Erfolgreicher Abschluss des Höfler-Projektes sensorintegrierende Zahnräder: Bewertung von Drehzahlschwingung und Verschleißzustand durch direkt am Zahnrad montierte Beschleunigungssensorik

Ende Oktober fand der Abschluss des von der Dr.-Ing. Willy-Höfler-Stiftung geförderten Projektes „Sensorintegrierende Zahnräder zur Bewertung von Drehzahlschwingung und Verschleißzustand“ statt. In dem Projekt erforschte das IPEK die Umsetzbarkeit und das Potenzial von direkt am Zahnrad montierten mikroelektromechanischen Beschleunigungssensoren (MEMS). Diese bieten durch ihre kleine Baugröße, einfache Integrationsfähigkeit mittels Mikrocontrollern und günstige Anschaffungskosten einen großen Hub für die Zustandsüberwachung direkt am Zahnrad.

Direkt am Zahnrad montierte Sensoren bieten gegenüber den etablierten Piezo-Beschleunigungssensoren am Gehäuse den Vorteil eines sehr kurzen und direkten Signalwegs, wodurch die Unsicherheit in der Messdateninterpretation verringert werden kann. Herausforderungen bestehen indes in der geringen Bauraumverfügbarkeit, den harschen Umgebungsbedingungen direkt am Zahnrad sowie den Schnittstellen für Energieversorgung und Datentransfer.

Es wurde ein Prototyp eines sensorintegrierenden Zahnrads entwickelt, das über ein auf der Welle mitrotierendes Datenerfassungssystem verfügt (Bild oben). Dies dient dazu, die Unsicherheit einer schleifring- oder Drahtlosdatenübertragung zu eliminieren. Es erfolgte eine Validierung am Zahnradprüfstand, in der zum einen die Signal-Rausch-Verhältnisse gemessen und mit etablierter Lagerblocksensorik verglichen wurde. Die Ergebnisse wurden bei der Konferenz CIRP-Design 2021 [1] veröffentlicht. Zum anderen wurde die Verschleißdetektion mittels im Stand der Forschung bekannten Vibrationsanalysemethoden evaluiert und durch den realen Verschleißverlauf, der mittels Rauheits- und Massemessungen erfolgte, bewertet. Die Ergebnisse hierzu wurden im Journal Forschung im Ingenieurwesen [2] veröffentlicht.

In einem nächsten Schritt wurde aus den Learnings des ersten Prototyps ein höher integrierter Prototyp entwickelt, der über angepasste Sensoren mit geeigneterem Messbereich und Drahtloskommunikation verfügt (Bild unten). Dieser wird in zukünftigen Studien getestet.

[1] Design of sensor-integrating gears: methodical development, integration and verification of an in-Situ MEMS sensor system. (Titel verlinken mit: doi:10.1016/j.procir.2021.05.142)

[2] Sensor-integrating gears: wear detection by in-situ MEMS acceleration sensors. Forschung im Ingenieurwesen (akzeptiert, in Produktion).

Text: Julian Peters