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Es handelt sich bei dieser Erfindung um eine Anordnung zur Detektion von Belastung und Schäden an Faserverbundbauteilen mit wenigstens einer Detektionseinheit, die Informationen über Belastung und Schäden des Faserverbundbauteils erfasst, gekennzeichnet durch eine Sendeanordnung, die die Information drahtlos an einen Empfänger übermittelt, eine Wandlereinheit, die die der Bewegung des Faserbauteils innewohnende mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt und der Sendeanordnung zur Verfügung stellt, und wobei die wenigstens eine Detektionseinheit Bestandteil der Wandlereinheit ist.
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Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Detektion von Belastung und Schäden an Faserverbundbauteilen.
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In vielen Bereichen des Maschinenbaus sind Faserverbundwerkstoffe nicht mehr wegzudenken. In der Luftfahrt schon längst Usus finden sie auch im Automobilbau im Zuge der notwendigen Gewichtsreduktionen immer mehr Beachtung. Mit Faserverbundwerkstoffen kann hohe Stabilität mit äußerst geringem Gewicht verbunden werden.
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Die Detektion von Schäden in Faserverbundbauteilen wird häufig über in das Material eingebrachte metallische Fäden realisiert wie beispielsweise in der
DE 10 2008 058 882 A1 beschrieben. Hier wird eine faserverstärkte Kunststoffstruktur offenbart, die metallische Sensorfasern enthält, deren Leitfähigkeit sich mit einer Längenänderung ändert. Die Änderung der Leitfähigkeit wird durch konduktive oder induktive Messverfahren ermittelt und daraus auf die Belastung des Bauteils geschlossen oder ein Bruch diagnostiziert.
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Zur Übermittlung und Anzeige dieser Messwerte sind jedoch zusätzliche Vorrichtungen notwendig. Entweder muss eine aufwändige Verkabelung installiert werden, um die Messignale einer Einrichtung zu deren Verarbeitung zuzuführen, oder aber man verwendet einen Sender, der ebenfalls mit Strom versorgt werden muss. Um dabei eine lückenlose Überwachung zu ermöglichen ist auch hier ein Anschluss an das bordeigene Stromnetz notwendig.
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Gerade bei der Montage der Bauteile oder deren Austausch ist dann ein hoher Aufwand notwendig, um die Verkabelung herzustellen.
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Die
US 6,260,415 B1 offenbart ein zerstörungsfreies Verfahren zur Überprüfung von Faserverbundbauteilen auf Schäden. Dabei wird von außen eine elektromagnetische Welle in das Bauteil eingestrahlt, die auf einem piezoelektrischen Trägermaterial eine akustische Oberflächenwelle erzeugt. Beim Durchlaufen des Fasermaterials wird diese Welle durch im Material vorhandene Fehlstellen verändert. Diese so modifizierte elastische Welle wird entweder durch das erzeugende Bauteil oder ein anderes gleichartiges Bauteil wieder aufgenommen. Die elastische Welle wird wieder in elektromagnetische Signale umgewandelt und nach außen abgestrahlt. Dort wird sie durch die geeigneten Sender empfangen und danach analysiert. Dieses Messverfahren eignet sich insbesondere für eine Bauteilüberprüfung etwa direkt nach Herstellung des Bauteils oder zu Wartungszwecken. Eine Bauteilüberprüfung während des laufenden Betriebes, ist mit dieser Methode jedoch erschwert. Vibrationen während des Betriebs können das Messergebnis verfälschen. Nachteilig ist zudem, dass die Überprüfung des Bauteils nicht energieautark erfolgen kann, vielmehr ist es notwendig, außerhalb des Bauteils eine elektromagnetische Welle zu erzeugen und einzustrahlen.
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Die
EP 2 485 026 A1 offenbart ein Verfahren zur Überprüfung von Bauteilen. Hier wird eine elastische Welle in einem Bauteil erzeugt, die durch das Bauteil wandert und an Fehlstellen verändert oder reflektiert wird. Diese modifizierte Welle wird wieder aufgefangen und kann danach analysiert werden. Aus den empfangenen Signalen können durch Vergleich mit Referenzsignalen Rückschlüsse auf Fehlstellen oder Schäden im Material gezogen werden. Durch die feste Integration der einzelnen Bestandteile der Vorrichtung in das Bauteil und die Aufnahme eines Referenzsignals kurz nach Fertigstellung des Bauteils ist es sogar möglich, während des Betriebs eine Schadensdetektion durchzuführen. Nachteilig ist allerdings, dass die Erzeuger der elastischen Wellen über eine Energiequelle verfügen müssen, die in regelmäßigen Abständen ausgetauscht werden muss. Die Vorrichtung ist demnach nicht energieautark von äußeren Energiequellen.
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Die
US 2007/0293152 A1 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung an einem rotierenden Bauteil. Bauteilparameter werden gemessen und über einen Sender nach außen übertragen. Die dazu notwendige Energie erhält der Sender über eine Induktionsvorrichtung von außerhalb des rotierenden Bauteils. Dieses Verfahren ist für den Einsatz in Faserverbundbauteilen im Automobilbau oder Maschinenbau eher weniger geeignet. Zudem ist es notwendig, dass die für die Sendung notwendige Energie von außen in das zu untersuchende Bauteil eingebracht werden muss. Aus der
DE 101 00 551 A1 geht eine Vorrichtung zur Überwachung eines Gleitlagers hervor, wobei Messfühler im Lagerschalenbereich angeordnet sind, die umfangsseitig oder radial wirkende Druckkräfte detektieren. Die Druckfühler bestehen dabei insbesondere aus einer piezoelektrischen oder piezomagnetischen Schicht.
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Es ist somit Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung zur Detektion von Belastung und Schäden an Faserverbundbauteilen vorzustellen, die die Messergebnisse drahtlos übermittelt, dabei energieautark agiert und möglichst einfach gestaltet ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Detektion von Belastung und Schäden an Faserverbundbauteilen vorzuschlagen.
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Der die Vorrichtung betreffende Teil dieser Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung zur Detektion von Belastung und Schäden an Faserverbundbauteilen gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Anordnung finden sich in den Unteransprüchen 2 bis 14.
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Die erfindungsgemäße Anordnung umfasst wenigstens eine Detektionseinheit, mit deren Hilfe Informationen über die Belastung und auftretende Schäden des Faserverbundbauteils erfasst werden, außerdem eine Sendeanordnung, die die Information über Belastung und Schäden drahtlos an einen Empfänger übermittelt.
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Darüber hinaus umfasst die erfindungsgemäße Anordnung eine Wandlereinheit, wobei die wenigstens eine Detektionseinheit Bestandteil der Wandlereinheit ist. Gekennzeichnet ist die Erfindung dadurch, dass die Wandlereinheit, die der Bewegung des Faserbauteils bei dynamischer Belastung innewohnende mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt und der Sendeanordnung zur Verfügung stellt. Das bedeutet, dass die von der Detektionseinheit erzeugten Messsignale auch zur Energieerzeugung genutzt werden und somit keine zusätzlichen diesbezüglichen Bauteile oder eine Verkabelung mit einer externen Energiequelle notwendig sind.
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Das Anwendungsgebiet der Erfindung erstreckt sich auf alle Gebiete, in denen Faserverbundwerkstoffe zum Einsatz kommen und einer dauerhaften oder akuten Belastung mit der Gefahr einer nachhaltigen Schädigung ausgesetzt sind. Dies schließt insbesondere aber nicht abschließend die Gebiete des Automobilbaus, der Luftfahrt und der Maschinenherstellung mit ein.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Detektionseinheit in das Faserverbundbauteil integriert. Damit ist gemeint, dass die Detektionseinheit Bestandteil des Bauteils ist und entweder an und/oder in dem Bauteil unverlierbar angeordnet ist Häufig sind Faserverbundbauteile in Schichten aufgebaut, so dass Detektionseinheiten leicht innerhalb des Bauteils zwischen den Schichten verteilt werden können. Vorteilhaft an dieser Ausgestaltung ist insbesondere, dass die Detektionseinheiten bei einer entsprechenden Verschaltung auch räumliche Informationen über Belastung und Schäden liefern können. Außerdem sind Detektionseinheiten, die sich im Inneren des Bauteils befinden, auch vor Beschädigungen durch äußere Einwirkungen wie Steinschlag geschützt.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden Belastung und Schäden am Faserverbundbauteil durch piezoelektrische, elektrostriktive oder magnetostriktive Elemente detektiert.
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Bei Belastung werden Faserverbundbauteile zumindest lokal gedehnt oder gestaucht. Die mit dieser Dehnung und Kompression einhergehende Längenänderung wird dann auf die eben genannten Elemente übertragen und es wird dadurch direkt oder indirekt eine elektrische Spannung erzeugt. Diese Spannung ist proportional zur Längenänderung, so dass sie eine direkte Messgröße für die Bauteilbelastung darstellt. Dazu verfügt das wenigstens eine Detektorelement über geeignete Kontakte, sowie Instrumente, die das Messsignal aufnehmen können. Die Abhängigkeit des Messsignals von der Belastung ist dann besonders unmittelbar, wenn die piezoelektrischen, elektrostriktiven oder magnetostriktiven Elemente wie eben beschrieben direkt in den Faserverbundwerkstücken verbaut sind.
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Ein Schaden, beispielsweise ein Bruch, am Bauteil führt zu einer abrupten Änderung im Spannungssignal, die charakteristisch für das Ereignis ist, und kann so direkt festgestellt werden. Selbstverständlich ist die Detektion von Schäden nicht auf die Messung der elektrischen Spannung als Messgröße begrenzt. Auch andere konduktive oder induktive Messmethoden sind hier denkbar.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung handelt es sich bei den piezoelektrischen, elektrostriktiven oder magnetostriktiven Elementen um textile Materialien wie Gewebe oder Gelege oder auch einzelne Faserbündel (Rovings). Faserverbundbauteile werden sehr häufig aus Geweben oder Gelegen, beispielsweise aus Glas-, Kohle- oder Basaltfasern, hergestellt. Diese werden aufeinander gestapelt, mit einem Matrixmaterial versehen und eventuell zugeschnitten oder anderweitig mechanisch bearbeitet. Die Materialien für die Detektionseinheiten können bei der Herstellung des Faserverbundbauteils zusammen mit den Hauptbestandteilen dem Bauteil beigefügt werden und nach Wunsch räumlich im Bauteil verteilt werden, um Belastungen ortsaufgelöst zu erfassen. Der Vorteil besteht hier insbesondere darin, dass die Integration der Detektionseinheiten problemlos in den normalen Herstellungsprozess eingefügt werden kann.
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In einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung handelt es sich bei den piezoelektrischen, elektrostriktiven oder magnetostriktiven Elementen um kompakte Festkörper. Damit gemeint sind insbesondere dünne Platten, längliche Stäbe oder auch Profile, die im Allgemeinen größere Dimensionen und eine höhere Steifigkeit besitzen, als die zuvor beschriebenen textilen Materialien. Kompakte Festkörper bieten sich besonders für die Verwendung an den Außenflächen von Faserverbundbauteilen, die äußeren Einflüssen ausgesetzt sind und wo feiner strukturierte Materialien Schaden nehmen könnten, an.
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Außerdem stellt sich der zusätzliche Vorteil ein, dass die die kompakten Festkörper auch als versteifende Elemente wirken können.
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In einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung handelt es sich bei den piezoelektrischen, elektrostriktiven oder magnetostriktiven Elementen um Folien. Der große Vorteil besteht darin, dass auf einfache Weise nahezu alle Bauteilformen mit der flexiblen Folie überzogen werden können. Auch innerhalb eines Faserbauteils können Folien Verwendung finden und beispielsweise als Zwischenschicht in einem Stapel aus vorimprägnierten Fasermaterialien fungieren. Häufig werden bei der Herstellung von Faserbauteilen auch Trennfolien verwendet, um das Bauteil leichter aus dem Werkzeug entformen zu können. Es ist möglich, dass auch diese Funktion durch eine erfindungsgemäße Folie übernommen werden kann.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Sendeanordnung einen Sender auf, der die Information über Belastung oder Schädigung des Faserverbundbauteils an einen Empfänger übermittelt.
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Die für die Sendung notwendige Energie wird von einem Energiespeicher bereit gestellt. Dabei kann es sich beispielsweise um einen Kondensator, aber auch einen Akku oder eine Batterie handeln. Durch die Verwendung eines Energiespeichers werden die Sendeanordnung und damit die gesamte Anordnung zur Belastungs- und Schadensdetektion unabhängig von einem vorhandenen Stromnetz oder einer vorhandenen Stromquelle. Durch die drahtlose Informationsübertragung wird auch auf Kabel zur Weitergabe der Signale verzichtet.
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Dies bringt vor allem Vorteile bei der Montage und besonders auch beim Austausch von geschädigten Faserverbundbauteilen, da die gesamte Anordnung direkt am Bauteil platziert werden kann und keine gegebenenfalls aufwändige Verkabelung mit einem Stromnetz hergestellt werden muss.
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Besonders bevorzugt wird das Sendesignal in einer logischen Schaltung generiert und enthält Angaben über die Belastung oder einen plötzlich auftretenden Schaden. Die Komplexität dieser Schaltung und des Sendesignals kann nahezu beliebig gewählt werden.
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In der einfachsten Variante wird lediglich ein Bruch oder eine andere Schädigung des Bauteils wahrgenommen, der zur Folge hat, dass das Bauteil nicht mehr verwendungsfähig ist. Durch dieses Ereignis wird der Sender dazu veranlasst ein Signal zu emittieren, das ohne Modulation und aufgeprägte Information nur den Schaden signalisiert. Für diese Anwendung weist die Anordnung auch bevorzugt eine Schwellwerterfassung auf.
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In dieser Variante kann die Sendeanordnung ganz besonders einfach gehalten werden, da das gesendete Signal nicht moduliert werden muss, um ihm Informationen aufzuprägen. Auch die Energieversorgung kann äußerst einfach gehalten sein, da nur die Energie für eine Sendung auf Vorrat gehalten werden muss. Dies kann prinzipiell durch einen einfachen Schwingkreis mit einem Kondensator und einer Spule realisiert werden.
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In einer komplexeren Variante der Erfindung übermittelt der Sender regelmäßig oder auch kontinuierlich Informationen über die Belastung des Bauteils, so dass die Belastung sozusagen in Echtzeit protokolliert werden kann und über deren Verlauf beispielsweise eine Vorhersage über das drohende Versagen des Bauteils getroffen werden kann. In diesem Falle müssen in der logischen Schaltung die Elemente vorgesehen sein, die eingehenden Messsignale zu interpretieren und ein entsprechend moduliertes Sendesignal zu generieren. Alternativ können diese Informationen über die Belastung des Bauteils natürlich auch regelmäßig oder kontinuierlich an das Bordnetz übermittelt werden, wo dann nachfolgend deren Speicherung und/oder Interpretation bzw. Auswertung erfolgt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung besteht die Wandlereinheit, die mechanische in elektrische Energie umwandelt, aus mindestens einer der Detektionseinheiten und einer Gleichrichterschaltung. Das an den Detektionseinheiten entstehende elektrische Potential wird zur Energiegewinnung genutzt. Durch die Dehnungen und Kompressionen und die resultierende Polarisation mit entgegen gesetzten Vorzeichen kann aber nur eine unregelmäßige Wechselspannung abgegriffen werden. Um sie beispielsweise einem Kondensator als Speichermedium zuzuführen, muss sie zunächst gleichgerichtet werden.
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Welche und wie viele der Detektoreinheiten im oder am Bauteil zur Energiegewinnung genutzt werden hängt vom Einsatzbereich der Faserverbundbauteile und der Gestaltung der Detektionseinheiten ab.
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Einfache Biegewandler sind in der Lage bei einer Schwingungsfrequenz von 10 Hertz eine Leistung von einigen Milliwatt zu erzeugen, womit bereits eine Sendereichweite von einigen Metern möglich ist. Sogenannte Piezostacks erreichen sogar Leistungen von bis zu einem Watt mit einer entsprechenden Erhöhung der Reichweite eines Senders.
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Besonders bevorzugt ist die Anordnung in der Lage, bei gefülltem Energiespeicher die überschüssig erzeugte Energie in ein vom Bauteil unabhängiges Stromnetz einzuspeisen. Dazu verfügt sie über eine entsprechende Einrichtung.
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Höchst bevorzugt geschieht diese Einspeisung ebenfalls drahtlos, so dass auch hier eine kabelgebundene Anbindung an das Stromnetz entfällt. Zur Wahl stehen hier beispielsweise induktive Methoden, die eine drahtlose Übertragung von Energie ermöglichen.
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Insbesondere in der Automobiltechnologie findet dies Anwendungsmöglichkeiten, da hier der Aspekt der Energierückgewinnung zunehmend an Relevanz gewinnt
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Weiterhin bevorzugt ist eine Ausgestaltung der Erfindung, in der nach erfolgter Sendung weiterführende Maßnahmen getroffen werden. Dazu existiert ein Speicher, in dem Befehle und Reaktionsschemata für Maßnahmen auf Grund der übertragenen Information abgelegt sind.
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Wird das Faserverbundbauteil etwa so stark geschädigt, dass ein gefahrloser Betrieb des Fahrzeugs oder der Maschine, in der das Bauteil eingesetzt ist, nicht mehr möglich ist, so könnte beispielsweise nach Empfang der Information darüber der Betrieb unterbunden werden. Etwas konkreter auf ein Fahrzeug bezogen sind auch weitere Reaktionen denkbar. So kann bei der Zerstörung eines Strukturbauteils über den Sender ein Airbag oder auch eine Fussgängerschutzmaßnahme ausgelöst werden.
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Der verfahrenstechnische Teil der Aufgabe wird gelöst durch Anspruch 15. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens finden sich in den Unteransprüchen 16 bis 21.
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Es handelt sich um ein Verfahren zur Detektion von Belastung und Schäden an Faserverbundbauteilen, bei dem Informationen über Belastung und Schäden von mindestens einer Detektionseinheit erfasst werden. Diese Informationen werden sodann von einer Sendeeinheit verarbeitet und daraufhin drahtlos an einen Empfänger übermittelt.
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Die dazu notwendige Energie erzeugt eine Wandlereinheit. Diese wandelt die der Bewegung des Faserbauteils bei dynamischer Belastung innewohnende mechanische Energie in elektrische Energie um und stellt sie der Sendeanordnung zur Verfügung. Die wenigstens eine Detektionseinheit ist Bestandteil der Wandlereinheit. Die Wandlereinheit nutzt dabei die schon vorhandenen Detektorelemente, die bevorzugt aus piezoelektrischen Materialien bestehen und als Messsignal elektrische Spannungen erzeugen. Diese elektrischen Spannungen werden gleichzeitig zur Energiegewinnung genutzt.
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Die von der Wandlereinheit produzierte elektrische Energie wird einem Speicher zugeführt, der wiederum mit dem Sender verbunden ist.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird die Energie, die von der Wandlereinheit erzeugt wird, einem Energiespeicher zugeführt. Dabei kann es sich beispielsweise um einen Kondensator oder einen Akku handeln.
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In bevorzugter Weise wird ein Signal nur dann abgesendet, wenn ein Schaden am Bauteil festegestellt wird, insbesondere dann, wenn der Schaden die Betriebsfähigkeit des Bauteils unterbindet und ein sicherer Betrieb nicht mehr gewährleistet werden kann. Die Belastung das Bauteils wird also nicht dauerhaft übermittelt, sondern nur dann, wenn ein gewisser Schwellwert oder ein besonderes Charakteristikum des Messsignals registriert werden. Dies hat den Vorteil, dass die Sendeenergie nicht dauerhaft aufgebracht werden muss und die gesamte Schaltung einfach gehalten werden kann.
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In einer weiteren besonderen Ausgestaltung des Verfahrens werden die Informationen über Belastung und Schäden des Faserverbundbauteils regelmäßig von der Sendeeinheit übermittelt.
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Dadurch kann die Belastung unmittelbar bestimmt werden und daraus notwendige Maßnahmen abgeleitet werden. Ein Energiespeicher wird dabei sukzessive immer wieder aufgefüllt, so dass die zu Sendung notwendige Energie in gewissen Abständen zur Verfügung steht. Die zeitlichen Abstände der einzelnen Sendungen sind dabei nur von der Auslegung der Schaltungen und des Energiespeichers abhängig. Es ist beispielsweise denkbar, dass immer dann, wenn der Speicher gefüllt ist, eine Sendung übermittelt wird und der Füllstand des Speichers gleichsam als Trigger für die Sendung wirkt.
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Es ist in diesem Zusammenhang auch denkbar, dass die Informationen über die Belastung des Bauteils in einem externen Speicher abgelegt werden und später als eine Art Logbuch zur Verfügung stehen, so dass nachträglich eine Analyse der Bauteilbelastung durchgeführt werden kann.
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In einer weiteren besonderen Ausgestaltung des Verfahrens werden nach Übertragung der Information über Belastung und Schäden weitere Schritte veranlasst.
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Hier ist im Rahmen des Fahrzeugbaus möglich, dass beispielsweise bei einer akuten Schädigung eines Bauteils ein Airbag ausgelöst wird oder Maßnahmen zu einer Leistungsbegrenzung des Fahrzeugs getroffen werden.
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Bei Anwendungen in Industriemaschinen könnte beispielsweise bei drohender Überlastung des Faserverbundbauteils die Maschine gestoppt werden.
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Weiterhin ist es möglich, die weiter oben beschriebenen versteifenden Elemente so auszugestalten, dass die Versteifung aktiv geregelt wird. Bei einer Überlastung des Bauteils kann die im Energiespeicher vorhandene Energie in die piezoelektrischen Elemente derart zurückgeführt werden, dass dadurch die durch die Überlastung bedingte Längenänderung der Piezoelemente kompensiert wird. So wird das Bauteil gewissermaßen aktiv versteift und vor dauerhaften Schädigungen bewahrt.
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Zu diesem Zweck sind in einem mit der Empfängereinheit gekoppelten Speicher die Handlungsbefehle abgelegt, die bei einer bestimmten charakteristischen Signalfolge ausgeführt werden.
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Eine weitere besondere Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass die nicht für eine Sendung benötigte überschüssige Energie in ein vom Bauteil unabhängiges Stromnetz eingespeist wird. Besonders vorteilhaft ist dies, wenn die Einspeisung drahtlos geschehen kann, da dann auch weiterhin wie oben beschrieben keine Kabelverbindungen zu diesem Netz notwendig sind.
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Sobald der Energiespeicher gefüllt ist und keine Sendung notwendig oder geplant ist, treten die Einspeisungseinrichtungen in Kraft. Die Energieübertragung kann beispielsweise mit induktiven Methoden geschehen.
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Weitere Ziele, Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnungen. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger sinnvoller Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
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Dabei zeigen
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1 ein Blockdiagramm zur prinzipiellen Funktionsweise einer Anordnung zur Detektion von Belastung und Schäden von Faserverbundbauteilen.
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2a eine Darstellung eines möglichen Schichtaufbaus eines erfindungsgemäßen Faserverbundbauteils mit textilen Elementen
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2b eine weitere Darstellung eines möglichen Schichtaufbauts eines erfindungsgemäßen Faserverbundbauteils mit textilen Elementen
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3a eine Darstellung eines möglichen Aufbaus eines erfindungsgemäßen Faserverbundbauteils mit kompakten Festkörperelementen
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3b eine weitere Darstellung eines möglichen Aufbaus eines erfindungsgemäßen Faserverbundbauteils mit kompakten Festkörperelementen
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4 Darstellung einer Fahrwerksanordnung mit einer ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung enthaltenden Blattfeder
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5 ein Aufrissbild einer Blattfeder aus Faserverbundwerkstoff mit einer möglichen Anordnung erfindungsgemäßer piezoelektrischer Elemente
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6 einen Schnitt durch eine karosserieseitige Anbindung einer FVK-Blattfeder (Linie a-a in 4), in die eine Anordnung zur drahtlosen Übertragung von elektrischer Energie eingebunden ist.
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Die im Folgenden beschriebenen Anordnungen zeigen nur einen Ausschnitt der Bandbreite an möglichen Ausführungsformen und -beispielen auf.
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Wie ein erfindungsgemäßes Faserverbundbauteil im jeweiligen Anwendungsfall konkret ausgeführt ist, hängt stark vom Anwendungsfall selbst ab. Je nach Auslegung des Bauteils oder den gewünschten Eigenschaften steht gerade für die konkrete Ausgestaltung der logischen Schaltungen oder für die Geometrie der Detektionseinheiten oder die Methode der Signaldetektion eine Vielzahl von Möglichkeiten offen. So kann die logische Schaltung aus beliebigen Hard- und Softwarekomponenten bestehen, die wiederum der jeweiligen Situation angepasst miteinander verschaltet werden können.
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Genauso sind die Anordnung und Gestaltung der Detektionseinheiten, sowie deren funktionale Ausgestaltung dem Einsatzzweck und auch der Gestaltung des Bauteils unterworfen, so dass hier eine Mannigfaltigkeit von Ausgestaltungen und Kombinationsmöglichkeiten offen steht.
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Die 1 stellt ein Blockdiagramm dar, in dem das Zusammenspiel der einzelnen Komponenten einer erfindungsgemäßen Anordnung verdeutlicht wird.
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Die Anordnung besteht in ihrer Gliederung aus den Komponenten Bauteil 1, Wandlereinheit 2 und Sendeanordnung 3.
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Bei dem Bauteil 1 handelt es sich um ein Faserverbundbauteil, das aus allgemein üblichen Materialien wie Glas, Kohle, Aramid, Basalt und dergleichen hergestellt ist. Dieses Material liegt in Form von Geweben, Gelegen, Gestricken, Geflechten oder auch einzelnen Faserbündeln (Rovings) vor, ohne dass diese Aufzählung abschließend ist.
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Das Fasermaterial ist in eine duro- oder thermoplastische Matrix eingelassen. Diese Umhüllung wird durch bekannte Techniken wie Prepreg- oder RTM-Verfahren oder jede andere Methode hergestellt.
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Zum Einsatz kommen Faserverbundwerkstoffe immer dann, wenn die daraus gefertigten Komponenten hohe Stabilität bei gleichzeitig geringem Gewicht aufweisen sollen. Besonders häufige Einsatzgebiete sind die Luftfahrt, der Automobilbau und Windkraftanlagen, aber auch im Maschinenbau allgemein häufen sich die Einsatzmöglichkeiten.
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Um die Belastung der Bauteile zu messen, verfügen diese über Detektionseinheiten 4, die Informationen über Verformungen des Bauteils 1 wie Dehnung oder Kompression aufnehmen. Diese Information wird direkt weitergereicht an die Sendeanordnung 3 und dort weiterverarbeitet.
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Dazu weist die Sendeanordnung 3 neben einem Sender 6 eine logische Schaltung 5 auf, die in der Lage ist, die eingehenden Informationen in ein Funksignal umzuwandeln. Je nach Komplexität der Information kann diese Schaltung 5 äußerst simpel gestaltet sein, aber auch aus mehreren Komponenten bestehen.
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Dieses Signal wird dann über den Sender 6 an einen räumlich entfernten Empfänger übermittelt.
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Die Sendeanordnung 3 besitzt außerdem einen Energiespeicher 7, der unabhängig vom vorhandenen Stromnetz 8 eines Fahrzeugs oder einer Maschine ist und nur die Versorgung des Senders 6 und der logischen Schaltung 5 zum Zweck hat. Bei diesem Speicher 7 kann es sich um einen Kondensator handeln, aber auch um eine wiederaufladbare Batterie oder ein äquivalentes Bauteil. Die dort gespeicherte Energie wird aus dem Faserverbundbauteil 1 selbst bezogen.
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Die mechanische Beanspruchung eines in einem Fahrzeug, einer Windkraftanlage, einer Maschine oder dergleichen verarbeiteten Bauteils 1 stellt einen Eintrag an mechanischer Energie in das Bauteil 1 dar. Diese Energie wird genutzt, um den Sender 6 zu speisen. Zur Umwandlung von mechanischer in elektrische Energie eignen sich piezoelektrische Elemente in besonderer Art und Weise. Da das piezoelektrische Potential durch eine Ladungsverschiebung und nicht durch einen Ladungstransport erzeugt wird, entsteht bei der Energieumwandlung nahezu kein Verlust. Das Potential ist direkt proportional zur Längenänderung und damit der Kompression oder Dehnung des Materials, so dass die entstehende elektrische Spannung auch die ideale Messgröße für diese Parameter darstellt.
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Durch die Verwendung piezoelektrischer Bauteile wird also die Messung in idealer Weise mit der Energiegewinnung kombiniert.
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Moderne piezoelektrische Materialien können in nahezu jeglicher Form zur Verfügung gestellt werden. Die Bandbreite reicht von piezoelektrischen Folien (Polyvinylidenfluorid, PVDI) über kristalline Piezoelektrika (Lithiumniobat) bis hin zu Keramiken, die auch in Faserform hergestellt werden können (Blei-Zirkonat-Titanat). Die Aufzählung und die genannten Beispiele sollen aber nicht abschließend verstanden werden. Vielmehr wählt der Fachmann aus den ihm bekannten Möglichkeiten diejenigen aus, die die gewünschten Eigenschaften am besten erfüllen.
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Somit ist es möglich, die Detektionseinheit 4 ganz nach den jeweiligen Anforderungen zu konstruieren. Insbesondere durch den Einsatz von Piezoelektrika in Faserform ist eine direkte Integration der Detektionseinheit 4 in das Bauteil 1 möglich, indem an Stelle einer üblichen Fasertextilie ein Piezoelektrikum eingebracht wird.
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Die Bewegung des Bauteiles wird somit unmittelbar auf die Detektionseinheit 4 übertragen.
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Da durch die abwechselnde Kompression und Dehnung der Bauteile 1 auch entsprechend Spannungen mit jeweils entgegen gesetzten Vorzeichen auftreten, ist die Zwischenschaltung eines Gleichrichters 9 notwendig, der dann zusammen mit der Detektionseinheit 4 die Wandlereinheit 2 bildet.
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Die so erzeugte Gleichspannung wird nun dem Energiespeicher 7 zugeführt. Dessen Auslegung ist natürlich wieder auf die Leistungsstärke des Senders 6 und auch dem Energiebedarf der logischen Schaltung 5 bezogen.
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Egal ob nur eine Sendung im Schadensfall oder eine regelmäßige Informationsübermittlung vorgesehen ist, wird zwischen dem Zeitpunkt, an dem der Speicher 7 gefüllt ist, und einer Sendung, weiterhin Energie erzeugt. Es bietet sich daher an, diese elektrische Energie weiter zu nutzen und in ein Stromnetz 8 einzuspeisen, das die Maschine, das Fahrzeug oder dergleichen, wo das Faserverbundbauteil 1 verbaut ist, besitzt. Dies geschieht insbesondere ohne direkte Kabelverbindung zum Netz sondern idealerweise über eine drahtlose Verbindung.
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Somit ist das gesamte Faserverbundbauteil 1 ein integrales, kompaktes Bauteil, das keinerlei stromführende Verbindungen benötigt. Es ist daher bereits bei der Montage äußerst einfach einzubauen und auch bei der Wartung kann einfach nur das gesamte Bauteil 1 ersetzt werden, ohne dass erhöhter Aufwand für die Verkabelung betrieben werden muss.
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Wie bereits erwähnt, ist die Detektionseinheit 2 in das Faserverbundbauteil 1 integriert. Die 2a und 2b veranschaulichen eine Möglichkeit, wie diese Integration auf sehr einfache Art und Weise realisiert werden kann.
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Bei der Herstellung von Faserverbundwerkstoffen gibt es unterschiedliche Verfahren. In einer verbreiteten Variante werden die Fasern mit dem Matrixharz vorimprägniert und in Form von Geweben oder Gelegen aufeinander gestapelt. Dieser Stapel wird in einem Werkzeug in seine endgültige Form gebracht und das Harz ausgehärtet.
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In einer anderen Variante kommen die Textilstapel trocken in ein Formwerkzeug und das Matrixmaterial wird flüssig in das geschlossene Werkzeug injiziert.
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Ein in Faserform verarbeitetes Piezoelektrikum 10 wird nun wie die normal üblichen Fasermaterialien 11 in den Textilstapel eingelegt. Bereits bestehende Arbeitsabläufe müssen dafür nur minimal abgeändert werden. Die Anordnungsreihenfolge und -position der unterschiedlichen Materialien im Stapel, hängt wiederum vom Einsatzzweck des Bauteils und der Information ab, die aus der Messung gewonnen werden soll.
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In 2a wechseln sich die Detektionselemente aus piezoelektrischem Fasermaterial 10 und die normalen Faserschichten 11 in der Reihenfolge ab. Die Detektionselemente 10 sind so gleichmäßig im Stapel verteilt. Diese Verteilung bietet den Vorteil einer räumlichen Detektion der Bauteilbelastung zumindest in der Stapelrichtung.
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Außerdem erhöht sich mit der Anzahl der der verwendeten Detektionselemente 10 auch die Ausbeute an elektrischer Energie.
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Um diese weiter zu erhöhen können an Stelle der hier gezeigten einen piezoelektrischen Schicht auch mehrere solcher Lagen nacheinander eingebracht werden.
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Besteht beispielsweise nur auf einer Seite des Bauteiles die Gefahr einer Überlastung bietet sich die Stapelfolge aus 2b an. Dies wäre beispielsweise bei einer Blattfeder aus Faserverbundmaterial denkbar, bei der die höchsten Belastungen an den Außenseiten auftreten. Der gesamte Stapel bestünde in diesem Falle aus normalen Faserschichten 11 und wird an seiner Ober- und/oder Unterseite von einer oder mehreren Lagen aus piezoelektrischem Fasermaterial abgeschlossen.
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Neben den dargestellten Varianten sind natürlich noch viele andere denkbar und reichen von anstelle vollständiger Lagen eingelegten dünnen Textilstreifen oder einzelnen Rovings bis hin zu vollständigen Ummantelungen des gesamten Bauteils mit piezoelektrischen Fasern.
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In den 3a und 3b ist die Verwendung einer weiteren Form von piezoelektrischen Elementen dargestellt. Hier sind in das Faserverbundmaterial 12 Stäbe 13 als Detektorelemente eingebracht.
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In 3a erstrecken sich dünne Stäbe 13 in eine Richtung des Faserverbundbauteils 1, die senkrecht zu einer potentiellen Kraftwirkungsrichtung 14 liegt.
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In dieser Ausführung sind die Detektorelemente besonders dazu geeignet, um Brüche im Bauteil zu detektieren. Dazu sind die Stäbe 13 in ihrer Geometrie so gewählt und so angeordnet, dass sie unter einer Krafteinwirkung 14 brechen, bei der auch das eigentliche Faserverbundmaterial 12 zerstört wird. Dieser Schaden wird erfasst, über die Sendeanordnung 3 weitergemeldet und eventuell weitere Maßnahmen eingeleitet.
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Zur Erläuterung ein Anwendungsbeispiel aus dem Automobilbereich:
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Faserverstärkte oder aus faserverstärkten Werkstoffen bestehende Strukturteile sind im Automobilbereich Stand der Technik. Bei einem Unfall werden mit dem Verstärkungselement auch Detektorelemente in Mitleidenschaft gezogen. Bei einem leichten Unfall wird beispielsweise eine faserverstärkte B-Säule nur leicht verformt und es werden nur die äußeren Detektionselemente zerstört. Der Schaden wird erfasst und über den Sender 6 weitergemeldet. Wegen der geringen Schwere des Unfalls werden keine weiteren Maßnahmen ergriffen.
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Bei einem schwereren Zusammenstoß wird die B-Säule so stark verformt, dass eine Gefährdung der Fahrzeuginsassen auftritt und es brechen auch weiter innen liegende Detektionselemente. Durch die räumliche Anordnung der Detektionselemente wird dieser Umstand in der Messung erfasst. Nach Übermittlung dieser Information wird ein Signal zum Auslösen von Airbags gegeben.
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In der in 3b gezeigten Ausgestaltung sind die Stäbe 13 parallel zur potentiellen Kraftwirkungsrichtung 14 ausgerichtet. In dieser Ausgestaltung ist eine ortsaufgelöste Detektion der Kraftwirkung besonders gut möglich, da hier die Detektionseinheiten 13 besonders stark komprimiert werden, an denen eine Kraftwirkung 14 auftritt.
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Solche Bauteile 1 könnte beispielsweise dort verbaut werden, wo eine gleichmäßige Belastung der Bauteile 1 vonnöten ist oder wo eine punktuelle Überlastung vermieden werden soll.
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Ein weiterer Vorteil bei der Nutzung kompakter Festkörper ergibt sich hinsichtlich der Stabilität von Faserverbundbauteilen. Stäbe oder auch flächige Piezoelektrika sind im Vergleich zu Fasern oder Geweben deutlich steifer als diese. Durch die Verarbeitung solcher Elemente können die Faserverbundbauteile deutlich steifer und stabiler gestaltet werden.
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Im Bereich des Automobilbaus stellt eine Blattfeder eine andere Anwendungsmöglichkeit der erfindungsgemäßen Anordnung dar.
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4 zeigt in sehr vereinfachter Ausführung eine Fahrwerksanordnung 15 mit einer Blattfeder 16. Die Blattfeder 16 ist quer zur Fahrzeuglängsrichtung gelagert und verbindet die beiden Radaufhängungen 17 einer Achse. Zumeist besitzt die Blattfeder 16 vier Anbindungen, zwei radseitiger Anbindungen 18 und zwei karosserieseitige Anbindungen 19.
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Die Blattfeder 16 kann verschiedene Aufgaben in einer Fahrwerksanordnung 1 erfüllen. So kann sie etwa die sonst üblichen Schraubenfedern ersetzten und auch radführende Eigenschaften aufweisen. Je nach Fahrsituation wird sie durch die unterschiedlich einfedernden Räder 20 auf verschiedene Weise belastet. Bei Hubbewegungen des Fahrzeugs (gleichzeitig einfedernde Räder 20) wird die Feder 16 in eine U-form gebogen. Federn die Räder 20 dagegen wechselweise ein, das sogenannte Wanken oder Rollen, vollführt die Blattfeder 16 einen S-Schlag. Sie erfährt also in fast jeder Fahrsituation abwechselnd Kompression oder Dehnung und ist somit ein idealer Kandidat für die Implementierung einer erfindungsgemäßen Anordnung.
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Die Blattfeder 16 besteht aus einem glasfaserverstärkten Kunststoffmaterial und wird nach einem der üblichen Herstellungsverfahren produziert.
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Als Mittel zur Detektion von Belastung oder Schädigung der Blattfeder 16 werden unterschiedliche piezoelektrische Elemente verwendet. 5 zeigt einen Aufriss einer solchen Blattfeder 16. Im Innenbereich der Feder sind Faserbündel 21 aus piezoelektrischem Material verarbeitet. Diese wurden beim Herstellungsprozess zusammen mit dem Glasfasermaterial 22 gleichmäßig verteilt eingearbeitet und mit diesem zusammen den folgenden Produktionsschritten (Pressen, Aushärten und dergleichen) unterworfen.
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Das an den einzelnen Detektionselementen bei Belastung entstehende elektrische Potential wird separat erfasst. Damit bietet diese Verteilung die gleichen Vorteile wie weiter oben im Zusammenhang mit den piezoelektrischen Stäben 13 beschrieben: es ist möglich die Belastung ortsaufgelöst zu detektieren. Blattfedern aus Glasfasermaterial 22 brechen bei normaler Belastung nicht abrupt. Vielmehr reißen im Laufe ihres Lebens immer mehr einzelne Fasern und Faserbündel bis irgendwann keine ausreichende Federwirkung mehr gewährleistet werden kann. Dieser schleichende Prozess ist für den Fahrer kaum zu bemerken. Erst wenn der Fahrkomfort stark eingeschränkt ist, kann er daraus auf eine Schädigung der Federung geschlossen werden. Im schlimmsten Falle ereilt die Feder ein akuter Bruch und das Fahrzeug ist nicht mehr betriebsfähig.
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Die in der Blattfeder verteilten Faserbündel 21 werden bei der dauerhaften Belastung ebenfalls sukzessive zerstört. Sobald eine gewisse Anzahl an Faserbündeln 21 zerstört worden ist, wird dies dem Fahrer in Form einer Alarmlampe angezeigt. Auch eine Anzeige der fortschreitenden Abnutzung der Feder in Form von Skalen ist möglich. Der Fahrer kann also rechtzeitig einen Austausch der abgenutzten Feder veranlassen und ist von plötzlich auftretendem Schaden weitgehend geschützt.
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Zusätzlich ist die Blattfeder von einer piezoelektrischen Folie 23 umhüllt, die die Schadensdetektion gerade an den stark gedehnten Außenflächen der Blattfeder 16 unterstützt. Außerdem wird durch sie die Energieversorgung des Senders 6 sichergestellt, selbst wenn schon eine größere Zahl an Faserbündeln 21 ihren Zweck nicht mehr erfüllen.
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Folien haben den großen Vorteil, dass sie sehr flexibel und in gewissem Maß dehnbar sind. Dadurch können auch komplexere Bauteile sehr einfach überzogen werden. Es ist hier im konkreten Fall freilich darauf zu achten, dass die piezoelektrischen Folien 23 dick und stabil genug sind, um nicht durch Umwelteinflüsse wie Steinschlag sofort geschädigt zu werden. Um hier Redundanz zu schaffen und die Energiegewinnung zu optimieren wird die Blattfeder 16 mit mehreren Schichten der piezoelektrischen Folie 23 überzogen.
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Sind die Energiespeicher 7 zur Versorgung der Sendeanordnung 3 und der logischen Schaltungen 5 gefüllt, so wird die überschüssig produzierte Energie drahtlos in das Bordnetz des Fahrzeugs eingespeist. Hier bieten sich die Anbindungen der Blattfeder 16 an das Fahrzeug an, um die Übertragungseinrichtungen zu platzieren. In 6 ist eine solche Einrichtung für die karosserieseitige Anbindung 19 skizziert, die auf dem Induktionsprinzip basiert.
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6 zeigt einen Querschnitt durch die karosserieseitige Anbindung 19 entlang der Linie a-a in 4. Die Blattfeder 16 ist dort über eine Klemme an der Karosserie befestigt. Diese Klemmen besteht aus einem U-förmigen Klemmenunterteil 24, das die Blattfeder von unten umfasst, und einem Klemmenoberteil 25, in das ein Energieaufnahmeelement 26 integriert ist. Beide Klemmenteile sind beispielsweise über Schraubverbindungen miteinander verbunden.
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An der Blattfeder ist im Bereich der Lagerung ein Energieabgabeelement 27 angebracht, das im zusammengebauten Zustand der Lagerung direkt an das Energieaufnahmeelement anliegt. In die Elemente integriert sind eine Primärspule 28 und eine Sekundärspule 29. Elektrische Energie wird zwischen diesen beiden Spulen nach dem Prinzip der Transformatorkopplung übertragen. Die Spulen sind selbstredend so ausgelegt, dass die Energieübertragung mit minimalen Verlusten vonstatten geht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bauteil
- 2
- Wandlereinheit
- 3
- Sendeanordnung
- 4
- Detektionseinheit
- 5
- logische Schaltung
- 6
- Sender
- 7
- Energiespeicher
- 8
- externes Stromnetz
- 9
- Gleichrichter
- 10
- Detektionselement aus piezoelektrischem Fasermaterial
- 11
- textiles Fasermaterial
- 12
- Faserverbundmaterial
- 13
- Stäbe
- 14
- Kraftwirkungsrichtung
- 15
- Fahrwerksanordnung
- 16
- Blattfeder
- 17
- Radaufhängung
- 18
- radseitige Anbindung
- 19
- karosserieseitige Anbindung
- 20
- Rad
- 21
- Faserbündel
- 22
- Glasfasermaterial
- 23
- piezoelektrische Folie
- 24
- Klemmenunterteil
- 25
- Klemmenoberteil
- 26
- Energieaufnahmeelement
- 27
- Energieabgabeelement
- 28
- Primärspule
- 29
- Sekundärspule
