Sensorische Welle – In-situ-Messung prozessrelevanter Zustandsgrößen in Reibschlussverbindungen

• Antragsteller: Professor Dr. Günter Bräuer; Professor Dr.-Ing. Matthias Kreimeyer
• Fachliche Zuordnung: Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 511576481

Mit zunehmendem technischem Fortschritt und der damit einhergehenden Digitalisierung geraten auch klassische Maschinenelemente (ME) in den Fokus der Entwicklung smarter Zusatzfunktionen und digitaler Vernetzung. Vor dem Hintergrund sollen „Sensorintegrierende Maschinenelemente“ die Digitalisierung von bestehenden antriebstechnischen Systemen ermöglichen. Die Weiterentwicklung und Integration zusätzlicher Messfunktionen zur Erfassung physikalischer Größen direkt im ME stellt hierbei einen erfolgsversprechenden Ansatz dar, um einen erheblichen Mehrwert sowohl bei der Produktentwicklung als auch bei der Zustandsüberwachung im Feldeinsatz zu erzielen. Die zentralen ME für die Übertragung von Kräften und Momenten in antriebstechnischen Systemen stellen dabei Achsen und Wellen dar. Elementar für die Erfüllung ihrer Primärfunktion sind dabei die Welle-Nabe-Verbindungen (WNV), wobei reibschlüssige Verbindungen (Press- und Klemmverbindungen, Spannsätze etc.) häufig verwendete Varianten sind. Die für die Auslegung relevante Größen (Reib- bzw. Normalkraft) kann bisher nicht direkt gemessen werden, sondern wird indirekt aus anderen Größen bestimmt. Dies führt unweigerlich zu hohen Abweichungen und Unsicherheiten bei der Auslegung. Die Notwendigkeit aussagekräftiger Zustandsgrößen im Betrieb macht eine Ermittlung verschiedener Größen direkt am Bauteil unerlässlich. Zu diesem Zweck sollen Drehzahl- und Schwingungssensoren durch ein Dünnschichtsensorsystem ergänzt werden, welches die in-situ-Messung von mechanischen Spannungen, Dehnungen und Temperaturen am Bauteil ermöglicht. Das ME Welle als zentrales antriebstechnisches Element eignet sich dabei besonders als Träger für die Sensorik zur Ermittlung umfangreicher und zuverlässiger Betriebsdaten. Durch existierende Auslegungsvorschriften, kann eine zukünftige standardisierte Methode zur Sensorintegration in Wellen ohne signifikante Beeinflussung der Primärfunktion sichergestellt werden. Sensoren basierend auf multifunktionalen Dünnschichtsystemen ermöglichen erstmals eine präzise orts- und zeitaufgelöste Bestimmung lokaler Ausprägungen der Zustands- und Prozesskenngrößen wie Normal- und Schubspannungen sowie Temperatur im direkten Bauteilkontakt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen