Smart Bubble System zur gezielten Herstellung, Regelung und Messung der Ölverschäumung

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Autoren: Lukas Hafner, Martin Brunner, Thomas Rödlach, Steffen Schwarzer, Fadi Dohnal

Ausgangspunkt

Beim Betrieb von Getrieben – auch im Antriebsstrang für Pumpen – wird das darin befindliche Öl durch die mechanische Beanspruchung verschäumt. Diese Verschäumung wird durch die entstehende Luftblasengröße und Größenverteilung, auch Verschäumungsspektrum genannt, definiert. Das entstandene Verschäumungsspektrum beeinflusst Faktoren wie die Effizienz, den Verbrauch, die Akustik, den Wirkungsgrad und letztendlich auch den Verschleiß eines Getriebes.

Stand der Technik

Nach aktuellem Stand der Technik kann der prozentuale Luftgehalt einer Ölverschäumung einigermaßen genau gemessen werden, jedoch nicht das volle Verschäumungsspektrum bestehend aus der Größe der Luftblasen und deren Anzahl. Aus diesem Grund ist keine zielgerichtete Auslegung der hydraulischen Baugruppen möglich.

Abbildung 1: 5% Luftgehalt bei unterschiedlichem Verschäumungsspektrum

Ziel

Im Rahmen einer zweijährigen transnationalen Kooperation (09/19-Anfang 2022) bestehend aus der Privatuniversität Umit Tirol, der testtec Prüfstandtechnik und Bauteilerprobungs GmbH, der Hochschule Aalen, der imc Test & Measurement GmbH und der Autforce Vision Systems GmbH wurde zur Herstellung und Ermittlung des Verschäumungsspektrums eine Prüfvorrichtung ausgelegt und realisiert. Neben dem gezielten Einbringen von Luft wird eine optische Messeinheit entwickelt und getestet, mit der das Verschäumungsspektrum in Echtzeit gemessen, eingestellt und geregelt werden kann.

Die Ziele der Kooperation sind es, den in der Realität vorkommenden Ist-Zustand des Verschäumungsspektrums optisch in Echtzeit zu erfassen, Lastkollektive abzuleiten, ein realitätsnahes Verschäumungsspektrum gezielt zu erzeugen, und dadurch die realitätsnahe Regelung von Prüfprozessen zu ermöglichen, wodurch eine zielgerichtete Auslegung der hydraulischen Baugruppen ermöglicht wird.

Abbildung 2: Getriebe: Ein typisches Getriebe, das mit Hilfe des Smart Bubble Systems getestet wird. © Martin Lugger

Durchgeführte Versuche

Die lastpunktbezogene Verschäumungsmessung wurde bereits an unterschiedlichen Getrieben durchgeführt und mit Messtechnik nach aktuellem Stand der Technik verglichen. Hier zeigte sich ein deutlicher Unterschied zwischen der exakten optischen Messung (direkte Messung) und der marktüblichen kapazitativen Messung (indirekte Messung). „Diese Erkenntnis allein ist ein Innovationssprung und hat das Potential zu einem Umdenken bei der Messung des Luftgehalts in einer ganzen Branche“, meint das Projektteam. Bei diesen Versuchen wurde darüber hinaus nachgewiesen, dass eine bestimmte prozentuale Verschäumung des Getriebeöls bei unterschiedlichen Betriebspunkten erreicht werden kann, während ein charakteristisches Verschäumungsspektrum einem bestimmten Betriebspunkt genau zugeordnet werden kann. „Durch die Berücksichtigung der Messung der fluidtechnischen Bedingungen in einer Getriebepumpe lässt sich diese an die gestellten Anforderungen besser anpassen.“ sagt Lukas Hafner, wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Hochschule Aalen und Doktorand an der Umit Tirol. So wird es möglich sein die Lebensdauer, die Wirkungsgrade und die Akustik der Baugruppen zu verbessern.

Im weiteren Schritt wird daran gearbeitet, diese charakteristischen Verschäumungsspektren zur zielgerichteten Prüfung von Pumpen bereitstellen zu können. Aus diesen Erkenntnissen sollen Konstruktionsrichtlinien definiert werden können, wodurch die Auslegung von Pumpen schneller und effizienter stattfinden kann. „Mit dem Smart Bubble System können wir Luftblasen im Schmieröl in Echtzeit erkennen und vermessen. So wissen wir genau, wie das Verhältnis von Luft und Öl ist, wie groß die Blasen sind, wie sich diese verteilen und ob sie potenziell schädlich sind“ erklären Thomas Rödlach, Technischer Leiter der testtec Prüfstand- und Bauteilerprobungs GmbH und Konsortialleiter a.o. Univ.-Prof. Fadi Dohnal.

Aktueller Stand

Im aktuellen Projektstand werden zur Herstellung und zur Erfassung eines gezielten Verschäumungsspektrums Kennlinien erarbeitet. Um das entwickelte Messsystem mit Messsystemen nach aktuellem Stand der Technik vergleichen zu können, wird aus den in Echtzeit gemessenen Verschäumungsspektren die prozentuale Verschäumung errechnet. Die errechnete prozentuale Verschäumung dient dann als Vergleichswert für die bisher frei verfügbaren Messsysteme.

Abbildung 3: Smart Bubble System: Smart Bubble System mit Verschäumungs- und Messeinheit. © Martin Lugger

Der voraussichtliche Termin für die abgeschlossene Entwicklung des Smart Bubble Systems ist Ende 2021. Danach wird der Übergang der Prototypenphase zum Aufbau eines marktreifen Produkts eingeleitet. Der voraussichtliche Projektabschluss mit einem marktreifen Produkt für die realitätsnahe Prüfung von hydraulischen Bauteilen ist 2022 geplant. Es wird ein modularer Aufbau zur Messung eines Verschäumungsspektrums im Fahrversuch oder an hydraulischen Anlagen, wie auch eine Prüfvorrichtung zum Bereitstellen eines gezielten Verschäumungsspektrums an Prüfständen, verfügbar sein.

Hier ein Video zum Smart Bubble System:

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