Ziel der Entwicklung

In der Antriebstechnik werden Zahn- und Transmissionsriemen verwendet, um große Kräfte bei längeren Distanzen zu übertragen. Eine optimale Kraftübertragung spielt dabei eine zentrale Rolle. Sie ist abhängig von der Riemenspannung. Eine konstante Riemenspannung erhöht die Lebensdauer der Riemen, verringert den Verschleiß und sichert damit eine gleichbleibende Qualität sowie technische Sicherheit in der jeweiligen Anwendung.
Die Auslegung der Riemen erfolgt häufig anhand von pauschalen Leistungswerten aus Katalogen, die von verschiedenen Herstellern bereitgestellt werden. Diese Werte sind oft nicht anwendungsbezogen und untereinander schwer vergleichbar, da es an einheitlichen Richtlinien oder Normen fehlt. Hersteller verwenden unterschiedliche Berechnungsmethoden, was zu Unsicherheiten bei der Auswahl geeigneter Riemen führt. Die VDI-Richtlinie 2758 gibt grobe Vorgaben für die Anforderungen an Riemengetriebe, lässt jedoch offen, wie diese Anforderungen optimal erfüllt werden können. Um den Unsicherheiten in der Auslegung zu begegnen, werden Sicherheitsaufschläge auf die ermittelten Leistungsanforderungen angewendet. Diese hohen Sicherheitsaufschläge können jedoch zu einer Überdimensionierung führen, wodurch potenziell optimierte Lösungen übersehen werden.
Ein kritischer Faktor ist die Riemenspannung, auch Trumkraft genannt, die für den zuverlässigen Betrieb von Riemen entscheidend ist. Die Trumkraft wird üblicherweise mit einem Trummeter gemessen, nur bei der Wartung und beim Einbau neuer Komponenten, nicht im Dauerbetrieb. Eine kontinuierliche Überwachung ist dadurch nicht gegeben.
Die Messung der Trumkraft erfolgt indirekt über die Bestimmung der Resonanzfrequenz des Riemens. Eine optimale Riemenspannung ist notwendig, um die maximale Lebensdauer zu gewährleisten, da zu hohe Spannungen häufig zu Schäden an Elektromotoren führen, was erhebliche Kosten verursachen kann. Mit der zunehmenden Automatisierung, insbesondere in Robotern, wird die Notwendigkeit einer präzisen und robusten Kraftübertragung noch wichtiger.
Aktuell ist es jedoch schwierig, die Trumkraft während des Betriebs kontinuierlich zu bestimmen, was die Auslegung von Riemenantrieben hinsichtlich ihrer Lebensdauer erschwert. Um diesem Problem zu begegnen, besteht der Bedarf an einem Verfahren zur Überwachung von Riemen, das eine einfache und kontinuierliche Messung ermöglicht. Diese Messungen ermöglichen Rückschlüsse auf die Belastungen, denen der Riemen über seine zurückliegende Einsatzdauer ausgesetzt ist. Somit sind beispielsweise Prognosen für die noch verbleibende Lebensdauer des Riemens erstellbar.

Vorteile und Lösungen

Um den Betriebsbedingungen und Kraftbelastungen standhalten zu können, werden die Riemen mit Zugträgern aus Stahl oder Kevlar kombiniert. Diese verlaufen schraubenförmig im Riemen. Damit die verschiedenen Kraftänderungen, die auf den Riemen wirken, erfasst werden können, muss der Sensor auf oder in diese Zugträger integriert werden.
Als Sensoren werden miniaturisierte Siliziumdehnungssensoren verwendet. Die geringen geometrischen Abmessungen von 500 µm x 500 µm der Sensoren erlauben die Integration in diese flexiblen Anordnungen. Mittels Glass-Fritt Bonden werden die Dehnungssensoren mit dem empfindlichen Bereich der Montageträger verbunden. Die Sensoren sind anschließend über H-förmige Montageträger direkt an die Zugträger gekoppelt. Die Kopplung muss Kraft- und Stoffschlüssig erfolgen über Crimp- oder Laserschweiß-Verfahren. Zusätzlich finden beim Crimp-Verfahren Presshülsen Anwendung.
Je nach Durchmesser der vorhandenen Zugträger im Riemen, stehen unterschiedliche Montageträger und angepasste elektronische Leiterplatten zur Sensorkontaktierung zur Verfügung.
Je nach Aufbauvariante sind der Sensor und die Kontaktierungsflächen gekapselt oder abgedeckt, um sie vor äußeren Einflüssen zu schützen.
Das komplette System kann im Riemen mit vergossen werden und dauerhaft dort verbleiben. Eine kontinuierliche Zustandsmessung des Riemens ist somit gegeben.

Zielgruppe und Zielmarkt

Als Markt kommt die industrielle oder FuE-Anwendung in Betracht. Eine Anwendung im Consumer-Bereich ist nicht ersichtlich.
Potenzielle Kunden sind Hersteller von Messsystemen und Dienstleister im Inspektionsbereich, vorzugsweise bei der Überwachung der Riemenspannung von Transmissionsriemen in Anlagen mit linearer Antriebstechnik wie:
– Säge-, Schneid-, Fräs- und Spitzwerken,
– Verpackungsanlagen bei Förderbändern sowie
– Prüfstationen bei der Tischpositionierung
um Wartungsintervalle exakt zu planen, Materialermüdung frühzeitig zu erkennen und somit ungeplante Ausfallzeiten zu vermeiden.
Auf Basis technologischer Plattformen und Flexibilität bezüglich der Systemgestaltung kann das CiS Forschungsinstitut kundenspezifische Lösungen anbieten, Prototypen und Kleinserien fertigen. Wir stellen technische Dokumentationen bereit, wenn wir den Transfer der Fertigung in die Praxis durchführen. Das CiS Forschungsinstitut kann damit einen vollständigen Entwicklungs- und Fertigungsprozess für kundenspezifische Lösungen anbieten. Dies ist besonders für innovative, klein- und mittelständische Unternehmen attraktiv.
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