WO2018069017A1 - Akustische brücke - Google Patents

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Georg TENCKHOFF
Michael Gierling
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Zf Friedrichshafen Ag
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    • G01N2291/2696—Wheels, Gears, Bearings

Definitions

  • the invention relates to an arrangement according to the preamble of claim 1.
  • sensors To monitor the condition of a gearbox (condition monitoring), sensors must be attached to rotating shafts.
  • the measured data is usually transmitted wirelessly. This is not only error prone, but also represents a cost factor.
  • a liquid column in the form of a laminar jet of a bubble-free liquid is used for non-contact non-destructive material testing. Ultrasound is introduced into a material to be tested via the liquid column.
  • the invention has the object to improve the transmission of sound between a moving component and a sound transducer.
  • the arrangement comprises at least one sound transducer and at least one component.
  • the sound transducer is a sound sensor and / or emitter.
  • the sound transducer is thus designed to mimic and / or detect sound.
  • the sound is preferably ultrasound.
  • the component is movable relative to the sound transducer.
  • the component can be rotatably mounted relative to the sound transducer.
  • the component is a shaft.
  • the sound transducer is preferably arranged stationary.
  • Gap creates an arbitrary space between the component and the sound transducer designated. It is a space adjacent to the component and the sound transducer.
  • the extent of the gap in a first spatial direction and in a second spatial direction is greater than the extension of the gap in a third spatial direction.
  • the expansion in the third spatial direction corresponds to a distance between the component and the sound transducer.
  • the gap is inventively filled with a liquid or filled.
  • Liquid is used to transmit sound between the component and the transducer.
  • the arrangement has at least one line for conducting a liquid. This opens into the gap, so it is liquid-conducting connected to the gap. Through the line, the liquid can be introduced into the gap. The liquid is acted upon by a pressure.
  • a seal of the gap is not required. It is sufficient if the gap is such that a sufficient back pressure is built up.
  • At least one means is provided for pressurizing the liquid.
  • the agent is about a lubricant pump.
  • the gap is fluidly connected to this agent.
  • the gap may be fluidly connected to the means by the above-described conduit.
  • a bearing gap of a hydrostatic sliding bearing which is fluidly connected to the means, is preferably identical to the above-mentioned gap.
  • a hydrodynamic sliding bearing can be used, which forms the gap.
  • the component is rotatably supported by means of the sliding bearing, that is, the component is fixed in a first bearing shell of the sliding bearing.
  • the first bearing shell forms with a second bearing shell a bearing gap which is filled with a lubricant.
  • the sound- The transducer is integrated in the second bearing shell such that the lubricant acoustically couples the first bearing shell and the sound transducer. As a result, the component and the sound transducer are acoustically coupled via the first bearing shell.
  • the liquid is lubricant. It may be the lubricant of the hydrodynamic or hydrostatic slide bearing or lubricant that is conveyed via a line system to lubrication points of a transmission.
  • the conduit described above, which is fluidly connected to the gap, is part of this conduit system. This has the advantage that components can be used that are already present in a transmission.
  • the arrangement is suitable for use in the field of acoustic telemetry.
  • the sound transducer is formed in a preferred development, to convert acoustic data.
  • Data is an interpretable, formalized representation of information in accordance with ISO / IEC 2383-1. In particular, the information can be interpreted by machine.
  • the data are encoded in an acoustic signal to be transmitted via the gap.
  • the sound transducer preferably converts this signal into an electrical signal and / or generates this signal from the electrical signal.
  • the same data is encoded in the electrical signal as in the acoustic signal.
  • the physical properties of the component can be determined acoustically.
  • the arrangement in a preferred development comprises at least one evaluation unit. This is designed to process an output signal provided by the sound transducer.
  • the sound transducer is further education designed as a sound detector converts sound that is transmitted through the gap of the component in the output signal. Depending on at least one physical property of the component, the sound changes and, as a result, the output signal. This enables the evaluation unit to determine the physical property based on the output signal.
  • a further inventive sound transducer is preferably provided. This is designed as a sound generator, so converts a preferably electrical signal in the sound. The sound is introduced into the component via the gap.
  • This coupling is preferably carried out using the Snellius law of refraction.
  • a launch angle is chosen in which a part of the wave energy is totally reflected in the transition from the acoustically thinner to the acoustically thicker medium.
  • the differential component then forms a surface wave in the acoustically denser medium. This is done with the goal of converting compression waves in the fluid into surface shear waves (riddle waves) that traverse the surface of the component. Due to the indifference of several such waves, a signal is generated which allows conclusions to be drawn about a mechanical loading of the component. In particular, it is possible to conclude a deformation of the component, from which in turn a torque can be determined with which the component is loaded.
  • FIG. 1 shows a shaft with frontally mounted sound transducer.
  • FIG. 3 shows a sound transducer with a layer system.
  • a shaft 101 shown in Fig. 1 is rotatably mounted about a rotation axis 103.
  • An end face 105 of the shaft 101 forms, together with a sound converter 107 arranged on the front side, a gap 109.
  • the sound transducer 107 is fixed by means of an elastomer 1 11 in a fixed structure 1 13.
  • the elastomer 1 1 1 is used for acoustic decoupling of the sound transducer 107 and the stationary structure 1 13th
  • a stationary lubricant channel 115 opens into the gap 109.
  • the lubricant channel 115 is thus connected to the gap 109 in a lubricant-conducting manner.
  • Lubricant channel 1 15 flows lubricant, which is pressurized. As a result, the lubricant enters the gap 109.
  • the gap 109 is sealed against the shaft 101.
  • the labyrinth seal 1 17 causes acting on the inflowing fluid back pressure, which causes the gap 109 is completely filled with the liquid.
  • the liquid acoustically couples the shaft and the sound transducers 107.
  • FIG. 2 shows a similar arrangement in which the sound transducer 107 is not arranged on the front side, but on the circumference of the shaft 101.
  • the gap 109 extends between a lateral surface 201 of the shaft 101 and the sound transducer 107. This not only allows rotation of the shaft 101, but also an axial displacement.
  • Various layers 301 shown in FIG. 3 can be arranged on both sides of the gap in order to adapt the acoustic impedance of the transmission path.

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

Akustische Brücke
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 Schall- wandler 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:
Fig. 1 eine Welle mit stirnseitig angebrachtem Schallwandler;
Fig. 2 eine Welle mit längsseitig angebrachtem Schallwandler; und
Fig. 3 einen Schallwandler mit einem Schichtsystem.
Eine in Fig. 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 1 11 in einer ortsfesten Struktur 1 13 fixiert. Der Elastomer 1 1 1 dient der akustischen Entkopplung des Schallwandlers 107 und der ortsfesten Struktur 1 13. Ein ortsfester Schmierstoffkanal 115 mündet in den Spalt 109. Der Schmierstoffkanal 115 ist also schmierstoffleitend mit dem Spalt 109 verbunden. Durch den
Schmierstoffkanal 1 15 fließt Schmierstoff, der mit einem Druck beaufschlagt wird. Infolgedessen gelangt der Schmierstoff in den Spalt 109.
Mittels einer Labyrinthdichtung 1 17 wird der Spalt 109 gegenüber der Welle 101 abgedichtet. Die Labyrinthdichtung 1 17 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.
Fig. 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 Fig. 3 dargestellte Schichten 301 können beidseitig des Spalts angeordnet sein, um die akustische Impedanz der Übertragungsstrecke anzupassen.
Bezuqszeichen
101 Welle
103 Drehachse
105 Stirnseite
107 Schallwandler
109 Spalt
111 Elastomer
113 ortsfeste Struktur
115 Leitung
117 Labyrinthdichtung
201 Mantelfläche
301 Schichten

Claims

Patentansprüche
1. 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.
2. Anordnung nach Anspruch 1 ; gekennzeichnet durch
mindestens eine Leitung (1 15); wobei
die Leitung (115) flüssigkeitsleitend mit dem Spalt (109) verbunden ist.
3. 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.
4. 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.
5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche; dadurch gekennzeichnet, dass
es sich bei der Flüssigkeit um Schmierstoff handelt.
6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche; dadurch gekennzeichnet, dass
der Schallwandler (107) ausgebildet ist, akustische Daten zu wandeln.
7. 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.
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