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