TY - JOUR

T1 - Location- and time-resolved strain measurement in thrust roller bearings using thin-film sensors

AU - Konopka, Dennis

AU - Steppeler, Tobias

AU - Ottermann, Rico

AU - Dencker, Folke

AU - Pape, Florian

AU - Poll, Gerhard

AU - Wurz, Marc

AU - Marian, Max

N1 - Publisher Copyright: © The Author(s) 2025.

PY - 2025/8/1

Y1 - 2025/8/1

N2 - Lager spielen eine entscheidende Rolle in einer Vielzahl von technischen Anwendungen, beispielsweise in der Automobilindustrie, der Luft- und Raumfahrt und im Bereich erneuerbarer Energien. Insbesondere bei größeren und/oder schwer austauschbaren/reparierbaren Lagern, wie beispielsweise in Windkraftanlagen, sind Zustandsüberwachung und Lastregelung aufgrund der komplexen und teuren Wartung und Reparatur unerlässlich. Konventionell werden verschiedene Sensoren verwendet, die typischerweise außerhalb des Lagers positioniert sind. Dadurch wird eine eher geringe Informationstiefe erreicht, und der Lagerzustand kann nicht optimal beurteilt werden. Daher konzentriert sich dieser Artikel auf die Herstellung und Evaluierung von direkt abgeschiedenen Dünnschicht-Dehnungssensor-Arrays auf einem Wälzlager innerhalb und nahe dem tribomechanischen Kontakt zwischen Rolle und Laufbahn. Die Sensorherstellung erfolgte mittels Sputter-, Fotolithografie- und Ätzverfahren. Nach der statischen Charakterisierung der Dehnungsmessstreifen hinsichtlich Temperatur-, Dehnungs- und Druckempfindlichkeit auf verschiedenen Substraten wurde ein sensorintegriertes Axialrollenlager 81212 in einem FE8-Lagerprüfstand untersucht. Nach der Datenverarbeitung zeigten die dynamischen Messungen mit einer maximalen Hertzschen Pressung von 1 GPa negative Sensorwiderstandsänderungen von bis zu –1,4 im tribomechanischen Kontakt und bis zu 3,8 positive Widerstandsänderungen unmittelbar neben der Kontaktzone. Aufgrund des Verschleißes dieser Sensoren wurden Sensoren auch in größerem Abstand vom Kontakt positioniert, die immer noch ein messbares Signal von 0,5 Widerstandsänderungen zeigten. Dieses Signal kann nach kritischen Belastungen genutzt werden, wenn ihr Signal mit den anderen Sensoren in der Kontaktzone korreliert wurde, wenn diese verschlissen sind. Darüber hinaus ermöglicht die Zeitauflösung die präzise Messung der Drehzahl, und Abweichungen in der Walzengeometrie können aufgrund unterschiedlicher Sensoramplituden ebenfalls erkannt werden. Die ortsaufgelösten Messungen ermöglichen die Ableitung wichtiger Informationen über den tribomechanischen Kontakt in Echtzeit und ermöglichen so eine intelligente Komponentensteuerung, beispielsweise hinsichtlich Drehzahl, Schmierung und Belastung, bevor ein Schaden auftritt.

AB - Lager spielen eine entscheidende Rolle in einer Vielzahl von technischen Anwendungen, beispielsweise in der Automobilindustrie, der Luft- und Raumfahrt und im Bereich erneuerbarer Energien. Insbesondere bei größeren und/oder schwer austauschbaren/reparierbaren Lagern, wie beispielsweise in Windkraftanlagen, sind Zustandsüberwachung und Lastregelung aufgrund der komplexen und teuren Wartung und Reparatur unerlässlich. Konventionell werden verschiedene Sensoren verwendet, die typischerweise außerhalb des Lagers positioniert sind. Dadurch wird eine eher geringe Informationstiefe erreicht, und der Lagerzustand kann nicht optimal beurteilt werden. Daher konzentriert sich dieser Artikel auf die Herstellung und Evaluierung von direkt abgeschiedenen Dünnschicht-Dehnungssensor-Arrays auf einem Wälzlager innerhalb und nahe dem tribomechanischen Kontakt zwischen Rolle und Laufbahn. Die Sensorherstellung erfolgte mittels Sputter-, Fotolithografie- und Ätzverfahren. Nach der statischen Charakterisierung der Dehnungsmessstreifen hinsichtlich Temperatur-, Dehnungs- und Druckempfindlichkeit auf verschiedenen Substraten wurde ein sensorintegriertes Axialrollenlager 81212 in einem FE8-Lagerprüfstand untersucht. Nach der Datenverarbeitung zeigten die dynamischen Messungen mit einer maximalen Hertzschen Pressung von 1 GPa negative Sensorwiderstandsänderungen von bis zu –1,4 im tribomechanischen Kontakt und bis zu 3,8 positive Widerstandsänderungen unmittelbar neben der Kontaktzone. Aufgrund des Verschleißes dieser Sensoren wurden Sensoren auch in größerem Abstand vom Kontakt positioniert, die immer noch ein messbares Signal von 0,5 Widerstandsänderungen zeigten. Dieses Signal kann nach kritischen Belastungen genutzt werden, wenn ihr Signal mit den anderen Sensoren in der Kontaktzone korreliert wurde, wenn diese verschlissen sind. Darüber hinaus ermöglicht die Zeitauflösung die präzise Messung der Drehzahl, und Abweichungen in der Walzengeometrie können aufgrund unterschiedlicher Sensoramplituden ebenfalls erkannt werden. Die ortsaufgelösten Messungen ermöglichen die Ableitung wichtiger Informationen über den tribomechanischen Kontakt in Echtzeit und ermöglichen so eine intelligente Komponentensteuerung, beispielsweise hinsichtlich Drehzahl, Schmierung und Belastung, bevor ein Schaden auftritt.

KW - Harsh environment

KW - Rolling bearings

KW - Strain measurement

KW - Thin-film sensors

UR - http://www.scopus.com/inward/record.url?scp=105012361236&partnerID=8YFLogxK

U2 - 10.1007/s10010-025-00857-4

DO - 10.1007/s10010-025-00857-4

M3 - Article

VL - 89

JO - Forschung im Ingenieurwesen/Engineering Research

JF - Forschung im Ingenieurwesen/Engineering Research

SN - 1434-0860

IS - 1

M1 - 83

ER -