Integrierte Sensorik für intelligente Großwälzlager (ISiG)

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Max Marian; Professor Dr.-Ing. Bernhard Wicht; Professor Dr.-Ing. Marc Christopher Wurz
• Fachliche Zuordnung: Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung ; Mikrosysteme
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 466778958

Im Kontext fortschreitender Digitalisierung werden mechanische Komponenten und Systeme zu intelligenten, mechatronischen Systemen weiterentwickelt. Dabei verknüpfen diese Sensorik, Aktorik und Informationsverarbeitung mit einer vorausschauenden, vernetzten und selbsthandelnden Komponente. Dies ermöglicht neben der Planung von Wartungs- oder Reparaturintervallen vielmehr noch eine Selbstdiagnose und -regelung sowie die autonome, bedarfs- und energieeffiziente Steuerung von instationären Prozessen. Einem hohen Stellenwert kommt dabei der zuverlässigen Erfassung von aussagekräftigen Prozess- und Zustandsdaten durch geeignete Sensoren zu, auf Basis derer Entscheidungen für das System getroffen werden. Im Rahmen des DFG-Schwerpunktprogramms 2305 „Sensorintegrierende Maschinenelemente“ soll das Potential der Digitalisierung zugängig gemacht werden. Dabei sind neben der Sensorintegration auch Energieerzeugungskonzepte, Datenverarbeitung und Signalübertragung zu lösen. Das Gesamtziel des geplanten Vorhabens ist es, ein intelligentes, sensorintegriertes Großwälzlager zu entwickeln, das drohende Schäden frühzeitig detektiert, sodass Ausfallzeiten vermieden, Wartungsintervalle optimiert und die Betriebsparameter an das gemessene Belastungskollektiv angepasst werden können. Hierzu sollen die Erkenntnisse des sensorintegrierten Axial-Zylinderrollenlagers als Prototyp der ersten Förderperiode auf ein Radial-Großwälzlager (NU 256) übertragen werden, welches bspw. in Windkraftanlagen eingesetzt wird. Mit Hilfe der Sensorintegration mittels Direktabscheidung von Dünnfilm-DMS und -Temperatursensoren auf den Oberflächen der Lagerringe inklusive im Radial-Großwälzlager integrierter Elektronik wird ohne Vergrößerung des Bauraums ein System zur Zustandsüberwachung geschaffen, welches Kräfte, Temperatur und Drehzahl erfasst. Durch den Einsatz der Auswerteelektronik werden die Daten vorverarbeitet sowie durch geeignete Algorithmen komprimiert, wodurch der Energiebedarf deutlich reduziert wird. Anschließend werden die Daten über eine Bluetooth-Schnittstelle an einen Server durch das Gehäuse drahtlos übertragen. Für die Updatefähigkeit des integrierten Sensorsystems werden bestehende Over-the-Air-Update-Protokolle (OTA) für Bluetooth Low Energy 5.0 eingesetzt, was eine drahtlose Firmeware-Aktualisierung ermöglicht. Die Energieautarkie der Elektronik wird mit Hilfe eines induktiven Energy Harvesters im Großwälzlager sichergestellt. Das sensorintegrierte Radial-Großwälzlager wird in den Prüfstand für Funktionsuntersuchungen integriert. Dabei wird das System Belastungskollektiven und Langzeittests ausgesetzt, um die Zuverlässigkeit der Sensorik, der Auswerteelektronik und des Energy Harvestings zu optimieren. So können in Zukunft sensorintegrierte Wälzlager hergestellt und energieautark in z.B. Windkraftanlagen eingesetzt werden, um durch die intelligente Zustandsüberwachung die Sicherheit zu erhöhen und Ausfallzeiten durch eine Betriebsparameterregelung zu minimieren.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2305: Sensorintegrierende Maschinenelemente als Wegbereiter flächendeckender Digitalisierung
• Mitverantwortliche: Dr.-Ing. Florian Pape; Professor Dr.-Ing. Gerhard Poll