Minimalinvasive Kontakttemperaturmessung in geschmierten Wälzkontakten mittels thermoelektrischer Dünnschichtsensoren

• Antragsteller: Dr.-Ing. Thomas Lohner; Dr. Tarek Lutz
• Fachliche Zuordnung: Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 544948187

Die Kontakttemperatur stellt eine wichtige Zustandsgröße geschmierter Wälzkontakte in Maschinenelementen wie Zahnrädern oder Wälzlagern dar, da die Schmierstoffeigenschaften stark temperaturabhängig sind und auf die Verlustleistung rückwirken. Messprinzip bedingt sind aktuelle thermoresistive, thermoelektrische und optische Messverfahren für geschmierte Wälzkontakte mit Wälzkörpern aus Stahl nicht minimalinvasiv und liefern somit keine direkten Validierungsdaten für Abhängigkeitssimulationen zwischen Kontakt- und Sensordaten. Das übergeordnete Ziel des gemeinschaftlichen Projekts zwischen FZG und NMI ist die Gestaltung thermoelektrischer Dünnschichtsensoren zur minimalinvasiven Messung der Kontakttemperatur in geschmierten Wälzkontakten mit Wälzkörpern aus Stahl, welche zumeist in Zahnrädern und Wälzlagern leistungsübertragender Getriebesysteme vorliegen. Durch gezielte Nutzung des thermoelektrischen Effekts werden Restriktionen bisheriger Messverfahren, die sich durch die notwendige elektrische Isolation gegenüber dem Substratwerkstoff oder optischer Transparenz eines Wälzkörpers ergeben, umgangen. Eine elektrische Isolation durch den Schmierfilm im Wälzkontakt ist ebenfalls nicht notwendig, sodass beispielsweise auch elektrisch leitfähige Getriebefluide mit z. B. funktionalem Anteil an Wasser untersucht werden können. Zur Zielerreichung wird die Gestaltung von minimalinvasiven thermoelektrischen Dünnschichtsensoren aus Konstantan auf Sensorscheiben aus zahnradtypischem Einsatzstahl fokussiert. Im Rahmen von insgesamt acht Arbeitspaketen erfolgt zunächst eine Anforderungsanalyse unter Berücksichtigung der geometrischen und prozessbedingten Randbedingungen. Anschließend werden minimalinvasive thermoelektrische Dünnschichtsensoren unter iterativer Anpassung der Sensorarchitektur gestaltet und die Messkette unter Berücksichtigung der elektrischen Eigenschaften der gefertigten thermoelektrischen Dünnschichtsensoren adaptiert. Nach statischem Funktionsnachweis und Erreichen des ersten Meilensteins erfolgt die Übertragung und der Funktionsnachweis für rotierende Wälzkörper am Zweischeibentribometer. Durch erfolgreiche Demonstration der Funktion thermoelektrischer Dünnschichtsensoren am hochbeanspruchten Wälzkontakt mit Wälzkörpern aus Stahl wird der zweite Meilenstein erreicht. Die erzielten Messergebnisse werden mittels numerischer Berechnung der Kontakttemperatur und thermoresistiver Referenz-Dünnschichtsensormessungen analysiert. Den Abschluss bildet eine Synthese aller Erkenntnisse zur Übertragung auf Maschinenelemente. Mittels minimalinvasiver thermoelektrischer Kontakttemperaturmessung werden die Aussagekraft und Möglichkeiten heutiger Dünnsichtsensoren erweitert. Bei positiven Projektergebnissen für hochbeanspruchte Wälzkontakte bei Vollschmierung ist eine Übertragung der Erkenntnisse auf Stirnradverzahnungen mit Mischschmierung geplant

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Professor Dr. Jannik Meyer; Professor Dr.-Ing. Karsten Stahl