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Industrielle Automation 1/2016

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Industrielle Automation 1/2016

SENSORIK UND MESSTECHNIK

SENSORIK UND MESSTECHNIK Analyse im Detail Untersuchung des thermomechanischen Verhaltens trockenlaufender Reibkupplungen durch faseroptische Sensorik 01 Untersuchte Gegenreibscheibe mit zeitlich aufgelösten Messdaten einer Schaltung entlang zweier Messstrecken 02 Die Grafik zeigt die Temperaturmessung von Glasfaser und Thermoelement im Vergleich Albert Albers, Sascha Ott, Benoit Lorentz, Jonas Kniel Kenntnisse über das thermomechanische Verhalten von Systemen liefern die Grundlage für Optimierungsmaßnahmen im Bereich der Tribologie. Eine Möglichkeit der umfassenden Analyse stellt das Verfahren der faseroptischen Sensorik dar. Die Beschreibung der Hauptfunktion einer trockenlaufenden Reibkupplung, das reibschlüssige Übertragen von Drehmoment und Drehzahl, ist bis heute noch Gegenstand der Forschung. Das grundlegende Verständnis für die Vorgänge im tribo logischen Kontakt ist nicht vorhanden, obwohl dieses Wissen für die Entwicklung neuer Produkte von Bedeutung wäre. Um hier einen Schritt vorwärts zu kommen, ist es notwendig, einen detaillierteren Blick in die Vorgänge des Systems zu werfen. Mit der gesuchten Messtechnik sollte es daher realisierbar sein, die Temperaturverteilung möglichst nahe dem Friktionskontakt hochauflösend zu erfassen. Mit der Analyse dieser Temperaturverteilung hinsichtlich des Albert Albers, Sascha Ott, Benoit Lorentz, Jonas Kniel, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), IPEK – Institut für Produktentwicklung Verhaltens über der Zeit erhält man einen detaillierteren Einblick in den Reibvorgang. Abgleich Temperaturmessung mit Thermoelementen Am IPEK ist es gelungen, mit der faseroptischen Sensorik [1], integriert in einer Gegenreibscheibe, die Temperaturverteilung sehr nahe dem Reibkontakt räumlich hochauflösend zu messen. Mit nur einer Sensorfaser wurden über 700 Messpunkte in der Gegenreibscheibe, mit Außendurchmesser ∅a = 200 mm und Innendurchmesser ∅i = 134 mm, aufgezeichnet. Mit der verwendeten Konfiguration der Auswerteeinheit war es möglich, alle Messpunkte mit einer Abtastfrequenz von 23 Hz gleichzeitig zu erfassen. Als Referenz wurden vier Thermoelemente auf unterschiedliche Radien platziert. Mithilfe der erfassten Temperaturen der Thermoelemente wird später der Abgleich mit dem faseroptischen Messsystem vollzogen. Die Versuche zum Nachweis der Einsatzfähigkeit der faseroptischen Messtechnik wurden am Trockenreibprüfstand (TRP) des IPEK durchgeführt. In Bremsversuchen wurden die Parameter Startdrehzahl von 500 bis 2 000 U/min und die Anpresskraft im Bereich 0,09 bis 0,2 N/mm² variiert. Um einen Vergleich der gemessenen Temperatur von Thermoelement und Faser durchzuführen, wird bei der Faser der Mess punkt auf dem korrespondierenden Radius zur Thermoelementspitze auf der nächstliegenden Messstrecke ausgewählt. Dieser Vergleich ist in Bild 02 dargestellt. „Das Ergebnis sind detailierte Erkenntnisse der Tribologie“ Der zeitliche Verlauf der Thermoelementmessung und des vergleichbaren Messpunktes der Glasfaser zeigt eine gute Übereinstimmung der beiden unabhängig voneinander gemessenen Temperaturen. Bei der Spitzentemperatur während einer Schaltung, z. B. zum Zeitpunkt t = 30 s, liegen jedoch deutliche Abweichungen der gemessenen Temperatur vor. Eine Erklärung dafür ist die sehr viel geringere thermische Masse der Glasfaser im Vergleich zu einem Thermoelement. Dies ermöglicht der Glasfaser, einer sehr schnellen Temperaturänderung besser folgen zu können. Untersuchung des thermodynamischen Verhaltens Um die Funktionsweise einer trockenlaufenden Reibkupplung besser verstehen zu können, muss man das thermodynamische Verhalten des Systems genauer betrachten. In Bild 01 ist der zeitliche Verlauf der Mess daten zweier Messstrecken dargestellt. Hier wird deutlich, wie sich die Temperaturverteilung über die Schaltung hinweg entwickelt. Aufgrund der hohen Informationsdichte dieser Diagramme ist ein Rückschluss auf das thermomechanische Verhalten sehr gut möglich. Das Systemverhalten ist verknüpft 20 INDUSTRIELLE AUTOMATION 1/2016

SENSORIK UND MESSTECHNIK 03 Zeitlich aufgelöste Messschriebe vier unterschiedlicher Schaltungen mit den Prüfparametern axiale Anpresskraft, Gleitgeschwindigkeit, Massenträgheit und der sich daraus ergebenden Rutschzeit. Die Rutschzeit muss dabei hinreichend lang sein, damit eine thermomechanische Änderung sichtbaren Einfluss auf das Systemverhalten hat. Die eingetragene Reibenergie benötigt eine gewisse Zeit, um sich zum Beispiel durch eine Bauteilverformung auszudrücken. Innerhalb der ersten 0,8 s sind bei zwei unterschiedlichen Schaltungen die Temperaturverteilungen sehr ähnlich. Am Innendurchmesser entsteht ein größeres Plateau und am Außendurchmesser kann eine schmalere Temperaturerhöhung festgestellt werden. Die unterschiedlichen Absoluttemperaturen erklären sich mit den unterschiedlichen Reibleistungen im vorgegebenen Zeitraum. Dass dieses ähnliche Verhalten jedoch nicht über den kompletten Reibvorgang erhalten bleibt, zeigt Bild 03. Man sieht deutlich die Veränderung der Temperaturverteilung in Abhängigkeit der Versuchsparameter. Es sind dieselben Schaltungen, jedoch wird hier der komplette zeitliche Verlauf betrachtet. Zusammenfassung Mit der vorgestellten Messmethode ist es möglich, das thermomechanische Verhalten eines Friktionssystems sehr detailliert zu analysieren, um anschließend gezielt Optimierungsmaßnahmen abzuleiten. Ein Optimierungsziel könnte das Homogenisieren der Temperaturverteilung in der Gegenreibscheibe sein, wodurch die Belastbarkeit des Systems gesteigert werden kann, bei gleichzeitiger Reduktion von Verschleiß durch die Vermeidung lokaler Temperaturspitzen. Ein weiteres Ziel ist die Anpassung eines Systems an seinen Arbeitsbereich. Die Untersuchung des Einflusses von Belastungsparametern wie Reibenergie/-leistung bietet die Möglichkeit, das System möglichst optimal auf seinen vorgesehen Einsatzbereich auszulegen. Ein weiteres Einsatzfeld ist die Validierung des thermischen Verhaltens von CAE-Modellen. Mittels räumlich hochauflösenden Messdaten könnte die Güte von Simulationsmodellen deutlich verbessert werden. Literaturhinweise: [1] D. Samiec, „Verteilte faseroptische Temperatur- und Dehnungsmessung mit sehr hoher Ortsauflösung,“ Photonik, pp. 34-37, 6/2011. www.polytec.de Damit haben Sie Messwerte jederzeit unter Kontrolle: MSR145WD Vielseitig einsetzbar: Funk-Datenlogger MSR145WD Der kompakte MSR145WD von MSR Electronics besitzt eine Speicherkapazität für 1Million Messwerte und zeichnet Temperatur, Feuchte, Druck, Licht sowie Lage lückenlos auf. Sie können die Messwerte jederzeit auf Ihrem Smartphone abrufen, via MSR SmartCloud Alarmmeldungen empfangen sowie bei Bedarf Daten von mehreren MSR145WD Datenloggern mit Ihrem Team teilen. Kontaktieren Sie uns, wir beraten Sie gerne. Verkaufsstellen: www.msr.ch Die Lösung zur effizienten Messdatenerfassung INDUSTRIELLE AUTOMATION 1/2016 21

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