WO2017137586A1 - Verzahnungsanordnung und verfahren zum bestimmen von eigenschaften einer verzahnungsanordnung - Google Patents

Verzahnungsanordnung und verfahren zum bestimmen von eigenschaften einer verzahnungsanordnung Download PDF

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Christoph BRÜCKNER
Wolfgang Diller
Sebastian Stich
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Definitions

  • the invention relates to a gear arrangement according to the preamble of claim 1 and to a method for determining characteristics of a gear arrangement according to the preamble of claim 16.
  • Gear arrangements are used in various fields of technology, for example as a component of gearboxes.
  • a toothing arrangement comprises at least one first element, which cooperates via a toothing with at least one further element (in particular form-fitting manner).
  • the second element also has, for example, a toothing or another structure (such as the thread-like structure of a worm gear cooperating with a worm), in which engages the toothing of the first element.
  • a difficulty with the use of gears (gear arrangements) is that the condition of components of the gear arrangement during the operation of the gear arrangement is difficult to check.
  • the problem underlying the invention is to determine properties of components of a toothing during operation.
  • Gear arrangement can be determined.
  • the invention can be used with in principle with any components of a gearing arrangement.
  • the first element of the toothing arrangement is designed as a toothed wheel, which interacts with a second element in the form of a further toothed wheel or a toothed rack.
  • the first element is a ring gear of a planetary gear, i. an element with a toothing formed along an inner circumference.
  • the toothing arrangement according to the invention can also have at least one transmitter for exciting acoustic waves in the first and / or second element, wherein the receiver detects in particular the acoustic waves generated by the transmitter.
  • the transmitter is designed to excite surface acoustic waves in the first and / or second element.
  • the transmitter is designed so that it can excite surface acoustic waves in the form of Lamb waves or Lamb-Rayleigh waves in the first and / or second element which propagate from the transmitter to the receiver.
  • surface acoustic waves are generated in a region of the first and / or second element which has a relatively small thickness (which, in particular, is smaller than the wavelength of the excited surface acoustic waves).
  • the frequency of the surface waves is selected depending on the thickness of the first and second elements; For example, frequencies in the range between 500 kHz and 2 MHz or in the range between 800 kHz and 1 .5 MHz are used.
  • a lubricant of the toothed arrangement which is in particular between the first and the second element.
  • a portion of the surface acoustic waves generated in the first or second element will decouple into the lubricant, particularly if the speed of sound in the lubricant is less than the speed of the surface acoustic waves (which is the case for conventional lubricants such as oil).
  • the decoupling of a portion of the surface acoustic waves leads to a change in the receiver signal, the change depending on the nature of the lubricant.
  • the amplitude of the receiver signal will vary depending on the amount of lubricant, so that (after a corresponding calibration), for example, by evaluating the signal amplitude information about the amount of lubricant (eg the thickness of a present between the first and the second element lubricant film) can be derived.
  • the evaluation of the receiver signals takes place in particular via an evaluation unit, which is e.g. is realized by a suitably programmed programmable device. It is conceivable that the evaluation unit is arranged at a distance to the receiver, the receiver signals being e.g. be transmitted by radio to the evaluation unit.
  • both the receiver and the transmitter is arranged on the first element.
  • the receiver and the transmitter are arranged on the second element.
  • the first element is a ring gear (in particular a planetary gear, for example with an internal gear), wherein the transmitter and the receiver are arranged on an outer side of the ring gear.
  • the first element is a bevel gear, a crown gear, a hybrid gear or an elliptical gear.
  • sound waves are excited with the transmitter, which propagate along the toothing of the first and / or the second elements, and in particular spread along a contact surface of the toothing of the first element with the second element (in particular with a toothing of the second element) ,
  • the receiver and the transmitter are on a side facing away from the toothing of the first element or the receiver and the transmitter are arranged on a side facing away from a toothing of the second element.
  • the first element is a toothed wheel and both the transmitter and the receiver are arranged on or in the toothed wheel (which is approximately in the form of a pinion).
  • the gear has an outer toothing and has a (eg central) opening, wherein the transmitter and the receiver are arranged in the opening.
  • the second element is designed as a rack, wherein both the transmitter and the receiver are arranged on the rack.
  • the rack is fixed (ie fixed to a holder structure outside of the gear arrangement).
  • the rack is movable with the transmitter and the receiver.
  • the transmitter and the receiver are arranged on a side of the second element facing away from the first element (in particular in the form of a toothed wheel) (in particular in the form of a further toothed wheel or a toothed rack).
  • tooth flanks of the toothings of the first and the second element are curved or oblique to a direction of movement of the first or the second element. It is also conceivable that the teeth of the first and the second element form a cycloidal or involute.
  • Transmitter and / or receiver are e.g. formed in the manner of an interdigital transducer, but the invention is of course not set to a specific transmitter or receiver type. It is further conceivable that the transmitter generates pulses of acoustic waves (in particular surface acoustic waves), e.g. Pulses of different frequencies. It is also possible that modulated pulses are used, e.g. frequency or amplitude modulated pulses.
  • the transmitter and / or the receiver are also in particular connected via fastening means releasably connected to the first or the second element.
  • fastening means releasably connected to the first or the second element.
  • serves as a fastener releasable adhesive it is also conceivable that mechanical fastening means are provided which enable a releasable (about clamping) attachment of the transmitter and / or the receiver to the first or the second element of the tooth arrangement; eg by screw connection or by means of a Spring mechanism.
  • a coupling medium may be arranged between the transmitter or the receiver and the first or the second element in order to improve the coupling of acoustic waves into the first or the second element.
  • the transmitter and the receiver form a common unit; In particular, the transmitter and the receiver are arranged in a common housing and / or on a common carrier. In addition, the transmitter and the receiver may be arranged relative to one another such that the acoustic waves propagate at an angle to a tooth flank of the first and / or second element. Of course, it is also possible that the transmitter and the receiver are arranged so that the excited acoustic waves propagate parallel to at least some tooth flanks of the toothing.
  • a transmitter for generating acoustic waves in the first or the second element is not absolutely necessary. Rather, for the realization of the invention, acoustic waves can be used, which arise during operation of the toothing arrangement, in particular by vibrations or by the movement of components of the toothing arrangement (in particular of the first and / or the second element). It is also conceivable that the receiver is realized by a converter, which also acts as a transmitter. The acoustic waves generated by the transducer are guided so that they can be received by the transducer itself. For example, reflection structures can be provided, with the aid of which the acoustic waves are directed back to the converter.
  • the invention also relates to a method for determining properties of a gearing arrangement, in particular using a gearing arrangement as described above, with the steps:
  • the evaluation of the signal of the receiver includes, for example, an evaluation of an amplitude, a frequency spectrum and / or an envelope of the signal and / or a time interval of structures in the signal.
  • methods of pattern recognition can also be used to detect patterns in the course of the receiver signal which can be used to characterize properties of the tooth arrangement, for example for determining the number of teeth of a toothing.
  • Figure 2 shows a gear arrangement according to a second
  • Figure 3 is a modification of the gear arrangement of Figure 2;
  • Figure 4 is a perspective view of a gear arrangement according to another embodiment of the invention.
  • FIG. 5 shows the signal of an acoustic receiver arranged on the gear arrangement of FIG. 4; 6A shows a gear arrangement according to a fourth
  • FIG. 6B shows the toothing arrangement of FIG. 6A in a lateral view
  • FIG. 7A shows a gear arrangement c according to a fifth embodiment
  • FIG. 7B shows the tooth arrangement of FIG. 7A in a side view.
  • the toothing arrangement 1 according to the invention of FIG. 1 comprises a first element designed as a toothed wheel 1 1 with an outer toothing 11 1, the toothed wheel 11 interacting with a second element in the form of a toothed rack 12.
  • the rack 12 has a toothing 121 with a plurality of teeth 121 1, which engage in a conventional manner in each case in intermediate spaces between teeth 1 1 1 1 of the teeth 1 1 1 of the gear 1 1. Accordingly, there is a positive coupling of gear 1 1 and 12 Zahnstage.
  • a transmitter 2 for generating surface acoustic waves in the rack 12 is arranged on a side facing away from the gear 1 1 side of the rack 12.
  • the surface acoustic waves also propagate, in particular, on the side of the toothed rack 12 facing the toothed wheel 11 and the teeth 121, specifically in the direction of a receiver 3, which, like the transmitter 2, is mounted on a side of the toothed rack 12 remote from the toothed wheel 11 is.
  • the transmitter 2 and / or the receiver 3 may be fixedly connected to the rack 12. It is also conceivable, however, that transmitter 2 and / or receiver 3 are releasably connected (for example via a releasable cohesive connection) to the rack 12, as already explained above.
  • the condition of a lubricant located between the gear 1 1 and the rack 12 can be determined. It is also conceivable that defects of the elements 1 1, 12, for example, a defect of one of the teeth of the toothing of the gear 1 1 and / or the rack 12, make noticeable by a change in the receiver signal. Thus, it is possible to detect such defects also by evaluating the receiver signal. It is also possible, for example, to monitor the amount of lubricant on a time-dependent basis (in particular during operation of the gear arrangement 1) on the basis of the receiver signal.
  • an entry of a foreign liquid (for example, water) in the gear arrangement could be determined by analyzing the receiver signal.
  • a load change in the gear arrangement can be ascertained, for example a change in a bias voltage of the rack 12 relative to the gear 1 1.
  • the gear 1 may have a central opening 1 12, wherein on a the recess 1 12 delimiting inner edge of the gear 1 1, the transmitter 2 and the receiver 3 are arranged; see. Fig. 2. Accordingly, propagate to the surface acoustic waves (SAW) in the gear 1 1.
  • SAW surface acoustic waves
  • the surface acoustic waves SAW extend on a side facing the toothed rack 12 (with the toothing 11) of the toothed wheel 11, so that changes in the toothed region can be detected on the basis of the receiver signal. The same applies to the above comments on FIG. 1.
  • FIG. 3 shows a modification of FIG. 2.
  • the distance between transmitter 2 and receiver 3 is smaller than in FIG. 2, in particular the distance between transmitter and receiver 2, 3 is approximately the width of one tooth of toothing 11.
  • a receiver signal is evaluated in this arrangement, which is due to surface acoustic waves that run over almost the entire circumference of the gear 1 1 (clockwise in Figure 3). By evaluating the receiver signal defects can be detected over the widest possible range of the teeth 1 1 1 in this way.
  • FIG. 4 shows a perspective view of a toothed arrangement 1 according to the invention combined with a bearing unit 4.
  • the gear arrangement 1 is formed in this embodiment in the form of a planetary gear having a shaped as a ring gear first element.
  • the ring gear is provided with an internal toothing, which cooperates with a planetary gear or with several planetary gears of the planetary gear.
  • the ring gear can not be seen in Figure 4, since the entire planetary gear including the ring gear is disposed in a housing 41 of the planetary gear.
  • the planetary gear is combined with a bearing 4, via which a cooperating with the planetary gear shaft 5 is mounted.
  • the bearing 4 is, for example, a rolling bearing.
  • a transmitter 2 for generating surface acoustic waves in the ring gear and a receiver 3 for receiving the surface acoustic waves generated by the transmitter 2 are arranged on an outside of the ring gear.
  • the arrangement of transmitter 2 and receiver 3 is used, as in the above embodiments, to determine properties of the gear arrangement 1, ie in this case the planetary gear. In particular, statements about the condition of a lubricant of the planetary gear can be obtained.
  • FIG. 5 shows a time profile of a signal of the receiver 3 at different times; in particular before operation of the planetary gear and during operation of the planetary gear 5 (from about 3.4 s). It can be seen that prior to the operation of the transmission (time range "A") the receiver signal (y-axis) is constant except for a noise component After commissioning (time range "B") of the planetary gear, periodic fluctuations of the amplitude (with minima PR) of the receiver signal, which go back to the rotation of the planetary gears of the planetary gear.
  • a measurement can also be made on the bearing 4.
  • a transmitter 21 for generating surface acoustic waves as well as a receiver 31 for receiving the generated surface acoustic waves on an outer side of the housing 41 are also arranged.
  • FIGS. 6A and 6B relate to a modification of the gear arrangement 1 of FIG. 1, according to which the transmitter 2 and the receiver 3 are arranged offset to one another on the rack 12 both parallel to the direction of movement of the rack 12 and in a direction parallel to the axis of rotation of the gear 11 , It is located at least one tooth 121 1 of the rack 12 between the transmitter 2 and the Receiver 3, so that the surface acoustic waves generated by the transmitter 2 at an angle to side edges (tooth flanks) 1212 of the tooth 121 1 to the receiver 3 propagate.
  • the transmitter 2 and the receiver 3 are arranged parallel to the tooth flanks 1212 of the teeth 121 1, ie have an offset to one another only in a direction parallel to the axis of rotation of the gear 1 1 (FIGS. 7A, 7B).
  • the surface acoustic waves generated by the transmitter 2 accordingly propagate at least substantially parallel to the tooth flanks 1212 as far as the receiver 3.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verzahnungsanordnung, mit mindestens einem ersten Element (11), das eine Verzahnung (111) aufweist; und mindestens einem zweiten Element (12), das mit dem ersten Element (11) zusammenwirkt. Erfindungsgemäß ist mindestens ein an dem ersten oder dem zweiten Element (11, 12) angeordneter Empfänger (3) zum Empfang von in dem ersten und/oder dem zweiten Element (11, 12) angeregten akustischen Wellen (SAW) vorgesehen, wobei durch Auswerten eines bei Empfang der akustischen Wellen (SAW) von dem Empfänger (3) erzeugten Signals Informationen über Eigenschaften der Verzahnungsanordnung (1) bestimmbar sind.

Description

Verzahnungsanordnung und Verfahren zum Bestimmen von Eigenschaften einer
Verzahnungsanordnung
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Verzahnungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Bestimmen von Eigenschaften einer Verzahnungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 16. Verzahnungsanordnungen werden in vielfältigen Bereichen der Technik verwendet, beispielsweise als Bestandteil von Getrieben. Eine Verzahnungsanordnung umfasst mindestens ein erstes Element, das über eine Verzahnung mit mindestens einem weiteren Element (insbesondere formschlüssig) zusammenwirkt. Das zweite Element weist z.B. ebenfalls eine Verzahnung oder eine andere Struktur (etwa die gewindeartige Struktur einer mit einem Schneckenrad zusammenwirkenden Schnecke) auf, in die die Verzahnung des ersten Elementes eingreift. Eine Schwierigkeit bei der Verwendung von Verzahnungen (Verzahnungsanordnungen) ist, dass der Zustand von Komponenten der Verzahnungsanordnung während des Betriebs der Verzahnungsanordnung nur schwer überprüfbar ist. Das der Erfindung zugrunde liegende Problem besteht darin, Eigenschaften von Komponenten einer Verzahnung auch während des Betriebes zu bestimmen.
Dieses Problem wird durch die Verzahnungsanordnung gemäß Anspruch 1 sowie durch das Verfahren gemäß Anspruch 16 gelöst.
Danach wird eine Verzahnungsanordnung bereitgestellt, mit
- mindestens einem ersten Element, das eine Verzahnung aufweist; und
- mindestens einem zweiten Element, das mit dem ersten Element zusammenwirkt; sowie - mindestens einem an dem ersten oder dem zweiten Element angeordneten Empfänger zum Empfang von in dem ersten und/oder dem zweiten Element angeregten akustischen Wellen, wobei durch Auswerten eines beim Empfang der akustischen Wellen von dem Empfänger erzeugten (elektrischen) Signals Informationen über Eigenschaften der Verzahnungsanordnung bestimmbar sind.
Die Erfindung kann mit im Prinzip mit beliebigen Komponenten einer Verzahnungsanordnung verwendet werden. Beispielsweise ist das erste Element der Verzahnungsanordnung als Zahnrad ausgebildet, das etwa mit einem zweiten Element in Form eines weiteren Zahnrades oder einer Zahnstange zusammenwirkt. Denkbar ist auch, dass es sich bei dem ersten Element um ein Hohlrad eines Planetengetriebes handelt, d.h. einem Element mit einer entlang eines inneren Umfanges ausgebildeten Verzahnung.
Die erfindungsgemäße Verzahnungsanordnung kann auch mindestens einen Sender zum Anregen von akustischen Wellen in dem ersten und/oder zweiten Element aufweisen, wobei der Empfänger insbesondere die von dem Sender erzeugten akustischen Wellen erfasst. Beispielsweise ist der Sender dazu ausgebildet, akustische Oberflächenwellen in dem ersten und/oder zweiten Element anzuregen. Insbesondere ist der Sender so ausgebildet, dass er akustische Oberflächenwellen in Form von Lamb-Wellen oder Lamb- Rayleigh-Wellen in dem ersten und/oder zweiten Element anregen kann, die sich von dem Sender zu dem Empfänger ausbreiten. Beispielsweise werden zur Erzeugung von Lamb- Wellen akustische Oberflächenwellen in einem Bereich der ersten und/oder des zweiten Elementes erzeugt, der eine relativ geringe Dicke besitzt (die insbesondere kleiner ist als die Wellenlänge der angeregten akustischen Oberflächenwellen). Die Frequenz der Oberflächenwellen wird abhängig von der Dicke des ersten bzw. zweiten Elementes gewählt; z.B. werden Frequenzen im Bereich zwischen 500 kHz und 2 MHz oder im Bereich zwischen 800 kHz und 1 .5 MHz verwendet. Durch Auswerten des Empfängersignals können z.B. Informationen über den Zustand (z.B. Temperatur, Zusammensetzung und/oder eine Veränderung dieser Eigenschaften) eines Schmiermittels der Verzahnungsanordnung (das sich insbesondere zwischen dem ersten und dem zweiten Element befindet) gewonnen werden. Ein Teil der in dem ersten oder dem zweiten Element erzeugten Oberflächenschallwellen wird in das Schmiermittel auskoppeln, insbesondere, wenn die Schallgeschwindigkeit in dem Schmiermittel kleiner ist als die Geschwindigkeit der Oberflächenschallwellen (was für übliche Schmiermittel wie etwa Öl der Fall ist). Das Auskoppeln eines Teiles der Oberflächenschallwellen führt zu einer Veränderung des Empfängersignals, wobei die Veränderung von der Beschaffenheit des Schmiermittels abhängt. Beispielsweise wird sich die Amplitude des Empfängersignals in Abhängigkeit von der Schmiermittelmenge verändern, so dass (nach einer entsprechende Kalibrierung) z.B. durch Auswerten der Signalamplitude Informationen über die Schmiermittelmenge (z.B. die Dicke eines zwischen dem ersten und dem zweiten Element vorhandenen Schmiermittelfilms) abgeleitet werden können.
Die Auswertung der Empfängersignale erfolgt insbesondere über eine Auswerteeinheit, die z.B. durch eine entsprechend programmierte programmierbare Einrichtung verwirklicht ist. Denkbar ist, dass die Auswerteeinheit in einem Abstand zu dem Empfänger angeordnet ist, wobei die Empfängersignale z.B. per Funk an die Auswerteeinheit übermittelt werden.
Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist sowohl der Empfänger als auch der Sender an dem ersten Element angeordnet. Denkbar ist natürlich auch, dass der Empfänger und der Sender an dem zweiten Element angeordnet sind. Beispielsweise handelt es sich wie bereits erwähnt bei dem ersten Element um ein Hohlrad (insbesondere eines Planetengetriebes, z.B. mit einer Innenverzahnung), wobei der Sender und der Empfänger an einer Außenseite des Hohlrades angeordnet sind. Möglich ist auch, dass es sich bei dem ersten Element um ein Kegelzahnrad, ein Kronzahnrad, ein Hybridzahnrad oder ein Ellipsenzahnrad handelt.
Beispielsweise werden mit dem Sender Schallwellen angeregt, die sich entlang der Verzahnung des ersten und/oder des zweiten Elemente ausbreiten, und die sich insbesondere auch entlang einer Kontaktfläche der Verzahnung des ersten Elementes mit dem zweiten Element (insbesondere mit einer Verzahnung des zweiten Elementes) ausbreiten. Beispielsweise sind der Empfänger und der Sender an einer der Verzahnung abgewandten Seite des ersten Elementes oder der Empfänger und der Sender sind an einer einer Verzahnung abgewandten Seite des zweiten Elementes angeordnet. Möglich ist auch, dass es sich bei dem ersten Element wie oben ebenfalls bereits erwähnt um ein Zahnrad handelt und sowohl der Sender als auch der Empfänger an oder in dem Zahnrad (das etwa in Form eines Ritzels ausgebildet ist) angeordnet sind. Insbesondere weist das Zahnrad eine Außenverzahnung auf und besitzt eine (z.B. zentrale) Öffnung, wobei der Sender und der Empfänger in der Öffnung angeordnet sind. In einer anderen Variante ist das zweite Element als Zahnstange ausgebildet, wobei sowohl der Sender als auch der Empfänger an der Zahnstange angeordnet sind. Beispielsweise ist die Zahnstange fixiert (d.h. an einer Halterstruktur außerhalb der Verzahnungsanordnung festgelegt). Möglich ist allerdings auch, dass die Zahnstange mit dem Sender und dem Empfänger bewegbar ist. Insbesondere sind der Sender und der Empfänger an einer dem ersten Element (insbesondere in Form eines Zahnrades) abgewandten Seite des zweiten Elements (insbesondere in Form eines weiteren Zahnrades oder einer Zahnstange) angeordnet.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung verlaufen Zahnflanken der Verzahnungen des ersten und des zweiten Elementes geschwungen oder schräg zu einer Bewegungsrichtung des ersten oder des zweiten Elementes. Denkbar ist auch, dass die Verzahnungen des ersten und des zweiten Elementes eine Zykloidenverzahnung oder eine Evolventenverzahnung ausbilden. Sender und/oder Empfänger sind z.B. nach Art eines Interdigitalwandlers ausgebildet, wobei die Erfindung jedoch natürlich nicht auf einen bestimmten Sender- oder Empfängertyp festgelegt ist. Denkbar ist des Weiteren, dass der Sender Pulse von akustischen Wellen (insbesondere von akustischen Oberflächenwellen) generiert, z.B. Pulse unterschiedlicher Frequenzen. Möglich ist auch, dass modulierte Pulse verwendet werden, z.B. frequenz- oder amplitudenmodulierte Pulse.
Der Sender und/oder der Empfänger sind zudem insbesondere über Befestigungsmittel lösbar mit dem ersten oder dem zweiten Element verbunden. Beispielsweise dient als Befestigungsmittel ein lösbarer Klebstoff. Denkbar ist auch, dass mechanische Befestigungsmittel vorgesehen sind, die eine lösbare (etwa klemmende) Befestigung des Senders und/oder des Empfängers an dem ersten oder dem zweiten Element der Verzahnungsanordnung ermöglichen; z.B. per Schraubverbindung oder mittels eines Federmechanismus. Darüber hinaus kann zwischen dem Sender bzw. dem Empfänger und dem ersten oder dem zweiten Element ein Koppelmedium angeordnet sein, um die Einkopplung akustischer Wellen in das erste oder das zweite Element zu verbessern. Als Koppelmedium kommt z.B. ein pastöses Material mit entsprechenden akustischen Eigenschaften oder ein Kissen aus Silikon oder einem anderen schallleitenden Material in Frage. Denkbar ist auch, dass der Sender und der Empfänger eine gemeinsame Baueinheit ausbilden; insbesondere sind der Sender und der Empfänger in einem gemeinsamen Gehäuse und/oder auf einem gemeinsamen Träger angeordnet. Darüber hinaus können der Sender und der Empfänger so relativ zueinander angeordnet sein, dass sich die akustischen Wellen unter einem Winkel zu einer Zahnflanke des ersten und/oder zweiten Elements ausbreiten. Möglich ist natürlich auch, dass der Sender und der Empfänger so angeordnet sind, dass sich die angeregten akustischen Wellen parallel zu zumindest einigen Zahnflanken der Verzahnung ausbreiten.
Es wird darauf hingewiesen, dass ein Sender zur Erzeugung von akustischen Wellen in dem ersten oder dem zweiten Element nicht zwingend notwendig ist. Vielmehr können zur Realisierung der Erfindung auch akustischen Wellen genutzt werden, die während des Betriebes der Verzahnungsanordnung entstehen, insbesondere durch Vibrationen oder durch die Bewegung von Komponenten der Verzahnungsanordnung (insbesondere des ersten und/oder des zweiten Elementes). Denkbar ist auch, dass der Empfänger durch einen Wandler realisiert ist, der gleichzeitig als Sender fungiert. Die vom Wandler erzeugten akustischen Wellen werden so geführt, dass sie vom Wandler selber empfangen werden können. Beispielsweise können Reflexionsstrukturen vorgesehen werden, mit deren Hilfe die akustischen Wellen zurück zum Wandler gelenkt werden.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Bestimmen von Eigenschaften einer Verzahnungsanordnung, insbesondere unter Verwendung einer wie oben beschriebenen Verzahnungsanordnung, mit den Schritten:
- Bereitstellen mindestens eines ersten Elementes, das eine Verzahnung aufweist, sowie mindestens eines zweiten Elementes, das mit dem ersten Element zusammenwirkt,
- Anregen von akustischen Wellen in dem ersten und/oder dem zweiten Element, sowie
- Empfangen von in dem ersten und/oder dem zweiten Element angeregten akustischen Wellen mit einem an dem ersten oder zweiten Element angeordneten Empfänger und Bestimmen von Informationen über Eigenschaften der Verzahnungsanordnung durch Auswerten eines beim Empfang der akustischen Wellen von dem Empfänger erzeugten Signals. Neben der oben bereits angesprochenen Ermittlung von Informationen bezüglich eines Schmiermittels der Verzahnungsanordnung können durch Auswerten des Signals des Empfängers weitere Eigenschaften der Verzahnungsanordnung ermittelt werden, z.B. Informationen bezüglich einer auf die Verzahnungsanordnung wirkenden Last, Informationen bezüglich einer Bewegung des ersten oder des zweiten Elementes und/oder es kann ein Defekt des ersten oder des zweiten Elementes detektiert werden, etwa ein Defekt eines Zahnes einer Verzahnung dieser Elemente. Das Auswerten des Signals des Empfängers umfasst z.B. ein Auswerten einer Amplitude, eines Frequenzspektrums und/oder einer Hüllkurve des Signals und/oder eines zeitlichen Abstandes von Strukturen in dem Signal. Alternativ oder zusätzlich können auch Verfahren der Mustererkennung eingesetzt werden, um in dem Verlauf des Empfängersignals Muster zur erkennen, die zur Charakterisierung von Eigenschaften der Verzahnungsanordnung herangezogen werden können, z.B. zum Bestimmen der Anzahl der Zähne einer Verzahnung.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine Verzahnungsanordnung gemäß einem ersten
Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Figur 2 eine Verzahnungsanordnung gemäß einem zweiten
Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Figur 3 eine Abwandlung der Verzahnungsanordnung aus Figur 2;
Figur 4 eine perspektivische Ansicht einer Verzahnungsanordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Figur 5 das Signal eines an der Verzahnungsanordnung der Figur 4 angeordneten akustischen Empfängers; Figur 6A eine Verzahnungsanordnung gemäß einem vierten
Ausführungsbeispiel in Draufsicht; Figur 6B die Verzahnungsanordnung der Fig. 6A in seitlicher Ansicht;
Figur 7A eine Verzahnungsanordnung c gemäß einem fünften
Ausführungsbeispiel in Draufsicht; und
Figur 7B die Verzahnungsanordnung der Fig. 7A in seitlicher Ansicht.
Die erfindungsgemäße Verzahnungsanordnung 1 der Figur 1 umfasst ein als Zahnrad 1 1 ausgebildetes erstes Element mit einer Außenverzahnung 1 1 1 , wobei das Zahnrad 1 1 mit einem zweiten Element in Form einer Zahnstange 12 zusammenwirkt. Die Zahnstange 12 weist eine Verzahnung 121 mit einer Mehrzahl von Zähnen 121 1 auf, die in an sich bekannter Weise jeweils in Zwischenräume zwischen Zähnen 1 1 1 1 der Verzahnung 1 1 1 des Zahnrades 1 1 eingreifen. Entsprechend ergibt sich eine formschlüssige Kopplung von Zahnrad 1 1 und Zahnstage 12.
An einer dem Zahnrad 1 1 abgewandten Seite der Zahnstange 12 ist ein Sender 2 zur Erzeugung von akustischen Oberflächenwellen in der Zahnstange 12 angeordnet. Die akustischen Oberflächenwellen breiten sich insbesondere auch an der dem Zahnrad 1 1 zugewandten und die Verzahnung 121 aufweisenden Seite der Zahnstange 12 aus und zwar in Richtung auf einen Empfänger 3, der wie der Sender 2 an einer dem Zahnrad 1 1 abgewandten Seite der Zahnstange 12 angebracht ist.
Der Sender 2 und/oder der Empfänger 3 können fest mit der Zahnstange 12 verbunden sein. Denkbar ist allerdings auch, dass Sender 2 und/oder Empfänger 3 lösbar (etwa über eine lösbare stoffschlüssige Verbindung) mit der Zahnstange 12 verbunden sind, wie oben bereits erläutert.
Durch Auswerten des Signals des Empfängers 3 bei Empfang der vom Sender 2 erzeugten akustischen Oberflächenwellen ist es möglich, Informationen über den Zustand der Verzahnungsanordnung 1 zu ermitteln. Beispielsweise kann, wie oben bereits erwähnt, der Zustand eines zwischen dem Zahnrad 1 1 und der Zahnstange 12 befindlichen Schmiermittels ermittelt werden. Denkbar ist auch, dass sich Defekte der Elemente 1 1 , 12, zum Beispiel ein Defekt eines der Zähne der Verzahnung des Zahnrades 1 1 und/oder der Zahnstange 12, durch eine Veränderung des Empfängersignals bemerkbar machen. Somit ist es möglich, derartige Defekte ebenfalls durch Auswerten des Empfängersignals zu detektieren. Möglich ist zum Beispiel auch, anhand des Empfängersignals die Schmiermittelmenge zeitabhängig (insbesondere während eines Betriebes der Verzahnungsanordnung 1 ) zu überwachen. Darüber hinaus könnte auch ein Eintritt einer Fremdflüssigkeit (zum Beispiel Wasser) in die Verzahnungsanordnung durch Analyse des Empfängersignals festgestellt werden. Des Weiteren kann durch Auswerten des Empfängersignals eine Lastveränderung in der Verzahnungsanordnung festgestellt werden, zum Beispiel eine Veränderung einer Vorspannung der Zahnstange 12 gegenüber dem Zahnrad 1 1 .
Es ist selbstverständlich nicht zwingend notwendig, dass die Anordnung aus Sender 2 und Empfänger 3 an der Zahnstange 12 angeordnet ist. Vielmehr ist es auch denkbar, dass Sender und Empfänger 2, 3 an dem Zahnrad 1 1 angeordnet sind. Hierfür kann das Zahnrad eine zentrale Öffnung 1 12 aufweisen, wobei an einem die Aussparung 1 12 begrenzende Innenrand des Zahnrades 1 1 der Sender 2 und der Empfänger 3 angeordnet sind; vgl. Fig. 2. Entsprechend breiten sich an die akustischen Oberflächenwellen (SAW) in dem Zahnrad 1 1 aus. Insbesondere verlaufen die Oberflächenschallwellen SAW an einer der Zahnstange 12 zugewandten Seite (mit der Verzahnung 1 1 1 ) des Zahnrades 1 1 , so dass Veränderungen in dem Verzahnungsbereich anhand des Empfängersignals nachweisbar sind. Es gelten analog die obigen Ausführungen zur Figur 1 . Eine Abwandlung der Figur 2 zeigt Figur 3. Hier ist der Abstand zwischen dem Sender 2 und dem Empfänger 3 geringer als in Figur 2, insbesondere beträgt der Abstand zwischen Sender und Empfänger 2, 3 etwa die Breite eines Zahnes der Verzahnung 1 1 1 . Bevorzugt wird in dieser Anordnung ein Empfängersignal ausgewertet, das auf akustische Oberflächenwellen zurückgeht, die über nahezu den gesamten Umfang des Zahnrades 1 1 laufen (in Figur 3 im Uhrzeigersinn). Durch Auswerten des Empfängersignals können auf diese Weise Defekte über einen möglichst breiten Bereich der Verzahnung 1 1 1 erfasst werden.
Figur 4 zeigt eine perspektivische Ansicht einer mit einer Lagereinheit 4 kombinierten erfindungsgemäßen Verzahnungsanordnung 1 . Die Verzahnungsanordnung 1 ist in diesem Ausführungsbeispiel in Form eines Planetengetriebes ausgebildet, das ein als Hohlrad ausgeformtes erstes Element aufweist. Das Hohlrad ist mit einer inneren Verzahnung versehen, die mit einem Planetenrad oder mit mehreren Planetenrädern des Planetengetriebes zusammenwirkt. Das Hohlrad ist in Figur 4 nicht zu erkennen, da das gesamte Planetengetriebe einschließlich des Hohlrades in einem Gehäuse 41 des Planetengetriebes angeordnet ist. Das Planetengetriebe ist mit einem Lager 4 kombiniert, über das eine mit dem Planetengetriebe zusammenwirkende Welle 5 gelagert ist. Bei dem Lager 4 handelt es sich beispielsweise um ein Wälzlager. An einer Außenseite des Hohlrades ist ein Sender 2 zum Erzeugen von akustischen Oberflächenwellen in dem Hohlrad sowie ein Empfänger 3 zum Empfangen der vom Sender 2 erzeugten akustischen Oberflächenwellen angeordnet. Die Anordnung aus Sender 2 und Empfänger 3 dient wie in den obigen Ausführungsbeispielen dazu, Eigenschaften der Verzahnungsanordnung 1 , d.h. in diesem Fall des Planetengetriebes, zu bestimmen. Insbesondere lassen sich Aussagen über den Zustand eines Schmiermittels des Planetengetriebes gewinnen.
Figur 5 zeigt einen zeitlichen Verlauf eines Signals des Empfängers 3 zu verschiedenen Zeitpunkten; insbesondere vor einem Betrieb des Planetengetriebes und während des Betriebes des Planetengetriebes 5 (ab etwa 3,4 s). Es ist zu erkennen, dass vor dem Betrieb des Getriebes (Zeitbereich „A") das Empfängersignal (y-Achse) bis auf einen Rauschanteil konstant ist. Nach Inbetriebnahme (Zeitbereich„B") des Planetengetriebes zeigen sich periodische Schwankungen der Amplitude (mit Minima PR) des Empfängersignals, die auf die Rotation der Planetenräder des Planetengetriebes zurückgehen.
Anhand beispielsweise des Betrages der Amplitude und/oder des zeitlichen Verlaufs des Empfängersignals im Bereich seiner Maxima können Rückschlüsse zum Beispiel auf den Zustand des Schmiermittels in dem Planetengetriebe erfolgen. Der zeitliche Verlauf im Bereich der Signalmaxima kann jeweils als „Fingerabdruck" der Planentenräder angesehen werden.
Zusätzlich zur Messung an dem Planetengetriebe 5 kann eine Messung auch an dem Lager 4 erfolgen. Hierfür sind ebenfalls ein Sender 21 zum Erzeugen von akustischen Oberflächenwellen sowie ein Empfänger 31 zum Empfang der erzeugten akustischen Oberflächenwellen an einer Außenseite des Gehäuses 41 angeordnet.
Die Figuren 6A und 6B betreffen eine Abwandlung der Verzahnungsanordnung 1 der Figur 1 , wonach der Sender 2 und der Empfänger 3 sowohl parallel zur Bewegungsrichtung der Zahnstange 12 als auch in einer zur Rotationsachse des Zahnrades 1 1 parallelen Richtung versetzt zueinander an der Zahnstange 12 angeordnet sind. Es befindet sich dabei mindestens ein Zahn 121 1 der Zahnstange 12 zwischen dem Sender 2 und dem Empfänger 3, so dass sich die vom Sender 2 erzeugten Oberflächenschallwellen unter einem Winkel zu Seitenflanken (Zahnflanken) 1212 des Zahnes 121 1 bis zu dem Empfänger 3 ausbreiten. Denkbar ist auch, dass der Sender 2 und der Empfänger 3 parallel zu den Zahnflanken 1212 der Zähne 121 1 angeordnet sind, d.h. einen Versatz zueinander nur in einer zu der Rotationsachse des Zahnrades 1 1 parallelen Richtung aufweisen (Fig. 7A, 7B). Die vom Sender 2 erzeugten Oberflächenschallwellen breiten sich entsprechend zumindest im Wesentlichen parallel zu den Zahnflanken 1212 bis zu dem Empfänger 3 aus.
Bezugszeichenliste
1 Verzahnungsanordnung
2, 21 Sender
3, 31 Empfänger
4 Lager
5 Welle
11 Zahnrad
12 Zahnstange
111 Verzahnung Zahnrad
121 Verzahnung Zahnstange
1111 Zahn Zahnrad
1211 Zahn Zahnstange
1212 Zahnflanke

Claims

Verzahnungsanordnung, mit
- mindestens einem ersten Element (1 1 ), das eine Verzahnung (1 1 1 ) aufweist; und
- mindestens einem zweiten Element (12), das mit dem ersten Element (1 1 ) zusammenwirkt, gekennzeichnet durch mindestens einem an dem ersten oder dem zweiten Element (1 1 , 12) angeordneten Empfänger (3) zum Empfang von in dem ersten und/oder dem zweiten Element (1 1 , 12) angeregten akustischen Wellen (SAW), wobei durch Auswerten eines bei Empfang der akustischen Wellen (SAW) von dem Empfänger (3) erzeugten Signals Informationen über Eigenschaften der Verzahnungsanordnung (1 ) bestimmbar sind.
Verzahnungsanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem ersten Element (1 1 ) um ein Zahnrad handelt.
Verzahnungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem ersten Element (1 1 ) um ein Hohlrad, insbesondere eines Planetengetriebes, ein Kegelzahnrad, ein Kronzahnrad, ein Hybridzahnrad oder ein Ellipsenzahnrad handelt.
Verzahnungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Element (12) ebenfalls eine Verzahnung (121 ) aufweist.
Verzahnungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem zweiten Element (12) um eine Zahnstange handelt.
Verzahnungsanordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass Zahnflanken der Verzahnungen des ersten und des zweiten Elementes (1 1 , 12) geschwungen oder schräg zu einer Bewegungsrichtung des ersten oder des zweiten Elementes (1 1 , 12) verlaufen.
7. Verzahnungsanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzahnungen des ersten und des zweiten Elementes (1 1 , 12) eine Zykloidenverzahnung oder Evolventenverzahnung ausbilden.
8. Verzahnungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens einen Sender (2) zum Anregen von akustischen Wellen (SAW) in dem ersten und/oder zweiten Element (1 1 , 12). 9. Verzahnungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender (2) ausgebildet ist, akustische Oberflächenwellen in dem ersten und/oder zweiten Element (1 1 , 12) anzuregen.
10. Verzahnungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger (3) und der Sender (2) an dem ersten Element
(I I ) oder dass der Empfänger (3) und der Sender (2) an dem zweiten Element (12) angeordnet sind.
1 1 . Verzahnungsanordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger (3) und der Sender (2) an einer der Verzahnung
(I I I ) abgewandten Seite des ersten Elementes (1 1 ) oder dass der Empfänger (3) und der Sender (2) an einer einer Verzahnung (121 ) abgewandten Seite des zweiten Elementes (1 1 ) angeordnet sind. 12. Verzahnungsanordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem ersten Element (1 1 ) um ein Hohlrad eines Planetengetriebes handelt, wobei der Sender (2) und der Empfänger (3) an einer Außenseite des Hohlrades angeordnet sind. 13. Verzahnungsanordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem ersten Element (1 1 ) um ein Zahnrad mit einer Außenverzahnung und einer Öffnung (1 12) handelt, wobei der Sender (2) und der Empfänger (3) in der Öffnung (1 12) angeordnet sind. 14. Verzahnungsanordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender (2) und/oder der Empfänger (3) über Befestigungsmittel lösbar mit dem ersten oder dem zweiten Element (1 1 , 12) verbunden sind. 15. Verzahnungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender (2) und der Empfänger (3) so angeordnet sind, dass sich die akustischen Wellen (SAW) unter einem Winkel zu einer Zahnflanke des ersten und/oder zweiten Elements (1 1 , 12) ausbreiten.
16. Verfahren zum Bestimmen von Eigenschaften einer Verzahnungsanordnung, insbesondere unter Verwendung einer Verzahnungsanordnung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit den Schritten:
- Bereitstellen mindestens eines ersten Elementes (1 1 ), das eine Verzahnung (1 1 1 ) aufweist, sowie mindestens eines zweiten Elementes (12), das mit dem ersten
Element (1 1 ) zusammenwirkt,
- Anregen von akustischen Wellen (SAW) in dem ersten und/oder dem zweiten Element (1 1 , 12), gekennzeichnet durch
Empfangen von in dem ersten und/oder dem zweiten Element (1 1 , 12) angeregten akustischen Wellen (SAW) mit einem an dem ersten oder zweiten Element (1 1 , 12) angeordneten Empfänger (3) und Bestimmen von Informationen über Eigenschaften der Verzahnungsanordnung (1 ) durch Auswerten eines beim Empfang der akustischen Wellen von dem Empfänger (3) erzeugten Signals.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass durch Auswerten des Signals des Empfängers (3) Eigenschaften eines Schmiermittels der Verzahnungsanordnung (1 ), Informationen bezüglich einer auf die Verzahnungsanordnung (1 ) wirkenden Last und/oder Informationen bezüglich einer Bewegung des ersten oder des zweiten Elementes (1 1 , 12) bestimmt werden und/oder ein Defekt des ersten oder des zweiten Elementes (1 1 , 12) detektiert wird. 18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Auswerten des Signals des Empfängers (3) ein Auswerten einer Amplitude, eines Frequenzspektrums und/oder einer Hüllkurve des Signals und/oder eines zeitlichen Abstandes von Strukturen in dem Signal umfasst. 19. Verfahren nach Anspruch 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Auswerten des Signals des Empfängers (3) ein Erkennen von Mustern in dem Verlauf des Empfängersignals umfasst.
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