title: Phänomenologische Betrachtung des elektrischen Verhaltens schrägverzahnter Stirnräder zur Identifikation sensorisch nutzbarer Effekte
Creators: name: Hausmann, Maximilian
Publisher: name: UNSPECIFIED
Year: 2025

description: 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.