Die Erfindung betrifft eine Welle mit Ultraschallprüfkopf zur Verwendung als Teil eines Getriebes. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur in-situ-Detektion einer Veränderungsstelle einer Welle. Die Erfindung betrifft außerdem eine Verwendung einer Welle.

Wellen unterliegen aufgrund ihrer Funktion der Kraftübertragung zum Einen einer hohen Beanspruchung, welche zur Veränderung der Welle führen kann, beispielsweise zur Rissbildung. Zum Anderen ist in vielen Anwendungen vorteilhaft, wenn Veränderungsstellen rechtzeitig erkannt werden. Insbesondere bei sicherheitskritischen Anwendungen, beispielsweise bei Radachsen von Schienenfahrzeugen, ist eine rechtzeitige Erkennung von Veränderungsstellen vonnöten. Eine ex-situ-Überwachung weist hierfür jedoch den Nachteil auf, dass aufgrund der hiermit verbundenen regelmäßigen Stillegung der entsprechenden Anlagen ein Betrieb für den Überwachungszeitraum unmöglich ist. Der hiermit verbundene Zeitaufwand und die hiermit verbundenen Kosten sollen möglichst vermieden werden.

Ein Ansatz zur Überwachung einer drehenden Welle, also zu einer in-situ-Überwachung, ist in der DE 10 2011 051 759 AI erläutert. Das in der DE 10 2011 051 759 AI erläuterte Verfahren sieht eine in-situ-Überwachung einer Welle auf Grundlage von Reflexionsspektren oder Ultraschallantworten von Ultraschallstrahlen vor. Zur Erfassung dieser Spektren wird einer oder werden mehrere Ultraschallprüfköpfe genutzt, die an der sich drehenden Welle stationär angeordnet sind. Eine möglichst umfassende Erfassung der Welle wird dadurch erreicht, dass mehrere Ultraschallprüfköpfe an unterschiedlichen Positionen an der Welle angeordnet werden. Insbesondere ist eine Anordnung an einer Stirnseite oder an einem Umfang der Welle vorgesehen. Diese Vorrichtung und die mit ihr vorgesehene Vorgehensweise weist jedoch den Nachteil auf, dass aufgrund der für eine umfassende Überwachung erforderlichen Anordnung mehrerer Ultraschalprüfköpfe ein hoher Aufwand entsteht. Dieser Aufwand wird zusätzlich dadurch verstärkt, dass je nach vorliegender geometrischer Konfiguration der Welle eine Nutzung unterschiedlicher Wellenarten, beispielsweise Transversalwelle, Longitudinalwelle oder überlagerte Transversal- und Longitudinalwellen genutzt werden, was den Aufwand zusätzlich erhöht. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine umfassende in-situ Überwachung einer Welle zu ermöglichen, für die eine geringere Anzahl von genutzten Ultraschallprüfköpfen ausreichend ist als in den aus dem Stand der Technik bekannten Beispielen.

Die Aufgabe wird mit einer Welle mit Ultraschallprüfkopf mit den Merkmalen des Anspruchs 1, mit einem Verfahren zur in-situ-Detektion einer Veränderungsstelle einer Welle mit den Merkmalen des Anspruchs 10 sowie mit der Verwendung des Anspruchs 12 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor. Ein oder mehrere Merkmale aus den Ansprüchen, der Beschreibung wie auch den Figuren können mit einem oder mehreren anderen Merkmalen daraus zu weiteren Ausgestaltungen der Erfindung verknüpft werden. Es können auch ein oder mehrere Merkmale aus den unabhängigen Ansprüchen durch ein oder mehrere andere Merkmale verknüpft werden. Der vorgeschlagene Gegenstand ist nur als Entwurf zur Formulierung der Erfindung aufzufassen, ohne diesen aber zu beschränken.

Es wird eine Welle mit Ultraschallprüfkopf zur Verwendung als Teil eines Getriebes

vorgeschlagen. Die Welle ist wenigstens entlang eines Teils ihrer Erstreckung als Hohlwelle mit einem Hohlraum ausgebildet. Der Ultraschallprüfkopf ist an einer wenigstens teilweise in dem Hohlraum befindlichen Positioniervorrichtung angeordnet zur Positionierung des

Ultraschallprüfkopfes innerhalb des Hohlraums der Welle derart, dass der Ultraschallprüfkopf bei Rotation der Welle eine relative Rotation um eine Rotationsachse der Welle vollzieht zur in-situ Durchführung einer Ultraschallprüfung während einer Verwendung des Getriebes.

Die Rotation muss nicht notwendigerweise eine geschlossene Kurve aufweisen; ebenso kann vorgesehen sein, dass zusätzlich zu einem vollständigem Umlauf des Ultraschallprüfkopfes um die Rotationsachse eine der Rotationsbewegung überlagerte Bewegung vorgesehen ist.

Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Ultraschallprüfkopf an einer wenigstens teilweise in dem Hohlraum befindlichen Positioniervorrichtung angeordnet ist zur Positionierung des Ultraschallprüfkopfes innerhalb des Hohlraums.

In einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Positioniervorrichtung ein Wälzlager aufweist, das an einem Innenmantel des Hohlraums umlaufend angeordnet ist zur relativen Rotation des Ultraschallprüfkopfes um die Rotationsachse. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass der Ultraschallprüfkopf mittels eines Haltearms der Positioniervorrichtung an dem Wälzlager angeordnet ist, in dem der Haltearm von einem Außenring oder einem Innenring des Wälzlagers in den Hohlraum ausgehend positioniert ist. Vorteil einer Positionierung an einem Wälzlager ist, dass je nach vorgesehener Lagerart und je nach Anordnung der

Positioniervorrichtung an dem Außenring oder Innenring eine relativ zu dem Innenmantel des Hohlraums erfolgende Rotationsbewegung erfolgt oder eine relativ zu dem Innenmantel des Hohlraums erfolgende stationäre Positionierung vorliegt.

Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Hohlraum zylindrisch ausgebildet ist und dass ein als Kugellager ausgebildetes Wälzlager an einem Innenmantel des Hohlraums eingepasst ist.

In einer Weiterbildung kann auch vorgesehen sein, dass das Wälzlager als

Pendelrollenlagervorgesehen ist. Hierdurch ergibt sich unter anderem der Vorteil, dass eine Gefahr einer Verformung der Positioniervorrichtung oder des Ultraschallprüfkopfes infolge belastungsbedingter Verformungen der Hohlwelle im Betrieb reduziert wird.

Der Ultraschallprüfkopf kann weiterhin beispielsweise an einem Innenmantel des Wälzlagers angeordnet sein. Ebenso kann vorgesehen sein, dass der Ultraschallprüfkopf in einem Außenring des Wälzlagers eingebettet ist, wodurch der Vorteil erfolgt, dass die Positioniervorrichtung Bestandteil des Wälzlagers ist und hierdurch eine Minimierung der erforderlichen Bauteilanzahl herbeigeführt wird.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die

Positioniervorrichtung ein Beförderungsmittel aufweist zur Bewegung des Ultraschallprüfkopfes innerhalb des Hohlraums. Insbesondere kann hierbei eine axiale Bewegung vorgesehen sein, wodurch der Vorteil herbeigeführt wird, dass bei Nutzung auch nur eines Ultraschallprüfkopfes eine umfassende Prüfung der Welle ermöglicht wird.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung kann beispielsweise vorsehen, dass das

Beförderungsmittel ein Pilgerschrittgetriebe, ein Kopierwerk und/oder einen elektronischen Antrieb aufweist.

Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Hohlwelle wenigstens eine stirnseitig angeordnete Öffnung aufweist, in welche die Positioniervorrichtung hineinragend angeordnet ist.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann beispielsweise vorgesehen sein, dass der Ultraschallprüfkopf und die Welle derart ausgelegt sind, dass der Ultraschallprüfkopf in die Welle einbringbar ausgebildet ist und dass die Welle und/oder der Ultraschallprüfkopf ein Mittel zur reproduzierten Winkelorientierung des Ultraschallprüfkopfes in dem Hohlraum der Welle aufweist. Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Ultraschallprüfkopf und die Welle derart ausgelegt sind, dass der Ultraschallprüfkopf in die Welle einbringbar ausgebildet ist und dass die Welle und/oder der Ultraschallprüfkopf ein Mittel zur Winkelpositionsermittlung des Ultraschallprüfkopfes in dem Hohlraum der Welle aufweist.

Eine Gewährleistung einer reproduzierten Winkelorientierung oder einer

Winkelpositionsermittlung hat den Vorteil zur Folge, dass auch bei bauteilbedingt

unregelmäßigen Verteilungen von Ultraschallantworten reflektierten Ultraschalls oder

Ultraschallspektren auch nach einem Einbau des Ultraschallprüfkopfes eine reproduzierte Erfassung gewährleistet ist. Dieser Vorteil ist beispielsweise bei Großwälzlagern von besonderem Vorteil.

Bei Großwälzlagern kommen zusätzliche Rahmenbedingungen, die im Einsatz dieses Verfahrens zu berücksichtigen sind:

Es liegen konstruktionsbedingte Unregelmäßigkeiten der durchschallten Bauteile, beispielsweise in Form von Bohrungen und Schmierstoffkanälen vor,

Es liegen Unregelmäßigkeiten in dem Gefüge im Bereich des Härteschlupfes der

Lauffläche vor, bei mehrteiligen Laufbahnen ergeben sich regelmäßige Unstetigkeiten durch die

Stoßstellen.

Bei Vorhandensein eines Mittels zur reproduzierten Winkelorientierung, beispielsweise in

Ausgestaltung einer geometrisch definierter am Lager verbleibender Aufnahmevorrichtung, oder bei Vorhandensein eines Mittels zur Winkelpositionsermittlung, beispielsweise in Ausgestaltung einer Markierung kann das System auch mobil eingesetzt werden. Dies führt den Vorteil herbei, dass der Ultraschallprüfkopf exakt reproduzierbar platzierbar ist, um die Ersetzbarkeit des Systems periodisch zur vorausschauenden Instandhaltung einzusetzen.

Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Ultraschallprüfkopf entlang einer zu einer Rotationsachse der Welle parallelen Richtung beweglich angeordnet ist. Mit einer zur

Rotationsachse der Welle parallel orientierten Bewegung ist gewährleistet, dass

Veränderungsstellen, beispielsweise infolge von Rissentwicklung an den entsprechend abgedeckten Bereichen frühzeitig erkannt werden kann. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der

Ultraschallprüfkopf relativ zum Getriebe ortsfest angeordnet ist. In einer derartigen Ausgestaltung ist eine Detektion von Veränderungsstellen entlang eines Umfangs der Hohlwelle in Folge der Drehbewegung der Welle gegeben bei zusätzlich vorliegendem Vorteil einer einfachen und somit unter anderem auch robusten Konstruktion.

In einer ebenfalls vorgesehenen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Welle einen Zugang aufweist zur Einbringung eines Einkoppelmittels zwischen einem Innenmantel des Hohlraums der Welle und einem Detektorbereich des Ultraschallprüfkopfes. Das Einkoppelmittel dient hierbei der akustischen Ankopplung. Als Einkoppelmittel können beispielsweise Öl, Fett, Wasser oder ein auf Öl, Fett und/oder Wasser basierendes Einkoppelmittel vorgesehen sein.

In vorteilhaften Weiterbildungen ist beispielsweise vorgesehen, dass der Ultraschallprüfkopf ein Einzelstrahlprüfkopf oder ein Phased-Array-Prüfkopf ist.

Ein weiterer, unabhängiger Gedanke der Erfindung sieht ein Verfahren zur in-situ-Detektion einer Veränderungsstelle einer Welle vor. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:

- Einbringen eines Ultraschallprüfkopfes in einen Hohlraum der Welle,

- Richten eines Schallemissionsbereichs des Ultraschallprüfkopfes auf eine Kerbstelle und Emittieren von Ultraschall,

- kontinuierliche oder quasikontinuierliche Erfassung einer Ultraschallantwort reflektierten Ultraschalls mittels des Ultraschallprüfkopfes, wobei eine relative Rotation des Ultraschallprüfkopfes um einen Innenumfang der Welle erfolgt.

Der Begriff der Ultraschallantwort bezeichnet hierbei ein Ergebnis einer Messung von reflektierten Ultraschallwellen. Beispielsweise kann es sich um eine Schallintensität von Ultraschall einer oder mehrerer oder vieler Schallfrequenzen unabhängig oder in Abhängigkeit von einer Laufzeit handeln. Ebenfalls kann möglich sein, dass eine Ultraschallantwort den Begriff des

Ultraschallspektrum, das beispielsweise eine Schallintensität in Abhängigkeit von einer

Schallfrequenz darstellt. In einer vorteilhaften Weiterbildung sieht das Verfahren eine Erfassung einer Ultraschallantwort als Schallintensität von Ultraschallwellen einer bestimmten Schallfrequenz oder eines bestimmten Schallfrequenzbereichs in Abhängigkeit von einer Laufzeit der Schallwelle vor.

In einer beispielhaften vorteilhaften Ausbildung eine Erfassung einer Ultraschallantwort als Schallintensität von Ultraschallwellen einer bestimmten Schallfrequenz in Abhängigkeit von einer Laufzeit der Schallwelle vor. Als bestimmte Schallfrequenz können beispielsweise eine

Schallfrequenz von 2,5 MHz oder von 5,0 MHz vorgesehen sein. Aber auch sämtliche anderen Schallfrequenzen, die in einem zu untersuchenden Material eine Wellenlänge im Bereich des Ultraschallspektrums ergeben, können genutzt werden.

Eine Ausbildung des Verfahrens sieht vor, dass eine kontinuierliche oder quasikontinuierliche wiederholende Bewegung des Ultraschallprüfkopfs in einer zu einer Rotationsachse der Welle parallelen Richtung erfolgt.

In einem weiteren, unabhängigen Gedanken der Erfindung ist eine Verwendung einer der eingangs erläuterten Wellen in einem Hubgetriebe eines Kranwagens, in einem Generator, in einer Windkraftanlage oder in einem Brecherwerk vorgesehen.

Im Folgenden werden konkrete Ausgestaltungen der Erfindung mit Bezugnahme auf die Figuren im Detail näher erläutert. Die Figuren und begleitende Beschreibung der resultierenden

Merkmale sind nicht beschränkend auf die jeweiligen Ausgestaltungen zu lesen, dienen jedoch der Illustration beispielhafter Ausgestaltung. Weiterhin können die jeweiligen Merkmale untereinander wie auch mit Merkmalen der obigen Beschreibung genutzt werden für mögliche weitere Entwicklungen und Verbesserungen der Erfindung, speziell bei zusätzlichen

Ausgestaltungen, welche nicht dargestellt sind.

Es zeigen:

Fig. la: Welle mit Ultraschallprüfkopf in einer ersten Ausgestaltung,

Fig. lb: Welle mit Ultraschallprüfkopf in einer zweiten Ausgestaltung,

Fig. 2a: Ultraschallantwort ohne Veränderungsstelle,

Fig. 2b: Ultraschallantwort mit Veränderungsstelle. Fig. la ist eine Welle mit Ultraschallprüfkopf 2 in einer ersten Ausgestaltung zu entnehmen. Die Welle 1 mit einer Rotationsachse, die in der gezeigten Darstellung als strichgepunktete gerade Linie dargestellt ist, ist entlang der gesamten Erstreckung der Welle lals Hohlwelle ausgebildet. Die gezeigte Hohlwelle weist in der gezeigten Ausgestaltung entlang ihrer Erstreckung einen selben Innendurchmesser auf, der in einem ersten Abschnitt einen ersten Außendurchmesser und in einem zweiten Abschnitt einen zweiten Außendurchmesser aufweist. Die Welle ist unter anderem mit einem Kugellager 10 gelagert. Die Welle weist als Hohlwelle einen Hohlraum 3 auf. Innerhalb des Hohlraums 3 ist eine Positioniervorrichtung 11 eingebracht. Die

Positioniervorrichtung 11 weist ein als Kugellager ausgebildetes Wälzlager 8 auf. Weiterhin weist die Positioniervorrichtung 11 einen Haltearm 4 auf, der an dem Wälzlager angeordnet ist. Der Ultraschallprüfkopf 2 ist nahe dem Innenmantel 9 der Welle 1 angeordnet und mit diesem über ein Einkoppelmittel akustisch gekoppelt. Bei einer Rotation der Welle 1 erfolgt eine relative Rotation des Ultraschallprüfkopfes 2 um die gemeinsame Rotationsachse der Welle 1 und des Wälzlagers 8 der Positioniervorrichtung I I . Eine derartige Rotation kann in der gegebenen Konfiguration beispielsweise über ein Vorhandensein eines Ungleichgewichts in der

Gesamtanordnung der Positioniervorrichtung 11 und des Ultraschallprüfkopfes 2 erfolgen, wobei der Ultraschallprüfkopf in einem Einsatz Richtung Schwerkraftrichtung bewegt wird. Je nach Position kann somit entweder eine Ultraschallantwort erhalten werden, das nicht auf eine Veränderungsstelle hinweist oder aber eine Ultraschallantwort erhalten werden die auf eine Veränderungsstelle hinweist, wie es in der gezeigte Darstellung in der dargestellten Position mit Veränderungsstelle 7 der Fall ist.

Fig. lb unterscheidet sich von Fig. la insbesondere dahingehend, dass die

Positioniervorrichtung 11 einen Haltearm 4aufweist, der über eine stirnseitige Öffnung 12 in den Hohlraum 3 hineinragt. Der Haltearm trägt den Ultraschallprüfkopf 2 an dem Innenmantel 9 der Welle angekoppelt positioniert, wobei der Ultraschallprüfkopf 2 mittels eines Einkoppelmittels akustisch an dem Innenmantel 9 gekoppelt ist. An dem Haltearm 4 ist ein elektronischer Antrieb angeordnet, der eine Bewegung des Ultraschallprüfkopfes 2 entlang des Haltearms 4

herbeiführt, sodass die zusätzlich zur Rotationsbewegung parallel zur Rotationsachse erfolgende Bewegung zu einer größerflächigen Abdeckung der Detektion von Veränderungsstellen führt, beispielsweise in der gezeigten Darstellung zu der Veränderungsstelle 7.

Fig. 2a ist eine erste Ultraschallantwort zu entnehmen, das mit der Ausgestaltung gemäß Fig. 1 an einer Position der Ultraschallprüfkopfes 2 erhalten wird, an der keine Veränderungsstelle vorliegt. Fig. 2b ist eine zweite Ultraschallantwort zu entnehmen, die mit der Ausgestaltung gemäß Fig. 1 an einer Position des Ultraschallprüfkopfes erhalten wird an der eine Veränderungsstelle vorliegt. Das Vorliegen einer als Riss ausgebildeten Veränderungsstelle ist in dem gezeigten Beispiel in einer Verbreiterung des mittleren und des rechten Peaks im Vergleich zu der Fig. 2a zu entnehmenden Ultraschallantwort ausgeprägt. Die gezeigten

Ultraschallantworten der Figs. 2a und 2b stellen eine Intensität in dB von reflektierten

Ultraschallwellen einer festen Schallfrequenz, in diesem Beispiel von 5 MHz, in Abhängigkeit von einer Schallaufzeit t in s dar.