Elastische Kupplungen mit integrierten flexiblen dielektrischen Elastomersensoren

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Berthold Schlecht; Dr.-Ing. Ernst-Friedrich Markus Vorrath; Professor Dr.-Ing. Thomas Wallmersperger
• Fachliche Zuordnung: Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung ; Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik ; Mechanik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 466661922

Kupplungen sind Maschinenelemente, die eine Leistungsübertragung zwischen zwei Wellen durch eine mechanische Verbindung ermöglichen. In der Antriebstechnik spielen formschlüssige drehelastische Kupplungen eine bedeutende Rolle, (i) da sie relativ einfach aufgebaut sind, (ii) kritische Drehmomentstöße reduzieren und (iii) systembedingte dynamische Schwingungen reduzieren können. In der ersten Phase des Projektes wurde eine Zahnkranzkupplung mit Sensoren ausgestattet, um Lasten während der Laufzeit im Einsatz zu bestimmen. Hierzu wurden nachgiebige, integrierbare dielektrische Elastomersensoren, inklusive der notwendigen Auswertungselektronik entwickelt. Ziel der zweiten Phase des Projektes ist es, in enger Abstimmung und interdisziplinärer Zusammenarbeit – von drei beteiligten Arbeitsgruppen mit spezieller Expertise – den in der ersten Projektphase entwickelten Prototypen einer sensorintegrierenden Zahnkranzkupplung in ein autonom arbeitendes sensorintegrierendes Maschinenelement zu überführen. Hierbei werden durch die Professur für Maschinenelemente am Institut für Maschinenelemente und Maschinenkonstruktion (IMM), die Professur für Mechanik multifunktionaler Strukturen am Institut für Festkörpermechanik (IFKM) und der MEiTNER Nachwuchsforschergruppe am Institut für Halbleiter und Mikrosysteme (IHM) in enger Abstimmung numerische und experimentelle Untersuchungen an realen konventionellen und sensorintegrierenden Kupplungssystemen durchgeführt. Damit die sensorintegrierende Kupplung autonom operieren kann, soll zunächst ein Energy-Harvesting Modul entwickelt werden. Weiterhin ist zu erforschen, ob durch die Veränderungen des Zahnkranzes durch die Sensorintegration neue Schadensmechanismen auftreten, um gegebenenfalls notwendige Lösungen entwickeln zu können. Des Weiteren steht die Untersuchung des thermischen Verhaltens des Zahnkranzes im Vordergrund. Da das Materialverhalten des Zahnkranzes stark temperaturabhängig ist, soll ein besseres Verständnis über den Wärmehaushalt während des Betriebs – u.a. zur Optimierung der Position der notwendigen Temperatursensoren – gewonnen werden. Weiterhin besitzt das Material des Zahnkranzes auch viskoelastische Eigenschaften. Daher soll ein geeignetes Regressionsmodell erstellt werden. Dieses soll neben einer ausreichenden Genauigkeit auch möglichst energieeffizient arbeiten, da es nur durch die vom Energy-Harvesting Modul bereitgestellte Energie versorgt wird. Abschließend sollen die in beiden Phasen des Projektes erworbenen Erkenntnisse in die Entwicklung einer Berechnungsvorschrift für sensorintegrierende Zahnkranzkupplungen einfließen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2305: Sensorintegrierende Maschinenelemente als Wegbereiter flächendeckender Digitalisierung