Produktentwicklung mit sensorintegrierenden Maschinenelementen - Beherrschung der Unsicherheit von in-situ erfassten Daten im mechatronischen System

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Eckhard A. Kirchner
• Fachliche Zuordnung: Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 431606807

Der Kern des Projekts ist die Modellierung der strukturintegrierten Signal- und Energieübertragung und die Beherrschung der resultierenden Unsicherheiten entlang der Wirkkette vom Sensor bis zur Datenübergabe am Ende eines strukturintegrierten Übertragungspfades.Dazu werden die folgenden Themenkomplexe untersucht:1. Identifikation und Quantifizierung der Störgrößeneinflüsse auf die konventionelle (elektrotechnische) und strukturintegrierte (mechanische) Energie- und Signalleitung bei Einbindung sensorintegrierender Maschinenelemente (SiME) in mechatronische Systeme.2. Modelle und Methoden für die Analyse mechatronischer Systeme mit SiME zur quantitativen Bewertung der Störgrößeneinflüsse.3. Hinweisen und Richtlinien für die Gestaltung von SiME zur Absenkung der Störgrößenanfälligkeit.Zur Bewertung der Störgrößenwirkung wird eine mathematische Beschreibung der Abhängigkeiten erarbeitet als Ausgangspunkt für eine deterministische Optimierung im Rahmen des operativen Vorgehens beim Gestalten. Die Wechselwirkungen zwischen der mechanischen Beanspruchung mechatronischer Systeme und der strukturintegrierten Signal- und Energieleitung werden experimentell untersucht, klassifiziert und quantitativ beschrieben. Das Ziel für eine vorhersagbare strukturintegrierte Signalleitung ist das Eliminieren von Unwissen, unbeachteter Unsicherheit und Ungewissheit aus der gesamten Übertragungskette. Dabei wirken einerseits Störgrößen auf den Übertragungspfad der Messgrößen zum SiME und beeinflussen das abgegebene Signal, andererseits wirken Störgrößen auf die Signalübertragungsstrecke. Dabei ist es wichtig, die Störgrößenwirkung auf die Signalerfassung und -übertragung zu klassifizieren und mathematisch zu beschreiben.Im Rahmen des Arbeitsprogramms werden einstufige Getriebe und ihre Komponenten in drei Baugrößen mechanisch beansprucht und dabei elektrisch vermessen, als exemplarische SiME werden Passfedern und Klauenkupplungen verwendet, die teils eine geschlossene mathematische Beschreibung der Störgrößenwirkung ermöglichen. Für die statistische Absicherung werden mehrere Versuchsträger untersucht, die Messungen werden nach detaillierten Messplänen mehrfach durchgeführt, dabei kommen Kreuztauschmethoden zur Anwendung.Das elektrische Verhalten der mechanischen Konstruktion und der mikroinvasiv integrierten SiME wird lastfrei, bei konstanter Beanspruchung und unter dynamischen Bedingungen untersucht, dabei werden Störgrößeneinflüsse aus Störquellen (Temperatur und elektromagnetische Strahlung) gezielt aufgebracht, die Versuchsbefunde dienen als Basis zur mathematischen Beschreibung einzelner Effekte und zur Klassifikation der Störgrößenwirkung. Vergleichende Untersuchungen ermöglichen die Erarbeitung erster Gestaltungshinweise für SiME und für deren Integration in mechatronische Systeme. Als Verifikationsbeispiel wird abschließend ein zweistufiges Getriebe mit integrierten SiME untersucht und die Prognosegüte der Abschätzung der Störgrößenwirkung bewertet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen