JP2019505002A

JP2019505002A - 伝動ギヤシステム、および伝動ギヤシステムの特性を判断するための方法

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Publication number: JP2019505002A
Application number: JP2018542180A
Authority: JP
Inventors: ブリュックナー・クリストフ; ディラー・ヴォルフガング; シュティヒ・セバスティアン
Original assignee: Bestsens AG
Current assignee: Bestsens AG
Priority date: 2016-02-12
Filing date: 2017-02-10
Publication date: 2019-02-21
Also published as: EP3414561A1; US20190033168A1; CN108700555A; WO2017137586A1; DE102016202176A1

Abstract

【課題】伝動ギヤシステム、および伝動ギヤシステムの特性を判断する方法を提供する。【解決手段】本発明の伝動ギヤシステムは、歯（１１１）を持つ少なくとも一つの第一の構成要素（１１）と、第一の構成要素（１１）と共に作動する少なくとも一つの第二の構成要素（１２）とを持つ。本発明においては、第一または第二の構成要素（１１，１２）に取り付けられ、第一または第二の構成要素（１１，１２）で発信した音波（ＳＡＷ）を受信する少なくとも一つの受信機（３）を持ち、音波（ＳＡＷ)を受信した時、伝動ギヤシステム（１）の特性に関する情報を、受信機（３）により生成された信号を評価して決定することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、請求項１の前提部に記載されているような伝動ギヤシステム、および請求項１６の前提部に記載された伝動ギヤシステムの特性を判断する方法に関する。

伝動ギヤシステムは、様々な技術分野で、例えば伝動装置の構成部品として使用されている。伝動ギヤシステムには、第一の構成要素が少なくとも一つ含まれ、それが伝動ギヤを介して別の少なくとも一つの構成要素と（特には形状接続されて）共に作動する。第二の構成要素も同様に、例えば伝動ギヤ、またはその他の構造体（ウオームギヤと共に作動するウオームのようなねじ状の構造体）を持ち、それに第一の構成要素の伝動ギヤが噛み合う。伝動ギヤ（伝動ギヤシステム）を使用する時に問題となるのは、伝動ギヤシステムの作動中にコンポーネントの状態をチェックするのが困難な点である。

本発明の基礎となる問題は、伝動ギヤのコンポーネントの特性を、運転中においても決定することである。

この問題は請求項１による伝動ギヤシステム、および請求項１６の方法により解決する。

そのために、伝動ギヤシステムは
―伝動ギヤ（１１１）を持つ少なくとも一つの第一の構成要素と
―前記第一の構成要素（１１）と共に作動する少なくとも一つの第二の構成要素（１２）と、
―前記第一および/または第二の構成要素（１１，１２）に配置されて前記第一および/または第二の構成要素（１１，１２）で発信された音波（ＳＡＷ）を受信する少なくとも一つの受信機（３）とを備え、前記音波（ＳＡＷ）の受信時に、前記受信機（３）で生成された（電気）信号を評価して、前記伝動ギヤシステム（１）の特性に関する情報を判断することを特徴とする伝動ギヤシステム。

本発明は基本的に、伝動ギヤシステムのどんなコンポーネントとも合わせて使用することができる。例えば、伝動ギヤシステムの第一の構成要素を歯車で構成し、それが、例えば別の歯車、またはラックの形の第二の構成要素と共に作動（協働）する。さらには、第一の構成要素を遊星伝動装置のリングギヤ、すなわち内周に沿って構成された伝動ギヤを有する構成要素としてもよい。

本発明による伝動ギヤシステムは第一および/または第二の構成要素で音波を発信する少なくとも一つの送信機を有し、特に受信機は、送信機で発生した音波をキャッチする。例えば送信機は、表面音波を第一および/または第二の構成要素で発信するように構成する。特に、送信機は、ラム波またはラム―レイリー波の形の表面音波を第一および/または第二の構成要素で発信でき、それが送信機から受信機に伝播するように構成できる。例えばラム波を発生させるために、第一および/または第二の構成要素の比較的小さい（特に発信された表面音波の波長より小さい）厚さを持った領域に表面音波を生成する。
表面音波の周波数は、第一および第二の構成要素の厚さに応じて選ばれる；例えば５００ｋＨｚから２ＭＨｚ、または８００ｋＨｚから１．５ＭＨｚの範囲の周波数が使われる。

受信信号を評価することで、例えば伝動ギヤシステムの（特には第一と第二の構成要素との間にある）潤滑剤の状態（例えば、温度、組成、および/またはこれらの特性の変化）に関する情報が得られる。第一または第二の構成要素で発生した表面音波の一部は、特に潤滑剤中での音速(acoustic velocity)が表面音波の速度より小さい時、（通常の潤滑剤、例えば油の場合）潤滑剤中で分離される。

表面音波の一部が分離することで受信信号が変化するが、その変化は潤滑剤の特性に依存する。例えば受信信号の振幅は、潤滑剤の量に依存して変わるので、信号の振幅を（適当な較正を行った後）評価して、例えば潤滑剤の量（例えば第一と第二の構成要素の間にある潤滑剤フィルムの厚さ）に関する情報を引き出すことができる。

受信信号の評価は、特には評価ユニットにより行われ、そのようなユニットは、例えば適当にプログラムされたプログラム可能なユニットで実現される。評価ユニットを受信機から離れたところに配置して、受信信号を例えば無線で評価ユニットに送信することも可能である。

本発明の他の派生形態においては、受信機も発信機も、ともに第一の構成要素に配置している。勿論、受信機と発信機をともに第二の構成要素に配置することも可能である。例えば、既に説明したように第一の構成要素を（特には、例えば内側伝動ギヤを持つ遊星伝動装置の）リングギヤとし、送信機と受信機をリングギヤの外側に配置する。また、第一の構成要素を傘歯車、冠歯車(crown gear)、ハイブリッド歯車、または楕円歯車としてもよい。

例えば、送信機で音波を発信し、それが第一および/または第二の構成要素の伝動ギヤに沿って伝播し、またそれが特には第一の構成要素の伝動ギヤの、第二の構成要素との（特には第二の構成要素の伝動ギヤとの）接触面に沿って伝播する。

例えば受信機と送信機を第一の構成要素の伝動ギヤから離れた側、または受信機と送信機を第二の構成要素の伝動ギヤから離れた側に配置する。

さらに、既に先に説明したように、第一の構成要素は、歯車としてもよく、また受信機も送信機もともに（例えばピニオンの形に形成した）歯車の上に、あるいはその中に形成することもできる。特に、歯車は外側の伝動ギヤを持ち、また（例えば中心に）孔があり、受信機と送信機をその孔に配置する。他の派生形態においては、第二の構成要素をラックとして形成して、送信機も受信機もともにラックに配置する。例えばそのラックは固定されている（すなわち伝動ギヤシステムの外側の保持用構造に固定される）。ラックを送信機と受信機とともに動くようにすることも当然可能である。特には、送信機と受信機を、（特には歯車の形の）第一の構成要素から離れた（特にはもう一つの歯車またはラックの形の）第二の構成要素の側に配置する。

本発明の別の実施形態において、第一と第二の構成要素の伝動ギヤの歯面は、アーチ状に、または第一と第二との構成要素の動く方向に対して傾いて延びる。第一および第二の構成要素の伝動ギヤをサイクロイド伝動ギヤ、またはインボリュート伝動ギヤに形成することも可能である。

送信機、および/または受信機を、例えばインターデジタル変換器のように形成するが、本発明では、当然ながら送信機または受信機を特定のタイプに限定するものではない。さらに、送信機は音波（特には表面音波）のパルス、例えば異なる周波数のパルスを発生させることもできる。また例えばＦＭあるいはＡＭ変調パルスを使うことも可能である。

さらに、送信機および/または受信機は、特に固定手段を用いて第一または第二の構成要素と分離可能に連結される。例えば分離可能な接着剤を固定手段として用いる。機械的な固定手段を備えることも可能で、それにより、伝動ギヤシステムの第一または第二の構成要素に、受信機および/または送信機を分離可能に、例えばねじ結合により、またはばね機構を用いて（例えばクランプで）固定することも考えられる。さらには送信機、あるいは受信機と、第一または第二の構成要素との間に連結手段を配置して、第一または第二の構成要素での音波の連結をよくすることができる。連結手段としては例えば、適当な音響特性をもつペースト状の材料、またはシリコンもしくはその他の音響伝導性の材料で作られたパッドが挙げられる。また、受信機と送信機が共通の構造ユニットを構成することも可能で、特に送信機と受信機が共通のハウジング中に、および/または共通の支持部材上に配置される。

さらに、第一および/または第二の構成要素の歯面に対して音波がある角度で伝播するように、送信機と受信機の間の相対位置を決めることもできる。また当然、発信した音波が伝動ギヤの少なくともいくつかの歯面に平行に伝播するように、送信機と受信機を配置することもできる。

さらに、第一または第二の構成要素中に音波を発生させるために、必ず送信機が必要というわけではない。それに代わって、本発明の実現のため、伝動ギヤシステムの運転中に、伝動ギヤシステムのコンポーネントの（特には第一または第二の構成要素の）振動または運動によって発生する音波も使用できる。また受信機を変換器で実現し、それが同時に送信機として働くようにすることも可能である。変換器により生成された音波が、その変換器自身で受信されるように誘導できる。例えば、反射構造体を備えて、それを用いて音波を変換器の方に戻す。

本発明は、特には上記のような伝動ギヤシステムを使用する場合において、伝動ギヤシステムの特性を、以下のステップで判断する方法に関する；
―伝動ギヤを持つ少なくとも一つの第一の構成要素、および第一の構成要素と共に作動する少なくとも一つの第二の構成要素を備え、
―第一および/または第二の構成要素に音波を発生し、
―第一および/または第二の構成要素で発信した音波を第一および/または第二の構成要素に配置した受信機で受信し、音波を受信した時に、受信機が生成した信号を評価して伝動ギヤシステムの特性に関する情報を判断する。

先に述べた伝動ギヤシステムの潤滑剤に関する情報の判断の他に、受信機の信号の評価により伝動ギヤシステムのその他の特性、例えば伝動ギヤシステムに加わる負荷に関する情報、第一または第二の構成要素の動きに関する情報を判断することができ、および/または第一または第二の構成要素の不具合、例えばこれらの構成要素の伝動ギヤの歯の不具合を検知できる。

受信機の信号の評価には、例えば、振幅、信号の周波数スペクトラム、および/またはエンベロープ、および/または信号中の構造体の時間間隔の評価が含まれる。それに代わり、または追加して、信号受信中にパターンを認識するためにパターン認識の方法も使用可能であり、それを使用して、例えば伝動ギヤの歯の数を判断する等、伝動ギヤシステムの特性を示すことができる。

本発明を、以下の実施形態に基づいて、図と関連付けながら詳細に説明する。

本発明の第１実施形態による伝動ギヤシステムである。本発明の第２実施形態による伝動ギヤシステムである。図２の伝動ギヤシステムの変形例の図である。本発明の第３実施形態による伝動ギヤシステムの鳥瞰図である。図４の伝動ギヤシステムに配置された音響受信機の信号である第４実施形態による伝動ギヤシステムの平面図である。図６Ａの伝動ギヤシステムの側面図である。第５実施形態による伝動ギヤシステムの平面図である。図７Ａの伝動ギヤシステムの側面図である。

図１の本発明に基づく伝動ギヤシステム１には、歯車１１として構成された、外周伝動ギヤ１１１を持つ第一の構成要素が含まれ、その歯車１１は、ラック１２の形をした第二の構成要素と共に作動する、つまり協働する。ラック１２は複数の歯１２１１を持つ伝動ギヤ１２１を有し、それらの歯はそれぞれ、歯車１１の伝動ギヤ１１１の歯１１１１の間の隙間に公知の方法で噛み込む。これによって、歯車１１とラック１２との間に形状接続的な連結ができる。

ラック１２の歯車１１から離れた側、つまり歯車１１と反対側に、ラック１２に表面音波を発生するための送信機２が配置される。表面音波は、特に歯車１１から離れた、かつラック１２の伝動ギヤ１２１がある面にも伝播し、具体的に言うと、送信機２のように、ラック１２の歯車１１から離れた側に取り付けられた受信機３の方向に向かって伝搬する。

送信機２および/または受信機３はラック１２に固定するように連結できる。勿論、既に説明したように、送信機２および/または受信機３を分離可能に（例えば、分離可能な材料接続による結合により）ラック１２に連結することもできる。

送信機２で生成された表面音波の受信時に、受信機３の信号を評価することにより、伝動ギヤシステム１の状態に関する情報を確認することができる。先に述べたように、例えば、歯車１１とラック１２との間にある潤滑剤の状態を確認できる。また構成要素１１，１２の不具合、例えば歯車１１および/またはラック１２の伝動ギヤの歯の不具合が、受信信号の変化によって明らかになる。このように受信信号の評価によって、同様の不具合を検知することもできる。

また、例えば、受信信号をもとに、潤滑剤の量の時間的変化を（特に伝動ギヤシステム１の運転中に）監視することもできる。さらに、伝動ギヤシステムへの（例えば水のような）異常な液体の侵入を受信信号の評価により判断することもできる。さらに、受信信号の評価により伝動ギヤシステムの負荷の変動、例えば、歯車１１に対するラック１２のプリロード（予圧）の変化を判断できる。

当然ながら、送信機２と受信機３からなる配列をラック１２に配置することが必ず必要ということはない。代わりに送信機と受信機２，３を歯車１１に配置することも可能である。このためには歯車が中心に孔１１２を有し、孔１１２を区切るように歯車１１の内周に送信機と受信機２，３を配置する；図２参照。これにより、表面音波（ＳＡＷ）は歯車１１に伝播する。特に、表面音波ＳＡＷは、歯車１１のラック１２に向き合う（伝動ギヤ１１１を持つ）側に伝わり、それにより受信信号により伝動ギヤの区域での変化を感知する。これは上記の図１の実施形態にも当てはまる。

図３は図２の派生形態である。この場合、送信機２と受信機３との間隔は図２より小さく、特に送信機と受信機２，３の間隔は、ほぼ伝動ギヤ１１１の歯の幅となる。好ましくはこの配列においては受信信号が評価され、その信号は歯車１１のほぼ全周にわたり（図３では時計廻りに）伝わる表面音波によるものである。受信信号の評価により、このように可能な限り広い区域で伝動ギヤ１１１の不具合を把握することができる。

図４は、本発明に基づいて、軸受ユニット４と組み合わせた、伝動ギヤシステム１の斜視図である。この実施形態においては、伝動ギヤシステム１は遊星伝動装置の形に構成され、リングギヤとして形成された第一の構成要素を有する。そのリングギヤは内側伝動ギヤを備えており、それが遊星伝動装置の一つまたは複数の遊星歯車と共に作動する。リングギヤを含めて遊星伝動装置全体が遊星伝動装置のハウジング４１中に配置されているため、図４ではリングギヤは見えない。

遊星伝動装置は軸受４と組み合わされ、それを介して遊星伝動装置と共に作動する軸５が取り付けられる。軸受４は、例えば転がりベアリングとする。

リングギヤに表面音波を発生させるための送信機２、および送信機２で発生した表面音波を受信するための受信機３が、リングギヤの外側に配置される。前述の実施形態のように、送信機２と受信機３とによる配列は、伝動ギヤシステム１、すなわちこの場合遊星伝動装置の特性を判断する働きをする。特に、遊星伝動装置の潤滑剤の状態に関する情報を得ることが出来る。

図５は異なる時点における受信機３の信号の時間的推移；特には遊星伝動装置の運転前，および遊星伝動装置５の運転中（約３．４秒から）を示す。ギヤ装置の作動（時間区域“Ａ”）の前は、ノイズを含めて受信信号（ｙ軸）は一定である。遊星伝動装置の始動後（時間区域“Ｂ”）には、遊星伝動装置の遊星歯車の回転に伴って起きる周期的な受信信号の振幅の変動（最小ＰＲで）が現れる。

例えば振幅の大きさ、および/または受信信号の最大値の区域での時間的推移により、例えば、遊星伝動装置の潤滑剤の状態について推定することができる。信号の最大値の区域での時間の推移は、時間毎の遊星歯車の“指紋”とみなすことができる。

遊星伝動装置１での計測に加えて、図４の軸受４で計測することも可能である。このために、表面音波を生成する送信機２１，および生成された表面音波を受信するための受信機３１が、同じようにハウジング４１の外側に配置される。

図６Ａと図６Ｂは図１の伝動ギヤシステム１の変形例で、送信機２と受信機３を、ラック１２の運動方向と平行に、また歯車１１の回転軸に平行な方向に互にずらしてラック１２に配置する。その場合ラック１２の歯１２１１の少なくとも一つが送信機２と受信機３との間にあって、送信機２で生成された表面音波が歯１２１１の側面（歯面）１２１２に対してある角度持って受信機まで伝播する。

また送信機２と受信機３を歯１２１１の歯面１２１２に平行に、すなわち歯車１１の回転軸に平行な方向にのみ互にずらして配置することも可能である。（図７Ａ、７Ｂ）。これによって送信機２から生成された表面音波は、少なくとも歯面１２１２にほぼ平行に受信機３まで伝播する。

１伝動ギヤシステム
２、２１送信機
３、３１受信機
４軸受
５軸
１１歯車
１２ラック
１１１歯車の伝動ギヤ
１２１ラックの伝動ギヤ
１１１１歯車の歯
１２１１ラックの歯
１２１２歯面

Claims

―伝動ギヤ（１１１）を持つ少なくとも一つの第一の構成要素と
―前記第一の構成要素（１１）と共に作動する少なくとも一つの第二の構成要素（１２とを有する伝動ギヤシステムにおいて、
―前記第一および/または第二の構成要素（１１，１２）に配置されて前記第一および/または第二の構成要素（１１，１２）で発信された音波（ＳＡＷ）を受信する少なくとも一つの受信機（３）を備え、前記音波（ＳＡＷ）の受信時に、前記受信機（３）で生成された信号を評価して、前記伝動ギヤシステム（１）の特性に関する情報を判断することを特徴とする伝動ギヤシステム。
請求項１の伝動ギヤシステムにおいて、前記第一の構成要素（１１）を歯車とすること特徴とする伝動ギヤシステム。
請求項１または２の伝動ギヤシステムにおいて、前記第一の構成要素（１１）を、特には遊星伝動装置のリングギヤを、円錐歯車、冠歯車、ハイブリッド歯車または楕円歯車とすることを特徴とする伝動ギヤシステム。
請求項１から３のいずれか一項に記載の伝動ギヤシステムにおいて、前記第二の構成要素（１２）も同様に伝動ギヤ（１２１）を持つことを特徴とする伝動ギヤシステム。
請求項４に記載の伝動ギヤシステムにおいて、前記第二の構成要素をラックとすることを特徴とする伝動ギヤシステム。
請求項４または５のいずれか一項に記載の伝動ギヤシステムにおいて、前記第一および第二の構成要素（１１，１２）の前記伝動ギヤの歯面が、前記第一および/または第二の構成要素（１１，１２）の運動方向に対してアーチ状に、または傾いて並ぶことを特徴とする伝動ギヤシステム。
請求項４から６のいずれか一項に記載の伝動ギヤシステムにおいて、前記第一、および第二の構成要素（１１，１２）の前記伝動ギヤがサイクロイド歯またはエボリュート歯で構成されることを特徴とする伝動ギヤシステム。
請求項１から７のいずれか一項に記載の伝動ギヤシステムにおいて、前記第一および/または第二の構成要素（１１，１２）に音波（ＳＡＷ）を発信するため少なくとも一つの送信機（２）を持つことを特徴とする伝動ギヤシステム。
請求項８に記載の伝動ギヤシステムにおいて、前記送信機（２）が表面音波を前記第一および/または第二の構成要素（１１，１２）に発信するように構成されたことを特徴とする伝動ギヤシステム。
請求項１から９のいずれか一項に記載の伝動ギヤシステムにおいて、前記の受信機（３）と送信機（２）が第一の構成要素（１１）に、あるいは受信機（３）と送信機（２）が第二の構成要素（１２）に配置されたことを特徴とする伝動ギヤシステム。
請求項８から１０のいずれか一項に記載の伝動ギヤシステムにおいて、前記受信機（３）と前記送信機（２）が、前記第一構成要素（１１）の前記伝動ギヤ（１１１）から離れた側に、または前記受信機（３）と前記送信機（２）が、第二の構成要素（１２）の伝動ギヤ（１２１）から離れた側に配置されたことを特徴とする伝動ギヤシステム。
請求項８から１１のいずれか一項に記載の伝動ギヤシステムにおいて、前記第一の構成要素（１１）が遊星伝動装置のリングギヤで、その送信機（２）と受信機（３）がリングギヤの外側に配置されたことを特徴とする伝動ギヤシステム。
請求項８から１１のいずれか一項に記載の伝動ギヤシステムにおいて、前記第一の構成要素（１１）を、外側の伝動ギヤと孔（１１２）を持つ歯車とし、その孔（１１２）に送信機（２）および受信機（３）が配置されたことを特徴とする伝動ギヤシステム。
請求項８から１３のいずれか一項に記載の伝動ギヤシステムにおいて、前記送信機（２）および/または受信機（３）が固定手段によって、分離可能に前記第一または第二の構成要素（１１，１２）に連結されたことを特徴とする伝動ギヤシステム。
請求項１から１４のいずれか一項に記載の伝動ギヤシステムにおいて、前記音波（ＳＡＷ）が、前記第一および/または第二の構成要素（１１，１２）の歯面に対してある角度を持って伝播するように、前記送信機（２）および受信機（３）が配置されたことを特徴とする伝動ギヤシステム。
特に請求項１から１５のいずれか一項に記載の伝動ギヤシステム（１）を使用する伝動ギヤシステム（１）の特性を判断する方法であって、
―伝動ギヤ（１１１）を持つ少なくとも一つの第一の構成要素（１１）と、前記第一の構成要素（１１）と共に作動する少なくとも一つの第二の構成要素（１２）とを設け、
―前記第一および/または第二の構成要素（１１，１２）に音波（ＳＡＷ）を発信する
というステップにより伝動ギヤシステムの特性を判断する方法において、
前記第一および/または第二の構成要素（１１，１２）で生成された前記音波（ＳＡＷ）を前記第一および/または第二の構成要素（１１，１２）に配置した受信機（３）で受信し、また音波の受信時に、受信機（３）で生成された信号を評価して、伝動ギヤシステム（１）の特性に関する情報を判断することを特徴とする方法。
請求項１６に記載の方法において、前記受信機（３）の信号の評価により、前記伝動ギヤシステム（１）の潤滑剤の特性、前記伝動ギヤシステム（１）に加わる負荷に関する情報、および/または前記第一または第二の構成要素（１１，１２）の動きに関する情報を判断し、および/または前記第一および/または第二の構成要素（１１，１２）の不具合を検知することを特徴とする方法。
請求項１６または１７に記載の方法において、前記受信機（３）の前記信号の評価に、振幅、周波数スペクトラム、および/または信号、および/または信号中の構造体間の時間間隔のエンベロープの評価を含むことを特徴とする方法。
請求項１６から１８のいずれか一項に記載の方法において、前記受信機（３）の前記信号の評価に、信号受信が流れている間のパターン認識を含むことを特徴とする方法。