一实施例的啮合装置的立体视图，
图5示出设置在图4的啮合装置上的声学接收器的信号，
图6A示出根据第四实施例的啮合装置的俯视图，
图6B示出图6A的啮合装置的侧视图，
图7A示出根据第五实施例的啮合装置的俯视图，以及
图7B示出图7A的啮合装置的侧视图。
具体实施方式
图1的根据本发明的啮合装置包括构成为齿轮11的、具有外齿部111的第一元件，其中齿轮11与呈齿条12形式的第二元件共同作用。齿条12具有齿部121，所述齿部具有多个齿1211，所述齿以本身已知的方式分别接合到齿轮11的齿部111的齿1111之间的间隙中。相应地产生齿轮11和齿条12的形状配合的联接。
在齿条12的背离齿轮11的一侧上设置有发送器2，所述发送器用于在齿条12中产生声表面波。声表面波尤其也在齿条12的朝向齿轮11并且具有齿部121的一侧上传播，更确切地说朝向接收器3传播，所述接收器如发送器2那样安装在齿条12的背离齿轮11的一侧上。
发送器2和/或接收器3能够牢固地与齿条12连接。然而也可以考虑的是，发送器2和/或接收器3可松开地(例如经由可松开的形状配合的连接)与齿条12连接，如在上文中已经阐述。
通过在接收由发送器2产生的声表面波时评估接收器3的信号，可行的是，确定关于啮合装置1的状态的信息。如在上文中已经提及的那样，例如能够确定位于齿轮11和齿条12之间的润滑剂的状态。也可以考虑的是，由于接收器信号的改变，可察觉元件11，12的缺陷，例如齿轮11的和/或齿条12的齿部的齿中的一个齿的缺陷。由此可行的是，同样通过评估接收器信号探测这种缺陷。
例如也可行的是，根据接收器信号与时间相关地(尤其在啮合装置1运行期间)监控润滑剂量。除此之外，也能够通过分析接收器信号确定外来液体(例如水)进入到啮合装置中。此外，能够通过评估接收器信号确定啮合装置中的负荷变化，例如齿条12相对于齿轮11的预应力的变化。
显然，不强制必要的是，由发送器2和接收器3构成的装置设置在齿条12上。相反也可以考虑的是，发送器和接收器2、3设置在齿轮11上。为此，齿轮能够具有中央的开口112，其中在齿轮11的对留空部112限界的内缘上设置发送器2和接收器3；参见图2。相应地，声表面波(SAW)在齿轮11中传播。特别地，表面声波SAW在齿轮11的朝向齿条12的一侧(具有齿部111)上传播，使得根据接收器信号是可证实在啮合区域中的变化。这类似于上述对图1的说明。
图3示出图2的一个变型形式。在此，在发送器2和接收器3之间的间距小于在图2中的间距，尤其发送器和接收器2、3之间的间距大约为齿部111的齿的宽度。优选地，在这种设置中，接收器信号被评估，所述接收器信号起源于声表面波，所述声表面波在齿轮11的近似整个环周上传播(在图3中沿顺时针)。通过评估接收器信号能够以这种方式在齿部11的尽可能宽的区域上检测缺陷。
图4示出与轴承单元4组合的根据本发明的啮合装置1的立体视图。啮合装置1在该实施例中以行星传动装置的形式构成，所述行星传动装置具有成形为齿圈的第一元件。齿圈设有内齿部，所述内齿部与行星传动装置的一个行星轮或多个行星轮共同作用。齿圈在图4中不可见，因为整个行星传动装置连同齿圈设置在行星传动装置的壳体41中。
行星传动装置与轴承4组合，经由所述轴承支承与行星传动装置共同作用的轴5。轴承4例如是滚动轴承。
在齿圈的外侧上设置有用于在齿圈中产生声表面波的发送器2以及用于接收由发送器2产生的声表面波的接收器3。由发送器2和接收器3构成的设置如在上述实施例中那样用于确定啮合装置1的特性，也就是说，在这种情况下用于确定行星传动装置的特性。特别地，可获得关于行星传动装置的润滑剂的状态的报告。
图5示出在不同的时间点接收器3的信号的时间变化曲线；特别地，在行星传动装置运行之前和在行星传动装置5运行期间(自大约3.4s起)。可以看到，在传动装置运行之前(时间区域“A”)，接收器信号(y轴)除了噪音部分外是恒定的。在行星传动装置开始运转(时间区域“B”)之后显示出接收器信号的振幅的周期性波动(具有最小值PR)，所述周期性波动归因于行星传动装置的行星轮的转动。
根据例如接收器信号在其最大值的范围中的振幅的绝对值和/或时间变化曲线，例如能够推断在行星传动装置中润滑剂的状态。在信号最大值的范围中的时间变化曲线能够分别视为行星轮的“指纹”。
除了在行星传动装置5处的测量外，也能够进行在轴承4处的测量。为此，同样将用于产生声表面波的发送器21以及用于接收所产生的声表面波的接收器31设置在壳体41的外侧上。
图6A和6B涉及图1的啮合装置1的一个变型形式，据此发送器2和接收器3不仅平行于齿条12的运动方向而且沿着平行于齿轮11的转动轴线的方向彼此错开地设置在齿条12上。在此，在发送器2和接收器3之间存在齿条12的至少一个齿1211，使得由发送器2产生的表面声波相对于齿1211的侧沿(齿面)1212成一定角度传播直至接收器3。
也可以考虑的是，发送器2和接收器3平行于齿1211的齿面1212设置，也就是说，仅沿着平行于齿轮11的转动轴线的方向具有彼此错位(图7A、7B)。由发送器2产生的表面声波相应地至少基本上平行于齿面1212传播直至接收器3。
附图标记列表
1 啮合装置
2，21 发送器
3，31 接收器
4 轴承
5 轴
11 齿轮
12 齿条
111 齿部齿轮
121 齿部齿条
1111 齿齿轮
1211 齿齿条
1212 齿面

Claims (19)

1.一种啮合装置，具有：
-至少一个第一元件(11)，所述第一元件具有齿部(111)，和
-至少一个第二元件(12)，所述第二元件与所述第一元件(11)共同作用，
其特征在于，
设有至少一个设置在所述第一元件或所述第二元件(11，12)上的接收器(3)，所述接收器用于接收在所述第一元件和/或所述第二元件(11，12)中激发的声波(SAW)，其中通过评估在所述接收器(3)接收所述声波(SAW)时产生的信号，能够确定关于所述啮合装置(1)的特性的信息。
2.根据权利要求1所述的啮合装置，其特征在于，所述第一元件(11)是齿轮。
3.根据权利要求1或2所述的啮合装置，其特征在于，所述第一元件(11)是齿圈，尤其行星传动装置的齿圈，锥齿轮、冠齿轮、混合齿轮或者椭圆齿轮。
4.根据上述权利要求中任一项所述的啮合装置，其特征在于，所述第二元件(12)同样具有齿部(121)。
5.根据权利要求4所述的啮合装置，其特征在于，所述第二元件(12)是齿条。
6.根据权利要求4或5所述的啮合装置，其特征在于，所述第一元件和所述第二元件(11，12)的齿部的齿面弧形地伸展，或者倾斜于所述第一元件或所述第二元件(11，12)的运动方向伸展。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的啮合装置，其特征在于，所述第一元件和所述第二元件(11，12)的齿部构成摆线齿部或者渐开线齿部。
8.根据上述权利要求中任一项所述的啮合装置，其特征在于，设有至少一个发送器(2)，所述发送器用于在所述第一元件和/或所述第二元件(11，12)中激发声波(SAW)。
9.根据权利要求8所述的啮合装置，其特征在于，所述发送器(2)构成为，在所述第一元件和/或所述第二元件(11，12)中激发声表面波。
10.根据上述权利要求中任一项所述的啮合装置，其特征在于，所述接收器(3)和所述发送器(2)设置在所述第一元件(11)上，或者所述接收器(3)和所述发送器(2)设置在所述第二元件(12)上。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的啮合装置，其特征在于，所述接收器(3)和所述发送器(2)设置在所述第一元件(11)的背离齿部(111)的一侧上，或者所述接收器(3)和所述发送器(2)设置在所述第二元件(11)的背离齿部(121)的一侧上。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的啮合装置，其特征在于，所述第一元件(11)是行星传动装置的齿圈，其中所述发送器(2)和所述接收器(3)设置在所述齿圈的外侧上。
13.根据权利要求8至11中任一项所述的齿轮装置，其特征在于，所述第一元件(11)是具有外齿部和开口(112)的齿轮，其中所述发送器(2)和所述接收器(3)设置在所述开口(112)中。
14.根据权利要求8至13中任一项所述的啮合装置，其特征在于，所述发送器(2)和/或所述接收器(3)经由固定机构能松开地与所述第一元件或所述第二元件(11，12)连接。
15.根据上述权利要求中任一项所述的啮合装置，其特征在于，所述发送器(2)和所述接收器(3)设置为，使得所述声波(SAW)相对于所述第一元件和/或所述第二元件(11，12)的齿面成一定角度传播。
16.一种用于确定啮合装置的特性的方法，尤其在使用根据上述权利要求中任一项所述的啮合装置(1)的情况下，所述方法具有如下步骤：
-提供至少一个第一元件(11)以及至少一个第二元件(12)，所述第一元件具有齿部(111)，所述第二元件与所述第一元件(11)共同作用，
-在所述第一元件和/或所述第二元件(11，12)中激发声波(SAW)，
其特征在于，
借助于设置在所述第一元件或所述第二元件(11，12)上的接收器(3)接收在所述第一元件和/或所述第二元件(11，12)中激发的声波(SAW)，并且通过评估在所述接收器(3)接收所述声波时产生的信号确定关于所述啮合装置(1)的特性的信息。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，通过评估所述接收器(3)的信号确定所述啮合装置(1)的润滑剂的特性、关于作用到所述啮合装置(1)上的负荷的信息和/或关于所述第一元件或所述第二元件(11，12)的运动的信息，和/或探测所述第一元件或所述第二元件(11，12)的缺陷。
18.根据权利要求16或17所述的方法，其特征在于，评估所述接收器(3)的信号包括：评估所述信号的振幅、频率谱和/或包络线和/或在所述信号中结构的时间间隔。
19.根据权利要求16至18所述的方法，其特征在于，评估所述接收器(3)的信号包括：识别所述接收器信号的变化曲线中的模式。
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