DE102016220101A1

DE102016220101A1 - Akustische Brücke

Info

Publication number: DE102016220101A1
Application number: DE102016220101.8A
Authority: DE
Inventors: Georg Tenckhoff; Michael Gierling
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2016-10-14
Filing date: 2016-10-14
Publication date: 2018-04-19
Also published as: CN109791091A; EP3526576A1; WO2018069017A1; US20210372885A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit mindestens einem Schallwandler (107) und mindestens einem Bauteil (101); wobei das Bauteil (101) relativ zu dem Schallwandler (107) bewegbar ist; und wobei zwischen dem Bauteil (101) und dem Schallwandler (107) ein Spalt (109) verläuft. Der Spalt (109) ist mit einer Flüssigkeit befüllt oder befüllbar.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Um den Zustand eines Getriebes zu überwachen (Condition Monitoring), müssen Sensoren an sich drehenden Wellen befestigt werden. Die gemessenen Daten werden gewöhnlich drahtlos übertragen. Dies ist nicht nur fehleranfällig, sondern stellt auch einen Kostenfaktor dar.
In der Ultraschalltechnik wird zu berührungslosen zerstörungsfreien Werkstoffprüfung eine Flüssigkeitssäule in Form eines laminaren Strahls einer blasenfreien Flüssigkeit verwendet. Über die Flüssigkeitssäule wird Ultraschall in ein zu prüfendes Werkstoff eingeleitet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Übertragung von Schall zwischen einem sich bewegenden Bauteil und einem Schallwandler zu verbessern.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung nach Anspruch 1. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen enthalten.
Die Anordnung umfasst mindestens einen Schallwandler und mindestens einen Bauteil. Bei dem Schallwandler handelt es sich um einen Schallsensor und/oder -emitter. Der Schallwandler ist also ausgebildet, Schall zu imitieren und/oder zu detektieren.
Bei dem Schall handelt es sich vorzugsweise um Ultraschall.
Das Bauteil ist relativ zu dem Schallwandler bewegbar. Insbesondere kann das Bauteil relativ zu dem Schallwandler drehbar gelagert sein. So handelt es sich bei dem Bauteil beispielsweise um eine Welle. Der Schallwandler ist bevorzugt ortsfest angeordnet.
Zwischen dem Bauteil und dem Schallwandler verläuft ein Spalt. Mit Spalt wird ein beliebig beschaffener Zwischenraum zwischen dem Bauteil und dem Schallwandler bezeichnet. Es handelt sich um einen Raum, an dem das Bauteil und der Schallwandler angrenzen. Vorzugsweise ist die Ausdehnung des Spalts in eine erste Raumrichtung und in eine zweite Raumrichtung größer als die Ausdehnung des Spalts in eine dritte Raumrichtung. Die Ausdehnung in die dritte Raumrichtung entspricht einem Abstand zwischen dem Bauteil und dem Schallwandler.
Der Spalt ist erfindungsgemäß mit einer Flüssigkeit befüllt oder befüllbar. Die Flüssigkeit dient der Übertragung von Schall zwischen dem Bauteil und dem Schallwandler.
In einer bevorzugten Weiterbildung weist die Anordnung mindestens eine Leitung zum Leiten einer Flüssigkeit auf. Diese mündet in den Spalt, ist also flüssigkeitsleitend mit dem Spalt verbunden. Durch die Leitung kann die Flüssigkeit in den Spalt eingeleitet werden. Die Flüssigkeit ist dabei mit einem Druck beaufschlagt.
Eine Abdichtung des Spalts ist nicht erforderlich. Es ist ausreichend, wenn der Spalt so beschaffen ist, dass ein ausreichender Gegendruck aufgebaut wird.
Um die Flüssigkeit mit dem Druck zu beaufschlagen, ist in einer darüber hinaus bevorzugten Weiterbildung mindestens ein Mittel zum Beaufschlagen der Flüssigkeit mit dem Druck vorgesehen. Bei dem Mittel handelt es sich etwa um eine Schmierstoffpumpe. Der Spalt ist flüssigkeitsleitend mit diesem Mittel verbunden. Insbesondere kann der Spalt durch die oben beschriebene Leitung flüssigkeitsleitend mit dem Mittel verbunden sein.
Ein Lagerspalt eines hydrostatischen Gleitlagers, das flüssigkeitsleitend mit dem Mittel verbunden ist, ist vorzugsweise mit dem obengenannten Spalt identisch. Anstelle des hydrostatischen Gleitlagers kann in einer bevorzugten Weiterbildung auch ein hydrodynamisches Gleitlager verwendet werden, das den Spalt ausbildet.
Das Bauteil ist mittels des Gleitlagers drehbar gelagert, d.h. das Bauteil ist in einer ersten Lagerschale des Gleitlagers fixiert. Die erste Lagerschale bildet mit einer zweiten Lagerschale einen Lagerspalt, der mit einem Schmierstoff gefüllt ist. Der Schallwandler ist derart in die zweite Lagerschale integriert, dass der Schmierstoff die erste Lagerschale und den Schallwandler akustisch koppelt. Über die erste Lagerschale sind infolge dessen auch das Bauteil und der Schallwandler akustisch gekoppelt.
In einer bevorzugten Weiterbildung handelt es sich bei der Flüssigkeit um Schmierstoff. Es kann sich um den Schmierstoff des hydrodynamischen oder hydrostatischen Gleitlagers handeln oder um Schmierstoff, der über ein Leitungssystem zu Schmierstellen eines Getriebes gefördert wird. Die oben beschriebene Leitung, die flüssigkeitsleitend mit dem Spalt verbunden ist, ist Teil dieses Leitungssystems. Dies hat den Vorteil, dass Komponenten verwendet werden können, die ohnehin in einem Getriebe vorhanden sind.
Die Anordnung ist zur Verwendung im Bereich der akustischen Telemetrie geeignet. So ist der Schallwandler in einer bevorzugten Weiterbildung ausgebildet, akustische Daten zu wandeln. Daten sind nach ISO/IEC 2383-1 interpretierbare, formalisierte Darstellungen von Informationen. Insbesondere können die Informationen maschinell interpretiert werden. Vorliegend sind die Daten in einem über den Spalt zu übertragenden akustischen Signal kodiert. Der Schallwandler wandelt dieses Signal vorzugsweise in ein elektrisches Signal und/oder erzeugt dieses aus dem elektrischen Signal. In dem elektrischen Signal sind dieselben Daten wie in dem akustischen Signal kodiert.
Auf akustischem Wege lassen sich die physikalischen Eigenschaften des Bauteils ermitteln. Hierzu umfasst die Anordnung in einer bevorzugten Weiterbildung mindestens eine Auswerteeinheit. Diese ist ausgebildet, ein von dem Schallwandler bereitgestelltes Ausgangssignal zu verarbeiten. Der Schallwandler ist weiterbildungsgemäß als Schalldetektor ausgebildet wandelt Schall, der über den Spalt von dem Bauteil übertragen wird, in das Ausgangssignal. In Abhängigkeit mindestens einer physikalischen Eigenschaft des Bauteils ändert sich der Schall und infolge dessen das Ausgangssignal. Dies versetzt die Auswerteeinheit in die Lage, anhand des Ausgangssignals die physikalische Eigenschaft zu bestimmen.
Um den Schall in das Bauteil einzuleiten, ist vorzugsweise ein weiterer erfindungsgemäßer Schallwandler vorgesehen. Dieser ist als Schallerzeuger ausgebildet, wandelt also ein vorzugsweise elektrisches Signal in den Schall. Der Schall wird über den Spalt in das Bauteil eingeleitet.
Diese Einkopplung erfolgt bevorzugt unter Verwendung des Snelliusschen Brechungsgesetzes. Dabei wird ein Einkoppelwinkel gewählt, bei dem ein Teil der Wellenenergie beim Übergang vom akustisch dünneren ins akustisch dickere Medium total reflektiert wird. Der Differentialanteil bildet dann eine Oberflächenwelle im akustisch dichteren Medium. Dies geschieht mit dem Ziel, Kompressionswellen in der Flüssigkeit in Oberflächen- Scherwellen (Rileywellen) umzuwandeln, welche die Oberfläche des Bauteils entlanglaufen. Durch Indifferenz mehrerer solcher Wellen entsteht ein Signal, das Rückschlüsse über eine mechanische Belastung des Bauteils zulässt. Insbesondere lässt sich auf eine Verformung des Bauteils schließen, aus der sich wiederum ein Drehmoment ermitteln lässt, mit dem das Bauteil belastet wird.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt. Übereinstimmende Bezugsziffern kennzeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche Merkmale. Im Einzelnen zeigt:

1 eine Welle mit stirnseitig angebrachtem Schallwandler;
2 eine Welle mit längsseitig angebrachtem Schallwandler; und
3 einen Schallwandler mit einem Schichtsystem.

Eine in 1 dargestellte Welle 101 ist um eine Drehachse 103 drehbar gelagert. Eine Stirnseite 105 der Welle 101 bildet zusammen mit einem stirnseitig angeordneten Schallwandler 107 einen Spalt 109.
Der Schallwandler 107 ist mittels eines Elastomers 111 in einer ortsfesten Struktur 113 fixiert. Der Elastomer 111 dient der akustischen Entkopplung des Schallwandlers 107 und der ortsfesten Struktur 113.
Ein ortsfester Schmierstoffkanal 115 mündet in den Spalt 109. Der Schmierstoffkanal 115 ist also schmierstoffleitend mit dem Spalt 109 verbunden. Durch den Schmierstoffkanal 115 fließt Schmierstoff, der mit einem Druck beaufschlagt wird. Infolgedessen gelangt der Schmierstoff in den Spalt 109.
Mittels einer Labyrinthdichtung 117 wird der Spalt 109 gegenüber der Welle 101 abgedichtet. Die Labyrinthdichtung 117 bewirkt einen auf die einströmende Flüssigkeit wirkenden Gegendruck, der dazu führt, dass sich der Spalt 109 vollständig mit der Flüssigkeit füllt. Die Flüssigkeit koppelt die Welle und de Schallwandler 107 akustisch miteinander.
2 zeigt eine ähnliche Anordnung, bei der der Schallwandler 107 nicht stirnseitig angeordnet ist, sondern am Umfang der Welle 101. Der Spalt 109 verläuft dabei zwischen einer Mantelfläche 201 der Welle 101 und dem Schallwandler 107. Dies ermöglicht nicht nur eine Drehung der Welle 101, sondern auch eine axiale Verschiebung.
Verschiedene in 3 dargestellte Schichten 301 können beidseitig des Spalts angeordnet sein, um die akustische Impedanz der Übertragungsstrecke anzupassen.
Bezugszeichenliste

101: Welle
103: Drehachse
105: Stirnseite
107: Schallwandler
109: Spalt
111: Elastomer
113: ortsfeste Struktur
115: Leitung
117: Labyrinthdichtung
201: Mantelfläche
301: Schichten

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

ISO/IEC 2383-1 [0017]

Claims

Anordnung mit mindestens einem Schallwandler (107) und mindestens einem Bauteil (101); wobei das Bauteil (101) relativ zu dem Schallwandler (107) bewegbar ist; und wobei zwischen dem Bauteil (101) und dem Schallwandler (107) ein Spalt (109) verläuft; dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt (109) mit einer Flüssigkeit befüllt oder befüllbar ist.
Anordnung nach Anspruch 1; gekennzeichnet durch mindestens eine Leitung (115); wobei die Leitung (115) flüssigkeitsleitend mit dem Spalt (109) verbunden ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche; gekennzeichnet durch mindestens ein Mittel zum Beaufschlagen der Flüssigkeit mit einem Druck; wobei der Spalt (109) flüssigkeitsleitend mit dem Mittel verbunden ist.
Anordnung nach Anspruch 1; gekennzeichnet durch mindestens ein hydrodynamisches Gleitlager; wobei das Bauteil (101) mittels des Gleitlagers drehbar gelagert ist; und wobei der Schallwandler (109) mindestens teilweise in eine Lagerschale des Gleitlagers integriert ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche; dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Flüssigkeit um Schmierstoff handelt.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche; dadurch gekennzeichnet, dass der Schallwandler (107) ausgebildet ist, akustische Daten zu wandeln.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche; gekennzeichnet durch mindestens eine Auswerteinheit; wobei der Schallwandler (107) ausgebildet ist, Schall in ein Ausgangssignal zu wandeln; wobei die Auswerteinheit ausgebildet ist, anhand des Ausgangssignals mindestens eine physikalische Eigenschaft des Bauteils (101) zu bestimmen.