Auto-informative Gleitlager – Autarke, temperaturbasierte Spalthöhenermittlung zur Zustandsüberwachung in Gleitlagern

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Tobias Gemmeke; Professor Dr.-Ing. Georg Jacobs
• Fachliche Zuordnung: Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 466775494

Die Zustandsüberwachung von Maschinenelementen ist für die fortschreitende Digitalisierung im Maschinenbau von grundlegender Bedeutung. Mithilfe der Zustandsüberwachung können kritische Betriebszustände sowie sich anbahnende Schäden der Maschinenelemente im Idealfall sofort online detektiert werden. Durch eine frühzeitige Erkennung von Schäden können Maschinen bedarfsgerecht gewartet werden, sodass die geplanten Wartungsintervalle verlängert und Kosten eingespart werden können. Die wichtigsten Größen zur Abschätzung von lebensdauerbegrenzenden Zuständen in Gleitlagern sind die Schmierspalthöhe und die Lagertemperatur. Übliche Überwachungssysteme, wie z.B. kostenintensive, kabelgebundene induktive Wegsensoren werden nachträglich an Gleitlager angebaut und können in mehrachsig rotierenden Systemen, wie z.B. Planetengetrieben, nur mit erheblichem Aufwand installiert werden. Das Ziel dieses Forschungsvorhabens ist deshalb die Entwicklung und Validierung einer Methode zur autarken, kabellosen, temperaturbasierten Spalthöhenermittlung für die Zustandsüberwachung hydrodynamischer Gleitlager. Das Messsystem soll direkt im Gleitlager integriert werden und mit Low-Cost-Komponenten eine zuverlässige Zustandsüberwachung ohne Beeinflussung der Primärfunktion auch im Mischreibungsgebiet ermöglichen. Das zu erforschende Lösungsprinzip für das auto-informative Gleitlager soll zur Temperaturmessung und gleichzeitig zur autarken Energieversorgung den Seebeck-Effekt nutzen. Neben der Speicherung und Übertragung der Größen Lagertemperatur und Spalthöhe soll sowohl bei der Überschreitung von vorgegebenen Grenztemperaturen als auch bei der Unterschreitung einer vorgegebenen Grenzspalthöhe ein Warnsignal ausgelöst werden. Die Grenzspalthöhe bestimmt den Mischreibungsübergang. In der Flüssigkeitsreibung wird die Grenztemperatur durch die zulässige Betriebstemperatur von Werkstoff, Öl und Sensorsystem bestimmt. Im Mischreibungsgebiet stellt die Grenztemperatur eine experimentell ermittelte Fresstemperaturgrenze dar. Grundlage der temperaturbasierten Spalthöhenermittlung bildet der Zusammenhang zwischen dem Wellenverlagerungswinkel sowie der Schmierspalthöhe. Über sogenannte Gümbelkurven kann aus dem Wellenverlagerungswinkel direkt die minimale Schmierspalthöhe ermittelt werden. Zur Ermittlung des Wellenverlagerungswinkels soll im geplanten Vorhaben die Position des sich ausbildenden Temperaturfeldes im Bereich der Lastzone genutzt werden. Zur Ableitung des Verlagerungswinkels aus dem Temperaturfeld wird ein TEHD-Modell zur Berechnung der Spalthöhe mit einem FE-Modell zur Berechnung der Wärmeleitung gekoppelt. Durch Berechnung verschiedener Betriebspunkte wird ein Kennfeld ermittelt, welches im Messsystem integriert wird und die Spalthöhe aus dem gemessenen Temperaturfeld in-situ ermittelt. Abschließend wird im Vorhaben ein Modell zur Übertragbarkeit auf andere Baugrößen auf Basis der Gümbelkurve entwickelt und experimentell validiert.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2305: Sensorintegrierende Maschinenelemente als Wegbereiter flächendeckender Digitalisierung
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Francisco Gutiérrez Guzmán