gesponsertIntegrierte Sensortechnik Das Gold, das aus der Kupplung kommt

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R+W Antriebselemente GmbH

Daten sind das Gold des 21. Jahrhunderts. In Konstruktion und Entwicklung ermöglichen sie statt langwieriger Feldversuche Simulationsmodelle, die die Zeit zur Marktreife verkürzen. Doch die Modelle sind nur so gut, wie die zugrunde liegenden Daten.

Seit gut drei Jahren ist die intelligente Kupplung der R+W Antriebselemente GmbH nun schon auf dem Markt. Sensible Sensoren schicken im laufenden Betrieb Daten zum Zustand des Antriebsstrangs. Wichtige Parameter wie Drehmoment, Drehzahl, Beschleunigung sowie Axialkraft, Querkraft und sogar die Temperatur werden an ein Gateway gesendet. Von da aus lassen sich die Sensorsignale in nachgelagerten Messregel- oder Datenverarbeitungssystemen erfassen und verarbeiten. Zusätzlich hat R+W eine App entwickelt, mit der sich die Messdaten anzeigen und aufnehmen lassen. Solche Daten in nahezu Echtzeit zu gewinnen, erwies sich bislang als schwierig, denn ein rotierender Antriebsstrang lässt sich nicht verkabeln.

Antriebsstrang digital für das IIoT zu erschließen

R+W hat es geschafft, den Antriebsstrang digital für das IIoT zu erschließen. Diese neu gewonnenen Daten sind äußerst wertvoll für Entwicklungsabteilungen.

Antriebe, Kupplungen und Gelenkwellen sind in nahezu jeder Maschine und Anlage zu finden. Wenn eine Neu- oder Weiterentwicklung ansteht, liefern die Daten aus dem Antriebsstrang die grundlegend notwendigen Informationen für eine Überprüfung der Auslegung. Die exakte Dimensionierung ist ein entscheidender Faktor für eine wirtschaftlich optimale Maschinen- und Anlagenauslegung. R+W erfüllt diese Anforderungen auf mehrere Arten: Zum einen liefert das Unternehmen echte Daten aus dem Antriebsstrang und zum anderen eine noch kompaktere Bauweise, die auf der Hannover Messe 2023 vorgestellt wurde. Die spezielle Metallbalgkupplung ist ebenfalls intelligent vernetzt, ist aber deutlich kürzer und dafür im Radius etwas größer, was sie noch platzsparender macht.

Antriebsauslegung: Simulation versus Realität

Wie sieht es nun mit der Verlässlichkeit der Daten aus? In vielen Entwicklungsabteilungen ist die Simulation ein unverzichtbarer Bestandteil zur Beschleunigung des Entwicklungszyklus. Sie erspart zahlreiche Testläufe. Die finale Variante sollte jedoch nach wie vor unter realen Bedingungen zur Validierung getestet werden.

Prof. Dr.-Ing. habil. Andreas Fricke hat in seinem Bewegungstechniklabor an der Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes (HTW Saar) eine solche Validierung eines Mehrkörpermodells vorgenommen. Hierzu verwendete er eine Gelenkwelle mit Metallbälgen von R+W. In der Gelenkwelle befinden sich die Sensortechnik und die Energieversorgung, die via Pick-up und Induktion erfolgt. Im Unterschied zu einem früheren Versuchsaufbau, bei dem gleichmäßige und fortlaufende Bewegungen im Vordergrund standen, sind nun wesentliche Verkomplizierungen vorgenommen worden. An die Kupplung wurde ein Koppelgetriebe angeflanscht, an dem sich ein pneumatischer Greifer befindet, der ein Teil auf ein Transportband legt.

Komplexer Versuchsaufbau mit Kupplung und Koppelgetriebe

„Dadurch ergeben sich komplexe Bewegungsabläufe“, erklärt Prof. Dr.-Ing. habil. Fricke, „Wir haben an dem Koppelgetriebe vier Lagerstellen, wobei natürlich nur an einer Stelle die Gelenkwelle mit der intelligenten Kupplung sitzt. Zwei der Gelenke haben wir in einem späteren zweiten Versuchslauf mit modifizierten Wälzlagern ausgestattet, was spezifische Schadensbilder aufgrund von Verschleiß nachbilden soll. Die Antriebswelle dreht sich gleichmäßig, während das Koppelgetriebe einen periodischen Bewegungsablauf besitzt.“

Dieser komplexe Versuchsaufbau wurde anschließend in einer Mehrkörpersimulation nachgebildet, um den Funktionsverlauf des Antriebsmoments zu errechnen und die Ergebnisse aus dem Modell mit den Werten aus der intelligenten Kupplung zu vergleichen. „Der Verlauf des Antriebsmomentes weist sowohl positive als auch negative Abschnitte auf, was Antriebs- und Bremsmomente aufzeigt, wie sie eben in einem Kopplungsgetriebe vorkommen“, erklärt der Professor.

Verlässliche Daten aus der intelligenten Kupplung

„Das Antriebsmoment ist einer Fourier-Analyse unterzogen worden“, führt Prof. Dr.-Ing. habil. Fricke aus. „Bei zunehmender Drehzahl werden die Amplituden immer größer. Legt man die Kurven aus Simulation und intelligenter Kupplung übereinander, zeigt sich eine weitgehende Deckungsgleichheit.“ Abweichungen ergeben sich aus der Anlage des Modells.

„Je feiner wir modellieren, desto höher sind die Übereinstimmungen. Bei unserem Modell haben wir zunächst die Bauteile als ideal starr betrachtet. Ebenso haben wir die Gelenke als spielfrei definiert, was in der Realität nie der Fall ist. Prinzipiell hat uns der Versuch gezeigt, dass die Ergebnisse, die die intelligente Kupplung von R+W liefert, verlässlich sind und als Grundlage für weitere Untersuchungen dienen können.“ Dies betreffe z. B. auftretenden Verschleiß am Kopplungsgetriebe, selbst wenn dieser nicht unmittelbar am Antrieb auftritt, so der Professor und weiter: „Die entsprechenden Schadensbilder untersuchen wir derzeit.“

Grundlage für künstliche Intelligenz und digitalen Zwilling

Die Nutzung verlässlicher Daten aus dem Antriebsstrang kann somit die Entwicklung von Maschinen und Anlagen beträchtlich vorantreiben, sie beschleunigen und damit zu erheblichen Gewinnsteigerungen führen. Die gewonnenen Daten eignen sich für weit mehr als nur zur Validierung und Verbesserung von Simulationsmodellen. Die qualitativ hochwertigen Informationen könnten die Grundlage bilden für Anwendungen im Bereich der künstlichen Intelligenz und des digitalen Zwillings.

Tatsächlich finden sie sich bereits wieder in der Prozessoptimierung, der Zustandsüberwachung und der prädiktiven Instandhaltung. Prof. Dr.-Ing. habil. Fricke ist überzeugt von der Qualität und Aussagekraft der Daten aus der intelligenten Kupplung: „Wir haben das am Vergleich der Daten, die wir auch quantitativ umfangreich ausgewertet haben, bestätigen können. Deshalb ging meine klare Empfehlung zur Einführung der digitalen Kupplung an einen weiteren Bereich unserer Fakultät, der Elektrotechnik. Dort wird an elektromotorischen Antrieben gelehrt und geforscht und ich schätze die digitale Innovation der R+W Antriebselemente GmbH dort als äußerst hilfreich ein.“

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