Elastische Kupplungen mit integrierten flexiblen dielektrischen Elastomersensoren

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Berthold Schlecht; Dr.-Ing. Ernst-Friedrich Markus Vorrath; Professor Dr.-Ing. Thomas Wallmersperger
• Fachliche Zuordnung: Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung ; Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik ; Mechanik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 466661922

Kupplungen sind Maschinenelemente, deren primäre Funktion darin besteht, eine Leistungsübertragung zwischen zwei Wellen durch eine mechanische Verbindung zu ermöglichen. Den formschlüssigen drehelastischen Kupplungen wird in der Antriebstechnik eine hohe Bedeutsamkeit zugesprochen, da sie einerseits konstruktiv vergleichsweise einfach ausgeführt und somit preisgünstig sind und andererseits aufgrund der Drehnachgiebigkeit kritische Drehmomentenstöße mildern sowie systembedingte dynamische Schwingungen dämpfen können. Im Rahmen dieses Projektes sollen elastische Kupplungen, wie Zahnkranzkupplung und Keilpaketkupplungen mit Sensoren ausgestattet werden, um Drehmomente und Kräfte während der Laufzeit im Einsatz zu bestimmen. Solche Kupplungen verfügen über elastische Elastomerelemente (i) zum Ausgleich von axialem und radialem Versatz und (ii) zur Aufnahme von Drehmomentenstößen. Die Sensoren sollen hierbei direkt in die nachgiebigen Elastomerelementen untergebracht werden und diese sowohl geometrisch, als auch mechanisch nach außen hin, nicht, oder nur so wenig wie möglich, verändern. Aus diesem Grund sollen im beantragten Projekt nachgiebige, integrierbare Sensorsysteme, inklusive der notwendigen Auswertungs- und Kommunikationselektronik entwickelt werden. Hierzu sollen im Projekt piezoresistive und kapazitive dielektrische Elastomersensoren generiert und eingebettet werden, da die unter Belastung zu erwartenden Verformungen in den Elastomerelementen im Prozentbereich liegen und somit nur schwer mit konventionellen Messsystemen, wie zum Beispiel mit Dehnmessstreifen zu erfassen sind. Somit ist es vorteilhaft, ein Messsystem zu entwickeln, dessen mechanische Eigenschaften denen des Elastomerelements ähnlich sind. Aus diesem Grund sollen dielektrische Elastomere als Sensoren verwendet werden, um das Verhalten der Kupplungen stetig zu überwachen. Ziel des Projektes ist es, in enger Abstimmung - von drei beteiligten Arbeitsgruppen mit spezieller Expertise - das Verhalten von Kupplungen sensorisch zu überwachen. Hierbei werden durch die Professur für Maschinenelemente am Institut für Maschinenelemente und Maschinenkonstruktion (IMM), die Professur für Mechanik multifunktionaler Strukturen am Institut für Festkörpermechanik (IFKM) und der MEiTNER Nachwuchsforschergruppe am Institut für Halbleiter- und Mikrosysteme (IHM) in enger Abstimmung (i) relevante Systemparameter an realen Kupplungssystemen numerisch und experimentell ermittelt, (ii) numerische Simulationen der elastischen Komponenten und des Gesamtsystems durchgeführt, (iii) die einzelnen Sensorelemente designt und entwickelt. Abschließend werden die aufgebauten Sensordemonstratoren in reale Kupplungen integriert, und deren Verhalten wird numerisch simuliert und unter realen Bedingungen auf angepassten Prüfständen getestet.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2305: Sensorintegrierende Maschinenelemente als Wegbereiter flächendeckender Digitalisierung