antriebstechnik 10/2015

Das Geheimnis lüften

Das Geheimnis lüften Messung von Temperaturprofilen in einer Reibkupplung Jonas Kniel, Albert Albers, Sascha Ott, Benoit Lorentz Schaltbare Reibkupplungen werden in Millionen von Automobilen eingesetzt, um Drehmoment und Drehzahl des Motors auf den Antriebsstrang zu übertragen. Grund genug für das IPEK – Institut für Produktentwicklung am KIT die komplexen Zusammenhänge des System Reibkupplung im Rahmen der Produktentwicklungsforschung genauer zu betrachten. Die Temperatur ist bei vielen technischen und wissenschaftlichen Fragestellungen ein entscheidender Messparameter. Er dient zum einen der Prozesskontrolle und lässt zum anderen oft Rückschlüsse auf zugrunde liegende Wirkmechanismen zu. Moderne faseroptische Sensorsysteme ermöglichen Temperaturmessungen nicht nur an Einzelpunkten, sondern mit hoher räumlicher Dichte im Millimeterbereich über die gesamte Länge einer Glasfaser. IPEK − Institut für Produkt entwicklung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es mit Hilfe dieser Technik gelungen, ein genaueres Verständnis des thermomechanischen Verhaltens von Reibkupplungen zu erlangen. Nach Aussage der Karlsruher Forscher ist die Beschreibung der Hauptfunktion einer trocken laufenden Reibkupplung, nämlich das reibschlüssige Übertragen von Drehmoment und Drehzahl, Dipl.-Ing Jonas Kniel ist Leiter der Forschungsgruppe Friktionssysteme des IPEK – Institut für Produktentwicklung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) Prof. Dr.-Ing Albert Albers ist Sprecher der Institutsleitung des IPEK – Institut für Produktentwicklung am Karlsruher Institut für Technologie Dipl.-Ing. Sascha Ott ist Geschäftsführer des IPEK – Institut für Produktentwicklung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) Dr.-Ing. Benoit Lorentz ist Leiter des Forschungsfeldes Tribologische Systeme des IPEK – Institut für Produktentwicklung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) bis heute Gegenstand der Forschung. „Das grund legende Verständnis für die Vorgänge im tribologischen Kontakt ist nicht ausreichend, obwohl dieses Wissen für die Entwicklung neuer innovativer Produkte von großer Bedeutung wäre. Um hier eine Schritt vorwärts zu kommen, ist es notwendig einen detaillierteren Blick iin die Reibprozesse im System zu werfen, um mit diesen Erkenntnissen Lösungen für die Praxis zu entwickeln“, erklärt Prof. Dr. Ing. Albert Albers, Leiter des IPEK − Institut für Produkt entwicklung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Die Machbarkeitsstudie Um die prinzipielle Einsetzbarkeit der faseroptischem Sensorik zu untersuchen, wurde ein speziell dafür ausgelegter Prüfaufbau entwickelt. Die experimentellen Untersuchungen wurden am Trocken-Reib-Prüfstand (TRP) des IPEK durchgeführt. Durch den Einsatz des faser optischen Messsystems konnten die Tempera turver teilungen sehr nahe am Reibkontakt mit einer räumlichen Auflösung von 1,25 mm erfasst werden. Bild 02 zeigt, wie die 155 µm dünne Glasfaser in die Gegenreibscheibe des Friktionssystems integriert wurde, so dass mit einer einzigen Sensorfaser über 700 Messpunkte aufgezeichnet werden konnten. Die Faser wurde dabei in hauchdünnen Bohrungen knapp unter der Reibfläche in 28 radialen Segmenten geführt. Als Referenz waren zusätzlich vier Thermo-Elemente angebracht, mit denen am jeweiligen Messort eine gute Übereinstimmung festgestellt wurde. Für das Ver- ständnis des dynamischen Verhaltens war entscheidend, mit der verwendeten Ausleseeinheit (Luna Odisi B − vertrieben von der Polytec GmbH aus Waldbronn) alle Messpunkte parallel mit einer Abtastrate von 23 Hz auszulesen. Um das Verhalten des Reibsystems in verschiedenen realistischen Belastungssituationen analysieren zu können, wurden in Bremsversuchen die Parameter Startdrehzahl (von 500 bis 2000 min -1 ) und Anpresskraft (0,09 – 0,2 N mm 2 ) variiert. Während der Durchläufe wurde das Temperaturverhalten des gesamten Messfeldes räumlich und zeitlich verfolgt und aufgezeichnet. In Bild 03 ist exemplarisch der Temperaturverlauf entlang einer radialen Messstrecke zu einem festen Zeitpunkt des maximalen Temperaturanstiegs gezeigt. Es bilden sich zwei Temperaturmaxima heraus, die auch mit den entstandenen Tragbild übereinstimmt. Das Bild 01 dokumentiert das vollständige räumlich-zeitliche Verhalten, an zwei hintereinander liegenden Messstrecken. Man erkennt, wie sich die beiden Maxima zeitlich aus einer Gleichverteilung heraus ausbilden. Da die Temperaturentwicklung bei diesen Experimenten flächenhaft über die gesamte Reibscheibe dokumentiert werden konnte und nicht nur an wenigen Stellen, wie bei der Verwendung von Thermoelementen, ist ein detaillierter Rückschluss auf das thermomechanische Verhalten sehr gut möglich. Das Systemverhalten ist dabei verknüpft mit den Prüfparametern Anpresskraft, Gleitgeschwindigkeit, Massenträgheit und der sich daraus ergebenden Rutschzeit. Aus der Analyse des gesamten Parametersatzes lassen 68 antriebstechnik 10/2015

SENSORIK UND MESSTECHNIK WIR SIND DER MASSSTAB 01 02 sich nun gezielte Optimierungsmaßnahmen für das untersuchte Friktionssystem ableiten. Gezielt optimieren 03 01 Untersuchte Gegenreibscheibe mit zeitlich aufgelösten Messdaten einer Schaltung entlang zweier Messstrecken 02 Messwerte der 26 Punkte einer Messstrecke zu einem Zeitpunkt des Reibvorgangs 03 Prüfaufbau mit 28 Mess strecken á 26 Messpunkten Mit der Messmethode ist es möglich das thermomechanische Verhalten eines Friktionssystems sehr detailliert zu analysieren, um anschließend gezielt Optimierungsmaßnahmen abzuleiten. Ein Optimierungsziel könnte das Homogenisieren der Temperatur verteilung in der Gegenreibscheibe sein, wodurch die Belastbarkeit des Systems gesteigert werden kann, bei gleichzeitiger Reduktion von Verschleiß durch die Vermeidung von lokalen Temperaturspitzen. Ein weiteres Ziel ist die gezielte Anpassung eines Systems an seinen Arbeitsbereich. Die Untersuchung des Einflusses von Belastungs - pa rametern wie Reibenergie/-leistung bietet die Möglichkeit das System möglichst optimal auf seinen vorgesehenen oder einen kri tischen 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. Fotos: Aufmacherbild: Fotolia Literaturverzeichnis: [1] D. Samiec, „Verteilte faseroptische Temperatur- und Dehnungsmessung mit sehr hoher Ortsauflösung,“ Photonik, pp. 34-37, 6/2011, [2] „Luna,“ [Online]. Available: http:// lunainc.com/. [Zugriff am Donnerstag, 13.02 Februar 2014], [3] Jonas Kniel, Michael Gommeringer, Benoit Lorentz, „A new approach for the optimization of the thermo-mechanical behaviour of dry-running clutches using fibre-optic sensing technology with high spatial measurement density”, Proc IMechE Part J: Engineering Tribology, 2015, Vol. 229(8) 1003–1010 www.polytec.de/fo-sensorik MESSTECHNIK REGELN SIE PRÄZISER ALS JE ZUVOR Schnelle Phasenstrommessung mit Ausgaberaten bis 300 kHz ERHÖHEN SIE IHREN WIRKUNGSGRAD Die shuntbasierten Messmodule der IPC-Reihe sind galvanisch getrennt und können je nach eingesetztem Shunt Strombereiche von 20 A bis mehrere tausend Ampere mit einer Auflösung von 12 – 16 Bit (Abtastraten von 50 – 300 kHz) messen. IPC-Varianten: auf das PWM-Signal triggerbare Stromerfassung Möglichkeit der externen Spannungsversorgung erhöhte Spannungsfestigkeit bis 5 kV Isabellenhütte Heusler GmbH & Co. KG Eibacher Weg 3 – 5 · 35683 Dillenburg Telefon 02771 934-0 · Fax 02771 23030 isascale@isabellenhuette.de · www.isabellenhuette.de