Axialkolbenpumpen Hachdünne Sensorschicht misst direkt im Schmierspalt

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Was geschieht in Axialkolbenpumpen im hochbelasteten Kontakt zwischen Kolbentrommel und Steuerscheibe? Ein Forschungsprojekt soll es herausfinden mit einem mikrometerdünnem Schichtsystem, das Druck, Temperatur und Spalthöhe direkt im Bauteil erfasst. Das Ziel: präzisere Auslegung und digitale Zwillinge. 

In Axialkolbenpumpen entscheidet sich die Leistungsfähigkeit oft dort, wo man mit bloßem Auge nichts erkennen kann: zwischen der rotierenden Kolbentrommel und der feststehenden Steuerscheibe. Ein Schmierfilm sorgt dafür, dass die Bauteile möglichst reibungsarm zusammenarbeiten. Doch was genau passiert in diesem hochbelasteten Kontakt während des Betriebs? Das Institut für fluidtechnische Antriebe und Systeme (Ifas) der RWTH Aachen, der Lehrstuhl für Maschinenelemente und Tribologie (LMT) der Universität Magdeburg und das Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik (IST) untersuchen diese Vorgänge im Projekt Thinsor. Dazu entwickeln sie eine Dünnschichtsensorik, die Temperatur, Druck und Schmierspalthöhe direkt im Kontakt misst.

Dünnschichtsensorik statt Bohrung

Die Bedingungen im Schmierspalt beeinflussen maßgeblich die Effizienz, Lebensdauer und Zuverlässigkeit einer Pumpe. Bislang lassen sich Temperatur, Druck und Schmierspalthöhe dort jedoch nur eingeschränkt direkt erfassen. Herkömmliche Messverfahren erfordern häufig Bohrungen oder andere Bauteilmodifikationen, die das Kontaktverhalten und damit auch die Messung selbst beeinflussen können. Das Projekt Thinsor verfolgt einen anderen Ansatz: Die Forschenden bringen ein nur wenige Mikrometer dünnes Sensorschichtsystem direkt auf die Oberfläche der Steuerscheibe auf. Damit sollen alle drei Größen gleichzeitig und mit hoher zeitlicher Auflösung genau dort messbar werden, wo sie entstehen – ohne das Bauteil aufwendig nachzubearbeiten. 

Messdaten unterstützen Entwicklung und Betrieb von Axialkolbenpumpen

Die Messdaten sollen helfen, fluidtechnische Komponenten präziser auszulegen und Simulationsmodelle sowie digitale Zwillinge zu validieren. Ziel ist es, Entwicklungsprozesse effizienter zu gestalten und Entwicklungsiterationen zu reduzieren, sodass weniger Prototypen benötigt werden. Insbesondere kleine und mittlere Unternehmen könnten davon profitieren. Würde sie lebensdauerfest ausgeführt, könnte die Sensorik zudem die Zustandsüberwachung neuer und bestehender Pumpensysteme unterstützen. Kritische Betriebszustände und Verschleiß würden frühzeitig erkannt, Wartungsmaßnahmen besser geplant und ungeplante Stillstände reduziert.

Stabile Sensoren fischen Signale aus dem Grundrauschen

Dazu muss das Fraunhofer IST jedoch erst einen Weg finden, die vergleichsweise niedrigen Drücke im hochbelasteten Kontakt zwischen Kolbentrommel und Steuerscheibe zuverlässig zu erfassen. Sie liegen unterhalb von 50 MPa und damit außerhalb der Druckbereiche, für die bestehende Sensorlösungen typischerweise ausgelegt sind. Das Forschungsteam arbeitet daran, die Drucksensoren so anzupassen, dass sich die relevanten Messsignale sicher vom Grundrauschen unterscheiden lassen. Gleichzeitig muss das Sensorschichtsystem den hohen mechanischen Beanspruchungen im Betrieb standhalten.

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Die Projektpartner arbeiten eng zusammen. Während das Fraunhofer IST die Drucksensorik weiterentwickelt, untersuchen Ifas und LMT das Kontaktverhalten, erproben die Sensorik an einer realen Pumpe und gleichen Messungen mit Simulationen ab. Gemeinsam wollen sie die Basis für eine industrielle Anwendung der Messemethode legen. 

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Über Axialkolbenpumpen hinaus könnte die Dünnschichtsensorik künftig auch bei anderen Maschinenelementen nützlich sein: Anwendungen an Lagern, Zahnrädern und Wellen zeigen bereits das Potenzial dieser Technologie. Perspektivisch kann sie dazu beitragen, Bauteile kontinuierlich zu überwachen, Verschleiß frühzeitig zu erkennen und Wartungsmaßnahmen vorausschauend zu planen. Auch die zuverlässige Messung in niedrigeren Druckbereichen könnte neue Anwendungsfelder erschließen. (dm)