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Die Erfindung betrifft einen Verschleißweg-Aufnehmer eines Bremsbelags einer Reibbremse.
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Fahrzeuge und bestimmte technische Geräte, zum Beispiel Hebezeuge, verwenden häufig Reibungsbremsen, um kinetische Energie umzuwandeln. 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 sind Vorschläge dazu gemacht worden, von denen einer vorsieht, 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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Ein anderer Vorschlag liefert eine kontinuierliche Verschleißanzeige, bei welcher der Verschleiß der Bremsbeläge einer Radbremse indirekt über eine elektronische Drehwinkelmessung an einem in der Radbremse integrierten Verschleißnachsteller gemessen wird. Nachteilig hierbei ist, dass der Verschleiß der Bremsscheibe mit einfließt und es somit zu einer Summenverschleißerfassung des Systems Bremsbeläge/Bremsscheibe kommt.
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DE 10 2007 008 729 B4 beschreibt ein Abtastelement zur Erfassung eines Verschleißwegs eines Bremsbelags, insbesondere einer Reibbremse. Es umfasst ein Gehäuse mit einer Abtastseite und einer Anschlussseite; und mindestens einen elektrischen Leiter in Kombination mit mindestens einem elektrischen Widerstandselement. Dabei sind zwei Abmessungen des Widerstandselementes und des elektrischen Leiters in Abhängigkeit vom Verschleißweg nicht konstant. Das Widerstandselement ist an einer Halterung angebracht, die einen ersten und zweiten Leiter mit einem jeweiligen Anschluss zur elektrischen Verbindung mit dem Widerstandselement aufweist. Die Halterung ist als ein Drahtbügel ausgebildet ist, und der erste und zweite Leiter sind jeweils an einem den Anschlüssen gegenüber liegenden Ende mit einer leitenden Brücke verbunden.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Verschleißweg-Aufnehmer eines Bremsbelags zu schaffen.
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Eine weitere Aufgabe besteht darin, einen Bremsbelag mit einem solchen Verschleißweg-Aufnehmer bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird durch einen Verschleißweg-Aufnehmer mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und 3 gelöst.
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Die weitere Aufgabe wird durch einen Bremsbelag mit den Merkmalen des Anspruchs 18 gelöst.
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Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, einen Verschleißweg Aufnehmer mit einem dreidimensionalen elektrischen Widerstandselement mit einer räumlichen Gestalt zu schaffen, von der drei Abmessungen in Abhängigkeit vom Verschleißweg eines Bremsbelags veränderbar sind.
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Dadurch wird vorteilhaft erreicht, dass ein Widerstand des Widerstandselementes in Abhängigkeit vom Verschleißweg verändert wird, wobei dieser Widerstand ein Maß für den Verschleißweg bildet.
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Weitere Vorteile der Erfindung sind:
- – direkte Messung des Verschleißzustandes eines Bremsbelags, wobei die tatsächliche Belagstärke erfasst wird;
- – permanente Messung des Verschleißzustandes, es wird zu jeder Zeit die tatsächliche Belagstärke ausgelesen;
- – der Belagverschleiß kann für jeden Belag separat erfasst und ausgegeben werden;
- – Kostenersparnis durch verringerten mechanischen Aufbau und geringeren Materialeinsatz ist möglich;
- – Optimierung der Nutzung des Belagverschleißvolumens, da der Scheibenverschleiß bei dieser Messung nicht mit einfließt;
- – Abmessungen des Abtastelementes sind frei variierbar;
- – Integration einer Temperaturerfassung ist möglich auf Grund der Eigenschaft, dass der Widerstandskoeffizient des Widerstandselementes temperaturabhängig ist.
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Der Verschleißweg-Aufnehmer weist einen Fühler in einem Gehäuse auf, welches in einem Bremsbelag so angeordnet ist, dass es dem gleichen Verschleiß wie der Bremsbelag selbst unterworfen ist. Damit wird der Verschleißweg-Aufnehmer mit dem Fühler ebenfalls in gleichem 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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Ein erfindungsgemäßer Verschleißweg-Aufnehmer zur Erfassung eines Verschleißwegs eines Bremsbelags, insbesondere einer Reibbremse, mit einem Gehäuse mit einer Reibseite und einer Anschlussseite; und einem Fühler mit zwei elektrischen Leiterelementen in Kombination mit mindestens einem dreidimensionalen elektrischen Widerstandselement, wobei zwei Abmessungen des Widerstandselementes in Abhängigkeit von dem Verschleißweg nicht konstant sind, ist dadurch gekennzeichnet, dass eine dritte Abmessung des als dreidimensional ausgebildeten Widerstandselementes in Abhängigkeit von dem Verschleißweg nicht konstant ist.
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Dabei wird der Zusammenhang vorteilhaft benutzt, dass der elektrische Widerstand eines Leiters von dessen spezifischem Widerstand, seiner Länge und seines Querschnitts abhängt.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Der Verschleißweg-Aufnehmer weist das Widerstandselement als ein dreidimensionaler Körper auf, der sich in Richtung des Verschleißwegs mit einer Widerstandslänge und senkrecht dazu mit einer Widerstandsbreite erstreckt. Außerdem erstreckt sich das Widerstandselement senkrecht zu dieser so gebildeten Fläche in einer Widerstandsdicke. Somit sind drei vorher festlegbare Variable vorhanden, mit denen das Widerstandselement an die Forderungen eines großen Messeffektes anpassbar ist.
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Hierbei kann das Widerstandselement einen Gesamtwiderstand aufweisen, welcher bei einer verkleinerten Widerstandslänge verändert ist. Zum Beispiel kann sich der Gesamtwiderstand verkleinern. Dies kann dadurch einfach erreicht werden, indem sich die Widerstandsdicke des Widerstandselementes bei verkleinerter Widerstandslänge verkleinert und sich die Widerstandsbreite bei verkleinerter Widerstandslänge erhöht. Natürlich kann sich der Gesamtwiderstand in umgekehrter Weise auch vergrößern.
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Alternativ oder in Kombination dazu kann sich die Widerstandsdicke des Widerstandselementes bei verkleinerter Widerstandslänge kontinuierlich oder stufenweise verändern, d. h. verkleinern oder vergrößern, wobei sich die Widerstandsbreite bei verkleinerter Widerstandslänge kontinuierlich oder stufenweise verkleinern oder vergrößern kann.
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Es ist in einer Ausführung vorgesehen, dass das Widerstandselement in Projektion in der Ebene, die von der Widerstandslänge und der Widerstandsbreite gebildet ist, eine Dreieckgestalt aufweist, wobei die Basis dieses Dreiecks in Richtung der Widerstandsbreite verläuft und die Schenkel dieses Dreiecks in einer Spitze verbunden sind, die an der Reibseite angeordnet ist.
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In bevorzugter Ausgestaltung ist das erste Leiterelement in einer Verlängerung in einem Verbindungsabschnitt auf dem Widerstandselement in Richtung des einen Schenkels des Dreiecks in einem ersten Anschlussabschnitt aufgebracht und mit dem Widerstandselement elektrisch leitend verbunden und erstreckt sich bis zur Spitze des Dreiecks, wobei das zweite Leiterelement mit einem Verbindungsende gegenüberliegend dem ersten Leiterelement in einem zweiten Anschlussabschnitt am Rand mit dem Widerstandselement elektrisch leitend verbunden ist. Dieser Verbindungsabschnitt sorgt dafür, dass eine Elektronenverteilung weitestgehend homogen in dem Widerstandselement ausgebildet wird. Abgegriffen wird dieser Strom mit dem als Stromabgreifer fungierenden Verbindungsende des zweiten Leiterelementes. Das zweite Leiterelement verläuft nicht bis an die Spitze des Fühlers. Es würde an der Spitze mit dem Leiterende des Verbindungsabschnitts des ersten Leiterelementes einen Kontakt bilden, was nicht erwünscht ist, da sich z. B. ein Messstrom dadurch unnötig erhöht und Schutzmaßnahmen ergriffen werden müssen. Außerdem würde dadurch eine Hilfsenergiequelle überlastet bzw. müsste überdimensioniert werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung können die Schenkel des Dreiecks in Form einer vorbestimmbaren Kurve oder mehrerer vorbestimmbarer Kurven ausgebildet sein. Dadurch ist eine besonders anpassungsfähige Kennlinie des Widerstandselementes zu erzielen.
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In einer alternativen Ausführung kann das Widerstandselement in Projektion in der Ebene, die von der Widerstandslänge und der Widerstandsbreite gebildet ist, eine Trapezgestalt aufweist, wobei die Basis und die Grundseite dieses Trapezes in Richtung der Widerstandsbreite verlaufen und die Basis dieses Trapezes an der Reibseite angeordnet ist. Auch hierbei ist ähnlich wie bei der Dreieckgestalt das erste Leiterelement in einer Verlängerung in einem Verbindungsabschnitt auf dem Widerstandselement in Richtung des einen Schenkels des Trapezes in einem ersten Anschlussabschnitt aufgebracht und mit dem Widerstandselement elektrisch leitend verbunden und erstreckt sich bis zur Basis des Trapezes, wobei das zweite Leiterelement mit einem Verbindungsende gegenüberliegend dem ersten Leiterelement in einem zweiten Anschlussabschnitt an der Grundseite des Trapezes mit dem Widerstandselement elektrisch leitend verbunden ist.
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Auch in dieser Ausführung können die Schenkel des Trapezes in Form einer vorbestimmbaren Kurve oder mehrerer vorbestimmbarer Kurven ausgebildet sein.
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Das Widerstandselement kann eine Metallfolie sein oder als Widerstandsschicht als Dünn- oder Dickschichtsystem verwendet werden. Als Widerstandsschicht ist ein Trägerelement vorgesehen, welches die Widerstandsschicht aufnimmt und stabilisiert.
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Der Aufbau des Fühlers des Verschleißweg-Aufnehmers kann in einer industriellen Serienfertigung, z. B. zur Herstellung elektronischer Platinen bzw. Widerstandsbauteilen (Potentiometer, Messwiderstände, Widerstandsschichten auf Substraten (Keramik u. ä.), leicht hergestellt werden.
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Das Widerstandselement ist aus einem Material gebildet ist, welches einen hohen spezifischen Widerstandskennwert und gleichzeitig einen geringen Temperaturkoeffizienten aufweist.
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Es ist vorgesehen, dass das Gehäuse das Widerstandselement vollständig umgibt, vorzugsweise aus einem isolierenden Material, z. B. Keramik, Hochtemperaturfüllstoff, Kunststoff, wodurch der Vorteil geschaffen ist, dass das Widerstandselement elektrisch isoliert, wärme- und korrosionsbeständig umhüllt und leicht verarbeitbar ist.
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In einer weiteren Ausführung weist der Verschleißweg-Aufnehmer einen Spannungsteller mit mindestens einem ersten Teilerwiderstand) und mindestens einem zweiten Teilerwiderstand auf. Der Spannungsteiler ermöglicht es, ein Normsignal, z. B. 0 bis 5 V, für den Belagverschleiß zu erzeugen. Damit kann z. B. eine aufwändige externe Auswerteelektronik reduziert werden oder sogar gänzlich entfallen. Durch die Verwendung dieses Spannungsteilers kann ebenfalls eine Absoluttemperaturerfassung realisiert werden. Zusätzlich lässt sich eine Temperaturkompensation der Kennlinie des Aufnehmers realisieren. Damit kann der tatsächliche Belagverschleißzustand unabhängig von der Belagtemperatur erfasst werden.
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In einer weiteren Ausführung ist vorgesehen, dass der mindestens eine zweite Tellerwiderstand elektrisch parallel zu dem Widerstandselement geschaltet ist.
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In einer noch weiteren Ausführung ist der mindestens eine erste Teilerwiderstand mit dem mindestens einen zweiten Teilerwiderstand und dem Widerstandselement elektrisch in Reihe geschaltet ist und mit einem dritten Leiteranschlussende elektrisch leitend verbunden.
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In einer anderen Ausführung kann der mindestens eine erste Teilerwiderstand ein temperaturabhängiger Widerstand sein. Damit ist eine separate Temperaturmessung möglich.
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In einer noch weiteren Ausführung umfasst das Gehäuse einen Fühlergehäuseabschnitt mit der Reibseite und einen damit verbundenen Befestigungsabschnitt mit der Anschlussseite und mit einem Befestigungsprofil. Es ist dabei vorteilhaft, wenn das Befestigungsprofil für einen Presssitz ausgebildet ist, wodurch der Aufnehmer in einem Bremsbelagträger gegen axiale Verschiebung gesichert ist.
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In einer weiteren Ausführung weist das Gehäuse mindestens eine Schulter als Anschlagfläche zur Definition einer festen Position als Referenzposition auf.
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Ein Bremsbelag weist den oben beschriebenen Verschleißweg-Aufnehmer auf. Es ist natürlich auch möglich, dass mehrere Verschleißweg-Aufnehmer in einem Bremsbelag eingesetzt werden können.
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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 eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verschleißweg-Aufnehmers;
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2 eine schematische perspektivische Teildarstellung einer Scheibenbremse mit den erfindungsgemäßen Verschleißweg-Aufnehmern nach 1;
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3a–c schematische Darstellungen des Verschleißweg-Aufnehmers nach 1 bei verschiedenen Verschleißzuständen;
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4a–d geometrische Varianten eines Widerstands des Verschleißweg-Aufnehmers nach 1;
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5a–c schematische Darstellungen einer Variante des Verschleißweg-Aufnehmers bei verschiedenen Verschleißzuständen;
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5d ein elektrisches Schaltbild eines Spannungsteilers;
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6a eine schematische Seitenansicht einer weiteren Variante des Verschleißweg-Aufnehmers;
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6b eine vergrößerte Detailansicht des Kreises XI aus 6a; und
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7 eine schematische Teilschnittansicht eines Bremsbelags mit der weiteren Variante des Verschleißweg-Aufnehmers nach 6a.
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In 1 wird ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verschleißweg-Aufnehmers 1 in perspektivischer Ansicht vereinfacht dargestellt. Hierbei ist ein Gehäuse 19 in kreiszylinderförmiger Gestalt nur angedeutet. Innerhalb dieses Gehäuses 19 ist ein Fühler 2 mit einem ersten Leiterelement 9 und einem zweiten Leiterelement 13 angeordnet und mittels eines nicht gezeigten Vergussmaterials 20, z. B. ein elektrisch nicht leitender Füllstoff, in dem Gehäuse 19 fest eingebracht, wobei ein erstes Leiteranschlussende 12 und ein zweites Leiteranschlussende 15 aus dem Gehäuse 19 herausragen.
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Der Verschleißweg-Aufnehmer 1 weist eine Reibseite 21 auf, die bei Einbau in einen Bremsbelag 26, 26 zu einer Bremsscheibe 24 einer Scheibenbremse 23 (siehe 2) weist. Gegenüber der Reibseite 21 ist eine Anschlussseite 22 angeordnet, aus welcher die Leiteranschlussenden 12 und 15 herausragen. Die Leiteranschlussenden 12 und 15 sind beispielsweise über eine geeignet Anschlusseinrichtung (beispielsweise mit einer Steckverbindung) zum Anschluss an eine Messvorrichtung vorgesehen und erstrecken sich im Inneren des Gehäuses 19 jeweils in einem ersten Leiterelement 9 und einem zweiten Leiterelement in Längsrichtung des Gehäuses 19 in Richtung zu der Reibseite 21 und sind mit dem Fühler 2 elektrisch leitend verbunden.
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Der Fühler 2 des Verschleißweg-Aufnehmers 1 besitzt ein dreidimensionales Widerstandselement 4 auf einem Trägerelement 3, z. B. ein Keramiksubstrat. Das Trägerelement 3 ist in Gestalt eines gleichschenkligen Dreiecks aufgebaut, deren Basisseite als Rand 5 des Fühlers 2 zur Anschlussseite 22 weist und dessen Schenken in einer Spitze an der Reibseite 21 zusammenlaufen.
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Das Widerstandselement 4 ist auf dem dreieckförmigen Trägerelement 4 aufgebracht, wobei sie hier an der Spitze in einer Widerstandsdicke 17 mit einer Vorderkante 8 aufgebracht ist, die größer ist als die Widerstandsdicke 17 am Rand 5. Die Höhe des Dreiecks vom Rand 5 zur Spitze) entspricht einer Widerstandslänge 16, und die dazu rechtwinklige Länge des Rands 5 ist hier eine Widerstandsbreite 18.
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Das erste Leiterelement 9 ist in einer Verlängerung in einem Verbindungsabschnitt 10 auf dem Widerstandselement 4 über dem einen Schenkel des durch das Trägerelement 3 und dem darauf aufgebrachten Widerstandselement 4 gebildeten Dreiecks in einem ersten Anschlussabschnitt 6 aufgebracht und mit dem Widerstandselement 4 elektrisch leitend verbunden. Der Verbindungsabschnitt 10 erstreckt sich bis zur Spitze des Dreiecks und endet über der Vorderkante 8 des Widerstandselementes 4 in einem Leiterende 11. Dieses so gebildete Dreieck kann auch in einer Projektionsebene liegen.
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Das erste Leiterelement 9 hat die Aufgabe, einen Strom über das gesamte Widerstandselement 4 bis an die Spitze (Vorderkante 8) einzuleiten und stellt dadurch sicher, dass eine Elektronenverteilung weitestgehend homogen in dem Widerstandselement 4 ausgebildet wird. Abgegriffen wird dieser Strom mit einem als Stromabgreifer fungierenden Verbindungsende 14 des zweiten Leiterelementes 13, welches gegenüberliegend dem ersten Leiterelement 9 in einem zweiten Anschlussabschnitt 7 am Rand 5 mit dem Widerstandselement 4 elektrisch leitend verbunden ist. Das zweite Leiterelement 13 verläuft nicht bis an die Spitze des Fühlers 2. Es würde an der Spitze mit dem Leiterende 11 des Verbindungsabschnitts 10 des ersten Leiterelementes 9 einen Kontakt bilden, was nicht erwünscht ist.
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Das Widerstandselement 4 ist vorzugsweise als eine Widerstandsschicht aus einem Material gebildet, welches einen hohen spezifischen Widerstandskennwert und gleichzeitig einen geringen Temperaturkoeffizienten aufweist. Dadurch wird erzielt, dass relativ zu einer Ausgangswiderstandsgröße im unverschlissenen Zustand bei vollständiger Widerstandsänge 16 (siehe auch 3a) bei einem auftretenden Verschleißweg eine deutliche Widerstandsänderung erhalten wird. Typischerweise können für das Widerstandselement 4 als Widerstandsschicht Widerstandsfolien oder Dünn- bzw. Dickschichtsysteme zum Einsatz kommen. Im Fall von Dünn- bzw. Dickschichtsystemen ist das Widerstandselement 4 auf einem Trägerelement 3 aus einem Material, das eine stabilisierende Funktion ausübt, aufgebracht.
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Der Verschleißweg-Aufnehmer 1 kann zum Beispiel bei einer Scheibenbremse 23 verwendet werden, wie in 2 in einer schematischen, perspektivischen Teildarstellung gezeigt ist.
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Auf beiden Seiten einer nur zum Teil gezeigten Bremsscheibe 24 ist jeweils ein Bremsbelag 26, 26' auf einem zugehörigen Belagträger 25, 25' angeordnet, wobei jeder Bremsbelag 26, 26' eine jeweilige Bremsbelagstärke 27, 27' aufweist. Innerhalb eines jeden Bremsbelags 26, 26' ist ein Verschleißweg-Aufnehmer 1 eingebracht. Die Flächen der Bremsbeläge 26, 26', welche an der Bremsscheibe 24 anliegen, fluchten im neuen, unverschlissenen Zustand mit den Reibseiten 21 der Verschleißweg-Aufnehmer 1.
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An den Bremsbelägen 26, 26' entsteht funktionsbedingt ein Verschleiß, der unabhängig vom Verschleiß der Bremsscheibe 24 für beide Bremsbeläge 26, 26' erfasst wird und in direkter Messung ermittelbar ist. Bei dieser Scheibenbremse 23, z. B. eine pneumatisch zugespannte Scheibenbremse für Nutzfahrzeuge, kommen zwei Bremsbeläge 26, 26' zum Einsatz, die im Neuzustand eine Belagstärke 27, 27' von 21 mm aufweisen. Die zulässige Restbelagstärke beträgt 2 mm. Bei unberücksichtigtem Verschleiß der Bremsscheibe 24 ergibt sich eine zu erfassende Gesamtverschleißlänge von 38 mm.
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Das Vergussmaterial 20 hat die Aufgabe, den Fühler 2 vor äußeren Einflüssen zu schützen, elektrisch zu isolieren und die Montage in der Belagapplikation zu ermöglichen. Als Material kommt vorzugsweise ein Werkstoff zum Einsatz, dessen Festigkeit etwa die gleiche Festigkeit aufweist wie der zugehörige Bremsbelag 26, 26' bzw. deutlich weicher ist als die Bremsscheibe 24, elektrisch isolierend, temperatur/korrosionsbeständig und leicht verarbeitbar ist. Dies kann/können zum Beispiel Hartplastik, Keramik, temperaturbeständige Vergusssysteme oder Hochtemperaturkleber sein.
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Das Wirkprinzip des Verschleißweg-Aufnehmers 1 beruht auf einer Widerstandsmessung des Widerstandselementes 4. Das bedeutet, dass jeder Verschleißweg-Aufnehmer 1 in Abhängigkeit von seinem Verschleißzustand, der dem jeweiligen Verschleiß der Bremsbelagstärke 27, 27' entspricht, einen bestimmten Widerstandswert seines jeweiligen Widerstandselementes 4 aufweist, der an den Anschlüssen 12, 15 der Leiterelemente 9, 13 messbar ist und in einer nicht gezeigten Auswerteeinheit über eine entsprechende Kalibrierung dem realen Verschleißwert zugeordnet werden kann. Dabei wird der elektrische Zusammenhang ausgewertet, nämlich, dass der elektrische Widerstand eines Materials vom spezifischen Widerstand, vom Querschnitt bzw. der Breite und seiner Dicke und von der Länge des von einem Strom durchflossenen Leiters abhängig ist.
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Die zugehörige Gesetzmäßigkeit ist: R = ρ·b / A = ρ·b / l·d (1)
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Hierbei ist ρ der spezifische elektrische Widerstand des mit einem Strom durchflossenen Leiters, l die Widerstandslänge 16 des Fühlers 2, A die Querschnittsfläche des Widerstandselementes 4 mit der Widerstandsbreite 18 als Variable b und der Widerstandsdicke 17 als Variable d.
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Das Widerstandselement 4 ist dreidimensional ausgebildet und weist die veränderlichen Variablen (Größen) Widerstandslänge 16 (l), Widerstandsdicke 17 (d) und Widerstandsbreite 18 (b) auf. Der Widerstand der Widerstandsschicht 4 des Fühlers 2 des Verschleißweg-Aufnehmers 1 ist also von drei verschleißzustandsabhängigen Variablen abhängig. Diese drei verschleißzustandsabhängigen Variablen prägen den Gesamtwiderstandswert der Widerstandsschicht 4 des Fühlers 2. Die Widerstandslänge 16 des Fühlers 2 entspricht dabei dem Bremsbelagverschleiß, welcher um ein bestimmtes Restmaß geringer ist als die jeweilige Bremsbelagstärke 27, 27'. Die Widerstandsbreite 18 ist in Abhängigkeit von einem zur Verfügung stehenden Bauraum festgelegt, und die Widerstandsdicke 17 ist entweder konstant oder kontinuierlich veränderlich bzw. stufenförmig (siehe weiter unten) ausgebildet. Dadurch ist eine Beeinflussung der Kennlinie des Fühlers 2 bzw. des Verschleißweg-Aufnehmers 1 möglich.
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3a bis 3c zeigen schematische Darstellungen des Verschleißweg-Aufnehmers 1 nach 1 bei verschiedenen Verschleißzuständen eines zugehörigen Bremsbelags 26, 26'.
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In 3a ist der Verschleißweg-Aufnehmer 1 neu und unverschlissen. Die Widerstandslänge 16 ist unverkürzt. Ein an den Leiteranschlussenden 12 und 15 gemessener Widerstand ist relativ klein.
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Ein Verschleißzustand von ungefähr 50% ist in 3b gezeigt. Der Verschleißweg-Aufnehmer 1 ist um ca. 50% auf eine Widerstandslänge 16 von der Reibseite 21 her abgetragen. Die Querschnittsfläche des Widerstandselementes 4 ist gegenüber dem Neuzustand nach 3a kleiner geworden und der gemessene Widerstand ist größer als im unverschlissenen Zustand. Außerdem ist der Verbindungsabschnitt 10 des ersten Leiterelementes 9 ebenfalls abgetragen.
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3c zeigt einen Verschleißzustand mit Restbelag. Der Verschleißweg-Aufnehmer 1 ist nahezu zu 100% auf eine restliche Widerstandslänge 16'' abgetragen, wobei der Widerstand aufgrund des nun kleinsten Querschnitts des restlichen Widerstandselementes 4 deutlich höher als im unverschlissenen Zustand ist.
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Eine Messung des Widerstands des Widerstandselementes 4 des Fühlers 2 des Verschleißweg-Aufnehmers 1 lässt sich nach dem Ohm'schen Gesetz R = U/I durchführen. Dazu kann das Widerstandselement 4 mit einem weiteren Widerstand in Reihe geschaltet werden, wobei ein Spannungsteiler realisiert wird.
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In Kombination mit einem zu dem Widerstandselement 4 parallel geschalteten Widerstand lässt sich ein Stromteiler aufbauen.
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Als alleiniger Widerstand muss für eine veränderliche Spannung in Abhängigkeit vom Verschleiß der durchfließende Strom konstant gehalten werden, für einen veränderlichen Strom muss die Spannung konstant bleiben.
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Zur optimalen Anpassung des Widerstands des Widerstandselementes 4 kann dieser wie in 4a in einer Variante gezeigt, mit Stufen 28 über der Widerstandslänge 16 ausgebildet sein. Die Anzahl der Stufen 28 kann beliebig sein. Hier sind sechs Stufen 28 mit unterschiedlicher Dicke in Richtung der Widerstandsdicke 17 gezeigt, wobei die Höhe der Stufen 28 von der Vorderkante 8 zum Rand 5 des Widerstandselementes 4 hin abnimmt. Die Höhe der Stufen kann auch – wie in 4b gezeigt ist – von der Vorderkante 8 her zunehmen.
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Je nach gewünschter Kennlinie des Fühlers 2 kann dieser, wie in 4c in einer weiteren Variante dargestellt ist, so angeordnet sein, dass die Vorderkante 8 in Richtung der Widerstandsbreite 18 verbreitert an der verschleißenden Reibseite 21 liegt. Dabei sind die Leiterelemente 9 und 13 an dem nun in Richtung der Widerstandsbreite 18 verkürzten Rand 5 wie bereits oben im Zusammenhang mit 1 beschrieben angebracht. Daraus ergibt sich in der Projektionsebene eine Trapezform des Widerstandselementes 4. Die verbreiterte Vorderkante 8 bildet dabei eine Basis 8 des Trapezes und der Rand 5 bildet die zur Basis 8' parallele Grundseite 5' des Trapezes. Der Verbindungsabschnitt 10 liegt auf einem Schenkel dieses Trapezes und erstreckt sich vom Rand 5 bis zur Vorderkante 8.
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4d zeigt eine weitere Variante, wobei die Schenkel des Dreiecks des Widerstandselementes 4 einem vorbestimmbaren Verlauf einer Kurve 29 folgen.
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Der Verschleißweg-Aufnehmer 1 kann nicht nur für die Erfassung eines Verschleißwegs von Bremsbelägen für Scheibenbremsen 23, insbesondere pneumatisch zugespannte Scheibenbremsen 23, im Nutzfahrzeugbereich verwendet werden, sondern auch bei allen anderen Anwendungen, bei welchen Verschleiß oder eine Wegänderung in Form von Materialabtrag stattfindet.
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Es ist ferner denkbar, den Verschleißweg-Aufnehmer 1 als Temperaturfühler auszuführen, um entsprechende temperaturabhängige Widerstandskorrekturen zu ermöglichen. Eine solche Integration einer Temperaturerfassung ist möglich auf Grund der Eigenschaft, dass der Widerstandskoeffizient des Widerstandselementes 4 temperaturabhängig ist.
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Dazu zeigen 5a–c schematische Darstellungen einer Variante des Verschleißweg-Aufnehmers 1 bei verschiedenen Verschleißzuständen ähnlich 3a–c.
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Der zur Reibseite 21 weisende Teil des Fühlers 2 ist ähnlich aufgebaut wie bereits oben im Zusammenhang mit 3a–c erläutert. Es werden daher hier zunächst nur die Unterschiede zu 3a–c beschrieben und danach ausführlicher erläutert.
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Ein Unterschied besteht darin, dass das Trägerelement 3 an dem Rand 5 des Dreiecks, welcher zur Anschlussseite 22 weist, einen hier rechteckförmigen Ansatz aufweist, der als Zusatzfunktionsabschnitt 30 bezeichnet ist und sich zur Anschlussseite 22 hin erstreckt.
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Der Zusatzfunktionsabschnitt 30 dient hier zur Aufnahme eines ersten und zweiten Teilerwiderstands 31, 32 und zur Befestigung eines dazugehörigen dritten Leiterelementes 34 mit einem dritten Leiteranschlussende 33. Die Teilerwiderstände 31, 32 dienen zur Realisierung des oben bereits beschriebenen Spannungs- bzw. Stromteilers und werden unten noch näher erläutert.
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Ein weiterer Unterschied besteht darin, dass die Dreieckform des Fühlers 2 ein rechtwinkliges Dreieck bildet, wobei der rechte Winkel dieses Dreiecks von dem Rand 5 und der Seite mit dem ersten Leiterelementes 9 eingeschlossen ist. Somit verlaufen das erste Leiterelement 9 und der Verbindungsabschnitt 10 in einer gemeinsamen Ebene, die durch die Widerstandslänge 16 und die Widerstandsdicke 17 aufgespannt ist. Zudem ist die Vorderkante 8 des Fühlers 2 an der Reibseite 21 außermittig angeordnet.
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Das erste Leiterelement 9 verläuft mit seinem Verbindungsabschnitt 10 bis zur Vorderkante 8 des Fühlers 2, wie auch in 3a–c gezeigt ist. Das Leiterende 11 des ersten Leiterelementes ist über der Vorderkante 8 angeordnet. Wenn das mit dem Leiterende 11 direkt elektrisch verbundene erste Leiteranschlussende 12 z. B. elektrisch leitend mit Masse eines zugehörigen Fahrzeugs verbunden ist, wird der von der zugeordneten Bremsbelagstärke 27, 27' abhängige Widerstandswert des Fühlers 2 sowohl bei unbetätigter als auch bei betätigter Bremse nicht verändert, wenn das Leiterende 11 mit der auch mit Masse elektrisch leitend verbundenen Bremsscheibe (oder Bremstrommel, je nach Bremsenausführung) in Kontakt kommt. Mit anderen Worten, die Bremsbelagstärke 27, 27' kann immer ohne Ausnahme erfasst werden.
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In einer anderen, nicht dargestellten Ausführung, beispielsweise je nach Kundenwunsch, kann z. B. das Leiterende 11 über den ersten Leiteranschluss 12, z. B. über einen weiteren Widerstand, auf ein bestimmtes elektrisches Potential gelegt werden. Wenn dann bei zugespannter Bremse das Leiterende 11 mit der Bremsscheibe/Bremstrommel in Kontakt kommt, fällt an dem weiteren Widerstand eine Spannung ab, welche als Signal für den Zeitpunkt verwendet werden kann, in welchem der Bremsbelag die Bremsscheibe/Bremstrommel kontaktiert. Dieses Signal kann z. B. für einen Regelkreis oder für eine Fehlerüberwachung (z. B. fehlerhafte Betätigung durch Bremsventile, ungewollte Lüftspielverringerung usw.) verwendet werden. Der weitere Widerstand dazu könnte z. B. auf dem Funktionsabschnitt 30 aufgebracht sein.
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Natürlich kann dazu auch ein weiteres, nicht gezeigtes Leiterende mit einem zusätzlichen Anschlussabschnitt dienen, das durch den Funktionsabschnitt 30 gehalten ist.
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Der Funktionsabschnitt 30 umfasst in dieser Variante eine Erweiterung des Trägerelementes 3. Das Widerstandselement 4 endet an dem Rand 5. Parallel zu dem Rand 5 ist der zweite Teilerwiderstand 32 angeordnet. Weiter in Richtung zur Anschlussseite 22 ist der erste Teilerwiderstand 31 angeordnet. Die Teilerwiderstände 31, 32 können jeweils z. B. mittels zusätzlicher Widerstandsschichten ausgeführt sein, die auf dem Trägerelement 3 auf dem Zusatzfunktionsabschnitt 30 aufgebracht sein. Auch diskrete Widerstandsbauteile sind natürlich möglich.
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Der erste Teilerwiderstand 31 ist an einer Seite in einem ersten Teileranschlussabschnitt 36 mit dem zweiten Leiterelement 13 elektrisch leitend verbunden und erstreckt sich in der Richtung der Widerstandsbreite 18 bis ungefähr zur Mitte des Zusatzfunktionsabschnitts 30. Dort ist die dem ersten Teileranschlussabschnitt 36 gegenüberliegende andere Seite in einem zweiten Teileranschlussabschnitt 37 im Bereich eines dritten Leiterendes 35 des dritten Leiterelementes 34 elektrisch leitend verbunden. Das dritte Leiteranschlussende 33 ist auf der Anschlussseite 22 zwischen den anderen Leiteranschlussenden 12 und 15 aus dem Aufnehmer 1 herausgeführt.
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Der zweite Teilerwiderstand 32 ist in Richtung der Widerstandslänge 16 kürzer ausgeführt als der erste Teilerwiderstand 31 und an einer Seite in einem dritten Teileranschlussabschnitt 38 auch wie der erste Teilerwiderstand 31 mit dem zweiten Leiterelement 13 elektrisch leitend verbunden. Der zweite Teilerwiderstand erstreckt sich in der Richtung der Widerstandsbreite 18 über die Breite des Zusatzfunktionsabschnitts 30 parallel zum Rand 5 bis zum ersten Leiterelement 9, mit welchem er in einem vierten Teileranschlussabschnitt 39 elektrisch leitend verbunden ist.
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5d zeigt ein elektrisches Schaltbild eines Spannungsteilers, der mit der Variante nach 5a–c gebildet ist. Die Bezugszeichen im Schaltbild entsprechen denjenigen in 5a–c.
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Der zweite Teilerwiderstand 32 ist über den dritten und vierten Teileranschlussabschnitt 38, 39 elektrisch parallel zu dem Widerstandselement 4 geschaltet, wohingegen der erste Teilerwiderstand 31 mit einem Anschluss über den ersten Teileranschlussabschnitt 36 sowohl mit einem Anschluss des zweiten Teilerwiderstands 32 als auch mit einem Anschluss des Widerstandselementes 4 elektrisch leitend verbunden ist. Von dem dritten Leiteranschlussende 33 aus gesehen, ist der erste Teilerwiderstand 31 mit dem Widerstandselement 4 und dem zweiten Teilerwiderstand 32 elektrisch in Reihe geschaltet. Damit ist ein Spannungsteiler realisiert, welcher zwischen dem ersten und zweiten Leiteranschlussende 12 und 15 liegt. Eine Teilspannung dieses Spannungsteilers kann an dem zweiten Leiteranschlussende 15 abgegriffen werden.
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In einer anderen Variante kann der erste Teilerwiderstand 31 aus einem Material mit einem bestimmten Temperaturverhalten, z. B. ein temperaturabhängiger Widerstand, ausgeführt sein und als ein Temperatursensor dienen. Zwischen dem dritten Leiteranschlussende 33 und dem zweiten Leiteranschlussende 15 könnte dabei ein von der Temperatur abhängiger Widerstandswert des ersten Teilerwiderstands 31 erfasst werden. Selbstverständlich kann auch ein diskretes Sensorelement als Temperaturfühler verwendet werden, wobei z. B. auch ein weiteres Leiteranschlussende (nicht gezeigt) möglich wäre.
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Mit diesem im Aufnehmer 1 integrierten Spannungsteiler ist es möglich, ein Normsignal, z. B. 0 bis 5 V, für den Belagverschleiß zu erzeugen. Damit kann z. B. eine aufwändige externe Auswerteelektronik reduziert werden oder sogar gänzlich entfallen. Bei Verzicht auf diese Auswerteelektronik ist eine analoge Belagverschleißzustanderfassung denkbar, die z. B. in definierten Wartungsintervallen durchgeführt wird. Der Aufnehmer 1 wird dabei nur während der Messung mit einer Spannungsquelle versorgt, eine Demontage von Reifen der zugehörigen Bremsen ist damit überflüssig.
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Durch die Verwendung dieses Spannungsteilers kann ebenfalls eine Absoluttemperaturerfassung realisiert werden, d. h. es wird die tatsächliche Temperatur des Bremsbelags 26, 26' erfasst.
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Zusätzlich lässt sich eine Temperaturkompensation der Kennlinie des Aufnehmers 1 realisieren. Damit kann der tatsächliche Belagverschleißzustand unabhängig von der Belagtemperatur erfasst werden.
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Ohne diesen Spannungsteiler ist lediglich eine Relativtemperaturerfassung in Bezug auf einen definierten Bezugspunkt, z. B. bei Motorstart nach längerer Standzeit (Umgebungstemperatur) möglich. Der tatsächliche Belagverschleißzustand wird ebenfalls bei diesem definierten Bezugspunkt (Umgebungstemperatur) erfasst.
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6a stellt eine schematische Seitenansicht einer weiteren Variante des Verschleißweg-Aufnehmers 1 dar. 6b zeigt eine vergrößerte Detailansicht des Kreises XI aus 6a. Und 7 ist eine schematische Teilschnittansicht eines Bremsbelags 26, 26' mit der weiteren Variante des Verschleißweg-Aufnehmers 1 nach 6a.
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Das Gehäuse 19 ist als eine Ummantelung aus elektrisch isolierendem Material, wie z. B. einer temperaturbeständigen Vergussmasse, in einer definierten Form ausgebildet. Das Gehäuse 19 weist dabei einen Fühlergehäuseabschnitt 40 mit der Reibseite 21 und einen damit verbundenen Befestigungsabschnitt 41 mit der Anschlussseite 22 für die Leiteranschlussenden 12, 13 (und evtl. weitere) auf.
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Der Fühlergehäuseabschnitt 40 und der Befestigungsabschnitt 41 sind hier mit einem kreiszylindrischen Querschnitt ausgebildet. Andere Querschnitte sind natürlich möglich. Ein Außendurchmesser des Befestigungsabschnitts 41 ist größer als ein Außendurchmesser des Fühlergehäuseabschnitts 40. Dadurch ist an der Verbindungsstelle zwischen Fühlergehäuseabschnitt 40 und der Befestigungsabschnitt 41 eine Schulter 42 als Anschlagfläche für den Einbau des Aufnehmers 1 in einen Bremsbelag 26, 26', wie unten noch beschrieben wird.
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Der Befestigungsabschnitt 41 weist ein Befestigungsprofil 43 auf, wie in der vergrößerten Ansicht nach 6b zu erkennen ist. Das Befestigungsprofil 43 weist umlaufende abgerundete Rippen auf, die in axialer Richtung nebeneinander angeordnet sind. Das Befestigungsprofil 43 ist hier als ein Verklemmungsprofil zur kraftschlüssigen Befestigung des Aufnehmers 1 mit dem Befestigungsabschnitt 41 in dem Belagträger 25, 25', wie 7 zeigt.
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Der Belagträger 25, 25' ist mit einer Befestigungsaufnahme 44 versehen, welche mit dem Befestigungsabschnitt 41 des Aufnehmers 1 korrespondiert. Hier ist die Befestigungsaufnahme 44 eine Bohrung mit einer Stufenkontur mit einer Anlagefläche 45. Die Anlagefläche 45 ist mit einer Bohrung versehen, welche im Durchmesser etwas größer als der Außendurchmesser des Fühlergehäuseabschnitts 40 des Aufnehmers 1 ist. Der Bremsbelag 26, 26' weist eine zu der Befestigungsaufnahme 44 und der Anlagefläche 45 koaxiale Bohrung für den Fühlergehäuseabschnitt 40 des Aufnehmers 1 auf. Der Aufnehmer 1 wird derart in dem Belagträger 25, 25' eingesetzt, dass die Schulter 42 des Befestigungsabschnitts 41 an der Anlagefläche 45 der Befestigungsaufnahme 44 anliegt. Dadurch wird der Aufnehmer 1 in einer definierten Position im Belagträger 25, 25' mit Bezug auf den Bremsbelag 26, 26' festgelegt. Diese definierte Festlegung zur Bildung einer Referenzposition ist notwendig, um die Kennlinie des Aufnehmers 1 dem Verschleißmaß des Bremsbelags 26, 26' eindeutig zuzuordnen.
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Das Befestigungsprofil 43 bildet eine radiale Verklemmung durch einen Presssitz zur kraftschlüssigen Festlegung des Befestigungsabschnitts 41 des Aufnehmers in der Befestigungsaufnahme 44 des Belagträgers 25, 25'. Aufgrund des Presssitzes kann der Aufnehmer im Betätigungsfall des Bremsbelags 26, 26' axial nicht verschoben werden, was eine Verfälschung der Kennlinie zur Folge hätte. Unterstützend kann der Aufnehmer 1 in der Befestigungsaufnahme 44 im Belagträger 25, 25' kraftschlüssig mittels eines Hochtemperaturklebers und/oder einer formschlüssigen Verstemmung im Belagträger 25, 25' fixiert werden.
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Die Ausführung des Fühlers 2 des Aufnehmers 1 mit zwei nicht konstanten Abmessungen (Widerstandslänge 16, Widerstandsbreite 18) aber konstanter Dicke (Widerstandsdicke 17) bewirkt eine nichtlineare Kennlinie (Widerstand-, Spannung-, Stromänderung über dem Verschleißmaß), welche durch eine zusätzliche Elektronik (Auswerteeinheit) linearisiert werden muss. Die Verwendung der dritten nicht konstanten Abmessung (Widerstandsdicke 17) wirkt sich maßgeblich auf die Kennlinie des Aufnehmers 1 aus, so dass eine Linearisierung erzielt und eine zusätzliche Linearisierungselektronik nicht erforderlich ist. Dadurch lassen sich kundenspezifische Kennlinien generieren, die als Alleinstellungsmerkmal bzw. als Sicherung gegen Falschverbau und/oder Produktpiraterie verwendet werden können.
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Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Sie ist im Rahmen der beigefügten Ansprüche modifizierbar.
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So kann zum Beispiel die Widerstandsdicke 17 des Widerstandselementes 4 über die Widerstandslänge 16 kontinuierlich abnehmen oder mit Stufen 28 kombiniert sein. Dabei können die Stufen 28 in ihrer Dicke (in Richtung der Widerstandsdicke 17) abnehmen, zunehmen oder konstant bleiben.
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Es ist denkbar, dass die Anschlagfläche 42 des Gehäuses 19 des Aufnehmers 1 an dem Fühlergehäuseabschnitt 41 angeformt ist, wobei der Aufnehmer 1 von der Bremsbelagseite her in den Belagträger 25, 25' einsetzbar ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Aufnehmer
- 2
- Fühler
- 3
- Trägerelement
- 4
- Widerstandselement
- 5
- Rand
- 5'
- Grundseite
- 6
- Erster Anschlussabschnitt
- 7
- Zweiter Anschlussabschnitt
- 8
- Vorderkante
- 8'
- Basis
- 9
- Erstes Leiterelement
- 10
- Verbindungsabschnitt
- 11
- Leiterende
- 12
- Erstes Leiteranschlussende
- 13
- Zweites Leiterelement
- 14
- Verbindungsende
- 15
- Zweites Leiteranschlussende
- 16, 16', 16''
- Widerstandslänge
- 17
- Widerstandsdicke
- 18
- Widerstandsbreite
- 19
- Gehäuse
- 20
- Vergussmaterial
- 21
- Reibseite
- 22
- Anschlussseite
- 23
- Scheibenbremse
- 24
- Bremsscheibe
- 25, 25'
- Belagträger
- 26, 26'
- Bremsbelag
- 27, 27'
- Bremsbelagstärke
- 28
- Stufe
- 29
- Kurve
- 30
- Zusatzfunktionsabschnitt
- 31, 32
- Teilerwiderstand
- 33
- Drittes Leiteranschlussende
- 34
- Drittes Leiterelement
- 35
- Drittes Leiterende
- 36
- Erster Teileranschlussabschnitt
- 37
- Zweiter Teileranschlussabschnitt
- 38
- Dritter Teileranschlussabschnitt
- 39
- Vierter Teileranschlussabschnitt
- 40
- Fühlergehäuseabschnitt
- 41
- Befestigungsabschnitt
- 42
- Schulter
- 43
- Befestigungsprofil
- 44
- Befestigungsaufnahme
- 45
- Anlagefläche
- 46
- Aufnahme
