Lastsensitive Zahnwelle mit sensorischem Werkstoff

Das Ziel des Projektes besteht in der Integration eines autonomen Sensorsystems in das Maschinenelement Zahnwelle, wobei die Primärfunktion des Systems unverändert bleiben soll. Zahnwellenverbindungen (ZWV) zählen zu den höchstbelasteten Maschinenelementen im Antriebsstrang und sitzen üblicherweise zentral im Leistungsfluss. Zur Detektion mechanischer Überlasten an der ZWV wird ein Werkstoffsensor in Verbindung mit einer Wirbelstromprüfung als Auswerteeinheit eingesetzt. Das Prinzip des Werkstoffsensors beruht auf einer dauerhaften Gefügeumwandlung von paramagnetischem Austenit in ferromagnetischen Martensit. Der Anteil des gebildeten Martensits ist bei zyklischer Belastung abhängig von der Lastamplitude und der Lastwechselzahl. Die Gefügeumwandlung tritt im Werkstoffsensor bereits bei Lastamplituden deutlich unterhalb der Dehngrenze auf. Eine höhere Belastung erzeugt dabei immer wieder Martensit, wodurch der Werkstoffsensor nicht nach einer Lastüberschreitung verbraucht ist. Die magnetischen Veränderungen können mittels elektromagnetischer Prüftechnik nachgewiesen werden. Die Realisierung der Lasterfassung und Informationsspeicherung durch das Sensormaterial, welches diese Funktion ohne externe Energieversorgung ausführt und das Auslesen in großen Intervallen ermöglicht, führt zu einer besonders energieeffizienten Bauteilüberwachung. In der 1. Förderperiode wurde ein Funktionsnachweis für alle notwendigen Module für eine autonome, lastsensitive Zahnwelle, die Überlasten detektiert und die Wirbelstromprüfdaten drahtlos überträgt, erbracht. In der 2. Förderperiode wird auf Basis der Ergebnisse der 1. Förderperiode ein robustes und energieeffizientes sensorintegriertes Maschinenelement (SiME) entwickelt, das die Autonomie der Energieversorgung und Datenübertragung gewährleistet. Ein weiteres Ziel ist die Sicherstellung der Updatefähigkeit der MCU-Software bzw. des Auswertealgorithmus. Ein zusätzlicher Schwerpunkt liegt auf der Gewährleistung der Bauteil- und Funktionszuverlässigkeit der einzelnen Basisfunktionen des Gesamtsystems. Die Langzeitstabilität der sensorischen Funktionen ist ebenfalls von entscheidender Bedeutung für die Gesamtleistung des Systems über die Lebensdauer der Zahnwelle. Zudem wird ein umfassendes Rahmenwerk zur Gestaltung und Simulation des SiME entwickelt, um bestehende Standards in geeigneter Form zu ergänzen.

DFG-Verfahren Schwerpunktprogramme

Teilprojekt zu SPP 2305:  Sensorintegrierende Maschinenelemente als Wegbereiter flächendeckender Digitalisierung