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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung des Verschleißes
von Carbon-Keramik-Reibscheiben gemäß Anspruch
1, und eine dazu geeignete Vorrichtung.
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In
dem deutschen Patent
DE
102 34 551 B3 wird ein Verfahren zur Detektierung der Oxidation
von kohlenstoffhaltigen Verstärkungsfasern in Verbundwerkstoffen
mit keramischer Matrix wie beispielsweise C/SiC-Werkstoffen (Kohlenstoff-Siliciumcarbid)
beschrieben. Da Fasern aus Kohlenstoff (Carbonfasern) insbesondere
bei Anwendungen unter höherer Temperatur zur Oxidation
neigen, ist der Einsatz solcher Verbundwerkstoffe problematisch
für Funktionsteile, insbesondere Sicherheitsteile wie Bremsscheiben
von Fahrzeugen. Bei solchen Bremsscheiben konnte bei Betriebstemperaturen
von ca. 700°C bis 1000°C beobachtet werden. Bei
fortgeschrittenem Abbrand oder Oxidation der Carbonfasern kann eine
Strukturschädigung bei Bremsscheiben eintreten, die deren
Steifigkeit und Festigkeit negativ beeinflusst. Eine Möglichkeit
zur zerstörungsfreien Prüfung bietet die in diesem
Patent beschriebene Detektion durch das an sich bekannte Wirbelstromverfahren.
Der für die Induktion der Wirbelströme notwendige
elektrische Leiter, nämlich die kohlenstoffhaltigen Fasern,
wird durch Oxidation teilweise oder vollständig zerstört,
was sich im Ausgangssignal der Wirbelstrom-Messanordnung zeigt.
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Es
wurde jedoch gefunden, dass die Empfindlichkeit der Messung und
deren Reproduzierbarkeit verbesserungsbedürftig ist.
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Die
bekannte und in dem oben bezeichneten Patent beschriebene Ausführungsform
eines Wirbelstrom-Messverfahrens sieht eine Primär- oder
Erregerspule und eine Sekundär- oder Prüf- oder
Detektorspule vor, die vorzugsweise innerhalb der Primärspule
angeordnet ist, wobei ein stetiges (nämlich in der Amplitude konstantes)
alternierendes magnetisches Wechselfeld in der Erregerspule erzeugt
wird, das zu einem ebenso stetigen durch Wirbelströme in
dem zu untersuchenden leitfähigen Körper erzeugten
Sekundärmagnetfeld führt, das mit der Sekundärspule
durch die darin induzierte elektrische Spannung detektiert werden
kann.
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Daneben
ist das sogenannte Pulsinduktionsverfahren bekannt, bei dem eine
(Primär-) Spule mit einem gepulsten Gleichstrom gespeist
wird. Der Ein- und Ausschalt-Stromstoß in der Spule führt
zu einer raschen Änderung (Aufbau und Abbau) des in der
Spule erzeugten Magnetfeldes, wobei die Magnetfeldänderung
in bekannter Weise in einem leitfähigen Körper
einen Wirbelstrom erzeugen kann. Dieser Wirbelstrom wiederum erzeugt
ein korrespondierendes Magnetfeld, das durch eine weitere Spule
(Sekundärspule) oder vorteilhaft in derselben Spule (Primärspule)
durch die darin induzierte elektrische Spannung nachgewiesen werden
kann.
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Die
in Verbundwerkstoffen mit keramischer Matrix und kohlenstoffhaltigen
Verstärkungsfasern enthaltenen kohlenstoffhaltigen Fasern
sind elektrisch leitend und haben üblicherweise einen Durchmesser
von 5 μm bis 12 μm, bevorzugt 6 μm bis
10 μm, und als Kurzfasern eine Länge von 0,1 mm
bis 30 mm, bevorzugt 0,2 mm bis 5 mm. Sie sind in den genannten
Verbundwerkstoffen im Fall von sogenannten C/SiC-Werkstoffen mit einer
Matrix aus Siliciumcarbid mit Anteilen von Silicium und Kohlenstoff
voneinander durch die nichtleitenden oder halbleitenden (im Fall
von Si) Bereiche getrennt. Die Induktion von Wirbelströmen
durch ein Magnetfeld ist daher auf die Abmessungen der voneinander
isolierten leitenden kohlenstoffhaltigen Fasern oder Carbonfasern
und deren Ausrichtung (Orientierung in der Matrix) beschränkt.
Beide Tatsachen, Abmessungen und Ausrichtung der leitfähigen
Fasern, limitieren die Größe der induzierten Wirbelströme
und führen daher auch zu nur sehr geringen Magnetfeldern,
die in der Sekundärspule durch Induktion ein messbares
Signal erzeugen können.
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Da
bei dem Pulsinduktionsverfahren ja nur der Effekt des Ausschalten
des Erregerstroms ungestört von dem nach dem Einschalten
in der Primärspule fließenden Strom und dem dadurch
verursachten Magnetfeld gemessen werden kann, besteht eine messtechnische
Beschränkung auf die Bestimmung des Effekts der ”Nachwirkung” nach
dem Ausschalten. Diese Tatsache in Verbindung mit den durch Abmessung
und Orientierung der leitfähigen Fasern ließ nicht
erwarten, dass das Pulsinduktionsverfahren in diesem Fall zu nutzbaren Messungen
führen kann.
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Bei
den Untersuchungen, die zu der vorliegenden Erfindung geführt
haben, wurde in überraschender Weise festgestellt, dass
trotz den für die Anwendung des Pulsinduktionsverfahrens
ungünstigen Bedingungen die Reproduzierbarkeit von Messungen
des Abfalls des messbaren Signals mit zunehmendem Verschleiß einer
CKB-Reibscheibe mittels des Pulsinduktionsverfahrens sowohl bei
Mehrfachmessungen derselben Scheibe bei denselben Verschleißzuständen
unabhängig von der Stelle der Messung auf der Scheibenoberfläche, und
unabhängig vom Verschmutzungszustand der Scheibe außerordentlich
hoch war.
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Gegenüber
der konventionellen Wirbelstrom-Messung mit einem Spulenpaar (Primär-
und Sekundär-Spule) hat sich überraschend ergeben,
dass sowohl die Empfindlichkeit als auch die Reproduzierbarkeit der
Messung mit der Methode der Pulsinduktion günstiger waren.
So ließen sich bei Wiederholungsmessungen an derselben
Scheibe im selben Verschleißzustand Standardabweichungen
von 0,3% bis 0,7% bezogen auf den Mittelwert bei jeweils 5 Messwerten
auch innerhalb verschiedener Prüfer erreichen.
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Die
Reproduzierbarkeit bei der konventionellen Wirbelstrommethode mittels
zweier Spulen ließ sich für dieselben Scheiben
nicht unter Standardabweichungen von 2% bis 1,5% des Mittelwertes
drücken.
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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist daher ein Verfahren zur Bestimmung
des Verschleißzustandes von Carbon-Keramik-Reibscheiben,
also Reibscheiben mit einer nichtleitenden oder höchstens
bereichsweise halbleitenden keramischen Matrix bevorzugt enthaltend
Siliciumcarbid, Silicium und Kohlenstoff, und mit leitfähigen
in der Matrix verteilten und voneinander durch die Matrix isolierten,
Kohlenstoff enthaltenden Verstärkungsfasern, insbesondere
Carbonfasern, unter Nutzung des Pulsinduktionsverfahrens, bei dem eine
Spule (Primärspule) von einem zeitlich veränderlichen
Gleichstrom durchflossen wird und in einem in der Nachbarschaft
befindlichen leitfähigen Substrat ein entsprechend zeitlich
veränderliches Magnetfeld hervorruft, das wiederum eine
zeitlich veränderliche Spannung in dem Substrat induziert,
die einen zeitlich veränderlichen kreisförmigen
Stromfluss in dem leitfähigen Substrat hervorruft. Dieser
Stromfluss ist der induzierten Spannung und der (lokalen) Leitfähigkeit
des Substrats proportional. Der Stromfluss erzeugt wiederum ein
zeitlich veränderliches Magnetfeld, das in einer Sekundärspule
oder bevorzugt in der jetzt stromlosen Primärspule eine
Sekundärspannung erzeugt, deren Größe
wiederum insbesondere der Leitfähigkeit des Substrats proportional
ist. Unter Konstanthaltung aller anderen Einflussgrößen
ist die gemessene Sekundärspannung daher der Leitfähigkeit
des Substrats proportional; da die Leitfähigkeit des Substrats
mit der Oxidation der kohlenstoffhaltigen Fasern, insbesondere der
Carbonfasern, abnimmt, ist die Sekundärspannung ein Maß für
den Abfall der Leitfähigkeit durch die Oxidation der leitfähigen
Fasern und damit für den Verschleiß der Carbon-Keramik-Reibscheiben.
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Überraschenderweise
ist die Größe der Sekundärspannung unabhängig
von einer Verschmutzung der Carbon-Keramik-Reibscheiben mit dem üblichen
Abrieb auf einer Bremsscheibe beispielsweise eines Automobils oder
Schienenfahrzeugs, und ebenso unabhängig von der oberflächlichen
Beladung der Scheiben und sogar einer Tränkung der im allgemeinen
porösen Scheiben mit salzhaltigen wässrigen Lösungen,
die bei der herkömmlichen Wirbelstrom-Methode zu Verfälschungen
der gemessenen Werte führen.
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In
bevorzugter Weise wird eine Spule zunächst als Primärspule,
und nach dem Abschalten des Erregerstroms auch als Sekundärspule
verwendet.
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In
weiter bevorzugter Weise wird der die Spule(n) beherbergende Messkopf
mit einer unsymmetrischen auf dem Substrat aufliegenden Platte ausgestattet,
wodurch der Messkopf mit Hilfe einer auf der Scheibe aufzusetzenden
Schablone stets exakt und reproduzierbar positioniert werden kann.
Die Schablone weist dazu eine Aussparung auf, die der Gestalt des
auf dem Substrat aufliegenden Messkopfs entspricht. Besonders günstig
hat sich erwiesen, diese Schablonen mit Stiften auszustatten, die
in die durch die Dicke der Bremsscheibe reichenden Perforationslöcher
eingreifen und so ebenfalls eine reproduzierbare Positionierung ermöglichen.
Die Angabe der Position des Messkopfs für Wiederholungsmessungen
kann in diesem Fall besonders günstig zum Beispiel durch
Lasermarkierungen auf dem nicht von Bremsklötzen überstrichenen
Teil der Bremsscheibe erfolgen.
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Die
Messung der in der Sekundärspule induzierten Spannung wird
mit Vorteil nach dem Abschalten des Stroms durch die Erregerspule
gemessen, da in diesem Fall das Magnetfeld der Erregerspule abgeklungen
ist und keine störenden Auswirkungen auf die Messung mehr
haben kann.
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Vorzugsweise
ist die keramische Matrix zumindest in der Randschicht des Verbundwerkstoffs
ausgebildet und enthält neben Siliciumcarbid (SiC) als
Hauptbestandteil (also in einem Massenanteil von mindestens 20%,
bevorzugt von mindestens 50%), auch Silicium (Si) und/oder Siliciumlegierungen.
Die C/SiC-Verbundkeramiken können auch Fasern umfassen,
die neben Kohlenstoff noch weitere Elemente, wie beispielsweise
Si, B, N, P oder Ti enthalten. Diese Fasern sind hochtemperaturbeständig
und besitzen gegenüber der vorzugsweise nicht oder halbleitenden
Matrix eine signifikant höhere elektrische Leitfähigkeit.
Während die Resistivität (spezifischer elektrischer
Widerstand) von Carbonfasern ca. 1 μΩ·m
bis 10 μΩ·m beträgt, liegt die
Resistivität von Silicium bei ca. 1000 μΩ·m
(Halbleiter), und die von Siliciumcarbid bei ca. 106 μΩ·m
bis 107 μΩ·m
(Isolator, Nichtleiter). Die Verbundwerkstoffe, die hier betrachtet
werden, haben eine Resistivität im Bereich von 30 μΩ·m bis
400 μΩ·m. Im folgenden und in den Ansprüchen
sind unter dem Begriff Fasern sowohl einzelne Fasern als auch Faserbündel
zu verstehen, die durch Polymere oder deren Pyrolyseprodukte, bevorzugt
durch graphitischen Kohlenstoff gebunden, sein können.
Die Fasern bzw. Faserbündel sind in der Matrix regellos
verteilt, wobei durch die halbleitende oder nichtleitende Matrix
eine elektrische Leitung zwischen den verteilten Fasern bzw. Faserbündeln
beschränkt ist.
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Als
Faserbündel werden Agglomerate von im wesentlichen parallelen
Kurzfasern bezeichnet, in denen ca. 500 bis ca. 20.000 Einzelfasern
vorhanden sind.
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Die
Herstellung von C/SiC-Werkstoff kann in bekannte Weise von einem
CFC-Werkstoff ausgehen, also einem mit Carbonfasern verstärkten
porösen Kohlenstoff-Werkstoff. Besonders bevorzugt ist
die Herstellung von kurzfaserbündelverstärktem
CFK (mit Carbonfasern verstärkte Kunststoffe), bestehend
aus gegebenenfalls mit einer carbonisierbaren Substanz und/oder
mit Kohlenstoff beschichteten Carbonfasern oder Carbonfaserbündeln
und zu einen Duroplast-Werkstoff gehärteten Binder, der
gegebenenfalls noch Füllstoffe enthalten kann, der gegebenenfalls
mit einem Presskern zur gewünschten Form gepresst und ausgehärtet
und hierauf carbonisiert und/oder graphitiert wird, so dass ein
CFC-(auch als ”C/C-” bezeichnet)Formkörper
als Zwischenprodukt entsteht. Da die CFK- und CFC-Zwischenprodukte
im Vergleich zur späteren Verbundkeramik noch eine relativ
geringe Härte aufweisen, werden spanabhebende Bearbeitungsgänge
wie beispielsweise das Anbringen von Bohrungen oder das Fräsen
bevorzugt an diesen Zwischenprodukten durchgeführt.
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Der
vorzugsweise verwendete Formkörper aus CFC wird anschließend
zu der gewünschten Endform bearbeitet und dann bei Temperaturen
um etwa 1600°C im Vakuum oder unter Inertgas mit einer
Siliciumschmelze oder einer Siliciumlegierungsschmelze infiltriert,
wodurch zumindest ein Teil des Kohlenstoffs der Matrix und/oder
der Fasern in SiC umgewandelt wird. Neben Silicium können
als weitere Bestandteile der Schmelze auch Bor (B) und die Metalle
der Nebengruppen I bis VIII verwendet werden, insbesondere Ti, Cr, Fe,
Mo und Ni. Durch die Flüssiginfiltration des CFC-Formkörpers
mit Silicium oder einer siliciumhaltigen Schmelze entsteht ein dichter,
fester und sehr harter Formkörper aus C/SiC- Werkstoff enthaltend
Fasern, im allgemeinen Carbonfasern, mit einer Matrix aus überwiegend
SiC und Si.
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Alternativ
kann die Matrix des Formkörpers ganz oder teilweise durch
eine Gasphaseninfiltration (CVD oder CVI) erzeugt werden. Dann weist
die Matrix einen relativ hohen SiC-Gehalt auf, typischerweise über
95%. Weiterhin kann die Herstellung der Matrix durch die Pyrolyse
von Si-haltigen, präkeramischen Polymeren erfolgen, zum
Beispiel durch die Pyrolyse von Polymeren, die eines oder mehrere
der Elemente Si, B, C, N, P oder Ti enthalten.
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Die
C/SiC-Formkörper werden vorzugsweise in Form von Bremsscheiben,
Bremsbelägen oder Kupplungsscheiben gefertigt. Wegen der
guten Temperaturbeständigkeit ist jedoch jegliche weitere
Anwendung denkbar, bei welcher hohe Temperaturen auftreten, beispielsweise
als Auskleidungskörper zur Auskleidung von Öfen
und Brennkammern oder als Hitzeschilde, insbesondere beim Triebwerks-
oder Düsenbau. Formkörper werden als ”thermisch
hochbelastbar” bezeichnet, wenn sie die bei diesen Anwendungen
auftretenden Temperaturen überstehen, ohne dass ihre Festigkeit
auf weniger als 80% des Ausgangswertes absinkt.
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In
jedem Fall liegt ein Formkörper aus Verbundkeramik mit
in einer nicht- oder halbleitenden Matrix aus SiC und Si eingebetteten,
kohlenstoffhaltigen Fasern vor. Im Sinne der Erfindung ist dabei
das Si als Halbleiter und das SiC als Nichtleiter anzusehen. Dies
trifft insbesondere bei den zur Messung bevorzugten Temperaturen
weit unterhalb der maximalen Anwendungstemperatur der Bauteile zu.
Alternativ kann die Matrix auch aus einem anderen elektrisch nichtleitenden
Material bestehen, beispielsweise aus TiC, TiC/SiC, Si3N4, SiC/Si3N4, oder Al2O3.
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Der
Massenanteil an SiC in der Verbundkeramik liegt vorzugsweise bei
mindestens 25%, besonders bevorzugt bei mindestens 50%, bezogen
auf die gesamte Masse des Formkörpers. Je nach Tiefe der
Infiltration mit den Stoffen, die nach Reaktion mit Kohlenstoff
die Matrix bilden, kann sich diese Verbundkeramik nur auf eine Randschicht
beschränken oder auch durch den gesamten Formkörper
erstrecken. Der Massenanteil der Matrix und deren Zusammensetzung
können dabei innerhalb des Formkörpers variieren,
insbesondere in der Tiefe, wobei der Massenanteil der Matrix an
der Oberfläche bevorzugt höher liegt als im Inneren
des Formkörpers, mitunter auch bei nahezu 100%.
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Gemäß einer
bevorzugten Variante wird der CFC-Werkstoff durch Flüssigsilicierung
in C/SiC umgewandelt. Dabei spielt es keine Rolle, ob der CFC-Werkstoff
ganz oder nur teilweise mit Silicium oder Siliciumlegierung infiltriert
und zu C/SiC umgesetzt wird. Es muss lediglich die Randschicht des
Formkörpers zu C/SiC umgesetzt worden sein, die auch zu
nahezu 100% aus der Matrix, insbesondere aus SiC, bestehen kann.
Verwendet werden auch CFC-Formkörper, bei denen eine Silicierung
lediglich im Randbereich durchgeführt wurde, aber der Kern
aus CFC bestehen bleibt. Die Dicke der Randschicht für
die vorliegende Erfindung beträgt mindestens 0,2 mm, vorzugsweise
mehr als 0,5 mm und besonders bevorzugt mehr als 5 mm.
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Die
Flüssigsilicierung von CFC führt nach dem Abkühlen
des Werkstoffs von einer Prozesstemperatur von etwa 1500°C
bis 1900°C auf Raumtemperatur aufgrund der unterschiedlichen
Temperaturausdehnungskoeffizienten von Fasern und Matrix zu einer
mit offenen Mikrorissen und Poren durchsetzten Matrix, wobei sich
die offenen Risse und Poren bis weit in die Tiefe des aus der C/SiC-Keramik
bestehenden Formkörpers erstrecken und sich bevorzugt an
den kohlenstoffhaltigen Verstärkungsfasern ausbilden. Dies
gilt ebenso für die Verfahren der Gasphaseninfiltration
oder der Polymerpyrolyse, da auch hier von hoher Prozesstemperatur auf
geringere Temperaturen abgekühlt wird. Dieser Effekt tritt
besonders dann auf, wenn die SiC-haltige Randschicht einen höheren
Massenanteil der Matrix als das Innere des Werkstoffes hat.
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Diese
offenen Risse und Poren bilden Pfade für eindringenden
Sauerstoff, so dass insbesondere die in der Matrix gebundenen kohlenstoffhaltigen
Fasern der Oxidation ausgesetzt sind. Anwendungen des Formkörpers
im Hochtemperaturbereich und in korrosiven Medien, wie sie für
derartige Werkstoffe üblich sind, verstärken den
oxidativen Angriff weiter. Wie eingangs bereits erwähnt,
werden aus dem C/SiC-Werkstoff unter anderem Bremsscheiben von Fahrzeugen
gefertigt, wobei diese Bauteile im Betrieb Temperaturen von über 700°C
erreichen können, so dass insbesondere solche Bauteile
einem oxidativen und strukturschädigenden Angriff ausgesetzt
sind. Bei diesem Sicherheitsbauteil ist die Kenntnis des genauen
Werkstoffzustandes von besonderer Bedeutung.
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Die
Erfindung wird durch das nachfolgende Beispiel erläutert:
Eine
innenbelüftete Carbon-Keramik-Bremsscheibe (C/SiC) mit
den Abmessungen Außenradius = 205 mm, und Dicke = 38 mm,
mit einem metallischen Topf wurde in fabrikneuem Zustand gewogen
und an drei ausgewählten Stellen im Abstand von 20 mm von
der Peripherie mit einem Pulsinduktionsmesskopf gemessen.
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Die
Bremsscheibe wurde dann einem sog. Fading-Test unterworfen. Dabei
wird auf dem Prüfstand die Fahrzeugmasse durch eine Schwungmasse
simuliert. Der Fading-Test simuliert eine Bremsung des Fahrzeugs
aus 0,8 facher Maximalgeschwindigkeit des Fahrzeugs auf 100 km/h
mit einer Verzögerung zwischen 0,6 g und 1,0 g, wobei jeweils
25 Einzelbremsungen zu einem sog. Fadingzyklus zusammengefasst werden können.
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Nach
jedem 10. Fadingzyklus wurde die Scheibe gewogen und es wurden Messungen
an denselben Stellen wie vor dem Test mit dem Pulsinduktionsmesskopf
durchgeführt, wobei durch Benutzung einer Schablone für
jede der Messstellen eine exakte Positionierung sichergestellt wurde.
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In
der Tabelle 1 sind die Ergebnisse zusammengestellt: Tabelle 1 Messergebnisse für
Wägung und Pulsinduktionsmessung
| | Induzierte
Spannung in μV | Gewicht
in g |
| | Position
1 | Position
2 | Position
3 | |
| neu | 57,5 | 54,5 | 50,0 | 9855,5 |
| nach
10 Fadingzyklen | 49,0 | 45,2 | 40,3 | 9843,2 |
| nach
20 Fadingzyklen | 44,3 | 40,5 | 36,0 | 9834,8 |
| nach
30 Fadingzyklen | 38,3 | 36,1 | 32,9 | 9824,4 |
| nach
40 Fadingzyklen | 35,9 | 31,7 | 28,2 | 9802,6 |
| nach
50 Fadingzyklen | 33,7 | 29,3 | 26,1 | 9778,9 |
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Es
ist zu ersehen, dass die Signale der Pulsinduktionsmessung proportional
zum Gewichtsverlust der Bremsscheibe durch Abbrand der Carbonfasern
sind.
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Ein
erheblicher Vorteil der Messung durch Pulsinduktion besteht darin,
dass die Bremsscheibe zur Messung des Verschleißzustands
nicht demontiert werden muss; die Messung ist vielmehr auch bei
der betriebsmäßig eingebauten Bremsscheibe möglich.
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Ein
weiterer Vorteil besteht darin, dass auch bei oberflächlicher
Verschmutzung und sogar bei in die Porosität des Bremsscheibenrings
eingedrungener Salzlösung eine verlässliche Messung
möglich ist, während die gravimetrische Methode
in diesem Fall wegen der Verfälschung des Gewichts durch
Schmutz und Porenfüllung versagt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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