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Dünnschichtsensorik zur Temperaturmessung im Mischreibungskontakt

 

Zur Optimierung von teil- oder vollgeschmierten Tribosystemen ist die Kenntnis der Temperatur im Schmierspalt wichtig. Um die Fresstragfähigkeit von Verzahnungen besser auslegen zu können, muss die Temperatur im mischreibungsbeanspruchten Zahnflankenkontakt gemessen werden. Dazu eignen sich sensorische Dünnschichtsysteme, die allerdings in diesen Kontaktzonen sehr hohem Verschleiß ausgesetzt sind. Im Rahmen eines AiF-Forschungsvorhabens (Nr. 19330 BG) entwickelt das Fraunhofer IST daher gemeinsam mit Partnern eine verschleißfeste Dünnschichtsensorik zur langzeitstabilen Messung von Temperaturen in mischreibungsbeanspruchten Zahnflankenkontakten.

Schichtsystem mit integrierten Temperatursensorstrukturen

Das Dünnschichtsystem wird direkt auf polierten Oberflächen von Stahlringen und Zahnradflanken (R_z-Wert von 0,1 µm) aufgebaut. Als Grundschicht wird Aluminiumoxid (Al₂O₃) als elektrische Isolationsschicht in einer Dicke von 4-6 µm homogen abgeschieden. Im Anschluss werden die Proben mit 200 nm dickem Chrom beschichtet, das in einer Kombination aus Photolithographie und nasschemischer Ätzung strukturiert wird. Die minimale Strukturbreite konnte im Laufe des Projekts auf 10 µm stark verringert werden, wodurch eine hohe Ortsauflösung und Sensitivität der Sensoren erreicht wird. Abschließend wird als Isolations- und Verschleißschutzschicht eine 2 µm dicke SiCON^®-Schicht aufgebracht, eine mit Silizium und Sauersoff modifizierte amorphe Kohlenwasser­stoffschicht (a-C:H:Si:O). Damit weist das Dünnschichtsystem eine Gesamtdicke von weniger als 10 µm auf.

Temperaturmessungen im Mischreibungskontakt

Die Funktionalität der Dünnschichtsensoren sowie ihre Verschleißfestigkeit wurden in Versuchsreihen am Institut für Maschinenkonstruktion (IMK) der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg getestet. Dabei konnten erstmals die Temperaturerhöhungen in Wälzkontakten unter Mischreibungsbedingungen gemessen werden.

Ausblick

Zukünftig soll das Sensorsystem so weiterentwickelt werden, dass auch Drücke und Schmierspalthöhen bestimmt werden können. Ein solches multisensorisches Dünnschichtsystem wird in einem Folgeprojekt auch in anderen mischreibungsbeanspruchten Kontakten wie in Wälzlagern, Gleitlagern oder Dichtungen zum Einsatz kommen, wobei entweder alle drei Größen – Temperatur, Druck und Spalthöhe – oder auch nur einzelne gemessen werden können.

Förderhinweis

Die beschriebenen Ergebnisse wurden innerhalb des FVA-Projekts 789 I »Sensorik für Mischreibung« mit dem Thema »Entwicklung einer robusten Dünnschichtsensorik zur Messung der Temperatur in mischreibungsbeanspruchten thermo-elastohydro-dynamischen Kontakten« erzielt, an dem das Fraunhofer IST gemeinsam mit dem Institut für Maschinenkonstruktion (IMK) der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg arbeitet. Das Projekt ist gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestags sowie der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF, Fördervorhaben Nr.: 19330BG).