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Projekt
Sensorintegrierende Passfedern zur Erfassung von Drehmomenten
Fachliche Zuordnung
Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
Förderung
Förderung seit 2021
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 466657550
Die Passfederverbindung (PFV) ist im Bereich der stationären Antriebstechnik eine weit verbreitete Welle-Nabe-Verbindung (WNV). Das Mitnehmerelement Passfeder (PF) erzeugt dabei den Formschluss zwischen Welle und Nabe, so dass Lasten, typischerweise Drehmomente, zwischen Welle und Nabe übertragen werden können. Da die Betriebslasten in Antriebsträngen meist über WNV ein- und ausgeleitet werden, eignet sich die PF besonders für in-situ Messungen.Übergeordnetes Ziel des Gesamtvorhabens ist deshalb die sensorische Ertüchtigung von Passfedern, um über deren Verformung die an der WNV anliegenden Drehmomente mittels der übertragenen Umfangskraft zu erfassen. Dabei sollen die Sensorsignale direkt im Mitnehmerelement vorverarbeitet und drahtlos versendet werden. Die dafür notwendige Energie wird mittels Energy-Harvesting direkt im Mitnehmerelement erzeugt.Eine Herausforderung ist dabei die Erfassung der resultierenden Kraft der ungleichförmigen, naben- und drehmomentabhängigen Flächenpressung entlang der tragenden Passfederlänge unter vertretbarem sensorischem Aufwand. Hier setzt die Arbeitshypothese des Vorhabens an, die besagt, dass die Steifigkeit der PF so konditioniert werden kann, dass deren Deformation mit guter Näherung auf eine kleine Anzahl von modalen Freiheitsgraden reduziert wird und damit die über die PF laufende Last mit nur wenigen Dehnungssensoren erfasst werden kann.Im Rahmen des Projekts soll eine Gesamtentwurfsmethodik erarbeitet werden, welche über interagierende Einzelmethoden die Gestaltung, Dimensionierung und/oder Positionierung der verschiedenen Module (steifigkeitskonditionierter Grundkörper der PF, Dehnungssensoren mit entsprechendem Signalwandler, Energy- Harvesting-System bestehend aus Energiewandler sowie Energiespeicher und -managementsystem, Mikrocontroller und Funkeinheit) der sensorintegrierenden Passfeder erlaubt. Zudem sollen ein entsprechender Auswertealgorithmus sowie eine Sendestrategie entwickelt werden.Mithilfe von experimentellen und numerischen Untersuchungen an der PFV sollen die einzelnen Methoden validiert und die entsprechenden Module jeweils charakterisiert werden. Zudem soll der Energieverbrauch von Auswertemodul und Sendeeinheit ermittelt werden.In der ersten Förderperiode erfolgt die Qualifikation der sensorintegrierenden PF auf Modulebene. Eine vollständige Integration der Einzelmodule direkt in der PF ist in der zweiten Förderperiode des SPPs vorgesehen. Das beinhaltet auch die Betrachtung komplexerer Belastungsfälle sowie Störgrößeneinflüsse.Eine systematische Ausnutzung der modalen Steifigkeitskonditionierung zur Minimierung des sensorischen Aufwandes ist bis heute nicht erfolgt und stellt neben der reinen sensorischen Ertüchtigung der PF einen substanziellen Fortschritt gegenüber dem Stand der Forschung dar. Eine Adaption der zu entwickelnden Gesamtentwicklungsmethodik auf alternative WNV, wie beispielsweise Kegelspannsätze, wäre einfach möglich.
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
