Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBFMetallkissenlager mit integrierter Sensorfunktion
Intelligente Lagerungen mit Sensorik
Metallkissen stellen aufgrund ihrer hohen chemischen und thermischen Beständigkeit in vielen Anwendungen eine sinnvolle Alternative zu Elastomerkomponenten dar. Die Elastizität und Dämpfung der Drahtgeflechte beruht auf der Wechselwirkung einzelner Drahtsegmente während der Verformung – ein Mechanismus, der sich auch in der Änderung der elektrischen Eigenschaften widerspiegelt. Am Fraunhofer LBF wurde dieser Effekt nun in Form eines neuen Sensorkonzepts nutzbar gemacht und prototypisch umgesetzt. Die entwickelte Sensorik besticht durch ihre kostengünstige, bauraumneutrale Integration in bestehende Systeme und erlaubt dort die Erfassung von Schwingungen und Lasten. Mit einfachen Mitteln können somit Prozesse und Lagerzustände überwacht sowie dynamische Lagerkräfte quantifiziert werden.
Dynamische Charakterisierung des Metallkissensensors.
Mechanisches und elektrisches Hystereseverhalten.
Bewährte Technologie mit neuer Funktion
Während die mechanischen Eigenschaften von Elastomeren durch makromolekulare Wechselwirkungen geprägt sind, sind es die Abstützung und Reibung ineinander verflochtener Drahtsegmente, die die Elastizität und Dämpfungseigenschaften von Metallkissen bewirken. Durch die Wahl von Drahtdurchmesser, Material und Webdichte können die Formteile entsprechend spezifischen Anforderungen maßgeschneidert werden. Neben dem elastomerähnlichen Verhalten zeichnen sich Metallkissen durch ihre exzellente Beständigkeit gegenüber aggressiven Medien, extremen Temperaturen und Alterungseffekten aus. Aus diesem Grund haben sie sich insbesondere in chemisch und thermisch anspruchsvollen Anwendungen der Schwingungstechnik etabliert und eröffnen neue Perspektiven, wo konventionelle Elastomerkomponenten an ihre Grenzen stoßen.
Eine bisher weniger beachtete Eigenschaft von Metallkissen ist deren elektrische Leitfähigkeit. Diese variiert mit dem Deformationszustand, da dieser die Anzahl und Pressung der Kontaktflächen im Inneren des Drahtgeflechts beeinflusst. Die Messung der Leitfähigkeit beziehungsweise des elektrischen Widerstands erlaubt somit den Rückschluss auf die Verformung des Lagerelements und die darin herrschenden Kräfte. Auf Basis dieser Idee haben wir ein Sensorkonzept entwickelt, durch das Metallkissen nicht nur ihre traditionelle Rolle als strukturelle Elemente einnehmen, sondern darüber hinaus eine Schwingungsanalyse und Feststellung von statischen und dynamischen Lagerkräften ermöglichen.
Die bereits erfolgreich erwirkte Patentierung unterstreicht die Einzigartigkeit dieses innovativen Konzepts der Funktionsintegration.
Einfache Funktionsintegration – vielseitige Anwendungsmöglichkeiten
Die prototypische Umsetzung wurde von statischen und dynamischen Charakterisierungen verschiedener Metallkissen begleitet. Dank der umfangreichen Messtechnik und Erfahrung in der Sensorentwicklung und experimentellen Analyse von Lagerkomponenten am Fraunhofer LBF konnte der sensorische Effekt systematisch untersucht und optimiert werden. Eine einfache Auswerteelektronik reicht bereits aus, um Schwingungen mit Frequenzen bis 50 Hz akkurat aufzulösen. Ebenso die mit der stark progressiven mechanischen Hysterese verwandte, nicht-lineare Sensorkennline lässt sich in sehr guter Korrelation mathematisch beschreiben, wobei sowohl Weg als auch Kraft als Messgrößen dargestellt werden können.
Die Anwendungsmöglichkeiten des Sensorkonzepts erstrecken sich über verschiedene Branchen mit Bezug zur Schwingungstechnik. Ein besonderer Vorteil besteht darin, dass bestehende Systeme auf Metallkissenbasis kostengünstig und bauraumneutral mit der Sensortechnologie ergänzt werden können, was zu einer effizienten Nutzung vorhandener Ressourcen und einfach umzusetzenden Digitalisierung führt. Die Funktionsintegration erlaubt es, dem hohen Bedarf an strukturdynamischen Daten, die wertvolle Aussagen über Maschinenzustände und Prozesse ermöglichen, mit praktischen Mitteln gerecht zu werden. Weiterhin können durch die präzise Messung von Lasten und die Detektion von Misuse-Situationen potenzielle Schäden ganzer Systeme als auch des Metallkissens selbst frühzeitig erkannt und vermieden werden.