Micro-Invasive & Intelligent Machine Elements

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Micro-Invasive & Intelligent Machine Elements

Technische Systeme sind häufig informationsverarbeitende Systeme – von klassischen mechatronischen Systemen bis zu den vernetzten cyber-physischen Systemen der Industrie 4.0 und des Internets der Dinge. Ihre Funktionalität hängt von Informationen über Maschinen oder Prozesse ab, die durch Sensoren erfasst werden. Aus praktischen Gründen – z.B. weil der Bauraum beschränkt ist, der Sensor vor Störgrößen geschützt werden muss, oder der Prozess durch den Sensor gestört würde – werden die interessanten Größen oft nicht direkt am „Ort des Geschehens“ gemessen, sondern mithilfe eines Modells aus einer anderen gemessenen Größe bestimmt. Die Genauigkeit und die Qualität der ermittelten Informationen sind damit von der Güte des hinterlegten Modells und der darin getroffenen Annahmen abhängig. Besonderes Augenmerk gilt dabei dem „Abstand“ zwischen erfasster und gesuchter Größe, da mit der räumlichen Trennung auch die Gefahr von Störeinflüssen steigt, die mit den im Modell getroffenen Annahmen nicht übereinstimmen und somit das Messergebnis negativ beeinflussen.

Die Idee der „Micro-Invasive & Intelligent Machine Elements“ ist, diese Unsicherheiten durch die Integration sensorischer, aktorischer, informationsleitender und informationsverarbeitender Funktionen in standardisierten Maschinenelementen und Konstruktionselementen zu reduzieren. Maschinenelemente sind in vielen Anwendungen verbreitete und häufig standardisierte Komponenten mechatronischer Systeme und bieten deshalb ein Potential für die Standardisierung von Sensorik. Außerdem sind sie integrale, funktionserfüllende Bestandteile mechatronischer Systeme: Beispielsweise verbinden sie, wie in der Abbildung dargestellt, zwei Subsysteme des mechatronischen Systems. Durch die Integration sensorischer oder aktorischer Funktionen in diese Schnittstelle kann das Verhalten des Systems direkter überwacht und beeinflusst werden, als dies mit externer Sensorik und Aktorik möglich ist. Das zur Informationsgewinnung verwendete Modell kann aufgrund der Prozessnähe des Sensors deutlich vereinfacht werden. Zusätzlich dazu kann die benötigte Sensorik und Aktorik außerhalb der mechanischen Strecke verringert werden (gestrichelte Linien).

Anwendungsbeispiel

Zur Verdeutlichung der Vorteile sensierender Konstruktionselemente sei die Doppelkupplung in einem Fahrzeuggetriebe herangezogen, das Bild (Quelle: Schaeffler Gruppe) zeigt ein Produktionsbeispiel. Wenn eine Drehmomentmessung ohne große Umkonstruktionen unter Nutzung vorhandener Konstruktionselemente in die Kupplungsscheiben integriert wird, steht das jeweils anliegende Moment als exakte Messgröße zur Verfügung und muss nicht mithilfe aufwendiger Reibungsmodelle aus anderen Daten errechnet werden. Dadurch wird zum einen die Regelung des Systems deutlich vereinfacht, zum anderen kann der Nachweis der funktionalen Sicherheit nach ISO 26262 leichter geführt werden, da ein gleichzeitiges Einkuppeln beider Kupplungen sicher erkannt werden kann. Die Vorteile werden somit häufig nicht direkt auf der Ebene der Konstruktionselemente sondern im Systemkontext deutlich.

Anwendungsgebiete

Beispiele für mögliche Anwendungsgebiete mikroinvasiver intelligenter Maschinenelemente sind

  • Ermittlung von Lastkollektiven für die Bauteilauslegung im Rahmen der Produktentwicklung
  • Integration von Sensorik mit minimalen Umkonstruktionen durch Austausch von Maschinenelementen
  • Beobachtung und Regelung von Fertigungsprozessen
  • Erkennen und Beseitigen von Montagefehlern durch Messung von Wellenversatz oder Zwangskräften in Lagern
  • Messung des Eintrags von störenden Schwingungen an Lagerstellen
  • Zustandsüberwachung und Predictive Maintenance

Forschungsansatz

Der Forschungsansatz des pmd berücksichtigt vier Bereiche:

  • Aus Anwendersicht ist die wichtigste Forschungsfrage, welche Informationen einen Mehrwert für das Unternehmen bieten, und wie diese Informationen auf robuste Weise durch Messung und Datenverarbeitung erfasst werden können.
  • Um eine berechenbare und zuverlässige Funktionsintegration zu ermöglichen, ist ein umfassendes Verständnis des mechanischen Verhaltens und der Eigenschaften der Maschinenelemente nötig.
  • Möglichkeiten für die konstruktive Integration der Zusatzfunktionen werden erarbeitet.
  • Experimentelle und numerische Untersuchungen dienen dazu, das Verständnis von Bauteilen und Systemen zu verbessern und theoretische Erkenntnisse zu validieren.

Forschungsprojekte

  • Entwicklung einer smarten Passfeder mit integrierter Drehmomentmessung
  • Entwicklung smarter Ausgleichskupplungen mit integrierter Messung von Drehmoment und Wellenversatz
  • Entwicklung signal- und energieleitender Wälzlager

Lehre

Die Entwicklung und Anwendung konventioneller und innovativer Maschinenelemente wird in der Grundlagenvorlesung „Maschinenelemente und Mechatronik II“ und insbesondere in den Vertiefungsvorlesungen „Innovative Maschinenelemente I + II“ behandelt.

Industrie

Wir streben eine intensive Kooperation mit Partnern aus der Industrie an, um unsere Forschungsergebnisse in industriellen Entwicklungs- und Forschungsprojekten anzuwenden und zu verbessern. Sprechen Sie uns einfach an!

Abgeschlossene studentische Arbeiten: