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Die
Erfindung betrifft ein Abtastelement zur Erfassung eines Verschleißwegs eines
Bremsbelags und einen Bremsbelag.
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Fahrzeuge
verwenden in der Regel Reibungsbremsen, um kinetische Energie umzuwandeln und
das Fahrzeug zu verzögern.
Bevorzugt wird dabei speziell in Personenkraftwagen und bei Nutzfahrzeugen
die Scheibenbremse. Diese besteht in einer typischen Bauform aus
einem Bremssattel, zwei Bremsbelägen
und der Bremsscheibe. Mittels des Bremssattels werden Zuspannkräfte aufgebracht
und Bremskräfte
aufgenommen. Die Zuspannkräfte
wirken über
beide Bremsbeläge
auf die Bremsscheibe, welche in Abhängigkeit von der Höhe der Zuspannkraft
eine Verzögerung
der Rotationsbewegung erfährt.
Diese Verzögerung
wird maßgeblich
vom Reibwert zwischen Bremsscheibe und Bremsbelag mitbestimmt. Da
die Beläge
konstruktiv als Verschleißteile ausgelegt
werden und die Reibwerte abhängig
von der Festigkeit sind, sind die Beläge generell weicher als die
Bremsscheibe, das heißt,
die Beläge
erfahren über
ihre Gebrauchsdauer eine Änderung
der Belagstärke,
sie verschleißen.
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Aus
dieser durch den Verschleiß bedingten Belagstärkenänderung
ergibt sich die Notwendigkeit, dass vom Fahrzeugnutzer erkannt wird,
wann die Beläge
eine so genannte Restbelagstärke
bzw. Verschleißgrenze
erreicht haben und ein Austausch der Bremsbeläge notwendig ist. Um eine optimale
Nutzung der Bremsbeläge
zu gewährleisten,
ist es wünschenswert,
dass jederzeit der momentane Istzustand der einzelnen Bremsbeläge, das
heißt
ihre Belagstärke
erfasst werden kann.
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Es
ist bekannt, eine auf dem Bremsbelag aufgebrachte Markierung regelmäßig zu kontrollieren und
somit ein Entscheidungskriterium zum Belagwechsel zu geben. Diese
Kontrolle erfordert aber eine bestimmte Regelmäßigkeit sowie bestimmte Säuberungsarbeiten,
um die Markierung eindeutig zu erkennen.
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Es
ist auch bekannt, den Verschleiß der Bremsbeläge einer
Radbremse indirekt über
eine elektronische Drehwinkelmessung an einem in der Radbremse integrierten
Verschleißnachsteller
zu messen. Hieran ist weniger vorteilhaft, dass der Verschleiß der Bremsscheibe
mit einfließt
und es somit zu einer Summenverschleißerfassung des Systems Bremsbeläge/Bremsscheibe
kommt.
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Es
ist auch bekannt, den Verschleiß über einen
so genannten „Schwarz-Weiß"-Sensor, der bei erreichen
des Restbelages von 2 mm ein Signal an den Fahrer ausgibt, zu messen.
Dieser beruht auf dem Prinzip, dass eine Kontaktschleife durch das Verschleißen des
Bremsbelages unterbrochen und somit ein Signal erzeugt wird.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Abtastelement
zur Erfassung einer Belagstärke
eines Bremsbelags zu schaffen, mit dem diese Probleme behoben werden.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Abtastelement mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
Die Erfindung schafft zudem einen Bremsbelag mit den Merkmalen des
Anspruchs 11.
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Der
Grundgedanke der Erfindung besteht darin, ein Abtastelement mit
einem elektrischen Widerstandselement mit einer räumlichen
Gestalt zu schaffen, bei der mindestens zwei Abmessungen in Abhängigkeit
vom Verschleißweg
eines Bremsbelags nicht konstant sind.
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Dadurch
wird vorteilhaft erreicht, dass sich der Widerstand des Widerstandselementes
in Abhängigkeit
vom Verschleißweg
verändert,
wobei dieser Widerstand ein Maß für den Verschleißweg bildet.
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Dabei
erreichte Vorteile der Erfindung sind:
- – direkte
Messung des Verschleißwegs
bzw. der Belagstärke
eines Bremsbelags im momentanen Istzustand;
- – permanente
Messung dieser Größe, es wird
zu jeder Zeit die tatsächliche
Belagstärke
erfasst;
- – der
Belagverschleiß kann
für jeden
Belag separat erfasst und ausgegeben werden;
- – mögliche Kostenersparnis
durch geringen mechanischen Aufbau und geringen Materialeinsatz im
Vergleich zu bekannten Systemen;
- – Optimierung
der Nutzung des Belagverschleißvolumens,
da der Scheibenverschleiß bei
dieser Messung nicht mit einfließt;
- – Abmessungen
des Abtastelementes sind variierbar;
- – Theoretisch
relativ hohe Temperaturunempfindlichkeit des Abtastelementes mit
relativ geringer Abweichung in der Anzeige.
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Das
Abtastelement ist vorzugsweise in einem Gehäuse angeordnet, welches wiederum
in einem Bremsbelag so angeordnet ist, dass es dem gleichen Verschleiß wie der
Bremsbelag selbst unterworfen ist. Damit wird das Abtastelement
ebenfalls in gleichern Maß durch
den Verschleiß verkürzt. Dieses ergibt
eine vorteilhaft einfach zu messende Widerstandsänderung, welche als ein ohmscher
Widerstandswert kontinuierlich vorliegt. Das heißt, eine Messung und somit
Anzeige der Belagstärke
eines jeden Bremsbelags ist unabhängig vom Verschleiß der zugehörigen Bremsscheibe
möglich.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu
entnehmen.
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In
einer bevorzugten Ausführung
ist vorgesehen, dass sich das Widerstandselement in Richtung des
Verschleißwegs
mit einer Länge
und senkrecht zum Verschleißweg
mit einer Breite erstreckt. Somit wird vorteilhaft einfach erreicht,
dass das Abtastelement mit mindestens zwei Abmessungen des Widerstandselementes
dem gleichen Verschleiß unterzogen
ist wie der Bremsbelag.
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Bei
einer bevorzugten Ausführung
ist das Widerstandselement an einer Halterung angebracht, welcher
hierzu einen ersten und zweiten Leiter mit einem jeweiligen Anschluss
zur elektrischen Verbindung mit dem Widerstandselement aufweist.
Damit lässt
sich das Widerstandselement einerseits vorteilhaft ausrichten und
anschließen.
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Andererseits
bildet die Halterung eine Spanneinrichtung in dem Fall, in dem das
Widerstandselement eine Metallfolie ist.
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Der
erste und zweite Leiter sind vorzugsweise über eine elektrisch leitende
Brücke
an der Abtastseite verbunden. Dadurch ergibt sich im neu eingebauten
Zustand ohne Verschleiß des
Bremsbelags ein kleiner Widerstand, der nur durch den spezifischen
Widerstand der Halterung, die vorzugsweise ein Draht mit einem geringen
spezifischen Widerstand ist, bestimmt ist.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführung ist
vorgesehen, dass das Widerstandselement einen Gesamtwiderstand aufweist,
welcher bei einem vergrößerten Verschleißweg erhöht ist.
Dadurch ergibt sich der Vorteil einer genaueren Verschleißwegbestimmung.
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Hierzu
ist in einer weiteren bevorzugten Ausführung vorgesehen, dass das
Widerstandselement erstens an einer Seite, die zur Abtastseite hin
weist, eine Anfangsbreite aufweist, die kleiner ist als eine Endbreite
an der Seite des Widerstandselementes, die zur Anschlussseite hin
weist und zweitens: die Höhe
des Widerstandselementes ändert
sich analog dem Belagverschleiß,
die in Verbindung mit der Dicke der Metallfolien einen Querschnitt
bildet. Legt man den physikalischen Zusammenhand zu Grunde, ergibt
sich der Gesamtwiderstand aus der Änderung des Querschnitts und
der Änderung
der Leiterlänge, in
nachfolgender Gleichung dargestellt: R = ρ·l·A
- R:
- = Widerstand
- ρ:
- = spezifischer Widerstand
- l:
- = Leiterlänge
- A:
- = Leiterquerschnitt
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Die
Widerstandsmessung wird also durch die steigende Leiterlänge und
den kleiner werdenden Widerstandselementleiterquerschnitt bestimmt,
wobei die Widerstandsele mentdicke einen maßgeblichen Einfluss hat: je
dünner
die Metallfolie, desto höher
der messbare Widerstand.
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Somit
wird durch eine vorteilhaft einfach geometrische Gestalt des Widerstandselementes
erreicht, dass eine relativ präzise
Messung der Belagstärke
möglich
ist.
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In
einer bevorzugten Ausführung
ist die Halterung als ein Drahtbügel
ausgebildet, wobei das Widerstandselement eine Metallfolie ist.
Diese Anordnung ist vorteilhaft einfach herzustellen.
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Die
Halterung weist einen geringen spezifischen Widerstandswert und
einen relativ geringen Temperaturkoeffizienten auf, wobei das Widerstandselement
einen hohen spezifischen Widerstandswert und einen geringen Temperaturkoeffizienten
aufweist. Dazu kann die Halterung aus einem (Profil-)Draht aus Kupfer
oder einer Kupferlegierung mit einem relativ großen Durchmesser bestehen. Hiermit wird
vorteilhaft erreicht, dass relativ zum Ausgangswiderstand bei vollständiger Belagstärke eine
deutliche Widerstandsänderung
erzielt wird. Auf Grund des niedrigen Temperaturkoeffizienten wird
vorteilhaft erreicht, dass bei in der Bremse auftretenden hohen
Temperaturdifferenzen nur geringe Widerstandsänderungen des Widerstandselementes – also des Abtastelementes – auftreten.
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Es
ist vorgesehen, dass das Gehäuse
das Widerstandselement vollständig
umgibt, vorzugsweise aus einem isolierenden Material wie insbesondere Kunststoff
oder Harz, wodurch der Vorteil geschaffen ist, dass das Widerstandselement
elektrisch isoliert, wärme-
und korrosionsbeständig
umhüllt
und leicht verarbeitbar ist.
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Es
ist möglich,
den vom Abtastelement ausgegebenen Widerstandswert mit Hilfe von
in der Speichereinheit gespeicherten Kalibrierwerten zuzuordnen,
der dem Ist-Verschleißwert bzw.
der Ist-Belagstärke
entspricht.
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Die
Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug
auf die beigefügten
Figuren näher
erläutert.
Hierbei zeigen:
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1 eine
schematische perspektivische Darstellung einer Ausführungsform
eines Abtastelementes gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2A, B, C schematische Darstellung des Abtastelementes
nach 1 bei verschiedenen Verschleißzuständen;
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3 ein
Ersatzschaltbild eines Widerstandselementes;
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4 geometrische
Abmessungen des Widerstandselementes; und
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5 eine
vergrößerte Schnittansicht
längs Linie
A-A nach 2A.
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Gleiche
oder ähnliche
Bauteile oder Baugruppen mit gleichen oder ähnlichen Funktionen sind in
den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 wird
ein Ausführungsbeispiel
eines Abtastelementes 1 der vorliegenden Erfindung in perspektivischer
Ansicht vereinfacht dargestellt.
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Das
Abtastelement 1 weist eine Abtastseite 16 auf,
die bei Einbau in einen Bremsbelag zur Bremsscheibe (die letzten
beiden sind nicht gezeigt) weist. Ihr gegenüber ist eine Anschlussseite 17 angeordnet.
In einem Gehäuse 9,
zum Beispiel aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff, ist eine
Halterung 2 in V-Form angeordnet. Sie weist zur Anschlussseite 17 hervorstehende
Anschlüsse 6, 7 zum
Anschluss an eine Messvorrichtung auf. Die Anschlüsse 6, 7 setzen
sich im Inneren des Gehäuses 9 jeweils
in einem ersten Leiter 3 und zweiten Leiter 4 zur
Abtastseite 16, bzw. in y-Richtung hin fort. Kurz vor der Oberseite
des Gehäuses 9 sind
die beiden oberen Enden der Leiter 3 und 4 durch
eine Brücke 8 mechanisch
und elektrisch leitend verbunden, wobei die beiden Leiter 3, 4 und
die Brücke
in Material und Durchmesser vorzugsweise identisch sind und idealerweise
in einem spitzen Winkel das Widerstandselement 5 umfassen.
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Die
Halterung 2 ist in diesem Beispiel mit dem zugehörigen Koordinatensystem
so ausgerichtet, dass die Leiter 3 und 4 in der
x-y-Ebene verlaufen.
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Zwischen
den Leitern 3 und 4 ist ein Widerstandselement 5 angeordnet,
welches mit den Leitern 3, 4 jeweils elektrisch
leitend und mechanisch oder kraftschlüssig verbunden ist.
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Das
Widerstandselement 5 und die Halterung 2 sind
hier im Inneren des Gehäuses 9 gestrichelt
gezeichnet. Die Halterung 2 besteht in diesem Beispiel
aus einem Draht mit einem geringen spezifischen Widerstand ρ1 mit
einem relativ großen
Querschnitt, der mit dem Widerstandselement 5 zum Beispiel
zusammengepresst ist (siehe 5). Das
Widerstandselement 5 ist als eine Metallfolie mit einem hohen
spezifischen Widerstand ρ2 ausgebildet, die mit Bezug auf 4 noch
ausführlicher
erläutert wird.
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An
den Anschlüssen 6 und 7 ist/sind
ein elektrischer Widerstandswert bzw. ein Spannung und ein Strom
der Halterung 2 und des Widerstandselementes 5 messbar.
Dieser Widerstandswert ist abhängig von
dem Verschleißweg
bzw. der Belagstärke
des Bremsbelags, in den das Abtastelement 1 eingesetzt ist.
Hierzu wird nun Bezug auf die 2a bis 2c genommen.
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Die
obere Bremsbelagseite, welcher an der Bremsscheibe anliegt, ist
oben in den 2A, 2B und 2C durchgehend in x-Richtung in gestrichelter
Linie angedeutet. Das Gehäuse 9 ist
so im Bremsbelag eingesetzt, dass seine Oberseite mit der Oberseite des
Bremsbelags fluchtet, wie in 2A gezeigt.
Mit dem linken Maßpfeil
ist die Belagstärke
SY angegeben. Die Brücke 8 der
Halterung 2 ist unterhalb der Oberseite des Gehäuses 9 in
einem nur kurzen Abstand angeordnet. Ein an den Anschlüssen 6, 7 gemessener
Anfangswiderstand ist nur gering und entspricht in etwa dem Widerstand
der Halterung 2.
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Nach
einer bestimmten Einsatzzeit des Bremsbelags ist seine Belagstärke SY um
einen Verschleißweg
S vermindert worden. Dieses ist in 2B dargestellt.
Das Gehäuse 9,
die Halterung 2 und das Widerstandselement 5 sind
um das Maß des Verschleißwegs S
gekürzt.
Die Brücke 8,
welche die beiden Leiter 3 und 4 im unverschlissenen
Zustand verbunden hat, ist ebenfalls nicht mehr vorhanden.
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Der
Gesamtwiderstand R erhöht
sich hier also um den Widerstand des Widerstandselementes 5.
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3 zeigt
ein Ersatzschaltbild des Widerstandselementes 5 und der
Halterung 2. An den Anschlüssen 6 und 7 sind
Widerstände
R1, R2 bis RN und RA parallel geschaltet. RA ist der Anfangswiderstand,
welcher im unverschlissenen Zustand des Bremsbelags und somit des
Abtastelementes 1 die Leitungswiderstände der Halterung 2 beinhaltet.
Da er gegenüber
dem Widerstand des Widerstandselementes 5 in diesem Fall
sehr klein ist, kann der Widerstand des Widerstandselementes 5 vernachlässigt werden.
Die Widerstände
R1, R2 bis RN symbolisieren den jeweiligen Widerstand des Widerstandselementes 5 in
Abhängigkeit
vom Verschleißweg
S, wie unter 2A–C beschrieben.
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4 dient
zur Erläuterung
des Widerstands des Widerstandselementes 5. Das Widerstandselement 5 ist
hier in trapezförmiger
Ausführung
ausgebildet und weist eine konstante Dicke d in z-Richtung auf,
die hier senkrecht auf der Zeichnungsebene steht. Das Widerstandselement 5 ist
somit ein räumliches
Gebilde. Die Anschlüsse
des Widerstandselementes 5 erfolgen von den Längsseiten über die
Leiter 3 und 4, so dass sich die korrespondierende Stromführungslänge in x-Richtung
ergibt.
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Es
ist ersichtlich, dass bei Verkleinerung von L, was einer Erhöhung des
Verschleißwegs
S entspricht, der Widerstand erhöht
wird. Wobei bei der Verschleißweggrenze
SYG eine kleine Länge
LE und eine große
Breite BVG existiert, welche für
den Widerstandswert R5 einen Widerstand ergeben, der größer ist
als der Anfangswiderstand RA ist.
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Im
vorliegenden Fall ist das Widerstandselement 5 trapezförmig ausgebildet,
wobei die Anfangsbreite BA kleiner ist als eine Endbreite BE. Die
Breite B ändert
sich in y-Richtung mit ansteigendem Verschleißweg S zu größeren Werten
hin. Wird B zu kleiner werdendem L zusätzlich größer bei steigendem Verschleißweg S,
so wird der sich ergebende Widerstand R5 ebenfalls in einem bestimmten
Maße größer als
bei einer rechteckigen Ausführung
des Widerstandselementes 5. So ist es mit einer relativ
einfachen geometrischen Gestalt des Widerstandselementes 5 vorteilhaft
möglich,
dass der Widerstandswert, der an den Anschlüssen 6 und 7 in
Abhängigkeit
von dem Verschleißweg
S messbar ist, bei der Verschleißweggrenze SYG einen zum unverschlisse nen
Zustand beim Verschleißweg
S = 0 deutlich großen
Widerstand aufweist, der mit einer ausreichenden Genauigkeit erfassbar
ist.
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In 5 ist
eine Schnittansicht längs
der Linie A-A aus 2A vergrößert dargestellt.
Sie zeigt die beiden Leiter 3 und 4, welche mit
dem Widerstandselement 5 verbunden sind. Die Dicke d des
Widerstandselementes 5 entspricht hier dem Drahtdurchmesser
der Leiter 3, 4. Sie kann aber auch im Fall einer
Metallfolie wesentlich geringer sein, was einen höheren Endwiderstand
erbringt, wie oben erläutert.
In einer bevorzugten Ausführung
ist für
das Widerstandselement der Werkstoff ISA-CHROM 60 vorgesehen.
Die Werkstoffe der Halterung 2 und des Widerstandselementes 5 weisen
vorzugsweise relativ geringe Temperaturkoeffizienten auf, was bei
großen Temperaturschwankungen
bei einer Bremse vorteilhaft geringe Schwankungen der Messwerte
ergibt.
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Das
Abtastelement 1 ist zum Beispiel bei einer pneumatisch
zugespannten Scheibenbremse für Nutzfahrzeuge
vorgesehen, wobei zwei Beläge
zum Einsatz kommen, die im Neuzustand eine Belagstärke von
zum Beispiel 21 mm haben. Die zulässige Restbelagstärke beträgt 2 mm.
Daraus ergibt sich ein Verschleißweg von 19 mm, der für jeden
Bremsbelag einzeln zu erfassen ist. Dazu ist jeder Bremsbelag mit einem
Abtastelement 1 versehen, beispielsweise in diesen in eine
Bohrung eingepresst, eingeklebt, eingeschraubt. Dazu können die
Gehäuse 9 der
Abtastelemente 1 entsprechend angepasst sein.
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Es
kann auch das Widerstandselement 5 pyramidenförmig oder
als Kegelstumpf ausgeführt
sein.
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Die
Fertigung des Abtastelementes 1 kann wie folgt durchgeführt werden:
Vorfertigen der Metallfolie des Widerstandselementes 5 in
der jeweiligen Kontur, zum Beispiel dreiecksförmig, Einpressen der V-förmigen Halterung 2 und
Umspritzen dieser Anordnung mit einem Kunststoffmaterial zur Bildung des
Gehäuses 9.
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Das
Abtastelement 1 wurde in erster Linie für die Erfassung von Verschleißwegen von
Bremsbelägen
in pneumatische zugespannten Scheibenbremsen im Nutzfahrzeugbereich
beschrieben. Es kann jedoch auch bei allen anderen Anwendungen,
wo Verschleiß oder
eine Wegänderung
in Form von Materialabtrag stattfindet, zum Einsatz kommen.