AT527704A1

AT527704A1 - Vorrichtung zur Bestimmung der relativen Geschwindigkeit zwischen einem Körper und einem beweglichen Element, sowie mit dieser Vorrichtung ausgestattetes Wälzlager

Info

Publication number: AT527704A1
Application number: ATA50864/2023A
Authority: AT
Inventors: Pauschitz Andreas; Vorlaufer Georg; Schneidhofer Christoph; Tatzgern Fabio; Schirru Michele
Original assignee: Ac2T Res Gmbh
Priority date: 2023-10-24
Filing date: 2023-10-24
Publication date: 2025-05-15
Also published as: WO2025085946A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem Ultraschallsensor (1), einem Körper (2) und einem in einer zyklischen Relativbewegung in Bezug auf den Körper (2) beweglichen Element (3). Der Ultraschallsensor (1) und das bewegliche Element (3) befinden sich an gegenüberliegenden Seiten des Körpers (2). Der Ultraschallsensor (1) ist Ultraschallwellen leitend mit dem Körper (2) gekoppelt. Das bewegliche Element (3) und der Körper (2) bilden zwischen einander eine Kontaktgrenzfläche (5). Ein Messbereich (8) des Ultraschallsensors (1) umfasst die Kontaktgrenzfläche (5), und der Ultraschallsensor (1) sendet erste Ultraschallwellen (4) in den Messbereich (8) und empfängt im Messbereich (8) reflektierte zweite Ultraschallwellen (6). Eine mit dem Ultraschallsensor (1) kommunizierende Messeinheit (30) ermittelt aus den zweiten Ultraschallwellen (6) die zyklischen Bewegungen des beweglichen Elements (3) und steuert den Ultraschallsensor (1) zum Aussenden von ersten Ultraschallwellen (4) synchron zu den ermittelten zyklischen Bewegungen des beweglichen Elements (3) an.

Description

einem beweglichen Element, sowie mit dieser Vorrichtung ausgestattetes Wälzlager

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der relativen Geschwindigkeit zwischen einem Körper und einem beweglichen Element gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Die Erfindung betrifft weiters ein Wälzlager, das mit einer oben genannten

Vorrichtung ausgestattet ist.

Im Stand der Technik sind verschiedene Vorrichtungen zur Ermittlung von Eigenschaften eines Wälzlagers bekannt. US 2012067111 A1 zeigt eine Vorrichtung, die die Eigenschaften einer Schmierstoffschicht in einem Wälzlager misst. CN 108196259 A zeigt eine Vorrichtung, die die Geschwindigkeit eines Wälzkäfigs in einem Wälzlager mittels Ultraschallwellen misst. US 2013077442 A1 ist ein entfernter Stand der Technik und zeigt eine Vorrichtung, die Position und Geschwindigkeit von Objekten in ihrer Umgebung misst, sodass beispielsweise in einer Fabrik ein automatisierter Roboter nicht vorbeigehende

Menschen beeinträchtigt.

Weiters sind im Stand der Technik verschiedene Methoden bekannt, die Käfigdrehzahl eines Wälzlagers zu messen. Beispielweise ist in EP 0395783 A1 eine Messung mit optischen Sensoren gezeigt, und US 2006042406 A1 offenbart eine Messung über magnetische Sensoren. Auch Messungen mittels Hochgeschwindigkeitskameras (Altmann, Reithmeier, Proc. SPIE 11503, Infrared Sensors, Devices, and Applications X, 115030R (2020)) sind im Stand der Technik bekannt. Nachteilig an diesen Messmethoden ist, dass bei Wälzlagern mit einem Außendurchmesser von weniger als 200 mm und/oder einer Zapfendrehzahl von mehr als 600 Umdrehungen pro Minute keine gleichzeitige Messung der Eigenschaften des geschmierten Kontakts und der Betriebsbedingungen des Wälzlagers nichtinvasiv und in-situ

möglich ist.

Zu den aus dem Stand der Technik bekannten Ultraschallreflexionsvorrichtungen im Sinne der vorliegenden Erfindung gehören auch piezoelektrische Ultraschallvorrichtungen, die in Kontakt mit der Außenlaufbahn von Wälzlagern stehen. Eine solche Vorrichtung wird in

JP 2009053040 A gezeigt. Solche Geräte erzeugen eine Ultraschallwelle, die auf die Kontaktfläche zwischen der Laufbahn und dem Wälzkörper trifft. Entsprechend der Passage des Wälzkörpers wird eine Abschwächung des Ultraschallsignals festgestellt. Diese Information wird für die Zustandsüberwachung (JP 2021032769 A), Schichtdickenmessung (US 7066027 B2), Viskositätsmessung (US 5365778 A) oder Belastungsmessungen

(JP 2009092588 A, JP 2009092436 A, GB 2529484 A) gespeichert. Jedoch ist diese

JP 2021032769 A gezeigt. Im Stand der Technik wird dieses Problem gelöst, indem die Messung von einem externen Encoder ausgelöst wird, um den Ultraschallimpuls mit dem Durchlauf des Wälzkörpers zu synchronisieren und die beschriebene Limitierung

aufzuheben.

Demnach besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, zumindest einzelne Nachteile des Standes der Technik zu lindern bzw. zu beheben. Die Erfindung setzt sich insbesondere zum Ziel, eine Vorrichtung zu schaffen, die eine Synchronisation zwischen dem Aussenden von Ultraschallwellen und dem Durchlauf des Wälzkörpers ohne externen

Encoder ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 und ein Wälzlager nach Anspruch 16 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen

und der Beschreibung angegeben.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine mit dem zumindest einen Ultraschallsensor kommunizierende Messeinheit auf, die dazu konfiguriert ist, aus den von dem zumindest einen Ultraschallsensor empfangenen zweiten Ultraschallwellen die zyklischen Bewegungen des zumindest einen beweglichen Elements zu ermitteln und den zumindest einen Ultraschallsensor zum Aussenden von ersten Ultraschallwellen synchron zu den ermittelten

zyklischen Bewegungen des zumindest einen beweglichen Elements anzusteuern.

Die in den unabhängigen Ansprüchen definierte Erfindung zeichnet sich gegenüber dem Stand der Technik dadurch aus, dass die Messungen der Bewegungen des beweglichen Elements in Bezug auf den Körper zuverlässig ohne externen Encoder funktioniert und unabhängig von der elektronischen Abtastrate der verwendeten Messeinheit ist. Dadurch wird die Möglichkeit geboten, schwächere, also eine geringere Abtastrate aufweisende, und dadurch auch wesentlich günstigere Messeinheiten zu verwenden, ohne Einbußen in der

Auflösung der Messung zu verzeichnen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der zumindest eine Ultraschallsensor eine asymmetrische geometrische Ausbildung auf. Durch diese asymmetrische geometrische Ausbildung ist die Bewegung des beweglichen Elements in allen drei Raumrichtungen erfassbar. Besonders bevorzugt umfasst die asymmetrische geometrische Ausbildung des zumindest einen Ultraschallsensors einen ausgenommenen Bereich in seiner Sensorfläche, wobei die Sensorfläche aufgrund des ausgenommenen Bereichs keine Geometriesymmetrie, insbesondere keine Dreh-, Spiegel- oder Punktsymmetrie aufweist. Vorzugsweise kann dadurch die Bewegungsrichtung des zumindest einen beweglichen Elements in der Ebene

der Kontaktgrenzfläche bestimmt werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Messeinheit dazu konfiguriert, mittels der reflektierten zweiten Ultraschallwellen gleichzeitig die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Körper und dem beweglichen Element und physikalische Eigenschaften einer sich zwischen dem Körper und dem Element befindlichen Schmierstoffschicht zu bestimmen. Besonders bevorzugt werden tribologische und/oder chemische Eigenschaften der Schmierstoffschicht bestimmt. Gemäß dieser Ausführungsform können die gewünschten Eigenschaften der Schmierstoffschicht auch dann berechnet werden, wenn die Dicke der Schmierstoffschicht geringer als die Wellenlänge des verwendeten Ultraschallsignals ist.

Bevorzugt ist die Schmierstoffschicht eine Schmierfettschicht, sodass durch die Messung der

ist, und insbesondere eine Fettausblutung erfassbar ist.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfassen die physikalischen Eigenschaften, die von der Schmierstoffschicht ermittelt werden, zumindest eine Eigenschaft, ausgewählt aus Viskosität, Filmdicke, Druck, Spannung und Temperatur. Diese physikalischen Eigenschaften liefern wertvolle Hinweise auf den Betriebszustand von Körper und beweglichen Elementen der Vorrichtung und lassen frühzeitig sich anbahnende Defekte erkennen. Durch die Messung der Filmdicke der Schmierstoffschicht kann die Bewegungsrichtung eines beweglichen Elements in Richtung normal zur Ebene der

Kontaktgrenzfläche bestimmt werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Messeinheit dazu konfiguriert, basierend auf der Messung der Filmdicke der Schmierstoffschicht die Bewegung des zumindest einen beweglichen Elements in Richtung normal auf die Ebene der Kontaktgrenzfläche zu bestimmen und vorzugsweise aus der bestimmten Bewegung des zumindest einen beweglichen Elements in Richtung normal auf die Ebene der Kontaktgrenzfläche das Vorhandensein eines Defekts des zumindest einen beweglichen

Elements zu ermitteln.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Messeinheit dazu konfiguriert, die Bewegung des zumindest einen beweglichen Elements in allen drei Raumrichtungen zu bestimmen. Indem zuerst die Bewegungsrichtung des beweglichen Elements in der Ebene der Kontaktgrenzfläche, entweder durch die Verwendung einer asymmetrischen geometrischen Ausbildung des verwendeten Ultraschallsensors oder durch die Verwendung eines Arrays von Ultraschallsensoren, ermittelt wird, kann durch die Bestimmung der Bewegungsrichtung normal zu dieser Ebene eine dreidimensionale Bewegungsrichtung

bestimmt werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung zwei Körper und zumindest zwei Ultraschallsensoren, wobei das zumindest eine bewegliche Element zwischen den zwei Körpern beweglich ist, wobei sich zumindest einer der zumindest zwei Ultraschallsensoren jeweils auf der dem beweglichen Element abgewandten Seite der Körper befindet.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform steuert die Vorrichtung einen Aktuator an,

der eine Kraft auf die zwei Körper ausübt. Dadurch kann der Aktuator vorzugsweise die

Umgebungsdruck und die Spannung der Lagerringe beeinflussen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind zwei oder mehr Ultraschallsensoren nebeneinander als Array gekoppelt. Mit einer Anordnung als Array kann die Bewegungsrichtung des beweglichen Elements in der Ebene der Kontaktgrenzfläche

ermittelt werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der zumindest eine Ultraschallsensor zum Aussenden von Ultraschallanregungen in Form von kontinuierlichen Wellen, stehenden Wellen, Chirps oder Tonbursts konfiguriert. Pulse von Longitudinalwellen bzw. Scherwellen werden verwendet, um insbesondere die Filmdicke bzw. die Viskosität einer Schmierstoffschicht zu bestimmen. Dabei haben diese Wellen definierte Eigenschaften wie z.B. Frequenz, Zyklenzahl, Amplitude, Schwingungsmode etc. Im Gegensatz dazu werden bei kontinuierlichen Wellen kontinuierlich Wellen ausgesandt. Diese können stehende Wellen im Material anregen. Kontinuierliche und stehende Wellen weisen im Vergleich zu Pulsen von Longitudinalwellen eine größere Amplitude auf und haben systemabhängige Zyklenzahlen. Bei einem Chirp oder Sweep wird die Frequenz der ausgesendeten Ultraschallwelle verändert, in einer Welle sind viele Frequenzen enthalten, im Gegensatz zu normalen Longitudinal- oder Scherwellen. Stehende Wellen können beispielsweise ebenfalls für die Filmdickenbestimmung verwendet werden. Sie weisen eine größere Amplitude auf und sind deshalb weniger anfällig für Rauschen. Sie benötigen jedoch mehr Zeit zum

Senden, was wiederum die Abtastfrequenz negativ beeinflusst.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Messeinheit eine Sensorelektronikeinheit und eine Elektronik-Zentraleinheit, wobei die Sensorelektronikeinheit die Signale der reflektierten zweiten Ultraschallwellen empfängt und an die Elektronik-Zentraleinheit weiterleitet, die daraufhin Position und Geschwindigkeit des

zumindest einen beweglichen Elements berechnet. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform basiert das Aussenden von ersten Ultraschallwellen synchron zu den ermittelten zyklischen Bewegungen des zumindest einen

beweglichen Elements auf der Gleichung

ti=n * tes + (€ mod m) * (te3/m),

fi die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden ersten Ultraschallwellen,

7 die Nummer der Messung (beginnt bei 0 und geht bis m),

n eine nicht negative, ganze Zahl, die manuell gewählt wird

fe3 die Dauer, bis dasselbe bewegliche Element wieder vom Messbereich erfasst

wird (ein „Zyklus“, mod die Modulo-Rechenoperation, die den Rest einer Division berechnet,

m die Anzahl der erfassten Ultraschallwellen während einem Zyklus fez.

Durch das Anwenden dieser Gleichung auf ein Wälzlager können sowohl die Eigenschaften eines geschmierten Kontakts und gleichzeitig die Betriebsbedingungen des Wälzlagers nichtinvasiv und in-situ gemessen werden, selbst wenn es sich um Wälzlager mit einem Außendurchmesser von weniger als 200 mm und/oder eine Zapfendrehzahl von mehr als 600 Umdrehungen pro Minute handelt. Vorteilhaft gegenüber dem Stand der Technik ist, dass diese Messung zuverlässig ohne externen Encoder funktioniert und weiters unabhängig von der elektronischen Abtastrate der verwendeten Messeinheit und des Ultraschallsensors ist. Dadurch wird die Möglichkeit geboten, schwächere, also eine geringere Abtastrate aufweisende, und dadurch auch wesentlich günstigere Messeinheiten zu verwenden, ohne

Einbußen in der Auflösung der Messung zu verzeichnen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform berücksichtigt die Gleichung weiters einen Fehler e:

ti=n * te + (Li mod m) * (te/m) + e,

welcher Fehler e durch die verwendete Elektronik und Software verursacht wird, wie weiter

unten detailliert erörtert wird.

Weiters wird die gestellte technische Aufgabe durch ein Wälzlager gelöst, welches mit einer oben genannten Vorrichtung ausgestattet ist, die dazu konfiguriert ist, gleichzeitig die Relativbewegung der Wälzkörper im Wälzlagerkäfig in Bezug auf den Lagerring und die physikalischen Eigenschaften einer Schmierstoffschicht zu bestimmen. Bevorzugt dient die Schmierstoffschicht zur Herstellung eines flüssigkeits- oder fettgeschmierten Kontakts. Bevorzugt ist die Vorrichtung auf dem Wälzlager weiters zur gleichzeitigen Bestimmung des Volumens der Schmierstoffschicht konfiguriert. Besonders bevorzugt ist die Vorrichtung auf

dem Wälzlager dazu konfiguriert, aufgrund der zeitlichen Veränderung der Eigenschaften

den Wälzkörpern und/oder dem Wälzkörperkäfig zu erfassen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand in den Zeichnungen dargestellter

Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der

erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der

erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung, wie sich die Relativbewegung zwischen einem

Körper und einem beweglichen Element auf die reflektierte Amplitude auswirkt.

Fig. 4 zeigt ein charakteristisches Amplitudenmuster einer reflektierten Ultraschallwelle.

Fig. 5 zeigt ein Beispiel einer asymmetrischen geometrischen Ausbildung eines

Ultraschallsensors.

Fig. 6 zeigt schematisch die Amplitudenänderung der reflektierten Ultraschallwellen für eine

in Fig. 5 gezeigte Ausführungsform.

Fig. 7 zeigt schematisch die Richtungsbestimmung bei der Verwendung mehrerer

Ultraschallsensoren als Array.

Fig. 8 zeigt ein Flussdiagram einer Steuerlogik gemäß einer bevorzugten Ausführungsform.

Fig. 9 zeigt ein Flussdiagram einer Steuerlogik gemäß einer weiteren bevorzugten

Ausführungsform

Fig. 10 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein Wälzlager, das mit

der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgestattet ist. In Fig. 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100

abgebildet. Ultraschallsensoren 1 bzw. Arrays 1a von Ultraschallsensoren 1 sind mit

Körpern 2a, 2b bevorzugt stoffschlüssig verbunden, sodass die von den

rechts und ein darauffolgendes Austreten aus dem Messbereich 8 nach links darstellt.

Die Berührungsfläche zwischen den Körpern 2a, 2b und den beweglichen Elementen 3 definiert eine Kontaktgrenzfläche 5. Im Beispiel der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform haben die Körper 2a, 2b und die beweglichen Elemente jeweils eine Geschwindigkeit va, vb, v3 relativ zu einem gemeinsamen Bezugssystem. Die Ultraschallsensoren 1 sind so ausgerichtet, dass ihre Apertur 7 in Richtung der beweglichen Elemente 3 zeigt und damit der erfassbare Messbereich 8 zumindest einen Teil der Kontaktgrenzfläche 5 umfasst. Wenn sich die Kontaktgrenzfläche 5 zumindest teilweise im Messbereich 8 befindet, kann das dazugehörige bewegliche Element 3 vom Ultraschallsensor 1 erfasst werden. Dazu senden die Ultraschallsensoren 1 erste Ultraschallwellen 4 aus, die innerhalb des Messbereichs 8, insbesondere an der Kontaktgrenzfläche 5, reflektiert werden. Diese reflektierten zweiten Ultraschallwellen 6 werden von den Ultraschallsensoren 1 erfasst. Die Ultraschallsensoren kommunizieren mit einer Messeinheit 30, die dazu konfiguriert ist, aus den von den Ultraschallsensoren 1 empfangenen zweiten Ultraschallwellen 6 die zyklischen Bewegungen der beweglichen Elemente 3 zu ermitteln und die Ultraschallsensoren 1 zum Aussenden von ersten Ultraschallwellen 4 synchron zu den ermittelten zyklischen Bewegungen der beweglichen Elemente 3 anzusteuern. Die Messeinheit 30 kann somit das Aussenden von ersten Ultraschallwellen auf die zyklische Bewegung der beweglichen Elemente 3 synchronisieren. Bevorzugt weist die Messeinheit 30 eine Sensorelektronikeinheit 9 und eine Elektronik-Zentraleinheit 10 auf. Die Sensorelektronikeinheit 9 empfängt die Signale der reflektierten zweiten Ultraschallwellen 6 und leitet sie an die Elektronik-Zentraleinheit 10 weiter. Die Elektronik-Zentraleinheit 10 berechnet daraufhin Position und Geschwindigkeit des beweglichen Elements 3, von dessen Kontaktgrenzfläche 5 die zweiten

Ultraschallwellen 6 reflektiert wurden.

Die in Fig. 2 gezeigte Ausführungsform ähnelt jener in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform, wobei in Fig. 2 die Ultraschallsensoren 1 nur an einem Körper 2a angeordnet sind. Weiters hat der Körper 2a in dieser Ausführungsform keine Relativgeschwindigkeit va relativ zu dem

Bezugssystem bezüglich dem die Geschwindigkeiten vv und v3 gemessen werden.

Körper 2 auf das bewegliche Element 3 ausgeübt.

Fünf exemplarisch ausgewählte Zeitpunkte t1—ts sind den Positionen des beweglichen Elements 3 zu früheren (tı, t2) und späteren (t4, ts) Zeitpunkten, verglichen mit einem Referenzzeitpunkt tz, zugeordnet. Der Referenzzeitpunkt tz bezieht sich auf das mit durchgezogener Linie dargestellte bewegliche Element 3. Die Geschwindigkeit v3 des beweglichen Elements 3 zeigt in Fig. 3 nach rechts. Dementsprechend sind strichliert links des beweglichen Elements 3 die Positionen 3' sowie die Kontaktgrenzflächen 5' zu früheren Zeitpunkten und strichliert rechts des beweglichen Elements 3 die Positionen 3' sowie die Kontaktgrenzflächen 5' zu späteren Zeitpunkten dargestellt. Ebenfalls gezeigt ist in Fig. 3 die Apertur 7 des Ultraschallsensors 1 sowie der dazugehörige Messbereich 8, der vom beweglichen Element 3 durchlaufen wird, sowie die Kommunikation des

Ultraschallsensors 1 mit der Sensorelektronikeinheit 9 und der Elektronik-Zentraleinheit 10.

Die untere Hälfte von Fig. 3 zeigt den zeitlichen Verlauf der Amplituden der reflektierten zweiten Ultraschallwellen 6. Die Zeitpunkte t1-ts sind entlang des Amplitudenverlaufes mit Punkten markiert. Zum Zeitpunkt tı befindet sich das bewegliche Element 3‘ gänzlich außerhalb des Messbereichs 8 des Ultraschallsensors 1. Zum Zeitpunkt tz befindet sich das bewegliche Element 3‘ teilweise innerhalb des Messbereichs 8 des Ultraschallsensors 1. Das führt dazu, dass jener Teil des beweglichen Elements 3‘, der sich innerhalb des Messbereichs 8 befindet, einen Teil der Energie einer ersten Ultraschallwelle 4 absorbiert, sodass die reflektierte zweite Ultraschallwelle 6 beim Eintreffen am Ultraschallsensor 1 eine geringere Amplitude verglichen mit jener vom Zeitpunkt tı aufweist. Zum Zeitpunkt tz befindet sich das bewegliche Element 3 gänzlich innerhalb des Messbereichs 8. Die Energie erster Ultraschallwellen 4, die vom Ultraschallsensor 1 ausgesandt werden, kann zu diesem Zeitpunkt entlang der vollen Kontaktgrenzfläche 5 an das bewegliche Element übertragen werden. Daraus resultiert, dass die Amplitude der reflektierten zweiten Ultraschallwellen 6 zu diesem Zeitpunkt ein Minimum annimmt. Zum Zeitpunkt t4 verlässt das bewegliche Element 3‘ den Messbereich 8 und die entsprechende Kontaktgrenzfläche 5‘ ist somit nur noch teilweise im Messbereich 8. Die Amplitude der reflektierten zweiten

Ultraschallwellen 6 verhält sich analog zum Zeitpunkt t2. Zum Zeitpunkt ts hat das

bewegliche Element 3‘ den Messbereich 8 gänzlich verlassen und die Amplitude der reflektierten zweiten Ultraschallwellen 6 verhält sich analog zum Zeitpunkt tı. Anhand der Darstellung in Fig. 3 lässt sich erkennen, wie man vom Amplitudenmuster der reflektierten zweiten Ultraschallwellen 6 auf die Geschwindigkeit eines beweglichen Elements 3 schließen kann. Der absolute Wert der Steigung der Kurve des Amplitudenverlaufs ist direkt proportional zur Geschwindigkeit, mit der die Kontaktgrenzfläche 5 (und somit das bewegliche Element 3) in den Messbereich 8 des Ultraschallsensors 1 ein- oder austreten. Falls sich zwischen dem Körper 2 und dem beweglichen Element 3 eine fluide Schicht befindet, führt das dazu, dass der relative (in Fig. 3 vertikale) Abstand zwischen Körper 2 und beweglichem Element 3 variabel sein kann. Eine solche Bewegung normal zur Kontaktgrenzfläche resultiert in unterschiedlich stark ausgeprägten Absenkungen des Amplitudenverlaufs. Je näher ein bewegliches Element 3 am Körper 2 ist, desto mehr Energie kann eine erste Ultraschallwelle 4 abgeben, sodass der Amplitudenverlauf der reflektierten zweiten Ultraschallwellen 6 stark absinkt. Je weiter entfernt ein bewegliches Element 3 vom Körper 2 ist, desto weniger Energie kann eine erste Ultraschallwelle 4 auf das bewegliche Element 3 abgeben (dafür jedoch an die fluide Schicht). Dementsprechend

schwächer sinkt der Amplitudenverlauf der reflektierten zweiten Ultraschallwellen 6 ab.

Fig. 4 zeigt einen Amplitudenverlauf von reflektierten zweiten Ultraschallwellen 6. Der erste Zeitabschnitt entspricht einem nicht synchronisiertem Signal 11a. Während dieser Zeit findet keine Synchronisation zwischen dem Aussenden von ersten Ultraschallwellen 4 und der Bewegung der beweglichen Elemente 3 statt. Der zweite Zeitabschnitt entspricht einem synchronisierten Signal 11b. Während dieser Zeit ist das Aussenden von ersten Ultraschallwellen 4 auf die zyklische Bewegung von beweglichen Elementen 3 synchronisiert, wodurch sich ein vom nicht synchronisierten Signal 11a unterscheidbares Signal 11b ergibt.

In Fig. 5 und Fig. 6 ist gezeigt, wie man mithilfe einer asymmetrischen geometrischen Ausbildung eines Ultraschallsensors 1 die Bewegungsrichtung eines beweglichen

Elements 3 innerhalb der Ebene der Kontaktgrenzfläche bestimmen kann. Die Ebene der Kontaktgrenzfläche steht im Wesentlichen normal auf die Richtung der Verbindungslinie zwischen Ultraschallsensor 1 und Körper 2. In Fig. 5 wird rechts oben ein Körper 2 und ein bewegliches Element 3 gezeigt, welches sich entlang einer Trajektorie 13 bewegt. Die Richtung der Ultraschallsensorapertur zeigt hier in die Bildebene hinein. Der Sensorkopf des Ultraschallsensors 1 wird nach links unten hin vergrößert gezeigt. Der kreisrunde Ultraschallsensor 1 weist in dieser Ausführungsform einen ausgenommenen Bereich 1b auf,

in dessen Richtung keine ersten Ultraschallwellen 4 ausgesendet oder zweite

Ultraschallwellen 6 empfangen werden können. Vorzugsweise führt der ausgenommene Bereich 1b dazu, dass die resultierende Fläche des Ultraschallsensors keine Geometriesymmetrie, insbesondere keine Dreh-, Spiegel- oder Punktsymmetrie, aufweist. In der gezeigten Ausführungsform ist der ausgenommene Bereich 1b eine Ellipse, die nicht konzentrisch mit dem kreisförmigen Ultraschallsensor angeordnet ist. Exemplarisch werden zwei mögliche Bewegungsrichtungen eines beweglichen Elements 3 gezeigt, einmal eine mit durchgezogener Linie dargestellte Trajektorie 13, sowie eine mit gestrichelter Linie dargestellte Trajektorie 13b. Diese Trajektorien 13, 13b unterscheiden sich in ihrem

Winkel 14 zu einem ausgewählten Bezugssystem. Um die Bewegungsrichtung eines beweglichen Elements 3 erfassen zu können, muss sich die Trajektorie 13, 13b des beweglichen Elements 3 durch die aktive Zone 12 des modifizierten Ultraschallsensors 1 bewegen. Die Form der aktiven Zone 12 hängt von der Form des Ultraschallsensors 1 und der Form des ausgenommenen Bereichs 1b ab. In der gezeigten Ausführungsform ist die aktive Zone 12 eine Ellipse. Der Vorteil der Verwendung einer asymmetrischen geometrischen Ausbildung des Ultraschallsensors 1 gegenüber der Verwendung eines Arrays la von Ultraschallsensoren 1 liegt im geringeren Platzbedarf, da nur ein Sensor statt mehreren Sensoren verwendet wird. Das reduziert auch die Kosten für das gesamte

Sensorsystem.

Verläuft die Bewegung des beweglichen Elements 3 entlang der Trajektorie 13, so ist das Amplitudenmuster der reflektierten zweiten Ultraschallwellen 6 schematisch in Fig. 6 abgebildet. Für die Trajektorie 13 kann man die Bewegung des beweglichen Elements 3 innerhalb des Messbereichs des Ultraschallsensors 1 in drei Teile unterteilen. Zuerst verläuft die Bewegung innerhalb des erfassbaren Bereichs des Ultraschallsensors 1 und die Amplitude der reflektierten zweiten Ultraschallwellen 6 nimmt ab (erstes Minimum des Amplitudenverlaufs in Fig. 6). Als nächstes verläuft die Bewegung durch die aktive Zone 12 des Ultraschallsensors 1 im Bereich 1c, sodass die reflektierten zweiten Ultraschallwellen derart beschaffen sind, als befände sich das bewegliche Element 3 gänzlich außerhalb des Messbereichs 8. Dementsprechend steigt die Amplitude der reflektierten zweiten Ultraschallwellen 6 wieder an (mittlerer Bereich des Amplitudenverlaufs in Fig. 6). Anschließend tritt das bewegliche Element 3 wieder in einen kleinen erfassbaren Bereich des Ultraschallsensors 1 ein, sodass die resultierende Absenkung des Amplitudenverlaufs in Fig. 6 schmäler ist als die erste Absenkung. Basierend auf der Breite der Absenkung im Amplitudenverlauf, sowie dem Abstand zweier etwaiger Absenkungen und der genauen Geometrie des Ultraschallsensors 1 kann auf die Bewegungsrichtung des beweglichen Elements 3 geschlossen werden und somit beispielsweise zwischen der Trajektorie 13 und

der Trajektorie 13b unterschieden werden.

Fig. 7 zeigt, wie man mit einem ein Array 1a von Ultraschallsensoren 1 analog zu Fig. 5 die Bewegungsrichtung eines beweglichen Elements 3 bestimmen kann. Die Ultraschallsensoren 1 des Arrays la entsprechen einzeln für sich betrachtet nicht der in Fig. 5 gezeigten asymmetrischen Geometrie. Durch die Verwendung eines Arrays la wird dieselbe Funktionalität wie die eines einzelnen Ultraschallsensors 1 mit asymmetrischer Geometrie erreicht. Die Nachteile eines Arrays la sind jedoch insbesondere die erhöhte Komplexität

und der erhöhte Platzbedarf, was den Anwendungsbereich stark einschränkt.

Das Flussdiagramm in Fig. 8 zeigt die Steuerungslogik der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei der Verwendung in einem Wälzlager. Ausgehend von dem Signal reflektierter Ultraschallwellen 6, das vom Ultraschallsensor 1 an die Sensorelektronikeinheit 9 übertragen wird, stellt sich die Frage, ob die reflektierten Ultraschallwellen mit der Bewegung des beweglichen Elements 3 synchron sind. Falls nein, muss das Drehzahlverhältnis iteriert werden: basierend auf der Berechnung des Verhältnisses der Drehzahlen von

Wälzlagerkäfig 25 zu Lagerzapfen 24 werden die zeitlichen Abstände zwischen

ausgesendeten ersten Ultraschallwellen 4 gesteuert. Dies beruht auf der Gleichung

ti=n * tes + (Li mod m) * (tea/m) + e,

wobei die verwendeten Symbole folgende Bedeutungen haben:

fi die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden ersten Ultraschallwellen 4, 7 die Nummer der Messung (beginnt bei 0 und geht bis m),

n eine nicht negative, ganze Zahl, die manuell gewählt wird,

fe3 die Dauer, bis dasselbe bewegliche Element 3 wieder vom Messbereich 8

erfasst wird

mod die Modulo-Rechenoperation, die den Rest einer Division berechnet,

m die Anzahl der erfassten Ultraschallwellen 6 während einem Zyklus fez, e der Fehler der Erfassungszeit, verursacht durch die verwendete Elektronik und Software.

Die Untergrenze für die Erfassungszeit /-3/m wird durch die Abtastrate der Sensorelektronikeinheit 9 bestimmt. Wenn fe3/m kleiner ist als die Abtastrate der Sensorelektronikeinheit 9, wird » entsprechend erhöht, so dass f; größer ist als die praktischen Grenzen der Abtastrate der Sensorelektronikeinheit 9. Der zentrale Vorteil der Gleichung ist, dass es möglich ist, m Erfassungen an der Kontaktgrenzfläche 5 abzutasten, wenn sich das Element 3 vor dem

Ultraschallsensor 1 vorbeibewegt, indem man auf » Umdrehungen zwischen jeder Erfassung

wartet. In der oben beschriebenen Gleichung ist n * f3 als Wartezeit von n ganzen Zyklen zu verstehen. Die Zeit fe3/m ist die Untergrenze der Erfassungszeit. Wenn diese geringer ist als die Abtastrate der verwendeten Elektronik, wird n erhöht, bis n * fez + fe3/m größer oder gleich der minimalen Erfassungszeit ist. Durch eine solche Synchronisierung muss der Ultraschallsensor 1 nicht mit der höchstmöglichen Erfassungsabtastrate pulsieren, um eine

hohe Messabtastauflösung zu erreichen.

Während theoretisch für beliebig große Werte von n die oben beschriebene Gleichung zu beliebig großen Messauflösungen führt, basiert die praktische räumliche und zeitliche Genauigkeit auf dem Verarbeitungszeitfehler der Sensorelektronikeinheit 9. Dies umfasst sowohl Verarbeitungszeitgrenzen in der Software als auch Fehler bei der Steuerung des

Ultraschallsensors 1 durch das pulsierende Signal der Sensorelektronikeinheit 9.

Die Optimierung der Signalerfassung kann durch das Berücksichtigen eines Fehlers e erfolgen, welcher den gesamten Zeitfehler aufgrund von Hardware- und Softwareeinflüssen umfasst. Mittels echtzeitfähiger Elektronik, bei welcher der Fehler bekannt ist, ist der Fehler bei der eingesetzten Messstrecke bestimmbar. In der Praxis ändert sich dieser Fehler in den meisten Anwendungen über die Zeit nicht und eine laufende Synchronisierung ist daher nicht erforderlich. Im gegenständlichen Fall wird der Fehler durch eine ständige Synchronisierung bestimmt und im Synchronisierungsverfahren kompensiert, da ein Fehler

in der Erfassungszeit zu einer fehlerhaften Synchronisierung führen würde.

Die gemäß der oben beschriebenen Gleichung ausgesendeten ersten Ultraschallwellen 4 werden innerhalb des Messbereichs 8 an der Kontaktgrenzfläche 5 reflektiert und der Ultraschallsensor 1 kommuniziert das empfangene Signal der reflektierten Ultraschallwelle 6 der Sensorelektronikeinheit. Ist die Synchronisierung erfolgt, wird das Signal mittels Ultraschallreflektometrie analysiert und an die Elektronik-Zentraleinheit 10 weitergeleitet. Die Ultraschallreflektometrie bestimmt den Zusammenhang zwischen der Energie der reflektierten zweiten Ultraschallwellen 6 und den Eigenschaften der Kontaktgrenzfläche 5. Die Elektronik-Zentraleinheit 10 berechnet die Geschwindigkeiten va, vv der Körper 2a, 2b und kommuniziert dieses Signal zurück an die Sensorelektronikeinheit 9. Diese berechnet die Drehzahl des Wälzlagerkäfigs 25 unter der Annahme von idealem Rollen, also ohne Schlupf oder Gleiten des Wälzlagerkäfigs 25 zu berücksichtigen. Diese berechnete Drehzahl wird zur Berechnung des Verhältnisses der Drehzahlen von Wälzlagerkäfig 25 zu Lagerzapfen 24 verwendet und das Aussenden von ersten Ultraschallwellen 4 kann mit oben

beschriebener Gleichung erfolgen.

Fig. 9 zeigt ein Flussdiagramm für eine Steuerungslogik einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, welche eine intelligente Regelung 18 umfasst, die den Betriebszustand des Systems auf der Grundlage eines Vergleiches mit einem digitalen Zwilling 9a verändert. Die Elektronik-Zentraleinheit 10 greift in dieser Ausführungsform bei optimalen Betriebsparametern nicht in die Regelung ein. Bei suboptimalen Parametern beeinflusst die Elektronik-Zentraleinheit 10 mit dem Aktuator 17 die Drehzahl, die Temperatur, die Last auf die Lager, die Schmierstoffzufuhr, die Schmierstoffzusammensetzung, den Umgebungsdruck, die Spannung der Lagerringe oder andere Parameter, um das System so

zu beeinflussen, dass wieder optimale Betriebsparameter erreicht werden.

Fig. 10 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf ein Wälzlager gemäß Anspruch 16. Ein äußerer Lagerring 19 und ein innerer Lagerring 20 übernehmen die Funktion der Körper 2a, 2b und die Wälzkörper 26 im Wälzlagerkäfig 25 übernehmen die Funktion der beweglichen Elemente 3. Die Form der Wälzkörper 26 umfasst kugelförmige, zylindrische, tonnenförmige, nadelförmige, sowie kegelförmige Wälzkörper 26. Der innere Lagerring 20 ist am Lagerzapfen 24 befestigt. Der äußere Lagerring 19 ist räumlich stationär und nicht rotierend eingespannt in einem externen Gehäuse, welches nicht in Figur 10 gezeigt ist. Die Ultraschallsensoren 1 sind an mechanischen Komponenten 22 und/oder an Befestigungskörpern 23 und/oder an den Lagerzapfen 24 montiert. Zwischen dem Wälzlagerkäfig 25 und dem äußeren Lagerring 19 sowie zwischen dem Wälzlagerkäfig 25 und dem inneren Lagerring 20 befindet sich eine Schmierstoffschicht 21. Erste Ultraschallwellen 4 werden an den Laufflächen 5a, 5b reflektiert und zweite Ultraschallwellen 6 werden von den Ultraschallsensoren 1 empfangen. Die Verwendung von mehr als einem Ultraschallsensor 1 ist zur Optimierung der Erfassung der reflektierten zweiten Ultraschallwellen 6 dann erforderlich, wenn die Reflexion der ersten Ultraschallwellen 4 an einer Kontaktgrenzfläche 5 unter einem beliebigen Winkel

erfolgt.

Im Falle eines Wälzlagers bestimmt sich der Zyklus £e3 durch die Umlauffrequenz fi des

Wälzlagerkäfigs 25 gemäß

Die Umlauffrequenz £ des Wälzlagerkäfigs 25 wird gemäß folgender Gleichung berechnet,

f-f(1-d/di)/2,

wobei f; die Zapfen- oder Wellendrehzahl, di. der Durchmesser der Wälzkörper 26 und d» der zugehörige Teilkreisdurchmesser ist. Durch die Verwendung dieser Gleichungen lässt sich

die Abhängigkeit der Zeit £; von der Geschwindigkeit vs der Wälzkörper erkennen.

Liste der Bezugszeichen 100 Vorrichtung

1 Ultraschallsensor

la Array von Ultraschallsensoren 1b Loch im Ultraschallsensor

1c Trajektorie durch das Loch 1b im Ultraschallsensor 2, 2a, 2b Körper

3, 3‘ bewegliches Element

4 erste Ultraschallwellen

5, 5‘ Kontaktgrenzfläche

5a, 5b Lauffläche

6 zweite Ultraschallwellen

7 Ultraschallwellenapertur

8 Messbereich eines Ultraschallsensors 9 Sensorelektronikeinheit

9a digitaler Zwilling

10 Elektronik-Zentraleinheit

11a nicht synchronisiertes Signal 11b synchronisiertes Signal

12 aktive Zone

13 Trajektorie

14 Trajektorienwinkel

17 Aktuator

18 intelligente Regelung

19 äußerer Lagerring

20 innerer Lagerring

21 Schmierstoffschicht

22 mechanische Komponente

23 Befestigungskörper

24 Lagerzapfen

25 Wälzlagerkäfig

26 Wälzkörper

30 Messeinheit

Claims

Ansprüche

Vorrichtung, umfassend zumindest einen Ultraschallsensor (1), zumindest einen Körper (2) und zumindest ein bewegliches Element (3), wobei das zumindest eine bewegliche Element (3) in einer zyklischen Relativbewegung in Bezug auf den zumindest einen Körper (2) beweglich ist,

wobei der zumindest eine Ultraschallsensor (1) und das zumindest eine bewegliche Element (3) an gegenüberliegenden Seiten des zumindest einen Körpers (2) angeordnet sind und der zumindest eine Ultraschallsensor (1) direkt oder indirekt Ultraschallwellen leitend mit dem zumindest einen Körper (2) gekoppelt ist,

wobei das zumindest eine bewegliche Element (3) und der zumindest eine Körper (2) zwischen einander eine Kontaktgrenzfläche (5) bilden,

wobei ein Messbereich (8) des zumindest einen Ultraschallsensors (1) die Kontaktgrenzfläche (5) zumindest teilweise umfasst und der zumindest eine Ultraschallsensor (1) zum Aussenden erster Ultraschallwellen (4) in den Messbereich (8) und zum Empfangen von im Messbereich (8) reflektierten zweiten Ultraschallwellen (6) konfiguriert ist,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Vorrichtung weiters eine mit dem zumindest einen Ultraschallsensor (1) kommunizierende Messeinheit (30) aufweist, die dazu konfiguriert ist, aus den von dem zumindest einen Ultraschallsensor (1) empfangenen zweiten

Ultraschallwellen (6) die zyklischen Bewegungen des zumindest einen beweglichen Elements (3) zu ermitteln und den zumindest einen Ultraschallsensor (1) zum Aussenden von ersten Ultraschallwellen (4) synchron zu den ermittelten zyklischen

Bewegungen des zumindest einen beweglichen Elements (3) anzusteuern.

Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinheit (30)

dazu konfiguriert ist, bei der Ermittlung der zyklischen Bewegungen des zumindest einen beweglichen Elements (3) die momentane Position des zumindest einen beweglichen Elements (3) im Messbereich (8) zu ermitteln und daraus die relative Geschwindigkeit (v3) des zumindest einen beweglichen Elements (3) in Bezug auf den Körper (2) zu errechnen, wobei vorzugsweise die Ermittlung der momentanen Position des zumindest einen beweglichen Elements (3) im Messbereich (8) und die Berechnung der relativen Geschwindigkeit (v3) des zumindest einen beweglichen Elements (3) in Bezug auf den Messbereich (8) in allen drei Raumrichtungen

erfolgen.

Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest

eine Ultraschallsensor (1) eine asymmetrische geometrische Ausbildung aufweist.

Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine

Ultraschallsensor (1) einen ausgenommenen Bereich (1b) in seiner Sensorfläche umfasst, wobei die Sensorfläche aufgrund des ausgenommenen Bereichs (1b) keine Geometriesymmetrie, insbesondere keine Dreh-, Spiegel- oder Punktsymmetrie

aufweist.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die

Messeinheit (30) dazu konfiguriert ist mittels der reflektierten zweiten Ultraschallwellen (6) gleichzeitig die Relativgeschwindigkeit (v3) zwischen dem Körper (2) und dem beweglichen Element (3) und physikalische Eigenschaften einer sich zwischen dem Körper (2) und dem Element (3) befindlichen Schmierstoffschicht

(21) zu bestimmen.

Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die physikalischen

Eigenschaften der Schmierstoffschicht (21) zumindest eine Eigenschaft, ausgewählt

aus Viskosität, Filmdicke, Druck, Spannung und Temperatur, umfasst.

Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinheit (30)

dazu konfiguriert ist basierend auf der Messung der Filmdicke der Schmierstoffschicht (21) die Bewegung des zumindest einen beweglichen Elements (3) in Richtung normal auf die Ebene der Kontaktgrenzfläche (5) zu bestimmen und vorzugsweise aus der bestimmten Bewegung des zumindest einen beweglichen Elements (3) in Richtung normal auf die Ebene der Kontaktgrenzfläche (5) das Vorhandensein eines Defekts des zumindest einen beweglichen Elements (3) zu

ermitteln.

Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinheit (30)

dazu konfiguriert ist die Bewegung des zumindest einen beweglichen Elements (3) in

allen drei Raumrichtungen zu bestimmen.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (100) zwei Körper (2a), (2b) und zumindest zwei Ultraschallsensoren (1) umfasst, wobei das zumindest eine bewegliche Element (3) zwischen den zwei

Körpern (2a), (2b) beweglich ist, wobei sich zumindest einer der zumindest zwei

11.

12.

13.

14.

18

Ultraschallsensoren (1) jeweils auf der dem beweglichen Element (3) abgewandten Seite der Körper (2a), (2b) befindet.

Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (100)

einen Aktuator (17) ansteuert, der eine Kraft auf die zwei Körper (2a), (2b) ausübt.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwei

oder mehr Ultraschallsensoren (1) nebeneinander als Array (la) gekoppelt sind.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der

zumindest eine Ultraschallsensor (1) zum Aussenden von Ultraschallanregungen in Form von kontinuierlichen Wellen, stehenden Wellen, Chirps oder Tonbursts

konfiguriert ist.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die

Messeinheit (30) eine Sensorelektronikeinheit (9) und eine ElektronikZentraleinheit (10) umfasst, wobei die Sensorelektronikeinheit (9) die Signale der reflektierten zweiten Ultraschallwellen (6) empfängt und an die ElektronikZentraleinheit (10) weiterleitet, welche Elektronik-Zentraleinheit (10) daraufhin Position und Geschwindigkeit des zumindest einen beweglichen Elements (3)

berechnet.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das

Aussenden von ersten Ultraschallwellen (4) synchron zu den ermittelten zyklischen Bewegungen des zumindest einen beweglichen Elements (3) auf der Gleichung ti=n * te3 + (€ mod m) * (te3/m)

basiert, wobei die verwendeten Symbole folgende Bedeutungen haben:

fi die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden ersten Ultraschallwellen (4),

i die Nummer der Messung,

n eine nicht negative, ganze Zahl,

fe3 die Dauer, bis dasselbe bewegliche Element (3) wieder vom Messbereich (8)

erfasst wird mod die Modulo-Rechenoperation,

m die Anzahl der erfassten Ultraschallwellen (6) während einem Zyklus fe

16.

19

Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichung weiters

einen Fehler e berücksichtigt: ti=n * tes + (Li mod m) * (tea/m) + e,

welcher Fehler e durch die verwendete Elektronik und Software verursacht wird.

Wälzlager mit einer Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei die Vorrichtung (100) dazu konfiguriert ist, gleichzeitig die Relativbewegung der Wälzkörper (26) im Wälzlagerkäfig (25) in Bezug auf den Lagerring (19) und die physikalischen Eigenschaften der Schmierstoffschicht (21) zu bestimmen.