Sensor-integrating gears: wear detection by in-situ MEMS acceleration sensors

Gear tooth wear is a common phenomenon leading to malfunctions in machines. To detect wear and faults, gear condition monitoring by vibration is established. The problem is that the measurement data quality for detection of wear by vibration is not good enough with currently established measurement methods, caused by long signal paths of the commonly used housing mounted sensors. In-situ sensors directly at the gear achieve better data quality, but are not yet proved in wear detection. Further it is unknown what analysis methods are suited for in-situ sensor data. Existing gear condition metrics are mainly focused on localized gear tooth faults, and do not estimate wear related values. This contribution aims to improve wear detection by investigating in-situ sensors and advance gear condition metrics. Using a gear test rig to conduct an end of life test, the wear detection ability of an in-situ sensor system and reference sensors on the bearing block are compared through standard gear condition metrics. Furthermore, a machine-learned regression model is developed that maps multiple features related to gear dynamics to the gear mass loss. The standard gear metrics used on the in-situ sensor data are able to detect wear, but not significantly better compared to the other sensors. The regression model is able to estimate the actual wear with a high accuracy. Providing a wear related output improves the wear detection by better interpretability.

Untersuchung und Klassifikation der Fahreraufmerksamkeit bei längerer partiell automatisierter Fahrt

ZusammenfassungUm die Unfallzahlen weiter zu senken, schreibt die Europäische Union ab 2030 eine höhere Fahrerüberwachung für neue Fahrzeuge vor. Bislang liegt der Fokus in einem manuell gefahrenen Fahrzeug auf einer Müdigkeitserkennung als Komfortsystem. Jedoch ändern sich die Anforderungen an den Fahrer und dessen Aufgaben bei steigender Automatisierung der Fahraufgabe, sodass auch die Fahrerbeobachtung/-überwachung weiter entwickelt werden sollte. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Auslegung von Aufmerksamkeitsaufgaben in Simulator-Fahrversuchen und einem ersten Versuch die aufgenommenen Daten von wenigen Probanden automatisch auszuwerten, um die Machbarkeit zu zeigen. Durch die partielle Automatisierung (nach SAE Level 2) der Fahraufgabe bleiben dem Fahrer bei der hier vorgestellten längeren Aufmerksamkeitsaufgabe nur noch schwache und seltene Reize, sodass von einer Vigilanzaufgabe gesprochen werden kann. Zur Messung des Fahrerzustands wird in dieser Machbarkeitsstudie eine Kombination aus verschieden Körperfunktionen durch unterschiedliche Sensoren erfasst, mit einem künstlichen neuronalen Netzwerk fusioniert und verarbeitet. Es werden verschiedene Kombinationen von Sensoren getestet, um herauszufinden, welche Signale für eine Klassifikation des Fahrerzustands ausreichend oder notwendig sind. Dabei wird darauf geachtet, ob diese Signale in Zukunft durch neue Sensortechnologien auch kontaktlos erfasst werden könnten, um eine Entwicklung dieser zu motivieren. Am Ende wird eine Klassifizierung vorgenommen, die zwischen den hier so genannten Zuständen Vigilant (aufmerksam) und Hypovigilant (nicht mehr aufmerksam) unterscheiden kann, sodass eine anschließende Regelung ein solches Signal verwenden kann, um den Fahrer in einen besseren Zustand zu bringen. Zudem kann der Fahrer gewarnt werden, wenn die Aufmerksamkeit nicht zu den Aufgaben passt, die er in der Automatisierungsstufe zu erledigen hat beziehungsweise für die er verantwortlich ist. Dazu könnten Aufgaben zwischen dem Fahrzeug und dem Fahrer dynamisch verteilt werden, also beispielsweise die Führung in Längs- oder Querrichtung wieder als Fahraufgabe dem Fahrer übergeben werden, um ihn aufmerksam zu halten. Durch eine kontaktlose Erfassung der Aufmerksamkeit gibt es zudem einen Komfortgewinn, da zum Beispiel die Hände nicht mehr das Lenkrad festhalten müssen, um dem Fahrzeug seine Aufmerksamkeit zu bestätigen, wie es heute in einigen Fahrzeugen üblich ist.

Method for holistic wind turbine drivetrain comparison exemplarily applied to geared and direct drive systems

The drivetrain as an important part of wind turbines needs to be improved in order to deal with today’s high development and cost pressure. One important step towards enhanced drivetrains is to identify the most suitable concept for a targeted onshore application in an early design stage. With this purpose, a holistic lifecycle system evaluation approach relying on minimum input information is presented. In order to identify a dominant solution, an additive target system is defined taking cost, ecological sustainability, and supplied energy into account. This multi-criteria decision is aggregated by defining a macrosocial evaluation criterion: “drivetrain specific energy supply effort”. A physics- and empirically-based model is developed to quantify the targets for different onshore drivetrain concepts. The validity of the model results is shown by a comparison to meta-analysis findings. Being utilized on a drivetrain concept comparison between geared and direct drive the approach’s value is showcased. Both concepts score on a comparable level slightly differing in weak and strong wind regimes. An exemplary trade-off between investment- and operational effort shows, that for both concepts the investment effort is higher than the operational. The comparison furthermore shows how robust decision support can be provided by parameter variation and finally it stresses, that the decision maker’s preferences need to be incorporated in the decision. Concluding, this analysis shows that physics- and empirically-based model approaches enable holistic wind turbine drivetrain concept comparisons in an early design stage.

Real-time temperature calculation and temperature prediction of wet multi-plate clutches

Many applications of wet multi-plate clutches are within safety-critical areas since malfunction or failure of the clutch is often equivalent to “loss of drive”.The main criterion for the estimation of damage and endurance of wet multi-plate clutches is the temperature on the friction interface. Owing to the thin, rotating geometry of the plates, determination of relevant temperatures in operation mode is almost impossible. State of the art is that there is no general applicable model for real-time estimation of clutch temperatures during operation.This contribution presents a validated parametric real-time temperature model that is applicable to various use cases and operating conditions. The model enables the calculation of the actual clutch temperature during operation and the prediction of temperature for future shifting operations.The model is validated by comparing temperature measurements from a component test rig and from the KUPSIM thermal clutch design tool with the developed real-time temperature calculation. The validity of the model for serial parts from industry and automotive applications under various load cases (clutch mode, continuous slip, non-steady slip) is demonstrated. The deviation between measurement and calculation are typically very small (< 5 K). The temperature prediction allows a highly accurate (deviations typically < 5 K) conservative prediction of the thermal load for future shifting operations.The model can thus contribute to the increase of operational safety of wet multi-plate clutches while at the same time facilitating optimal component design by reducing thermal over-dimensioning of clutches.

Einlaufverhalten nasslaufender Lamellenkupplungen im Schlupfbetrieb

ZusammenfassungNasslaufende Lamellenkupplungen weisen zu Betriebsbeginn eine Phase des Einlaufens auf, in der sich das Reibungsverhalten durch Anpassung der Reibflächen signifikant ändern kann. Dieses Einlaufverhalten ist in Anhängigkeit der Charakteristika des Reibsystems bestehend aus Reibbelag, Stahllamelle und Schmierstoff stark unterschiedlich ausgeprägt. Mit dem Ziel einer guten Regelbarkeit und damit hohen Zuverlässigkeit der Kupplung ab der ersten Schaltung sollen Einlaufvorgänge wenig ausgeprägt und schnell abgeschlossen sein.Die Charakterisierung des Einlaufverhaltens im Schlupfbetrieb erfolgt experimentell an Kupplungen mit Carbonreibbelag aus den Anwendungen Verteilergetriebe und Sperrdifferential im Instationärschlupf. Eine neu entwickelte Versuchsmethode erlaubt es, das Einlaufverhalten für mehrere anwendungstypische Lastniveaus zu untersuchen. Relevante Lastniveaus werden aus Fahrzeugmessungen abgeleitet. Des Weiteren wird eine Auswertemethode vorgestellt, die über die Definition spezifischer Kennwerte für Schlupfbetrieb eine quantitative Beurteilung von Ausprägung und Dauer der Einlaufvorgänge realisiert. Das Einlaufverhalten von Kupplungen mit unterschiedlichen Reibsystemen wird im Zuge einer Systembewertung gegenübergestellt, Einflüsse von Schmierstoff, Stahllamelle und Reibbelag sowie Wechselwirkungen werden systematisch charakterisiert.