Innovativ: Direkte Integration eines HBM-Drehmomentsensors in Getriebesysteme für Hochgeschwindigkeitsanwendungen

Der spezielle Sensor T40HS ermöglicht die präzise Messung eines Drehmoments von 1000 Nm mit einer Genauigkeit von 0,05% in anspruchsvollen mechanischen und thermischen Umgebungen mit sehr hoher Drehzahl.

Wenn ein Projekt es verdient, als „innovativ“ bezeichnet zu werden, dann ist es dieses gerade von BCSA und HBM durchgeführte Projekt. BCSA ist auf mechanische Kraftübertragungssysteme für anspruchsvolle Anwendungen bezüglich Drehmoment, Drehzahl, Präzision, Robustheit und Langlebigkeit spezialisiert.

Vor etwas mehr als einem Jahr hat das französische Unternehmen mit etwa dreißig Mitarbeitern an einer Ausschreibung zur Realisierung eines mechanischen Getriebesystems für einen Prüfstand für F&E im Bereich Luftfahrt teilgenommen. Die Crème de la Crème der Prüfstandshersteller bewirbt sich, um den Zuschlag für dieses Geschäft zu erhalten, das für einen chinesischen Endkunden bestimmt ist. Wenn BCSA sich dabei durchsetzt, dann deshalb, weil BCSA eine neuartige technische Lösung anbietet, die in der Integration eines Drehmomentaufnehmers in das Innere des Getriebes besteht.

Gewagte Lösung

Turbogetriebe von BCSA mit Drehmomentaufnehmer T40HS/1 kNm von HBM auf dem Prüfstand

Die Lösung ist gewagt, da es auf dem Markt bisher keine Integrationslösung für Drehmomentmessflansche mit einer Genauigkeitsklasse von 0,05 % in dieser Kombination von Drehmoment und Drehzahl (1.000 Nm und 45.000 min-1) gab. Nicolas Di Pol, verantwortlich für die Drehmomentanwendungen bei HBM Frankreich erklärt:

„Die Drehmomentaufnehmer stellen eine große Kompetenz unseres Unternehmens dar, und um in diesem Bereich führend zu bleiben, müssen wir unsere Produktpalette ständig erweitern. Deshalb konnten wir die Anfrage von BCSA durch die Entwicklung eines neuen innovativen Produktes schnell bedienen.“

Vereinfachung der Arbeit von Integratoren

Turbogetriebe von BCSA mit Messschrank

BCSA hat sich als flexibles innovatives Unternehmen am Markt positioniert und ist auf ein starkes Exportgeschäft fokussiert – ein Segment in dem das Unternehmen brilliert, da es damit nunmehr 80 % seines Umsatzes erzielt. Bei der Entwicklung seines Getriebesystems hat das Unternehmen die Forderungen des Lastenheftes übertroffen, um sich einerseits gegen die Konkurrenz durchsetzen zu können und andererseits (und vor allem!), um dem Kunden die Integrationsarbeit zu erleichtern.

Dies verdient eine Erläuterung. Es ist zu berücksichtigen, dass Leistungsprüfstände (bspw. für Motoren von Flugzeugen oder Rennwagen) eine physikalische Simulation der realen Bedingungen sowie insbesondere der Last erfordern, um den Motor bei Beschleunigungs- und Bremsvorgängen mit allen Drehzahlen und abhängig vom Simulationsprofil (Steigungen, Gefälle, Kurven, Art des Straßenbelags) zu testen.

Die Last wird üblicherweise mit Hilfe eines Elektromotors im generatorischen oder motorischen Betrieb simuliert. Meistens wird ein mechanisches Getriebe zwischen dem zu prüfenden (mit sehr hoher Drehzahl laufenden) Motor und der langsamer drehenden Last eingesetzt.

Die Prüfstände sind selbstverständlich mit Messtechnik versehen und umfassen mindestens einen Drehmomentaufnehmer, um die vom Motor abgegebene Leistung zu erfassen. Meistens befindet sich der Drehmomentaufnehmer auf der schnell rotierenden Seite zwischen dem Turbogetriebe und dem Prüfling. Bei der Teilnahme an der Ausschreibung im Bereich Luftfahrt hat BCSA sich natürlich in dem Bereich beworben, in dem das Unternehmen sich auszeichnet, d. h. im Bereich Prüfstandsysteme für Anwendungen mit hoher Drehzahl.

Ein weiterer Bonus: Der Drehmomentaufnehmer ist in das Turbogetriebe integriert

Doch das Unternehmen hat noch einen Bonus angeboten, durch den es sich von der Konkurrenz abheben und das Geschäft an Land ziehen konnte. David Montillet, kaufmännischer Leiter, liefert hierzu einige Details: „Üblicherweise übernimmt der Integrator des Prüfstands die Integration des Drehmomentaufnehmers in den Antriebsstrang am Eingang des Getriebes. Dies setzt voraus, dass in die Welle zwei zusätzliche mechanische Kupplungen plus Drehmomentflansch zu integrieren sind. Daraus ergibt sich ein erhöhter Platzbedarf. Vor allem erfordert die Ausrichtung der Wellen jedoch eine gewisse Expertise, da andernfalls Vibrationen und mechanische Belastungen entstehen können, die den Prüfstand beschädigen können. In unserem Fall hier gibt es noch eine zusätzliche Herausforderung: die Drehzahl! Bei hohen Drehzahlen vervielfacht sich das Risiko von Vibrationen durch das Hinzufügen von mechanischen Massen und Bauteilen im Antriebsstrang und kann im schlimmsten Fall zur Zerstörung des Prüfstandes führen.

Unser Kunde war sich dessen sehr wohl bewusst und es ist gerade dies, was ihn überzeugte, unserer sofort einsatzbereiten Lösung, bei der der Drehmomentaufnehmer in das Turbogetriebe integriert wird, den Zuschlag zu geben...“

"Vielversprechender Weg für die Zukunft"

„Als BCSA sich an uns wandte, hatten wir den entsprechenden Drehmomentaufnehmer noch gar nicht. Doch die Anfrage ist bei uns auf großes Interesse gestoßen, weil sie einen Markttrend widerspiegelt. „Ich beobachte, dass die Integratoren von Prüfständen sich eher auf die Überwachung sowie die ganze Elektronik drumherum konzentrieren und den mechanischen Teil auslagern. Und je mehr man mit hohen Drehzahlen arbeitet, umso mehr wird die Integration zu einer Aufgabe für Spezialisten. Mit dem Vorschlag, den Drehmomentaufnehmer T40HS mit 1 kNm ins Innere der Getriebe zu integrieren, eröffnet BCSA einen vielversprechenden Weg für die Zukunft“, erläutert Nicolas Di Pol.

Diese Umsetzung bietet sich speziell für hohe Drehzahlen an und HBM ist der Ansicht, dass dies die Nachfrage nach Drehmomentaufnehmern für hohe Drehzahlen, insbesondere für Flugzeugmotoren-Prüfstände, verstärken wird. Um das Gewicht – und damit den Verbrauch – zu reduzieren, laufen die Motoren mit immer höheren Drehzahlen.

Turbo-Übersetzungsgetriebe von BCSA mit Drehmomentaufnehmer T40HS/1 kNm von HBM

Über BCSA

Seit 50 Jahren ist BCSA auf mechanische Kraftübertragungssysteme spezialisiert. Die Realisierung von Reduzier-/Turbogetrieben für Prüfstände, um die es sich bei der hier vorgestellten Anwendung handelt, stellt eine der wichtigsten Aktivitäten des französischen Unternehmens dar.

  • Neben den Prüfständen werden auch die mechanischen Kraftübertragungssysteme von BCSA vor allem im Bereich Öl & Gas sowie in Zementwerken, in der Stahlindustrie und der Papierindustrie eingesetzt.
  • In allen Fällen konzipiert, entwickelt und liefert das Unternehmen maßgeschneiderte Systeme, die an die Anforderungen des Kunden angepasst sind. Dabei kann es sich auch um völlig neue Anwendungen handeln, doch meistens geht es darum, veraltete Systeme zu ersetzen. Seit jeher wird das Angebot durch die hohe Leistung und große Robustheit der Produkte geprägt.
  • Mit der Entwicklung von Systemen für das Arbeiten mit hohen Drehzahlen (30.000 U/min und darüber – aktuell bis zu 125.000 U/min) zeichnet sich eine Weiterentwicklung ab.
  • BCSA bietet Dienstleistungen und Service für die Installation und Inbetriebnahme sowie die Installation seiner Systeme an.
  • Weiterhin ist noch zu ergänzen, dass BCSA Vertreter der Produkte von FLSmidt Maag Gear in Frankreich und den Maghreb-Staaten ist und 80 % seines Umsatzes im Exportgeschäft erzielt, vor allem mit Asien (China), Europa (Deutschland, Österreich, England, Italien), den Maghreb-Staaten, den Staaten Osteuropas (Russland), Brasilien etc.
Drehmomentaufnehmer von HBM
Schaltschrank mit PMX-Industriesystem zur Messung von Drehmoment, Drehzahl und berechneter Leistung, inklusive Temperaturkompensation in Echtzeit.

Technische Herausforderungen gemeistert

BCSA suchte nach einem leistungsfähigen und präzisen Drehmomentaufnehmer, der außerdem einen geringen Platzbedarf aufweisen und den schwierigen Umgebungsbedingungen standhalten sollte. In diesem Zusammenhang war BCSA insbesondere an den Messflanschen interessiert, die sehr viel einfacher zu montieren sind als die Messwellen und dabei einen minimalen Platzbedarf haben. HBM verfügt in diesem Bereich über ein umfangreiches Angebot, und somit war es nur natürlich, dass BCSA sich an HBM wandte.

Die Präzisionsanforderung stellte keine Schwierigkeit dar, da HBM mit seiner Technologie der Dehnungsmessstreifen die Anforderungen perfekt erfüllt (eine Genauigkeit von 0,05 % ist mehr als ausreichend). Die Angebotspalette von HBM-Drehmomentaufnehmern bis zu 45.000 min-1 wird ebenfalls dem Aspekt der hohen Drehzahl gerecht.

Es blieb also nur noch die Herausforderung hinsichtlich der Umgebungsbedingungen. Das von BCSA entwickelte Getriebesystem ist ölgekühlt; daher musste die Umgebung berücksichtigt werden. Schließlich gab es noch das Problem der Temperatur.

Die Hauptschwierigkeit wird letztlich darin bestanden haben, den Aufnehmer innerhalb seines Betriebstemperaturbereichs zu halten.

Folglich hat BCSA technische Lösungen entwickelt, zu denen entsprechende Studien und Tests ergeben haben, dass der Aufnehmer für eine Temperatur bis 75 °C geeignet ist, was mehr als ausreichend ist.

Selbstverständlich wird der für BCSA entwickelte Aufnehmer in das Portfolio von HBM aufgenommen werden.

„Diese Entwicklung stellt einen neuen technologischen Durchbruch dar."

"Dadurch haben wir gegenüber dem aktuellen Marktangebot einen gewissen Vorsprung – und um diesen Vorsprung zu halten, nehmen wir uns genügend Zeit, unsere Innovationen zu schützen“, erklärt Nicolas Di Pol.

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