Phänomenologische Betrachtung des elektrischen Verhaltens schrägverzahnter Stirnräder zur Identifikation sensorisch nutzbarer Effekte
Phänomenologische Betrachtung des elektrischen Verhaltens schrägverzahnter Stirnräder zur Identifikation sensorisch nutzbarer Effekte
Die Zustandsüberwachung von Getrieben und Maschinenelementen, wie z. B. Verzahnungen, gewinnt mit der fortschreitenden Digitalisierung zunehmend an Bedeutung. Für präzise Steuerungs- und Regelungsanwendungen sowie die Überwachung von Betriebszuständen werden zuverlässige Zustandsinformationen benötigt. Diese benötigten Zustandsinformationen werden durch sensorische Funktionen erfasst und einer Informationsverarbeitung zugeführt. Bei großen Distanzen oder komplexen Übertragungspfaden zwischen Mess- und Interessensort wird von ex-situ-Messungen gesprochen, die eine höhere Störan-fälligkeit und einen erhöhten Auswerteaufwand mit sich bringen. Ziel aktueller Forschungsvorhaben ist es, sensorische Funktionen unmittelbar am Interessensort zu integrieren, um die Vorteile einer sogenannten in-situ-Messung zu erschließen.
In der aktuellen Forschung sowie ersten praktischen Anwendungen wird das Konzept sensorisch nutzbarer Maschinenelemente (engl. Sensory utilizable Machine Elements, SuME) untersucht bzw. umgesetzt. Dabei werden physikalische Effekte in Maschinenelementen sensorisch genutzt, wie z. B. die elektrischen Eigenschaften tribologischer Kontakte in Wälzlagern zur Überwachung von Belastungen und Schadenszuständen. Auch für Verzahnungen wird an der Integration sensorischer Funktionen geforscht, wobei die Nutzung der elektrischen Eigenschaften des Zahnkontakts bislang nicht im Fokus stehen.
Die vorliegende Arbeit untersucht die Potentiale und Grenzen einer sensorischen Nutzung der elektrischen Eigenschaften des Zahnkontakts zwischen schrägverzahnten Stirnrädern. Hierfür werden zwei geometrisch verschiedene Verzahnungen systematisch in verschiedenen Betriebspunkten mittels elektrischer Impedanzanalyse untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die vorherrschenden Schmierungszustände im Zahnkontakt identifiziert und quantitativ beschrieben werden können: Während der Grenzflächenreibung zeigt sich ein resistives elektrisches Verhalten, das über die Mischreibung hin zur Flüssigkeitsreibung in ein kapazitives Verhalten übergeht. Drehzahl, Drehmoment und Schmierstofftemperatur beeinflussen die elektrischen Eigenschaften ebenfalls in signifikantem Maß. Zudem zeigt das elektrische Impedanzsignal des Zahnkontakts zwischen schrägverzahnten Stirnrädern einen charakteristischen Verzahnungsabdruck, der Informationen zur Eingriffsstrecke, zu herstellungsbedingten Teilungsabweichungen sowie zu künstlich aufgebrachten Oberflächenveränderungen liefert.
Die Arbeit verdeutlicht das Potential der elektrischen Impedanzanalyse für die Zustandsüberwachung von schrägverzahnten Stirnrädern. Das Messverfahren erlaubt die unmittelbare sensorische Erfassung von Zustandsinformationen im Zahnkontakt während des Betriebs und kann die Weiterentwicklung und die Optimierung von Getrieben und Verzahnungen unterstützen. Grenzen des Messverfahrens ergeben sich jedoch durch die elektrisch parallele Erfassung mehrerer Zahnkontakte aufgrund einer hohen Überdeckung der Zahneingriffe sowie durch die noch fehlenden elektrischen Modelle des Zahnkontakts zwischen schrägverzahnten Stirnrädern. Damit zeigt die vorliegende Arbeit die umfassenden Potentiale einer elektrischen Impedanzanalyse im Rahmen der Zustandsüberwachung von schrägverzahnten Stirnrädern auf und bietet Impulse für nachfolgende Forschungsarbeiten.
Condition monitoring of gearboxes and machine elements, such as gears, is becoming increasingly important as digitalization progresses. Reliable condition information is required for precise open- and closed-loop control applications as well as for monitoring operating conditions. This required condition information is recorded by sensory functions and used for information processing. In the case of large distances or complex transmission paths between the measurement point and the point of interest, the term ex-situ measurement is used, which involves a higher susceptibility to interference and an increased evaluation effort. The aim of current research is to integrate sensory functions directly at the point of interest to utilize the advantages of a so-called in-situ measurement.
The concept of Sensory utilizable Machine Elements (SuME) is being investigated and implemented in current research and initial practical applications. Physical effects in machine elements are used for sensory purposes, such as the electrical properties of tribological contacts in rolling element bearings to monitor loads and damage conditions. Research is also being carried out with regard to the integration of sensory functions into gears, although the utilization of the electrical properties of tooth contact has not yet been a focus.
This work investigates the potential and limitations of utilizing the electrical properties of the tooth contact between helical cylindrical gears for sensory purposes. For this purpose, two geometrically different gear designs are systematically investigated at different operating points using electrical impedance analysis. The results show that the prevailing lubrication conditions in the tooth contact can be identified and described quantitatively: During boundary lubrication, resistive electrical behavior is evident, which changes to capacitive behavior via mixed lubrication to hydrodynamic lubrication. Rotational speed, torque and lubricant temperature also have a significant influence on the electrical properties. In addition, the electrical impedance signal of the tooth contact between helical gears shows a characteristic gear contact pattern, which provides information on the line of action, on manufacturing-related pitch deviations and on artificially applied surface deviations.
The work describes the potential of electrical impedance analysis for monitoring the condition of helical gears. The measurement method allows the direct sensory acquisition of condition information in the tooth contact during operation and can also support development and optimization of gearboxes and gears. However, limits of the measurement method arise from the electrically parallel measurement of several tooth contacts due to a high total contact ratio and the lack of electrical models of the tooth contact between helical cylindrical gears. The present work thus demonstrates the comprehensive potential of electrical impedance analysis in the context of condition monitoring of helical cylindrical gears and provides impetus for subsequent research work.