Location- and time-resolved strain measurement in thrust roller bearings using thin-film sensors

verfasst von

Dennis Konopka, Tobias Steppeler, Rico Ottermann, Folke Dencker, Florian Pape, Gerhard Poll, Marc Wurz, Max Marian

Abstract

Lager spielen eine entscheidende Rolle in einer Vielzahl von technischen Anwendungen, beispielsweise in der Automobilindustrie, der Luft- und Raumfahrt und im Bereich erneuerbarer Energien. Insbesondere bei größeren und/oder schwer austauschbaren/reparierbaren Lagern, wie beispielsweise in Windkraftanlagen, sind Zustandsüberwachung und Lastregelung aufgrund der komplexen und teuren Wartung und Reparatur unerlässlich. Konventionell werden verschiedene Sensoren verwendet, die typischerweise außerhalb des Lagers positioniert sind. Dadurch wird eine eher geringe Informationstiefe erreicht, und der Lagerzustand kann nicht optimal beurteilt werden. Daher konzentriert sich dieser Artikel auf die Herstellung und Evaluierung von direkt abgeschiedenen Dünnschicht-Dehnungssensor-Arrays auf einem Wälzlager innerhalb und nahe dem tribomechanischen Kontakt zwischen Rolle und Laufbahn. Die Sensorherstellung erfolgte mittels Sputter-, Fotolithografie- und Ätzverfahren. Nach der statischen Charakterisierung der Dehnungsmessstreifen hinsichtlich Temperatur-, Dehnungs- und Druckempfindlichkeit auf verschiedenen Substraten wurde ein sensorintegriertes Axialrollenlager 81212 in einem FE8-Lagerprüfstand untersucht. Nach der Datenverarbeitung zeigten die dynamischen Messungen mit einer maximalen Hertzschen Pressung von 1 GPa negative Sensorwiderstandsänderungen von bis zu –1,4 im tribomechanischen Kontakt und bis zu 3,8 positive Widerstandsänderungen unmittelbar neben der Kontaktzone. Aufgrund des Verschleißes dieser Sensoren wurden Sensoren auch in größerem Abstand vom Kontakt positioniert, die immer noch ein messbares Signal von 0,5 Widerstandsänderungen zeigten. Dieses Signal kann nach kritischen Belastungen genutzt werden, wenn ihr Signal mit den anderen Sensoren in der Kontaktzone korreliert wurde, wenn diese verschlissen sind. Darüber hinaus ermöglicht die Zeitauflösung die präzise Messung der Drehzahl, und Abweichungen in der Walzengeometrie können aufgrund unterschiedlicher Sensoramplituden ebenfalls erkannt werden. Die ortsaufgelösten Messungen ermöglichen die Ableitung wichtiger Informationen über den tribomechanischen Kontakt in Echtzeit und ermöglichen so eine intelligente Komponentensteuerung, beispielsweise hinsichtlich Drehzahl, Schmierung und Belastung, bevor ein Schaden auftritt.

Organisationseinheit(en)

Institut für Maschinenkonstruktion und Tribologie
Institut für Mikroproduktionstechnik
QUEST Leibniz Forschungsschule

Typ

Artikel

Journal

Forschung im Ingenieurwesen/Engineering Research

Band

89

ISSN

1434-0860

Publikationsdatum

01.08.2025

Publikationsstatus

Veröffentlicht

Peer-reviewed

Ja

ASJC Scopus Sachgebiete

Allgemeiner Maschinenbau

Elektronische Version(en)

https://doi.org/10.1007/s10010-025-00857-4 (Zugang: Offen)