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Die Erfindung betrifft ein Hybridbauteil der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art sowie ein Verfahren zum Überprüfen eines solchen Hybridbauteils der im Oberbegriff des Patentanspruchs 10 angegebenen Art.
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Die
US 2006/0254366 A1 offenbart einen Sensor zur Überwachung einer Struktur, welcher ein Netzwerk aus miteinander verbundenen elektrischen Leitern umfasst, wobei die elektrischen Eigenschaften der Leiter genutzt werden, um eine Änderung einer vorbestimmten, physischen Eigenschaft der Struktur zu erfassen. Bei den elektrischen Eigenschaften der Leiter handelt es sich beispielsweise um die Impedanz, die Kapazität, die Induktivität und/oder den Widerstand der Leiter.
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Des Weiteren ist es bekannt, im Rahmen eines so genannten Structural-Health-Monitorings Sensoren einzusetzen, welche eine Verformung und/oder eine Beschädigung eines Bauteils erfassen können.
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Die mit derartigen Sensoren ausgestatteten Bauteile weisen weiteres Potential auf, die Erfassung der Verformung beziehungsweise der Beschädigung einfacher zu gestalten.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Hybridbauteil sowie ein Verfahren zum Überprüfen eines solchen Hybridbauteils bereitzustellen, welche ein einfaches Überprüfen des Hybridbauteils ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Hybridbauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zum Überprüfen eines solchen Hybridbauteils mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Ein solches Hybridbauteil, insbesondere ein Trägerbauteil, für einen Kraftwagen, umfasst zumindest ein Grundbauteil aus einem metallischen Werkstoff, welches zumindest bereichsweise mit einem Kunststoff versehen ist. Ferner umfasst das Hybridbauteil zumindest eine an dem Hybridbauteil angeordnete Erfassungseinrichtung, mittels welcher ein eine Verformung des Hybridbauteils charakterisierendes Signal erzeugbar ist.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das die Verformung des Hybridbauteils charakterisierende Signal unter berührungsloser Kopplung der Erfassungseinrichtung mit einer Auswerteeinrichtung an diese übertragbar ist. Mit anderen Worten ermöglicht es die Erfassungseinrichtung, die Auswerteeinrichtung in einem Abstand zu der Erfassungseinrichtung zu positionieren, ohne das die Auswerteeinrichtung mit der Erfassungseinrichtung in Kontakt kommt, und somit berührungslos das die Verformung des Hybridbauteils charakterisierende Signal an die Auswerteeinrichtung zu übertragen und auszuwerten. Dadurch ist eine berührungslose Erfassung der Verformung oder gar einer Beschädigung des Hybridbauteils möglich, ohne die Auswerteeinrichtung auf aufwändige Art und Weise mit der Erfassungseinrichtung physisch, beispielsweise über Leitungen, zur Signalübertragung verbinden zu müssen. Die berührungslose Kopplung erfolgt prinzipiell auf elektromagnetischer Basis. Das erfindungsgemäße Hybridbauteil gewährleistet somit eine einfache und schnelle Überprüfung seiner selbst und eine Erfassung einer etwaig vorliegenden Verformung oder Beschädigung. Daraus können Rückschlüsse gezogen werden, ob das Hybridbauteil weiterhin einsatzfähig ist oder es eines Austausches bedarf.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass das die Verformung charakterisierende Signal erst im Rahmen des Übertragens dieses Signals mittels der Auswerteeinrichtung erzeugt wird, wobei beispielsweise die Auswerteeinrichtung unter Ausbildung der berührungslosen Kopplung ein entsprechendes erstes Signal in die Erfassungseinrichtung einkoppelt und die Erfassungseinrichtung in Abhängigkeit von der Verformung und/oder der Beschädigung des Hybridbauteils das eingekoppelte, erste Signal modifiziert, wobei das modifizierte Signal von der Auswerteeinrichtung unter Ausbildung der berührungslosen Kopplung mit der Erfassungseinrichtung erfasst wird. In Abhängigkeit des so modifizierten Signals können dann Rückschlüsse auf den Grad der Verformung oder der Beschädigung des Hybridbauteils gezogen werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht auch das Übertragen des die Verformung charakterisierenden Signals an die Auswerteeinrichtung, wenn die Erfassungseinrichtung zumindest bereichsweise, insbesondere komplett, in dem Kunststoff des Hybridbauteils aufgenommen und somit in den Kunststoff integriert ist. In diesem Fall ist es nicht notwendigerweise erforderlich, dass Anschlüsse, beispielsweise für Leitungen oder dergleichen, aus dem Kunststoff hinaus ragen, um das Signal an die Auswerteeinrichtung übertragen zu können. Dies ist insbesondere insofern vorteilhaft, als derartige Anschlüsse die strukturellen Eigenschaften des Kunststoffes und damit des gesamten Hybridbauteils negativ beeinflussen können. Darüber hinaus sind derartige, zusätzliche Anschlüsse wie zum Beispiel Pins oder dergleichen nicht vonnöten, was das Gewicht sowie die Kosten des erfindungsgemäßen Hybridbauteils gering hält.
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Während eines Fahrbetriebs des Kraftwagens werden Strukturkomponenten wie beispielsweise das erfindungsgemäße Hybridbauteil ständig wechselnden Belastungen ausgesetzt, welche zu elastischen Verformungen der Strukturkomponenten führen. Überhöhte Verformungen beispielsweise infolge von Belastungen bei einem Unfall oder bei einer fortgeschrittenen Alterung nach Ende der Lebensdauer der Strukturkomponenten können zu einer Funktionsbeeinträchtigung derselbigen führen. Gleiches gilt für insbesondere toleranzbedingte Herstellungsfehler der Strukturkomponenten. Im Rahmen einer Überprüfung des Kraftwagens sind derartige Verformungen oder Schäden durch das erfindungsgemäße Hybridbauteil als Strukturkomponente zeit- und damit kostenunaufwändig erfassbar. Ein zeit- und kostenaufwändiger Ausbau der Strukturkomponenten oder gar ganzer Systeme ist nicht vonnöten.
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Dies gilt insbesondere für Hybridbauteile wie dem erfindungsgemäßen Hybridbauteil. Die Erfassungseinrichtung erlaubt ein schnelles und kostengünstiges so genanntes Structural-Health-Monitoring, bei welchem mittels der auf den Kunststoff aufgebrachten oder zumindest bereichsweise in den Kunststoff integrierten Erfassungseinrichtung eine unerwünschte Verformung oder Beschädigung des Hybridbauteils zu erfassen ist. Somit ist eine zerstörungsfreie Qualitätskontrolle des Hybridbauteils insbesondere nach dessen Herstellung durchführbar und auf versteckte und nicht ohne weiteres einzusehende Schäden überprüfbar, welche insbesondere bei kleineren Unfällen, so genannten Bagatellschäden, vorkommen können.
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Ein weiterer positiver Aspekt ist, dass das erfindungsgemäße Hybridbauteil eine sehr hohe Sicherheit infolge einer möglichen Systemdiagnose ermöglicht, wobei eine Alterung des Hybridbauteils überwacht wird. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das erfindungsgemäße Hybridbauteil bei sicherheitsrelevanten Baugruppen zum Einsatz kommt. Die Erfassungseinrichtung ermöglicht weiterhin einen Übergang zu aktiven Bauteilen, wodurch eine Änderung der Steifigkeit erfassbar ist. Ebenso möglich ist der Einsatz der Erfassungseinrichtung im Rahmen eines Akustikmanagements, eines Crashverhaltens etc. möglich, um eine Veränderung des Hybridbauteils, beispielsweise eine Verformung oder eine Beschädigung desselbigen, über dessen Lebensdauer hinweg sowie deren Auswirkungen auf das Geräuschverhalten des Kraftwagens sowie auf dessen Crashverhalten zu erfassen und zu bewerten.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die Erfassungseinrichtung zumindest ein Leiterelement, mittels welchem die Verformung oder die Beschädigung des Hybridbauteils erfassbar ist beziehungsweise mittels welchem das die Verformung oder die Beschädigung charakterisierende Signal erzeugbar ist. Mittels eines solchen Leiterelements ist die Verformung oder die Beschädigung des Hybridbauteils besonders effizient zu erfassen, da das Leiterelement sehr flexibel an unterschiedlichste Geometrien und Formen des Hybridbauteils anpassbar und auch an schwer zugänglichen Stellen positionierbar ist.
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Das Leiterelement ist beispielsweise als optischer Leiter ausgebildet, welcher bei einer unerwünscht hohen Verformung oder Beschädigung des Hybridbauteils bricht, wodurch die optische Leitfähigkeit des optischen Leiters negativ beeinflusst oder gar zerstört ist. Diese Änderung der optischen Leitfähigkeit im Vergleich zur optischen Leitfähigkeit des optischen Leiters in dessen Ausgangs- beziehungsweise Neuzustand kann durch die Auswerteeinrichtung erfasst werden, wodurch auf die unerwünscht hohe Verformung oder Beschädigung des Hybridbauteils rückgeschlossen werden kann. Ein solcher optischer Leiter ermöglicht somit eine besonders gute und belastungsfähige Erfassung der Verformung beziehungsweise der Beschädigung des Hybridbauteils. In den optischen Leiter, der beispielsweise eine Glasfaser sein kann, wird zur Detektion ein optisches Signal eingekoppelt. Das am anderen Ende der Faser ausgekoppelte Signal wird mit einem Sollsignal oder Signalbereich verglichen, wobei bei einer zu hohen Abweichung eine Verformung oder Beschädigung des Bauteils vorliegt. Hierzu kann die Größe der Abweichung als Maß der Schwere der Verformung oder Beschädigung gelten.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Leiterelement als elektrischer Leiter ausgebildet, welcher ebenso eine besonders effiziente Erfassung der unerwünscht hohen Verformung des Hybridbauteils ermöglicht. Ein solcher elektrischer Leiter weist insbesondere ein geringes Gewicht sowie geringe Kosten auf, was das Gesamtgewicht sowie die Gesamtkosten des erfindungsgemäßen Hybridbauteils in einem sehr geringen Rahmen hält. Verformt sich das Hybridbauteil im Bereich, in welchem der elektrische Leiter angeordnet ist, so verändert dieser beispielsweise seine elektrischen Eigenschaften wie beispielsweise seine Leitfähigkeit, seinen elektrischen Widerstand oder dergleichen, was mittels der Auswerteeinrichtung unter Ausbildung der berührungslosen Kopplung mit der Erfassungseinrichtung erfassbar ist.
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Ist der Kunststoff des Hybridbauteils mit Fasern, beispielsweise mit Glasfasern, Kohlefasern oder dergleichen, verstärkt, so verleiht dies dem Hybridbauteil eine besonders hohe Steifigkeit und Festigkeit, was der gesamten Steifigkeit des Kraftwagens zugute kommt. Dabei kann vorgesehen sein, dass das Leiterelement in die Fasern eingewoben beziehungsweise mit den Fasern verwoben ist. Dies erlaubt die Erfassung der Verformung oder der Beschädigung des Hybridbauteils an besonders interessanten und für die Steifigkeit und Festigkeit des Hybridbauteils wichtigen Stellen.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Erfassungseinrichtung als induktiver Sensor ausgebildet, welcher zum Beispiel eine aus elektrischen Leiterbahnen gebildete spulenförmige Anordnung umfasst, welche die berührungslose Kopplung mit der Auswerteeinrichtung ermöglicht. Diese berührungslose, induktive Kopplung erfolgt dabei beispielsweise gemäß dem Prinzip von Wirbelstromsensoren, gemäß der RFID-Technologie (Radio Frequency Identification) oder dergleichen. Durch diese Ausführungsform ist eine zuverlässige und gleichzeitig robuste Erfassung der Verformung beziehungsweise Beschädigung des Hybridbauteils möglich. So weist der induktive Sensor selbst geringe Kosten sowie eine hohe Robustheit gegenüber mechanischen Belastungen, insbesondere Wechselbelastungen, auf, so dass trotz einer unerwünscht hohen Verformung oder Beschädigung des Hybridbauteils der induktive Sensor weiterhin funktionstüchtig bleibt und die unerwünscht hohe Verformung erfassen kann.
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Der induktive Sensor ist dabei beispielsweise als Leiterschleife ausgebildet, welche zum Beispiel aus einem Draht oder aus einem durch MID-Technik (MID – Molded interconnect devices, deutsch: spritzgegossene Schaltungsträger) erzeugten Leiter ausgebildet ist und weist zumindest einen die Verformung des Hybridbauteils erfassenden Sensorbereich und zumindest einen mit der Auswerteeinrichtung unter Ausbildung der berührungslosen Kopplung zusammenwirkenden und mit dem Sensorbereich zur Signalübertragung verbundenen Übertragungsbereich auf. Der Übertragungsbereich und der Sensorbereich sind beispielsweise über einen Leiter, eine Leiterschleife oder dergleichen zur Übertragung des die Verformung charakterisierenden Signals miteinander verbunden. Der Sensorbereich ist dabei im zu überwachenden und zu überprüfenden Bereich des Hybridbauteils angeordnet und ändert je nach Zustand des Hybridbauteils beispielsweise seinen elektrischen Widerstand. Ein erhöhter elektrischer Widerstand weist auf eine Dehnung des Bauteils hin, wobei der erhöhte elektrische Widerstand höher ist als der elektrische Widerstand des Sensorbereichs beziehungsweise des Sensors in einem ungedehnten Zustand des Sensors. Ein unendlich hoher elektrischer Widerstand des Sensors weist auf einen Bruch der Leiterschleife und damit auf einen Bruch beziehungsweise eine Beschädigung des Bauteils hin. Der Übertragungsbereich ist vorteilhafterweise als Spule ausgebildet, in welche von der Auswerteeinrichtung ein elektromagnetisches Signal einkoppelbar ist.
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Diese Ausbildung des induktiven Sensors erlaubt es, dass der Sensorbereich von dem Übertragungsbereich auch über relativ große Abstände beabstandet ist. Somit ist der Sensorbereich in einem Bereich des Hybridbauteils anzuordnen, in welchem in einem im Kraftwagen verbauten Zustand des Hybridbauteils die Auswerteeinrichtung nur unter einem sehr hohen Aufwand oder gar nicht platziert werden kann zur Übertragung des die Verformung charakterisierenden Signals. Diese Übertragung ist nun allerdings ermöglicht, da der Übertragungsbereich im Gegensatz zum Sensorbereich an einer Stelle beziehungsweise in einem Bereich des Hybridbauteils anzuordnen ist, in welchem auch in dem im Kraftwagen verbauten Zustand des Hybridbauteils die Auswerteeinrichtung einfach, komfortabel und kostengünstig anzuordnen ist, um das die Verformung charakterisierende Signal unter Ausbildung der berührungslosen Kopplung zwischen der Auswerteeinrichtung und der Erfassungseinrichtung an die Auswerteeinrichtung zu übertragen.
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Ebenso kann vorgesehen sein, dass der Sensorbereich als Übertragungsbereich beziehungsweise der Übertragungsbereich als Sensorbereich ausgebildet ist, wobei eine Beabstandung des Übertragungsbereichs vom Sensorbereich beziehungsweise umgekehrt nicht vorgesehen ist. Damit weist der induktive Sensor einen nur sehr geringen Platzbedarf auf. Diese Ausführungsform des Sensors kann beispielsweise dann vorgesehen sein, wenn der Sensor in einem Bereich des Hybridbauteils platziert wird, in welchem die Auswerteeinrichtung auch in dem im Kraftwagen eingebauten Zustand des Hybridbauteils einfach zu platzieren ist, um das die Verformung charakterisierende Signal an die Auswerteeinrichtung zu übertragen.
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Im Rahmen eines Verfahrens zum Überprüfen des erfindungsgemäßen Hybridbauteils wird das die Verformung des Hybridbauteils charakterisierende Signal somit unter berührungsloser Kopplung der Erfassungseinrichtung mit der Auswerteeinrichtung an die Auswerteeinrichtung übertragen. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind als vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Hybridbauteils und umgekehrt anzusehen. Bei einem solchen Verfahren wird zum Beispiel mittels einer elektrischen Spule eines Lesekopfes der Auswerteeinrichtung ein elektromagnetisches Feld erzeugt. Der Lesekopf wird so über dem Übertragungsbereich des induktiven Sensors positioniert, dass das elektromagnetische Feld in die Spule des Übertragungsbereichs einkoppelt. Das elektromagnetische Feld induziert in der Leiterschleife des induktiven Sensors einen Strom, der vom elektrischen Widerstand der Leiterschleife abhängt. Der Strom dämpft das induzierende Feld und wirkt so auf die Auswerteeinrichtung zurück. Die Auswerteeinrichtung erfasst diese Dämpfung, leitet daraus den elektrischen Widerstand der Leiterschleife ab und erfasst somit indirekt den Zustand des zu überprüfenden Hybridbauteils. Mit anderen Worten können über die Höhe der Dämpfung hochpräzise Aussagen über den Widerstand der Leiterschleife und damit über den Zustand des Hybridbauteils getroffen werden.
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In einer weiteren Ausführungsform ist der Sensorbereich als Leiterschleife, insbesondere als Dehnmessstreifen, ausgebildet, welcher eine Dehnung des Hybridbauteils in einer definierten Richtung erfassen kann.
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Ein als ringförmige Leiterschleife ausgebildeter Sensorbereich ist besonders vorteilhaft geeignet, um die Verformung beziehungsweise die Beschädigung einer Buchse zu erfassen, welche mit der ringförmigen Leiterschleife umwickelt ist.
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Bei der Herstellung des Hybridbauteils erfolgt unter Umständen eine induktive Erwärmung in zumindest einem Bereich des Hybridbauteils, in welchem der induktive Sensor angeordnet ist. Ein für die induktive Erwärmung erforderliches, starkes Magnetfeld könnte gegebenenfalls auch in der Leiterschleife des induktiven Sensors einen hohen Strom induzieren, welcher die Leiterschleife und damit den induktiven Sensor zerstören könnte.
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Zum Schutz des induktiven Sensors gegen diese unerwünschte Zerstörung ist es von Vorteil, wenn die Leiterschleife keine oder lediglich eine möglichst geringe Fläche aufweist. Hierzu ist es äußerst vorteilhaft, die Leiterschleife als bifilare Wicklung auszuführen, wobei ein Hin- und ein Rückleiter parallel verlaufen oder gar miteinander verdrillt sind.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Erfassungseinrichtung eine Mehrzahl von Leiterelementen, insbesondere von elektrischen und/oder optischen Leitern, welche tabellenförmig über Kreuz angeordnet sind. Dies Anordnung der Leiterelemente erlaubt nicht nur eine effiziente Erfassung der Verformung beziehungsweise Beschädigung des Hybridbauteils, sondern auch eine Lokalisierung derselbigen, da mittels einer so gebildeten Matrix der Leiterelemente beispielsweise die Stelle der Änderung des elektrischen Widerstands der Leiterelemente und somit die Stelle der unerwünscht hohen Verformung beziehungsweise Beschädigung des Hybridbauteils ermittelbar ist.
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In einer Ausführungsform sind die als elektrische Leiter ausgebildeten Leiterelemente in einer Matrixform so angeordnet, dass sie an jeweiligen Kreuzungsstellen miteinander kontaktiert, insbesondere elektrisch kontaktiert, sind. Somit bilden sich viele kleine, insbesondere quadratische Leiterschleifen in Form von Maschen. Bei Einkopplung eines elektromagnetischen Felds in diese Leitermatrix wird ein Strom in der jeweiligen Masche induziert und schwächt das induzierende Feld durch Rückwirken.
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Eine unerwünscht hohe Verformung oder eine Beschädigung des Hybridbauteils führt zu einer Dehnung oder gar zu einem Bruch eines eine solche Masche bildenden Leiters und vergrößert dadurch die Masche, indem zwei kleine, benachbarte Maschen eine demgegenüber größere Masche bilden. Die gegenüber dem ungedehnten beziehungsweise unbeschädigten Zustand geänderte elektrische Eigenschaft der Leitermatrix, insbesondere die Änderung der Dämpfung des induzierenden Felds, ist mittels der Auswerteeinrichtung erfassbar.
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Ebenso kann vorgesehen sein, dass sich die Leiter an den jeweiligen Kreuzungsstellen nicht kontaktieren, das heißt berührungslos zueinander angeordnet sind. Erst durch eine lokale, unerwünscht hohe Verformung oder Beschädigung, beispielsweise durch eine Kompression, des Hybridbauteils kommt es an den Kreuzungsstellen zu einem elektrischen Kontakt. Sobald sich durch mehrere, derartige Kontaktstellen eine leitende Schleife bildet, kann diese mit der Auswerteeinrichtung erfasst werden.
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In einer weiteren Ausführungsform weist die Erfassungseinrichtung einen ersten, mit dem Sensorbereich zur Signalübertragung verbundenen Zwischenübertragungsbereich auf, welcher mit einem zweiten, mit dem Übertragungsbereich zur Signalübertragung verbundenen Zwischenübertragungsbereich unter Ausbildung einer berührungslosen Kopplung der Zwischenübertragungsbereiche zur Signalübertragung zusammenwirkt. Somit ist der Sensorbereich über einen relativ großen Abstand über die berührungslose Kopplung der Zwischenübertragungsbereiche mit dem Übertragungsbereich gekoppelt, insbesondere verbunden, über welchen das die Verformung charakterisierenden Signal an die Auswerteeinrichtung zu übertragen ist.
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Diese Ausführungsform ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn eine Anordnung des zu überprüfenden Hybridbauteils beziehungsweise von zu überprüfenden Hybridbauteilen im Kraftwagen derart ausgestaltet ist, dass die zu überprüfenden Hybridbauteile beziehungsweise das zu überprüfende Hybridbauteil unzugänglich für den Lesekopf der Auswerteeinrichtung sind. Die geschilderte Ausführungsform ermöglicht somit nicht nur die Übertragung des die Verformung charakterisierenden Signals über eine weite Strecke sondern insbesondere auch über mehrere Hybridbauteile hinweg.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnungen zeigen in:
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1 eine schematische Perspektivansicht eines als Hybridbauteil ausgebildeten Querträgers eines Personenkraftwagens, an welchem eine Erfassungseinrichtung angeordnet ist, mittels welcher ein eine Verformung des Querträgers charakterisierendes Signal erzeugbar ist;
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2 eine schematische Draufsicht auf einen induktiven Sensor der Erfassungseinrichtung des Querträgers gemäß 1, mittels welchem das die Verformung charakterisierende Signal erzeugbar ist;
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3 eine schematische Längsschnittansicht des Querträgers mit der Erfassungseinrichtung gemäß 1 sowie eines Lesekopfes einer Auswerteeinrichtung, mittels welcher der Querträger überprüft wird;
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4 eine schematische Draufsicht auf eine erste Ausführungsform eines Sensorbereichs des induktiven Sensors gemäß 2;
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5 eine schematische Draufsicht einer alternativen Ausführungsform des Sensorbereichs gemäß 4;
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6 eine schematische Draufsicht einer alternativen Ausführungsform des Sensorbereichs gemäß den 4 und 5;
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7 eine schematische Draufsicht einer alternativen Ausführungsform des Sensorbereichs gemäß den 4 bis 6;
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8A eine schematische Draufsicht einer alternativen Ausführungsform des Sensorbereichs gemäß den 4 bis 7 in einem unbeschädigten Zustand des Querträgers;
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8B eine schematische Draufsicht des Sensorbereichs gemäß 8A in einem beschädigten Zustand;
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9A eine schematische Draufsicht einer alternativen Ausführungsform des Sensorbereichs gemäß den 4 bis 8B in einem unbeschädigten Zustand;
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9B eine schematische Draufsicht des Sensorbereichs gemäß 9A in einem beschädigten Zustand; und
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10 eine schematische Längsschnittansicht zweier Querträger gemäß 1, wobei einer der Querträger mittels des Lesekopfes gemäß 3 überprüft wird.
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Die 1 zeigt einen als Hybridbauteil ausgebildeten Querträger 10 für einen Personenkraftwagen, welcher ein Grundbauteil 12 umfasst, das zumindest im Wesentlichen aus einem Metall wie beispielsweise Stahl oder Aluminium ausgebildet ist. Das Grundbauteil 12 ist zur Darstellung des Hybridbauteils mit Kunststoff 14 umspritzt, wobei dieses Umspritzen beispielsweise durch ein Spritzgießverfahren durchgeführt wird. Der Kunststoff 14 des Querträgers 10 dient dabei zur Versteifung desselbigen sowie zur Ausbildung von Funktionsteilen in Form von Haltemitteln. Bei diesen Haltemitteln handelt es sich beispielsweise um Clipse, Durchgangsöffnungen, Halter und/oder dergleichen.
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Da der Querträger 10 in einem Personenkraftwagen wichtige strukturelle Aufgaben zur Versteifung des Personenkraftwagens übernimmt, ist es wünschenswert, den strukturellen Zustand des Querträgers 10 zu überwachen und den Querträger 10 beispielsweise auf unerwünschte hohe Verformungen oder Beschädigungen überprüfen zu können.
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Dazu ist beispielsweise in wichtigen Bereichen A eine Erfassungseinrichtung 16 (3 und 4) an dem Querträger 10 angeordnet, mittels welcher ein die Verformung des Querträgers 10 charakterisierendes Signal erzeugbar ist.
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Die Erfassungseinrichtung 10 umfasst beispielsweise einen in der 2 gezeigten, induktiven Sensor 18, welcher eine Leiterschleife 20 umfasst. Die Leiterschleife 20 ist beispielsweise aus einem Draht oder aus einem durch MID-Technik (Molded Interconnect Devices, deutsch: spritzgegossener Schaltungsträger) ausgebildeten Leiter gebildet und weist einen Sensorbereich 22 sowie einen Übertragungsbereich 24 auf. Der Sensorbereich 22 dient dabei dem Zweck, eine Verformung oder eine Beschädigung des Querträgers 10 zu erfassen und ein diese Verformung oder Beschädigung charakterisierendes Signal zu erzeugen. Dazu ist der Sensorbereich 22 in einem zu überwachenden Bereich A des Querträgers 10 angeordnet und zumindest bereichsweise in den Kunststoff 14 integriert. Je nach Zustand des Querträgers 10 ändert sich der elektrische Widerstand der Leiterschleife 20, wobei ein erhöhter Widerstand auf eine Dehnung des Querträgers 10 in dem Bereich A und ein unendlich hoher Widerstand auf einen Bruch der Leiterschleife 20 und damit auf eine Beschädigung des Querträgers 10 hinweisen.
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Der Übertragungsbereich 24 hat die Aufgabe, das die Verformung beziehungsweise die Beschädigung des Querträgers 10 charakterisierende Signal an eine Auswerteeinrichtung zu übertragen, wobei dieses Übertragen des Signals unter Ausbildung einer berührungslosen Kopplung der Erfassungseinrichtung 16 beziehungsweise des Sensors 18 mit der Auswerteinrichtung erfolgt.
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Dazu ist der Übertragungsbereich 24 als Spule ausgebildet, in welche ein von der Auswerteeinrichtung erzeugtes, elektromagnetisches Signal beziehungsweise Feld einkoppelbar ist. Wie der 2 zu entnehmen ist, sind dabei der Sensorbereich 22 und der Auswertebereich 24 durch die Leiterschleife 20 miteinander verbunden, wodurch das die Verformung beziehungsweise Beschädigung des Querträgers 10 charakterisierende Signal von dem Sensorbereich 22 zu dem Übertragungsbereich 24 übertragbar ist.
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Diese Überprüfung des Querträgers 10 auf eine unerwünscht hohe Verformung oder eine Beschädigung ist anhand der 3 verdeutlicht. Die Auswerteeinrichtung umfasst einen Lesekopf 26, welcher über eine Leitung 28 mit Energie, insbesondere Strom, versorgt wird. Der Lesekopf 26 umfasst eine elektrische Spule 30, mittels welcher ein elektromagnetisches Feld 32 erzeugt wird. Zum Überprüfen des Querträgers 10 wird der Lesekopf 26 über dem Übertragungsbereich 24 positioniert, so dass das elektromagnetische Feld 32 in den als Spule ausgebildeten Übertragungsbereich 24 eingekoppelt wird. Das Feld 32 induziert in der Leiterschleife 20 einen Strom, welcher von dem elektrischen Widerstand der Leiterschleife 20 und somit auch von dem elektrischen Widerstand des Sensorbereichs 22 abhängt. Der Strom dämpft das induzierende Feld und wirkt auf den Lesekopf 26 und damit die Auswerteeinrichtung zurück. Die Auswerteeinrichtung umfasst beispielsweise mittels des Lesekopfes 26 diese Dämpfung und leitet daraus den Widerstand der Leiterschleife 20 ab und erfasst somit indirekt den Zustand des zu überprüfenden Querträgers 10, da der Sensorbereich 22 und damit die Leiterschleife 20 beispielsweise infolge einer unerwünscht hohen Dehnung oder Beschädigung des Querträgers 10 ebenso unerwünscht hoch gedehnt oder gar beschädigt, insbesondere gebrochen, ist.
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Die 4 zeigt eine mögliche Ausführungsform des Sensorbereichs 22, wobei der Sensorbereich 22 gemäß 4 als Dehnmessstreifen (DMS) ausgebildet ist. Dehnt sich der Querträger 10 in dem Bereich A, so dehnt sich auch der Sensorbereich 22 beziehungsweise eine meanderförmige Anordnung 34 der Leiterschleife 20 gemäß einem Richtungspfeil 36. Der gedehnte Zustand der Leiterschleife 20 ist dabei in der 4 durch einen strichlierten Verlauf dargestellt, während ein ungedehnter Zustand des Sensorbereichs 22 und damit des Querträgers 10 durch einen durchgezogenen Verlauf dargestellt ist. Mittels eines solchen Dehnmessstreifens können Dehnungen des Querträgers 10 überwacht und überprüft werden.
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Die 5 zeigt einen im Wesentlichen ringförmig ausgebildeten Sensorbereich 22, wobei die Leiterschleife 20 um eine mit Kunststoff umspritzte und einen Hohlquerschnitt 38 aufweisende Buchse 40 gewickelt ist. Bei der Buchse 40 handelt es sich beispielsweise um eine im Wesentlichen aus Metall ausgebildete Gewindebuchse des Querträgers 10, welche mit dem Kunststoff 14 umspritzt und in welche eine Schraube einschraubbar ist, so dass gegebenenfalls mittels dieser Schraube ein anderweitiges Bauteil an dem Querträger 10 zu befestigen ist.
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Wie in der Zusammenschau mit 2 deutlich wird, ermöglicht die voneinander beabstandete Ausbildung des Sensorbereichs 22 und des Übertragungsbereichs 24, dass der Sensorbereich 22 in Bereichen des Querträgers 10 positioniert werden kann, welche insbesondere in einem im Personenkraftwagen verbauten Zustand des Querträgers 10 nicht mit dem Lesekopf 26 zugänglich sind. Mit anderen Worten kann somit der Sensorbereich 22 an in diesem Bereich angeordnet werden, während der Übertragungsbereich 24 in Bereichen des Querträgers 10 angeordnet werden kann, welche auch in dem im Personenkraftwagen verbauten Zustand des Querträgers 10 von dem Lesekopf 26 zugänglich sind. Dadurch können auch sehr aufwendig oder nicht zugängliche Bereiche des Querträgers 10 sehr einfach überprüft werden.
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Ist eine solche beabstandete Ausbildung nicht vonnöten, so kann der Sensorbereich 22 auch als Übertragungsbereich 24 beziehungsweise umgekehrt ausgebildet sein. Dies ist anhand der 6 dargestellt, bei welchem die durch die Leiterschleife 20 gebildete Spule und damit der Übertragungsbereich 24 selbst als Sensorbereich 22 eingesetzt wird.
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Im Rahmen der Herstellung des Querträgers 10 kann es erforderlich sein, die Bereiche A, in welchem die Erfassungseinrichtung 16 und damit der induktive Sensor 18 angeordnet ist, durch eine induktive Erwärmung zu erwärmen. Dabei können für diese induktive Erwärmung erforderliche Magnetfelder auftreten, die in der Leiterschleife 20 des Sensors 18 einen sehr hohen Strom induzieren, welche unter Umständen die Leiterschleife 20 thermisch zerstören kann.
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Zum Schutz der Leiterschleife 20 des Sensors 18, insbesondere im Sensorbereich 22, ist es von Vorteil, wenn die Leiterschleife 20 keine oder nur eine möglichst geringe Fläche aufweist. Dies ist anhand der 7 verdeutlicht, in welcher der induzierte Strom durch einen Richtungspfeil 41 und das geschilderte Magnetfeld durch Richtungspfeile 39 angedeutet ist. Zur Darstellung dieser sehr kleinen Fläche ist die Leiterschleife 20 als bifilare Wicklung ausgeführt, wobei vorgesehen sein ist, dass Hin- und Rückleiter parallel verlaufen oder miteinander verdrillt sind.
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Die 8A und 8B zeigen weitere alternative Ausführungsformen des Sensorbereichs 22 des induktiven Sensors 18, wobei der induktive Sensor 18 eine Mehrzahl von elektrischen Leitern 42 umfasst, die tabellenartig in einer Leitermatrix 44 sich überkreuzend angeordnet sind. Die elektrischen Leiter 42 sind dabei in jeweiligen Kreuzungsstellen 46 elektrisch kontaktiert und bilden eine Mehrzahl von quadratischen Leiterschleifen in Form von Maschen 48.
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Bei Einkopplung eines elektromagnetischen Felds, welches durch einen Richtungspfeil 50 angedeutet ist, wird ein mit einem Richtungspfeil 52 angedeuteter Strom in den jeweiligen Maschen 48 induziert und schwächt das induzierende, elektromagnetische Feld durch Rückwirkung.
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Eine unerwünscht hohe Dehnung oder eine Beschädigung des Querträgers 10 führt beispielsweise zu einer unerwünscht hohen Dehnung oder gar zu einem Bruch 54 zumindest eines der elektrischen Leiter 42, wodurch benachbarte Maschen 48 zu einer demgegenüber größeren, gemeinsamen Masche 48' zusammengeschlossen sind. Die vergrößerte Masche 48' hat gegenüber den ursprünglichen Maschen 48 veränderte elektrische Eigenschaften und wirkt sich auf andere Art und Weise auf das induzierende, elektromagnetische Feld aus als die einzelnen, kleineren Maschen 48. Diese gegenüber dem Ursprungszustand geänderte Rückwirkung ist von der Auswerteeinrichtung, beispielsweise dem Lesekopf 26, erfassbar, wodurch auf eine unerwünscht hohe Dehnung oder gar Beschädigung des Querträgers rückgeschlossen werden kann.
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Bei der Leitermatrix 44 gemäß 8A sind die Leiter 42 zunächst so ausgeführt, dass die elektrischen Leiter 42 an den Kreuzungsstellen 46 nicht elektrisch kontaktieren. Erst durch eine lokale Beschädigung, zum Beispiel eine Kompression, kommt es an den Kreuzungsstellen 46 zu einem elektrischen Kontakt 56 zwischen den Leitern 42. Sobald sich durch mehrere derartige elektrische Kontakte an den Kreuzungsstellen 46 eine leitende Schleife bildet, was gemäß 8B dargestellt ist, kann dies mittels der Auswerteeinrichtung erfasst werden. In dieser leitenden Schleife entsteht dann ein induzierter Strom, welcher durch einen Richtungspfeil 58 angedeutet ist.
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Die 9 zeigt den zu prüfenden Querträger 10, wobei die Erfassungseinrichtung 16 den Sensorbereich 22 aufweist, mittels welchem die Verformung beziehungsweise Beschädigung des Querträgers erfassbar ist. Die Erfassungseinrichtung 16 umfasst nun einen ersten Zwischenübertragungsbereich 60, welcher zur Übertragung des Signals mit dem Sensorbereich 22 verbunden ist. Des Weiteren umfasst die Erfassungseinrichtung 16 einen zweiten Zwischenübertragungsbereich 62, welcher zur Übertragung des die Verformung beziehungsweise die Beschädigung des Querträgers 10 charakterisierenden Signals mit dem Übertragungsbereich 24 der Erfassungseinrichtung 16 verbunden ist. Die Zwischenübertragungsbereiche 60 und 62 wirken dabei zur Übertragung des die Verformung beziehungsweise die Beschädigung charakterisierende Signals unter Ausbildung einer berührungslosen Kopplung zusammen.
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Wie der 9 zu entnehmen ist, sind dabei der erste Zwischenübertragungsbereich 60 sowie der Sensorbereich 22 dem Querträger 10 zugeordnet, während der zweite Zwischenübertragungsbereich 62 und der Übertragungsbereich 24 einem weiteren Querträger 10' zugeordnet sind, welcher in der Nähe des Querträgers 10 angeordnet ist. Dadurch ist es ermöglicht, den Sensorbereich 22 in Bereichen des Querträgers 10 zu positionieren, welche von dem Lesekopf 26 nicht zugänglich sind, gleichzeitig aber das die Verformung beziehungsweise die Beschädigung charakterisierende Signal über eine relativ weitere Strecke sowie über unterschiedliche, und mehrere Bauteile hinweg in Bereiche zu übertragen, welche von dem Lesekopf 26 zugänglich sind.
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Zum Überprüfen des Querträgers 10 induziert ein elektromagnetisches Feld 32' in der Leiterschleife 20 des Querträgers 10 einen Strom, welcher wiederum vom elektrischen Widerstand der Leiterschleife 20 und damit des Sensorbereichs 22 des Querträgers 10 abhängt. Die Überprüfung des Querträgers 10 sowie die Übertragung des die Verformung beziehungsweise die Beschädigung des Querträgers 10 charakterisierende Signals zu dem Lesekopf 26 geschieht dabei analog zu dem bezüglich der 3 geschilderten Vorgang zum Überprüfen des Querträgers 10. Wie auch bei dem Lesekopf 26 gemäß 3 wird der Lesekopf 26 gemäß 9 über die Leitung 28 mit Energie, insbesondere Strom, versorgt. Des Weiteren kann über die Leitung 28 das die Verformung oder die Beschädigung des Querträgers 10 charakterisierende Signal an weitere Komponenten der Auswerteeinrichtung übertragen werden, wobei beispielsweise auf einer Anzeigeeinrichtung, insbesondere einen Bildschirm, angezeigt wird, ob eine unerwünscht hohe Verformung beziehungsweise Beschädigung des Querträgers 10 erfasst wurde oder nicht und ob es sich somit bei dem Querträger 10 um ein auszutauschendes Schadteil oder ein funktionsfähiges Teil handelt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2006/0254366 A1 [0002]
