Lastsensitive Zahnwelle mit sensorischem Werkstoff

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Armin Lohrengel; Professor Dr.-Ing. Hans Jürgen Maier
• Fachliche Zuordnung: Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 466760574

Für die Entwicklung und den Betrieb höchst ressourceneffizienter Maschinen ist die Verfügbarkeit hochwertiger Informationen zu den real auftretenden Beanspruchungen Grundvoraussetzung. Am wertvollsten sind dabei die Informationen, die möglichst unmittelbar an den hochbelasteten Teilen im Feldbetrieb gewonnen wurden. Die dazu notwendige flächendeckende Digitalisierung von Maschinen erfordert kostengünstige und möglichst ohne Mehraufwand integrierbare Messsysteme. Eine große Herausforderung bei der Entwicklung solcher Systeme ist der energieautarke Betrieb; konventionelle Systeme wie Dehnungsmesstreifen erfordern einen konstanten elektrisch versorgten Messbetrieb mit hoher Abtastfrequenz. Im Rahmen des Schwerpunktprogramms 2305 “Sensorintegrierte Maschinenelemente” (SiME) soll eine mögliche Lösung mit im Vergleich zum Stand der Technik deutlich verringertem Energiebedarf zur Erfüllung der genannten Messanforderungen in Form eines sensorisch aktivierten Werkstoffrandbereichs an einer Zahnwellenverbindung erforscht werden. Das Prinzip des sensorischen Werkstoffs basiert auf einer Gefügeumwandlung von metastabilem Austenit zu Martensit bei Beanspruchung oberhalb einer Grenzbeanspruchung. Die Gefügeumwandlung kann durch eine Wirbelstromprüfung detektiert werden. Der sensorische Werkstoff speichert die Belastungsinformation, erfordert keine elektrische Energieversorgung und kann in beliebigen Intervallen ausgelesen werden. Als Messstelle kann der sensorische Werkstoff durch eine Laser-Wärmebehandlung lokal individuell eingestellt werden. Im Forschungsvorhaben soll der Nachweis erbracht werden, dass über die sensorische Werkstoffaktivierung die Entwicklung reproduzierbarer SiME möglich ist, welche sich durch besonders geringe Energieanforderungen und besonders hohe Informationsqualität auszeichnen, wobei die Grundfunktion des Maschinenelements nur geringfügig beeinflusst wird. Forschungsinhalte sind die methodische Untersuchung der konstruktiven Integration, die Analyse der Auswirkungen der Sensorintegration auf das Maschinenelement und die Qualifizierung des sensorischen Werkstoffs. Mit einer energieeffizienten, mittels Energy Harvesting autark betreibbaren im Vorhaben entwickelten prototypischen Wirbelstrom-Ausleseeinheit wird der Funktionsnachweis an Zahnwellenverbindungen im Prüfstand erbracht. Abschließend wird die Updatefähigkeit und Erweiterungsfähigkeit um weitere Messgrößen betrachtet.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2305: Sensorintegrierende Maschinenelemente als Wegbereiter flächendeckender Digitalisierung
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Günter Schäfer