Abgeschlossene Projekte

DataBelt

Komponenten und Verfahren für die in-situ Überwachung von Hochleistungszahnriemen

In diesem Kooperationsprojekt wurde mit dem Fachgebiet Integrierte Elektronische Systeme (IES), der BRECO Antriebstechnik Breher GmbH & Co. KG und der CONTECS Engineering Services GmbH zusammengearbeitet, um einen sensierenden Zahnriemen zu entwickeln, mit welchem der aktuelle Verschleißzustand und die Betriebsbedingungen ermittelt werden können. Das Projekt wurde durch ZIM (Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand) von der AiF (Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen) unter dem Förderkennzeichen ZF 40126527 gefördert.

Motivation

Hochleistungszahnriemen aus Polyurethan werden in einer Vielzahl von industriellen Anlagen zur bewegungstreuen Übertragung eingesetzt. Die Zugträger, welche sich aus Stahlseilen zusammensetzen, sind von einer Polyurehtan-Matrix umschlossen, welche die Zähne bildet, vgl. Abbildung 1.

Abbildung 1: Aufbau eines Polyurethan-Zahnriemens [2]

Beim Betrieb von industriellen Anlagen wird im Rahmen von Industrie 4.0 verstärkt die Überwachung des Anlagen- und Komponentenzustands umgesetzt. Dadurch können Wartungskosten und ungeplante Maschinenausfälle reduziert werden. Für Zahnriemen ist bisher kein Lebensdauermodell vorhanden, was zu Überdimensionierungen oder ungeplanten Maschinenausfällen führen kann. Zur Ermittlung des Verschleißzustands wird bisher durch Wartungspersonal die Eigenfrequenz gemessen, um damit die Vorspannkraft zu berechnen. Daher besteht hier ein hoher Bedarf zur Messung des Verschleißes und Erfassung der Betriebsbedingungen während des Betriebs.

In Abbildung 2 ist die Effektkette vom Verschleiß der Zugträger bis hin zur Messung der Beschleunigung dargestellt. Mit der gemessenen Beschleunigung soll im Frequenzbereich die Eigenfrequenz detektiert werden, um damit die Trumkraft und schließlich die Vorspankraft zu berechnen. Mit diesem Vorgehen kann der Verschleiß der Zugträger ermittelt werden.

Abbildung 2: Effektkette vom Verschleiß hin zur Messgröße Beschleunigung [3]

Ziel

Entwicklung eines sensierenden Zahnriemens, mit welchem die Temperatur und die Beschleunigung im Betrieb in allen Trumsegmente gemessen werden kann. Mit diesen Daten sollen Informationen über den Betriebszustand sowie den Verschleißzustand über geeignete Datenverarbeitungsalgorithmen gewonnen werden.

Ergebnisse

In Zusammenarbeit mit den Projektpartnern wurde in den Zahn eines Zahnriemens ein Sensorknoten integriert. Die Hauptkomponenten sind der Beschleunigungs- und Temperatursensor sowie der Mikrocontroller mit integrierter Bluetooth Datenübertragung. Diese Komponenten werden mit einer Sensorplatine in einen Zahn integriert, siehe Abbildung 3. Die hohen Beschleunigungen, welche im Betrieb auftreten, können die elektronischen Bauteile beschädigen. Daher wurde die Platine gezielt verstärkt, um die Hauptkomponenten zu schützen [1].

Abbildung 3: Integration der Sensorplatine in den Zahn eines Zahnriemens

Es wurde gezeigt, dass mit dem sensierenden Zahnriemen die Beschleunigung in den Trumsegmenten gemessen und die Änderung der Trumkraft detektiert werden kann. Die Messdaten werden zur Detektion der Eigenfrequenz mittels FFT in den Frequenzbereich übertragen. Über eine analytische Auswertung kann die Eigenfrequenz bei niedrigen Drehzahlen zuverlässig bestimmt werden. Bei hohen Drehzahlen kann es zu Überlagerungen mit der Zahneingriffsfrequenz und durch eine teilweise Überschreitung des Messbereichs des Beschleunigungssensors zu Störfrequenzen kommen. Zur Beherrschung dieser Störungen sind in Zukunft Auswertealgorithmen zu entwickeln. [3]

[1] Großkurth, D., Martin, G., 2019. Intelligenter Zahnriemen, in 20. GMA/ITG-Fachtagung Sensoren und Messsysteme 2019, p. 738

[2] T. Nagel, Zahnriemengetriebe: Eigenschaften, Normung, Berechnung, Gestaltung. München: Hanser, 2008

[3] Koch Y., Weller R., Welzbacher, P., Kirchner E., 2022. In-Situ Condition Monitoring in Timing Belts for Automation Purposes – Challenges and Opportunities, in 32nd CIRP Design Conference