DE19925460C2 - Gleit- und/oder Wälz-Paarungen mit Dünnschichtsensorik - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Gleit- und/oder Wälz- Paarungen, insbesondere auch durch Pressung oder Hertzsche Pressung belastete Gleit- und/oder Wälz- Paarungen, mit Dünnschichtsensorik einschließlich er­ forderlicher Energie- und Signalelemente und Vorrich­ tungen zur Auskopplung und Übertragung der Meßsignale an eine externe Einrichtung. Dabei handelt es sich um spezielle Dünnschichtwandler, die eine direkte Messung wichtiger Parameter, z. B. Temperatur, Verschleiß, Druck, Kraft und/oder Deformation in den Gleit- und/oder Wälz-Paarungen ermöglichen.

In zahlreichen Bauteilen oder Baugruppen für Maschi­ nen - nachfolgend zusammenfassend als "Maschinenele­ mente" bezeichnet - ergibt sich aus der gewünschten Funktion oder aus Störeffekten heraus ein Relativbe­ wegungszustand zwischen sich berührenden Einzeltei­ len, der kinematisch betrachtet sowohl Gleit- als auch Wälzanteile enthalten kann. Aufgrund von in rea­ len technischen Systemen bei Relativbewegungen sich berührender Teile immer auftretenden Reibungseffekten werden die Teile durch Kräfte, z. B. Zug-, Druck- oder Scherkräfte, beansprucht. Weisen die sich berüh­ renden Bauteile eine konforme oder kontraforme Ge­ stalt auf und werden sie zusätzlich durch äußere La­ sten gegeneinander gepreßt, so ergibt sich außerdem eine Beanspruchung der Bauteile durch (Hertzsche) Pressung. In der beschriebenen Weise durch einen Re­ lativbewegungszustand sowie ggf. äußere Lasten bela­ stete Bauteile werden nachfolgend - unabhängig von der Anzahl der beteiligten Einzelteile - als "Gleit- und/oder Wälz-Paarungen mit (Hertzscher) Pressung" bezeichnet.

Die beschriebene Kombination von Zug-, Druck- sowie Scherkräften und ggf. (Hertzscher) Pressung kann ins­ besondere in oberflächennahen Bauteilbereichen zu ex­ trem hohen mechanischen Spannungen, großen Deforma­ tionen und/oder hohen Temperaturen und damit zum Ver­ schleiß oder zum Versagen der Bauteile führen.

Der Stand der Technik hinsichtlich der im folgenden beschriebenen erfindungsrelevanten Merkmale ist in EP 0 685 297 A1 dokumentiert. Diese Schrift offenbart ein Werkzeug für die Umform- und Zerspanungstechnik mit einer darauf aufgebrachten Sensoranordnung, wobei die Sensoren an der direkten Verschleißfläche des Werkzeuges angeordnet werden und der aus Isolations­ schichten, sensorischen Metallschichten und Ver­ schleißschutzschichten gebildete Aufbau durch spezi­ elle Gradienten- und Implantatschichten einen mecha­ nisch belastbaren, geschlossenen Schichtaufbau be­ schreibt. Die Schrift offenbart allerdings nur eine Ausführung im Bereich der zerspanenden Werkzeuge, speziell der Wendeschneidplatten.

In der WO 87/04 236 wird eine mechanische Komponente mit darauf in Dünnschichttechnik erzeugten elektri­ schen Schaltkreisen und Wandlern beschrieben. Aber auch diese Voranmeldung offenbart keine der nachfol­ genden erfindungsrelevanten Merkmale.

Weitete Veröffentlichungen offenbaren zwar die Anwen­ dung von Dünnschichtsensoren auf mechanischen Bautei­ len, zeigen jedoch keine Lösungen auf, die auch nur ansatzweise für sensorische Messungen auf Gleit- und/oder Wälz-Paarungen mit Relativbewegungen zwi­ schen den sensorbestückten Bauteilen und einer orts­ festen Auswerteeinheit geeignet sind. So wird in der MO 50 (1996) 9 Seite 730-733 (Carl Hanser Verlag, München) die Anwendung von Dünnschichtsensoren auf tribologischen Prüfkörperoberflächen beschrieben, wo­ bei die Prüfkörper ebene Oberflächen besitzen und die Art der mechanischen Belastung sowie der Relativbewe­ gung zwischen Prüfkörper und Auswerteeinheit für die Sensoren nicht mit der erfindungsgemäßen Aufgaben­ stellung vergleichbar ist.

Die DE 36 25 241 C2 offenbart ein Wälzlager, bei dem Dehnungsmeßstreifen an der der Laufbahn abgewandten Seite des Wälzlagers angeordnet sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Ma­ schinenelement mit Gleit- und/oder Wälz-Paarung zur Verfügung zu stellen, mit dem eine kontinuierliche Erfassung der in den oberflächennahen Bereichen der Gleit- und/oder Wälz-Paarung wirkenden Beanspruchun­ gen und des durch sie hervorgerufenen Verschleißes ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird durch das Maschinenelement gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfin­ dungsgemäßen Maschinenelementes werden in den abhän­ gigen Ansprüchen gegeben.

Um die in Gleit- und/oder Wälz-Paarungen mit (Hertz­ scher) Pressung wirkenden Beanspruchungen und den da­ durch hervorgerufenen Verschleiß lokal und direkt messen und auswerten zu können, ist es erforderlich, daß entsprechende Sensoren, z. B. Temperatur-, Druck-, Kraft-, Verformungs- oder Verschleißsensoren direkt auf den an der Gleit- und/oder Wälz-Paarung beteilig­ ten Bauteiloberflächen liegen und die von den Senso­ ren abgegebenen Signale von den bewegten Bauteilen zwecks weiterer Aufbereitung und Auswertung an orts­ feste Signalverarbeitungssysteme übertragen werden.

Die erfindungsgemäße Lösung erlaubt eine lokale und kontinuierliche Messung der Parameter auch auf rotie­ renden Bauteilen.

Die kontinuierliche Erfassung dieser in den oberflä­ chennahen Bereichen von Gleit- und/oder Wälz-Paarun­ gen mit (Hertzscher) Pressung wirkenden Beanspruchun­ gen und des durch sie hervorgerufenen Verschleißes liefert wichtige Erkenntnisse für eine verbesserte Dimensionierung von entsprechenden Maschinenelementen sowie neuartige Strategien zur Regelung der Betriebs­ parameter und zur zustandsabhängigen Wartung und Re­ vision dieser Maschinenelemente ermöglichen.

Realisierung von schichtintegrierten Wandlern

Da die sensorische Schicht in den überwiegenden An­ wendungsfällen elektrisch sowohl vom Bauteil oder Werkzeug als auch von der Funktionsschicht isoliert werden muß, wird der Schichtaufbau, generell mit ei­ ner Anbindungs- und Isolationsschicht beginnen, auf die in einem Prozeß auch die Sensorschicht aufge­ bracht Wird.

Zur Strukturierung der Sensorelemente können moderne laser-lithographische Verfahren angewandt werden, die auch eine Strukturierung auf dreidimensionalen Bau­ teilen ermöglichen. Alternativ körnen auch der Form­ gebung anpaßbare fotolithografische Verfahren ver­ wandt werden. Die Wandler können in unterschiedlicher Weise realisiert werden. Zur Messung der lokalen Tem­ peratur werden resistive Meßprinzipien, weiche es er­ möglichen, unterschiedliche Zustandsgrößen mit Hilfe von Widerstandsänderungen zu erfassen, bevorzugt.

Die erfindungsgemäßen Sensoren können mit unter­ schiedlichen Wandlern in Dünnschichttechnik ausge­ stattet werden. So können neben der lokalen Tempera­ tur z. B. auch Druck-, Kraft-, Verschleiß und/oder De­ formationssensoren angewandt werden. Besonders eignen sich hierfür neben den bekannten Dehnungsmeßbrücken auch piezoresistive Dünnschichtsensoren. Die vorge­ schlagene Lösung erlaubt die Herstellung von sehr kleinen sensorischen Strukturen (< 2 µm), die in Form von Arrays oder Netzwerken über die Oberfläche der Module verteilt werden können. Eine vorteilhafte Aus­ gestaltung der Erfindung basiert auf der Anwendung von Multifunktionssensoren, die aus einem Schichtma­ terial durch angepaßte Formgebung der Sensor- und Leiterstrukturen erzeugt werden können.

Die Vollendung des Schichtsystems erfolgt dann in ei­ nem zweiten Beschichtungsprozeß, in dem z. B. eine zweite Isolationsschicht und die gewünschte Funkti­ onsschicht aufgebracht werden. Ein Beispiel, das die Herstellung von Verschleiß- und Temperatursensoren zeigt, ist in Bild 1 enthalten. In der prinzipiellen Darstellung Bild 1 ist eine mögliche Anordnung von Temperatur- und Verschleißsensoren enthalten. Die La­ ge der Sensoren wurde so gewählt, daß die Temperatur in den Zonen maximaler mechanischer Belastung gemes­ sen wird. Der Verschleiß wird durch eine sequentielle Durchtrennung von Widerstandsbahnen gemessen, deren Werte so abgestimmt sind, daß eine lokale Zuordnung erfolgen kann.

Bild 2 zeigt ein mögliches Technolgie-Flußdiagramm, das den Schichtaufbau bestehend aus zwei dielektri­ schen Schichten und einer dazwischen eingebetteten sensorischen Ebene zeigt. Die Funktionsschicht, z. B. aus Me:DLC, Titannitrid oder Chromnitrid, bildet den Abschluß des Schichtsystems. Die Beschichtungsprozes­ se werden in diesem Fall so koordiniert, daß das ge­ samte System in zwei Prozessen hergestellt wird, zu­ züglich der erforderlichen Strukturierung der senso­ rischen Ebene. Da auf das Schichtsystem extreme me­ chanische und thermische Belastungen einwirken, müs­ sen die einzelnen Schichten und die dazu verwandten Herstellungsverfahren so konzipiert werden, daß der gesamte Schichtaufbau eine technologische Einheit darstellt, die sowohl materialspezifisch als auch morphologisch optimiert wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungs­ gemäßen Lösung sind in der Abscheidung piezoresisti­ ver und/oder piezoelektrischer Schichten und der Er­ zeugung von druck- und/oder temperaturbezogenen Mes­ sungen zu sehen.

Ausführungsbeispiele

Zahnräder sind ein typisches Beispiel für Gleit-Wälz- Paarungen mit Hertzscher Pressung. Hochbeanspruchte Zahnräder werden derzeit orientierend mit einer funk­ tionsoptimierten Beschichtung versehen, die zu einer beträchtlichen Steigerung der Leistung und der Halt­ barkeit führt. Damit eröffnet sich grundsätzlich die Möglichkeit, weitere Schichten mit spezifischen sen­ sorischen Eigenschaften in das Funktionsschichtsystem zu integrieren, ohne daß die Beschichtungskosten we­ sentlich erhöht werden müssen. Die hierzu angewandten Beschichtungsverfahren basieren auf CVD- und PVD- Techniken. Es werden typischerweise Schichtdicken im Bereich zwischen 1-10 µm appliziert. Ein Beispiel, das die Herstellung von Verschleiß- und Temperatur­ sensoren auf einem Zahnrad beschreibt, ist in Bild 1 enthalten. Durch die Verschleißsensoren läßt sich auch ohne visuelle Kontrolle der Zahnräder Schichtab­ trag detektieren und mit Hilfe dieser Daten z. B. eine bedarfsgerechte Planung von Wartungs- und Revisions­ arbeiten durchführen. Dies ist insbesondere bei hohen Ausfall- und Stillstandskosten oder bei hohen Risiken im Falle eines Versagens der Verzahnung, z. B. in An­ lagengetrieben oder Getrieben von Flugtriebwerken, von großem Vorteil. Funktionsstörungen der Getriebe­ schmierung lassen sich z. B. indirekt über eine Tem­ peraturüberwachung im Ölreservoir erkennen. Die Tem­ peratur im Zahneingriff kann jedoch erheblich über den im Ölreservoir gemessenen Werten liegen. Auf den Zahnflanken aufgebrachte Dünnschicht-Temperatur­ sensoren erlauben eine wesentlich zuverlässigere und mit wesentlich geringerer Verzögerung ansprechende Überwachung und damit die Vermeidung von Überhit­ zungsschäden.

Als weitere Gleit-Wälz-Paarungen mit Hertzscher Pres­ sung werden derzeit die Lagerringe von Wälzlagern orientierend mit einer funktionsoptimierten Beschich­ tung versehen. Auch hier lassen sich analog zum vor­ stehend beschriebenen Beispiel weitere Schichten mit spezifischen sensorischen Eigenschaften in das Funk­ tionsschichtsystem integrieren. Für die Beschich­ tungsverfahren und die typischen Schichtdicken gilt das oben gesagte. In der prinzipiellen Darstellung Bild 3 ist eine mögliche Anordnung von Temperatur-, Druck- und Verschleißsensoren enthalten. Durch die Verschleißsensoren läßt sich auch ohne visuelle Kon­ trolle der Lager Schichtabtrag detektieren und mit Hilfe dieser Daten z. B. eine bedarfsgerechte Planung von Wartungs- und Revisionsarbeiten durchführen. Die durch Druck- und Temperatursensoren gewonnenen Daten lassen sich bei Maschinen, deren Lager in niedrigvis­ kosen Medien, z. B. Wasser, laufen, zur Detektion von lagerschädigender Kavitation bzw. kavitationsbegün­ stigender Betriebszustände nutzen. Über Steuerung oder Regelung geeigneter Betriebsparameter entspre­ chender Maschinen, z. B. der Drehzahl, lassen sich mit Hilfe der Meßdaten kavitationsgefährdete Betriebsbe­ reiche vermeiden.

Funktionsschichten werden auch für die Ertüchtigung von Gleit- und/oder Gegenringen von Gleitringdichtun­ gen eingesetzt. Auch hier lassen sich analog zum oben beschriebenen Beispiel weitere Schichten mit spezifi­ schen sensorischen Eigenschaften in das Funktions­ schichtsystem integrieren. Für die Beschichtungsver­ fahren und die typischen Schichtdicken gilt das oben gesagte. In der prinzipiellen Darstellung Bild 4 ist eine mögliche Anordnung von Temperatur-, Druck- und Verschleißsensoren enthalten. Durch die Verschleiß­ sensoren lassen sich auch ohne visuelle Kontrolle von Gleit- und/oder Gegenring Schäden im Dichtspaltbe­ reich detektieren und mit Hilfe dieser Daten z. B. ei­ ne bedarfsgerechte Planung von Wartungs- und Revisi­ onsarbeiten durchführen. Die durch Druck- und Tempe­ ratursensoren gewonnenen Daten können zur Detektion der Temperatur von Gleit- und/oder Gegenring sowie zur Detektion von Kavitation im Dichtspalt bzw. kavi­ tationsbegünstigender Betriebszustände dienen. Durch Steuerung oder Regelung geeigneter Betriebsparameter, z. B. des Kühlflüssigkeitsdurchsatzes bei mit Kühl­ kreisläufen versehenen Gleitringdichtungen, lassen sich mit Hilfe der Meßdaten Überhitzungsschäden und/oder kavitationsgefährdete Betriebsbereiche ver­ meiden.

Da bei Gleit- und/oder Wälz-Paarungen definitionsge­ mäß Relativbewegungen zwischen den beteiligten Bau­ teilen vorliegen, ergibt sich eine besonders vorteil­ hafte Ausführung der Erfindung durch Einsatz einer berührungslosen Übertragung der Versorgungsenergie und der Meßsignale zwischen den an der Gleit- und/oder Wälz-Paarung beteiligten Bauteilen und einer als ortsfestes Bezugssystem angesehenen Aufberei­ tungs- und Auswerteeinheit. Die Energieversorgung der Sensorik und die Meßsignalaufbereitung und Übertra­ gung setzt sich in allen oben beispielhaft beschrie­ benen Anwendungsfällen prinzipiell aus den in Bild 5 dargestellten Baugruppen zusammen.

Für die Energieversorgung, die Meßsignalverstärkung und -aufbereitung sowie die Analog-Digital-Umsetzung und die Codierung kommen grundsätzlich bekannte Elek­ tronikschaltungen zum Einsatz. Für die Sender-Empfän­ ger-Kombinationen können z. B. induktive oder optische Übertragungsprinzipe Verwendung finden.

Bild 6 zeigt schematisch und beispielhaft die Anord­ nung von bewegten und ortsfesten Elektronikkomponen­ ten für Energie- und Meßsignalübertragung von bzw. zu einem mit Dünnschichtsensorik bestückten Wälzlager in einer Maschine.

Claims (19)

1. Maschinenelement mit Gleit- und/oder Wälz- Paarung mit ebener oder räumlich gekrümmter Formgebung der die Kontaktzone der Gleit- und/oder Wälz-Paarung bildenden Bauteiloberflä­ chen, bei dem zur Messung mechanischer und/oder thermischer Größen eine Dünnschichtsensorik in die Kontaktzone der die Gleit- und/oder Wälz- Paarung bildenden Bauteile eingebracht ist.

2. Maschinenelement nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in der Kontaktzone eine Bean­ spruchung durch Pressung oder Hertzsche Pressung vorliegt.

3. Maschinenelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieeinkopplung und Meßsignalauskopplung zu bzw. von den sich rela­ tiv zueinander und relativ zu einer als ortsfe­ stes Bezugssystem definierten Energieversor­ gungs- sowie Meßsignalaufbereitungs- und -aus­ werteeinheit bewegenden Bauteilen der Gleit- und/oder Wälz-Paarung berührungslos erfolgt.

4. Maschinenelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieein­ kopplung induktiv erfolgt.

5. Maschinenelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieein­ kopplung optisch erfolgt.

6. Maschinenelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsignalaus­ kopplung induktiv erfolgt.

7. Maschinenelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsignalaus­ kopplung optisch erfolgt.

8. Maschinenelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Maßsignale vor der Übertragung vom bewegten Bauteil zur ortsfesten Meßsignalaufbereitungs- und -auswerte­ einheit digitalisiert werden.

9. Maschinenelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsignale vor der Übertragung vom bewegten Bauteil zur ortsfesten Meßsignalaufbereitungs- und -auswer­ teeinheit codiert werden.

10. Maschinenelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Dünnschicht­ sensoren als Temperatursensoren oder als Kraftsenssoren oder als Drucksensoren oder als Deformationssensoren oder als Verschleißsensoren ausgebildet sind.

11. Maschinenelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem Bau­ teil mehrere unterschiedliche Sensortypen, z. B. Temperatur-, Kraft-, Druck-, Deformations- und/oder Verschleißsensoren, gleichzeitig zur Anwendung kommen.

12. Maschinenelement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren auf die Flanken von Zahnrädern aufgebracht werden.

13. Maschinenelement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren auf den Außenring und/oder den Innenring und/oder den Käfig und/oder die Wälzkörper von Wälzlagern aufgebracht werden.

14. Maschinenelement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren auf den Gleitring und/oder den Gegenring von axia­ len oder radialen Gleitringdichtungen aufge­ bracht werden.

15. Maschinenelement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren auf die Kettenbolzen und/oder die Kettenlaschen und/oder die Kettenräder und/oder sonstige Ket­ tenanbauteile aufgebracht werden.

16. Maschinenelement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren auf Einzelteile von Klemmrollenfreiläufen aufge­ bracht werden.

17. Maschinenelemente nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, die die Sensoren auf Einzelteile von Klinkenfreiläufen aufgebracht werden.

18. Maschinenelement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren auf Einzelteile von Reibradgetrieben aufgebracht werden.

19. Maschinenelement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren auf die Räder und/oder die Schienen von Rad-Schiene- Systemen aufgebracht werden.