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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur Auswertung
des Stick-Slip-Effektes zwischen einer Reibkontaktfläche
und einer Messkontaktfläche nach Patentanspruch 1 sowie
ein Verfahren zur Auswertung des Stick-Slip-Effektes zwischen einer
Reibkontaktfläche und einer Messkontaktfläche
nach Patentanspruch 12.
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Der
Stick-Slip-Effekt, auch Haft-Gleit-Effekt, ist im Wesentlichen auf
Unterschiede zwischen Haftreibung und Gleitreibung zweier in Kontakt
stehender Flächen zurückzuführen. Durch
den Stick-Slip-Effekt können durch Anregung von Schwingungen
unerwünschte, zum Teil durch Resonanz verstärkte
Geräusche wie Knarzen oder Quietschen verursacht werden.
Der Stick-Slip-Effekt ist daher in technischen Anwendungen meist
unerwünscht, weshalb für die Materialauswahl von
in Kontakt stehenden, zueinander beweglichen Bauteilen Vorrichtungen
zur Geräuschprüfung bekannt sind. Eine solche
Vorrichtung ist in der
DE
196 20 878 A1 beschrieben.
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Bei
der Geräuschprüfung und -auswertung ist es von
Vorteil, wenn möglichst reale Bedingungen simuliert werden
können, um eine der späteren Realität
entsprechende Aussage über etwaige Knarz- und Quietschgeräusche
auf Grund der Materialbeschaffenheit oder Materialpaarung erhalten
zu können. Die Vorrichtungen sollen daher möglichst
flexibel im Hinblick auf die Bewegung der Kontaktflächen zueinander
ausgebildet sein.
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Andererseits
ist eine präzise Konstruktion erforderlich, um reproduzierbare
Ergebnisse zu erhalten.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Messvorrichtung
und ein Verfahren der genannten Art vorzugeben, mit welchen eine hochgenaue
Auswertung des Stick-Slip-Effektes ermöglicht wird und
die flexibel und auf einfache Art und Weise einsetzbar sind.
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Diese
Aufgabe wird mit einer Messvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs
1 sowie einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche
Kombinationen aus zumindest zwei in der Beschreibung, den Ansprüchen
und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen.
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Grundidee
der vorliegenden Erfindung ist es, die Messung der Beschleunigung
auf Grund des Stick-Slip-Effektes quer zu einer Reibkraft zwischen der
Reibkontaktfläche und der Messkontaktfläche anzuordnen,
vorzugsweise nicht direkt an der Messkontaktfläche, sondern
entfernt von der Messkontaktfläche, wobei eine zur Messung
der Beschleunigung vorgesehene Beschleunigungsmesseinrichtung mit der Messkontaktfläche
derart gekoppelt ist, dass durch den Stick-Slip-Effekt erzeugte
Schwingungen von der Messkontaktfläche bis zur Beschleunigungsmesseinrichtung
möglichst verlustfrei übertragen werden.
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Mit
anderen Worten: Mit der Messvorrichtung wird ein an einer Kontaktstelle
oder -fläche auftretender Stick-Slip-Effekt innerhalb der
Messvorrichtung als Körperschall bis zu einer Messeinrichtung
fortgepflanzt und dort messtechnisch erfasst und ausgewertet, wobei
die Auswertung auch in einer gesonderten Vorrichtung erfolgen kann.
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Die
Messung der Beschleunigung erfolgt insbesondere genau orthogonal
zur Reibkontaktfläche, vorzugsweise ausschließlich
orthogonal, so dass eine Verfälschung der Messergebnisse
durch quer zur Messung wirkende Kräfte minimiert wird.
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Durch
die vorliegend beschriebene Erfindung kann eine im Vergleich zum
Stand der Technik viel genauere Auswertung der durch den Stick-Slip-Effekt
erzeugten Schwingungen erfolgen, aus welchen wiederum genaue Rückschlüsse
auf hieraus resultierende Knarz- und/oder Quietschgeräusche
gezogen werden können.
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Durch
Beschränkung auf die Messung der Beschleunigung, das heißt
ohne Einfluss von Geräuschen, wird die Auswertung darüber
hinaus stark vereinfacht, zumal die Messung in genau einer Richtung,
nämlich der X-Richtung gemäß Anspruch
1 erfolgt.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass die Reibkontaktfläche plan eben geformt ist und die
Messkontaktfläche eine zumindest teilweise unebene, insbesondere
zur Reibkontaktfläche konvexe, vorzugsweise halbkreisförmige
oder halbkugelförmige, Form zur Ausbildung einer möglichst
definierten oder definierbaren Kontaktfläche zwischen der
Messkontaktfläche und der Reibkontaktfläche aufweist.
Hierdurch wird die Messung und Auswertung noch genauer.
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Mit
Vorteil ist die Messkontaktfläche auf einer Halterung fixierbar, über
die die Messkontaktfläche mit der Beschleunigungsmesseinrichtung
gekoppelt ist.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die
Halterung aus einem, vorzugsweise auswechselbaren, Kopf und einem
an den Kopf anschließbaren Träger zur Aufnahme
der Beschleunigungsmesseinrichtung, insbesondere an einem dem Kopf
abgewandten Ende des Trägers, gebildet. Durch diese Maßnahme
kann die Messvorrichtung höchst flexibel eingesetzt werden,
indem der Einsatz unterschiedlicher Materialien und/oder Formen
durch einfaches Auswechseln des Kopfes möglich ist.
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Indem
die Beschleunigungsmesseinrichtung als in X-Richtung messender Beschleunigungssensor
ausgebildet ist, der ausschließlich in X-Richtung messend
ausgestaltet ist, werden Einflüsse quer zur X-Richtung
praktisch vollständig ausgeblendet.
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Von
besonderem Vorteil ist es, wenn der Träger aus einem metallischen
Werkstoff gebildet ist, dessen Dicke in Y-Richtung mindestens 1/10,
vorzugsweise 1/5, der Länge des Trägers in X-Richtung entspricht.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung
sind durch Haft- und/oder Gleitreibung zwischen der Messkontaktfläche
und der Reibkontaktfläche entstehende Schwingungen in X-Richtung
an die Beschleunigungsmesseinrichtung quasi verlustfrei übertragbar,
indem beispielsweise möglichst starre Materialien für
die Halterung und die Verbindung etwaiger Einzelbauteile der Halterung
verwendet werden.
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Soweit
die Reibkontaktfläche durch einen Linearmotor in Y-Richtung
und/oder einer quer zur Y-Richtung und X-Richtung liegenden Z-Richtung
bewegbar ist, können reale Bedingungen sehr flexibel und
reproduzierbar nachgestellt werden.
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Im
Rahmen der Erfindung wird auch eine Ausführungsform beansprucht,
bei der die Halterung an deren dem Kopf abgewandten Ende an einen,
vorzugsweise einen parallel zur Reibkontaktfläche ausgerichteten
Fixierabschnitt aufweisenden, Schlitten fixierbar ist. Durch die
Fixierung an einem Schlitten ist der Abstand zwischen der Messkontaktfläche
und der Reibkontaktfläche und damit die Kraft zwischen Messkontaktfläche
und Reibkontaktfläche genau einstellbar.
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Indem
der Schlitten zur Einstellung des Kontaktes zwischen der Messkontaktfläche
und der Reibkontaktfläche in X-Richtung, vorzugsweise durch
einen Linearmotor angetrieben, verfahrbar und/oder einstellbar ist,
wird die vorbeschriebene Ausführungsform optimiert.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist
vorgesehen, dass die durch den Schlitten erzeugte Kontaktkraft zwischen der
Messkontaktfläche und der Reibkontaktfläche durch
eine Messeinrichtung messbar ist. Dadurch kann die Kontaktkraft
automatisch bei der Auswertung der durch den Stick-Slip-Effekt erzeugten Schwingungen
berücksichtigt werden.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
sowie anhand der Zeichnung. Diese zeigt in:
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1:
eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen
Messvorrichtung und
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2:
eine schematische Aufsicht auf die Messvorrichtung.
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In 1 ist
eine X-Richtung durch Doppelpfeil und eine orthogonal dazu ausgerichtete
Y-Richtung als Doppelpfeil sowie eine orthogonal zur X-Richtung
und Y-Richtung verlaufende Z-Richtung dargestellt, um die erfindungsgemäß wesentliche Ausrichtung
der Vorrichtungsbauteile zueinander besser erläutern zu
können.
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Eine
durch einen nicht dargestellten Linearmotor in Y- und Z-Richtung
bewegbare Aufnahme 1 dient zur Ausrichtung und Fixierung
einer möglichst in der Dicke realen Abmessungen entsprechenden Reibkontaktfläche 2,
deren Flachseite 2f in einer durch Y- und Z-Richtung aufgespannten
Ebene liegt. Gegenüberliegend zur Flachseite 2f ist
in der in 1 dargestellten Messstellung
bzw. Betriebsstellung der Messvorrichtung eine halbkreisförmige Messkontaktfläche 3 (siehe
auch 2) angeordnet. Die Messkontaktfläche 3 kontaktiert
die Flachseite 2f der Reibkontaktfläche 2 in
einer durch die Kontaktkraft definierten Kontaktfläche 4,
und zwar in einem Abschnitt einer Oberfläche 30 der
Messkontaktfläche 3.
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Die
exakte Positionierung der Messkontaktfläche 3 gegenüber
der Reibkontaktfläche 2 in X-Richtung erfolgt
durch einen durch einen nicht dargestellten Linearmotor in X-Richtung
verfahrbaren L-förmigen Schlitten 5. Dessen in
X-Richtung verlaufender Arm 6 ist mit dem Linearmotor verbunden, während
sich ein Fixierabschnitt 7 des Schlittens 5 sich
in Y-Richtung erstreckt. Der Fixierabschnitt 7 weist eine
plan ebene, gegenüberliegend zur Reibkontaktfläche 2 angeordnete
Stirnfläche 8 auf, an der durch Fixiermittel 9 eine
Halterung 10 fixiert ist.
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Die
Halterung 10 besteht aus einem die Messkontaktfläche 3 aufnehmenden
Kopf 11 und einem zwischen dem Kopf 11 und der
Stirnfläche 8 verlaufenden Träger 12.
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An
einem der Reibkontaktfläche 2 zugewandten Ende 13 des
Trägers 12 ist zur auswechselbaren Aufnahme des
Kopfes 11 eine Ausnehmung 14 im Träger 12 vorgesehen.
In diese ist der Kopf 11 durch einen zur Ausnehmung 14 korrespondierenden
Vorsprung 15 des Kopfes 11 einsetzbar, wobei eine
innige und stabile Verbindung zur möglichst verlustfreien Übertragung
von Schwingungen der Messkontaktfläche 3 in den
Träger 12 vorgesehen ist. Der Kopf 11 ist
durch, insbesondere in Y-Richtung verlaufende, Fixiermittel 20 fixierbar.
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An
einem dem Ende 13 gegenüberliegenden Ende 16 des
Trägers 12 ist eine Ausnehmung 17 zur Aufnahme
eines Beschleunigungssensors 18 vorgesehen, wobei die Abmessungen
des Beschleunigungssensors 18 mit den Abmessungen der Ausnehmung 17 derart
korrespondieren, dass der Beschleunigungssensor 18 in der
Ausnehmung 17 aufnehmbar ist, vorzugsweise an einem Boden 21 der
Ausnehmungen 17 fixierbar.
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Durch
die Stirnfläche 8 und die Ausnehmung 17 wird
ein den Beschleunigungssensor 18 aufnehmender Messraum 19 gebildet,
der den Beschleunigungssensor 18 möglichst spielfrei
aufnimmt, um von der Messkontaktfläche 3 in den
Messraum 19 übertragene Schwingungen möglichst
verlustfrei im Beschleunigungssensor 18 messen zu können.
Hierdurch wird die Beschleunigungseinrichtung gebildet.
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Verluste
oder Einflüsse sind idealerweise allenfalls durch die Dicke
der Messkontaktfläche 3 selbst vorhanden, die
aber wiederum der Realität, beispielsweise der Dicke einer
Türdichtung entsprechen.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung kann nach folgendem
Verfahren verwendet werden:
Durch einen nicht dargestellten,
den Schlitten 5 antreibenden Schrittmotor oder Linearmotor
ist der Abstand zwischen der Messkontaktfläche 3 und
der Reibkontaktfläche 2 derart einstellbar, dass
ein Auswechseln des Kopfes 11 der Halterung 10 möglich
ist. Somit können die Form des Kopfes 11 und das
Material der Messkontaktfläche 3 zu Beginn des
Messvorganges ausgewählt werden. Ebenso kann die Reibkontaktfläche 2,
gegebenenfalls zusammen mit der Aufnahme 1, austauschbar
sein. Bei beiden ist eine Oberflächenbehandlung der Flachseite 2f und/oder der
Oberfläche 30 in montiertem oder unmontiertem Zustand
denkbar.
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Nach
Auswahl der zu testenden Materialpaarung beziehungsweise Reibpartner,
also der Reibkontaktfläche 2 und der Messkontaktfläche 3,
wird der Schlitten 5 durch den Schrittmotor oder den Linearmotor
in X- Richtung bis zu einer Einstellung eines definierten Kontaktes
zwischen der Messkontaktfläche 3 und der Reibkontaktfläche 2 herangefahren, wobei
die Einstellung entweder durch eine Wegvorgabe und/oder durch Messung
der Kontaktkraft zwischen Messkontaktfläche 3 und
Reibkontaktfläche 2 und/oder durch optische Messung
des Spaltes zwischen Reibkontaktfläche 2 und Messkontaktfläche 3 vor
der Kontaktierung erfolgt. Sobald die wirksame Kontaktfläche 4 einen
definierten Kontakt aufweist, ist die Betriebsstellung erreicht.
Gegebenenfalls wird der Schlitten 5 durch zusätzliche
Fixiermittel fixiert, so dass eine Bewegung des Schlittens 5 und
damit der am Schlitten angebrachten Bauteile ausgeschlossen ist.
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Bei
einer alternativen Messmethode kann auch während der Messung
eine definierte Bewegung des Schlittens 5 zur Simulation
realer Bedingungen angewendet werden.
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Alternativ
oder zusätzlich zu der Bewegung des Schlittens 5 in
X-Richtung kann auch die Aufnahme 1 in X-Richtung einstellbar
ausgebildet werden.
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In
der Betriebsstellung und zur Messung des Stick-Slip-Effektes wird
die Reibkontaktfläche 2 durch Bewegung der Aufnahme 1 in
Y- und/oder Z-Richtung einer definierten Relativbewegung zur Messkontaktfläche 3 beziehungsweise
Stirnfläche 8 ausgesetzt und zwar angetrieben
durch einen Schrittmotor oder Linearmotor. Der Vorteil des Linearmotors
liegt darin, dass die Bewegung weitgehend unabhängig von
an der Reibkontaktfläche 2 anliegenden Kräften
erfolgt und Einflüsse auf die Messung insofern weitgehend
ausgeschlossen werden.
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An
der wirksamen Kontaktfläche 4 werden auf Grund
der Bewegung der Reibkontaktfläche 2 durch den
hier entstehenden Stick-Slip-Effekt Schwingungen erzeugt, die über
die Messkontaktfläche 3, den Kopf 11 und
den Träger 12, die möglichst schwingungsverlustfrei
gekoppelt sind, auf die Beschleunigungseinrichtung übertragen,
in welcher der Beschleunigungssensor 18 die Beschleunigung misst
und damit die Schwingungen durch eine an den Beschleunigungssensor 18 angeschlossene
Auswerteinrichtung auswertbar sind. Dadurch, dass ausschließlich
longitudinale Schwingungen aufgenommen werden, werden Querkräfte
quasi vollständig ausgeblendet. Dies führt zu
hochgenauen und reproduzierbaren Ergebnissen, die eine Aussage über
den spezifischen Stick-Slip-Effekt der konkreten Materialpaarung
zulassen.
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- 1
- Aufnahme
- 2
- Reibkontaktfläche
- 2f
- Flachseite
- 3
- Messkontaktfläche
- 3o
- Oberfläche
- 4
- wirksame
Kontaktfläche
- 5
- Schlitten
- 6
- Arm
- 7
- Fixierabschnitt
- 8
- Stirnfläche
- 9
- Fixiermittel
- 10
- Halterung
- 11
- Kopf
- 12
- Träger
- 13
- Ende
- 14
- Ausnehmung
- 15
- Vorsprung
- 16
- Ende
- 17
- Ausnehmung
- 18
- Beschleunigungssensor
- 19
- Messraum
- 20
- Fixiermittel
- 21
- Boden
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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