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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Messelement zum Erfassen einer Dehnung und/oder einer daraus abgeleiteten Messgröße eines Bauteils, umfassend wenigstens einen Dehnungsmessstreifen (DMS) und eine Signalauswerteeinheit.
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Hintergrund der Erfindung
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Dehnungsmessstreifen werden eingesetzt, um eine Dehnung eines Bauteils messtechnisch zu erfassen. Dehnungsmessstreifen bestehen aus einem speziellen Material, dessen elektrischer Widerstand sich ändert, wenn es gedehnt wird. Mittels der Signalauswerteeinheit kann der Widerstandsänderung eine Dehnung zugeordnet werden. Dehnungsmessstreifen werden zumeist mittels eines Klebstoffs auf das zu messende oder zu überwachende Bauteil aufgeklebt. In vielen Anwendungsfällen ist es erforderlich, neben der Dehnung auch die Temperatur des zu messenden Bauteils zu überwachen. Dazu kann beispielsweise ein Temperatursensor aus Platin (PT 100) oder ein Thermoelement, das aus einer Materialpaarung aus Eisen/Kupfer-Nickel besteht, verwendet werden. Daher muss in vielen Fällen neben dem Dehnungsmessstreifen zusätzlich ein Temperatursensor an dem Bauteil angebracht werden. Dies gilt auch für Anwendungen, bei denen anstelle einer Dehnungsmessung eine daraus abgeleitete Größe bestimmt werden soll, beispielsweise eine Kraft oder ein Drehmoment. Das Aufbringen des Dehnungsmessstreifens und des zusätzlich erforderlichen Temperatursensors ist daher sehr aufwändig.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Messelement anzugeben, mit dem sowohl eine Dehnungsmessung als auch eine Temperaturmessung möglich ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Messelement der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass es wenigstens einen zweiten, an die Signalauswerteeinheit angeschlossenen Dehnungsmessstreifen aufweist, der zum Erfassen einer temperaturabhängigen Dehnung ausgebildet ist, wobei der erste Dehnungsmessstreifen und der wenigstens eine zweite Dehnungsmessstreifen durch ein gemeinsames Herstellungsverfahren hergestellt sind.
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Die Erfindung weist den Vorteil auf, dass mit einem einzigen Messelement neben einer Dehnungsmessung auch eine Temperaturerfassung möglich ist, wodurch sich der Vorteil ergibt, dass kein separater Temperatursensor oder dergleichen auf das zu messende Bauteil aufgebracht werden muss. Erfindungsgemäß wird die zu erfassende Temperatur indirekt über eine Dehnung erfasst, das heißt, die Temperaturmessung wird in eine Dehnungsmessung überführt. Dazu werden unterschiedliche Temperaturausdehnungskoeffizienten verschiedener Werkstoffe genutzt, die unterschiedliche temperaturabhängige Dehnungen bewirken. Das erfindungsgemäße Messelement weist den Vorteil auf, dass beide Sensoren, nämlich der Dehnungsmessstreifen und der zweite Dehnungsmessstreifen durch dieselbe Technologie in einem gemeinsamen Verfahren hergestellt werden können.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Messelements sind die Dehnungsmessstreifen durch ein Beschichtungsverfahren hergestellt. Mittels des Beschichtungsverfahrens kann sowohl der erste Dehnungsmessstreifen, der für die Erfassung der Dehnung vorgesehen ist, als auch der zweite Dehnungsmessstreifen, der für die Temperaturbestimmung genutzt wird, in einem einzigen Verfahren hergestellt werden. Da beide Dehnungsmessstreifen an die Signalauswerteeinheit angeschlossen sind, wird lediglich eine einzige Signalauswerteeinheit benötigt, so dass die Erfassung der Messdaten besonders rationell ist.
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Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, dass die Signalauswerteeinheit des erfindungsgemäßen Messelements dazu ausgebildet ist, anhand der erfassten temperaturabhängigen Dehnung des wenigstens einen zweiten Dehnungsmessstreifens einen Temperaturwert zu bestimmen. Dazu ist eine Kalibrierung des zweiten Dehnungsmessstreifens erforderlich, so dass jedem erfassten Dehnungswert eine Temperatur zugeordnet werden kann. Auf diese Weise kann die von dem zweiten Dehnungsmessstreifen erfasste temperaturabhängige Dehnung in eine Temperatur umgerechnet werden.
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Der wenigstens eine zweite Dehnungsmessstreifen, der zum Erfassen der temperaturabhängigen Dehnung vorgesehen ist, kann auf unterschiedliche Arten realisiert sein. Gemäß einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Messelements kann der zweite zum Erfassen der temperaturabhängigen Dehnung ausgebildete Dehnungsmessstreifen auf einem Bimetallelement angebracht sein und die Signalauswerteeinheit kann dazu ausgebildet sein, anhand der erfassten Dehnung des Bimetallelements einen Temperaturwert zu bestimmen. Wichtig ist dabei, dass der (erste) Dehnungsmessstreifen, mit dem die Dehnung des Bauteils erfasst wird, und der zweite Dehnungsmessstreifen, der für die Erfassung der temperaturabhängigen Dehnung vorgesehen ist, durch ein gemeinsames Herstellungsverfahren hergestellt sind. Dazu kann das Bimetallelement auf dem Bauteil, an dem die Messung stattfinden soll, angebracht werden, anschließend werden beide Dehnungsmessstreifen durch ein gemeinsames Herstellungsverfahren, insbesondere ein Beschichtungsverfahren, hergestellt.
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Gemäß einer zweiten, alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Messelements kann es vorgesehen sein, dass der zweite, zum Erfassen einer temperaturabhängigen Dehnung ausgebildete Dehnungsmessstreifen auf einem Verformungselement angeordnet ist, das aus einem Material besteht, dessen Temperaturausdehnungskoeffizient sich von demjenigen des zu messenden Bauteils unterscheidet. Das Verformungselement ist so ausgebildet, dass es sich bei einer temperaturbedingten Verformung in eine Vorzugsrichtung verformt. Vorzugsweise kann das Verformungselement des erfindungsgemäßen Messelements eine stabförmige Grundform aufweisen und an wenigstens zwei Punkten an dem zu messenden Bauteil befestigt sein. Die Vorzugsrichtung ist dabei die Querrichtung des stabförmigen Verformungselements. Beim Auftreten einer temperaturbedingten Verformung, die auf einer Dehnung beruht, kann die Dehnung des Verformungselements mittels des zweiten Dehnungsmessstreifens erfasst und von der Signalauswerteeinheit ausgewertet werden. Anhand der temperaturabhängigen Dehnung des zweiten Dehnungsmessstreifens kann die Temperatur des Bauteils bestimmt werden.
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Gemäß einer dritten alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Messelements kann der zweite, zum Erfassen einer temperaturabhängigen Dehnung ausgebildete Dehnungsmessstreifen auf einem Füllelement angeordnet sein, das in eine Ausnehmung des zu messenden Bauteils einsetzbar oder eingesetzt ist, wobei das Füllelement aus einem Material besteht, dessen Temperaturausdehnungskoeffizient sich von demjenigen des zu messenden Bauteils unterscheidet. Bei dieser Messanordnung wird das zu messende Bauteil mit einer Ausnehmung versehen, in die das Füllelement eingesetzt wird. Der zweite, zum Erfassen der temperaturabhängigen Dehnung ausgebildete Dehnungsmessstreifen wird auf dem Füllelement angeordnet, der erste Dehnungsmessstreifen wird direkt auf dem Bauteil platziert. Bei einer Temperaturänderung dehnt sich das zu messende Bauteil aus oder es zieht sich zusammen. Dadurch nimmt die Aufweitung des Werkstoffs, aus dem das Bauteil besteht und der das Füllelement umgibt, zu oder ab. Diese temperaturbedingte Dehnungsänderung kann auf dem Füllelement oder in der direkten Umgebung des Füllelements durch den zweiten Dehnungsmessstreifen gemessen werden. Durch eine Kalibrierung kann einer bestimmten Dehnungsänderung eine Temperaturänderung zugeordnet werden.
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Bei allen unterschiedlichen Varianten des erfindungsgemäßen Messelements kann wenigstens ein weiterer Dehnungsmessstreifen zur Kompensation einer temperaturbedingten Widerstandsänderung des zweiten, zum Erfassen der temperaturbedingten Dehnung ausgebildeten Dehnungsmessstreifens vorgesehen sein.
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Bei dem erfindungsgemäßen Messelement kann die Signalauswerteeinheit dazu ausgebildet sein, aus der erfassten Dehnung eine Kraft oder ein Drehmoment zu bestimmen.
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Daneben betrifft die Erfindung ein Bauteil, umfassend wenigstens ein Messelement der beschriebenen Art. Der zweite, zum Erfassen einer temperaturabhängigen Dehnung ausgebildete Dehnungsmessstreifen ist auf einem auf dem Bauteil angeordneten Bimetallelement oder auf einem auf dem Bauteil befestigten Verformungselement oder auf einem in einer Ausnehmung des Bauteils eingesetzten Füllelement angeordnet.
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Die bei dem erfindungsgemäßen Messelement und dem Bauteil verwendeten Dehnungsmessstreifen können Dünnschicht-DMS sein, die Erfindung kann jedoch gleichermaßen mit Dickschicht-DMS oder Folien-DMS realisiert werden.
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Das erfindungsgemäße Messelement eignet sich besonders gut für Kraft- und/oder Dehnungsmessungen an einem Gleit- oder Wälzlager.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
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1 ein Ausführungsbeispiel eines an einem Wälzlager angebrachten erfindungsgemäßen Messelements;
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2 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Messelements mit einem Verformungselement;
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3 eine Draufsicht auf das in 2 gezeigte Messelement mit dem Verformungselement;
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4 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Messelements mit einem Füllelement; und
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5 eine vergrößerte Ansicht des in 4 gezeigten Füllelements.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
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1 ist eine Seitenansicht und zeigt ein Detail eines Bauteils 1, das als Wälzlager ausgebildet ist. Das Bauteil 1 umfasst ein Messelement 2 zum Erfassen einer Dehnung und/oder einer daraus abgeleiteten Messgröße des Bauteils 1. Aus einer gemessenen Dehnung kann auf eine Kraft oder ein wirkendes Moment geschlossen werden.
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Das Messelement 2 umfasst Dehnungsmessstreifen (DMS) 3, 4, die seitlich am Außenring 5 des Wälzlagers angeordnet sind. Daneben umfasst das Messelement 2 eine Signalauswerteeinheit 6, die über Leitungen 7, 8 mit den Dehnungsmessstreifen 3, 4 verbunden ist. Die Dehnungsmessstreifen 3, 4 sind auf dem Außenring 5 angebracht, bei einer auftretenden Belastung, die eine Dehnung des Außenrings 5 verursacht, werden die Dehnungsmessstreifen 3, 4 analog zu dem Bauteil 1 gedehnt, diese Dehnung ruft eine Änderung des elektrischen Widerstands der Dehnungsmessstreifen 3, 4 hervor, die von der Signalauswerteeinheit 6 erfasst wird.
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Zusätzlich umfasst das Messelement 2 einen zweiten, an die Signalauswerteeinheit 6 angeschlossenen Dehnungsmessstreifen 9, der zum Erfassen einer temperaturabhängigen Dehnung ausgebildet ist. Die beiden ersten Dehnungsmessstreifen 3, 4 und der zweite bzw. weitere Dehnungsmessstreifen 9 sind durch ein gemeinsames Herstellungsverfahren hergestellt. Der Dehnungsmessstreifen 9 ist auf einem Bimetallelement 10 angeordnet. In 1 erkennt man, dass der auf dem Bimetallelement 10 angeordnete Dehnungsmessstreifen 9 ebenfalls über eine Leitung 11 mit der Signalauswerteeinheit 6 elektrisch verbunden ist. In der Praxis sind die Leitungen 7, 8, 11, zweiadrig oder mehradrig ausgeführt, da jeder Dehnungsmessstreifen 3, 4, 9 einen eigenen Stromzweig bildet.
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Zur Herstellung des Messelements 2 wird zunächst das Bimetallelement 10 auf den Außenring 5 aufgebracht, beispielsweise aufgeklebt. Die Dehnungsmessstreifen 3, 4, 9 werden anschließend durch ein gemeinsames Herstellungsverfahren, nämlich ein Beschichtungsverfahren, aufgebracht. Durch die Beschichtung und Strukturierung werden sowohl auf der Außenseite des Außenrings 5 des Wälzlagers als auch auf dem Bimetallelement 10 DMS-Strukturen erzeugt.
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Die Dehnungsmessstreifen 3, 4 sind zum Erfassen einer Dehnung des Außenrings 5 ausgebildet, so dass auf dessen momentane Belastung geschlossen werden kann. Der Dehnungsmessstreifen 9, der auf dem Bimetallelement 10 angebracht ist, erfasst eine temperaturbedingte Dehnung oder Stauchung des Bimetallelements 10, die proportional zu einer Temperaturänderung ist. Durch eine Kalibrierung kann der bestehende Zusammenhang zwischen der Dehnung des Bimetallelements 10 und der Temperatur erfasst werden, der sich in einer Änderung des elektrischen Widerstands des Dehnungsmessstreifens 9 äußert. Auf diese Weise wird die Temperaturbestimmung in eine Dehnungsmessung überführt. Da das temperaturabhängige Dehnungsverhalten des Bimetallelements 10 bekannt ist bzw. mittels einer Kalibrierung bestimmt worden ist, kann jederzeit sowohl die Dehnung des Außenrings 5 mittels der DMS 3, 4 als auch die Temperatur anhand der Dehnung des Dehnungsmessstreifens 9 bestimmt werden.
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Die 2 und 3 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel eines Messelements 12, das in Übereinstimmung mit dem ersten Ausführungsbeispiel einen (ersten) Dehnungsmessstreifen 13 aufweist, der auf der Oberseite eines Bauteils 14 angeordnet ist. Zusätzlich umfasst das Messelement 12 einen zweiten, zum Erfassen einer temperaturabhängigen Dehnung ausgebildeten Dehnungsmessstreifen 15, der auf einem Verformungselement 16 angeordnet ist.
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In diesem Ausführungsbeispiel ist das Verformungselement 16 als im Wesentlichen rechteckige Platte ausgebildet, wie in der Draufsicht von 3 gezeigt ist. Das Verformungselement ist an zwei Punkten 17, 18 an dem zu messenden Bauteil 14 mittels Schrauben befestigt. Der Dehnungsmessstreifen 15 ist etwa in der Mitte des Verformungselements 16 auf dessen Oberfläche aufgebracht. Zusätzlich ist auf der Oberseite des Bauteils 14 ein weiterer Dehnungsmessstreifen 19 angeordnet, der als Kompensations-Dehnungsmessstreifen dient. Alle Dehnungsmessstreifen 13, 15, 19 sind mit der Signalauswerteeinheit 6 über Leitungen verbunden.
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Das Verformungselement 16 besteht aus einem Werkstoff, dessen Temperaturausdehnungskoeffizient sich von demjenigen des Bauteils 14, an dem die Dehnung oder die Kraft gemessen werden soll, unterscheidet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel besteht das Bauteil 14 aus Stahl, das Verformungselement 16 aus Kupfer. Bei einer Änderung der Temperatur verformt sich das Verformungselement 16, in 2 gibt der Doppelpfeil 20 die Verformungsrichtung an. Das Verformungselement 16 biegt sich somit senkrecht zur Oberseite bzw. Längsrichtung des Bauteils 14 nach oben, von dem Bauteil 14 weg. Dabei dehnt sich das Verformungselement 16 aus, diese Dehnung kann durch den Dehnungsmessstreifen 15 erfasst werden. Alternativ zu einem einzigen Dehnungsmessstreifen kann auf dem Verformungselement auch eine DMS-Brücke angeordnet sein. Die Dehnungsmessstreifen 13, 15, 19 sind durch ein gemeinsames Herstellungsverfahren durch Beschichten hergestellt. Dementsprechend kann sowohl die Dehnung des Bauteils 14 mittels des Dehnungsmessstreifens 13 als auch eine Temperatur über den Umweg einer Erfassung der Dehnung des Verformungselements 16 bestimmt werden.
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Die 4 und 5 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Messelements 21, das in Übereinstimmung mit dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel an der Außenseite eines als Wälzlager ausgebildeten Bauteils 22 angeordnet ist. Das Bauteil 22, das als Lagerring ausgebildet ist, weist an seiner Außenseite mehrere Ausnehmungen 23 auf, in die jeweils ein Füllelement 24 eingesetzt ist. In 4 ist lediglich eine derartige Ausnehmung dargestellt.
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Das Füllelement 24 weist eine im Wesentlichen zylindrische Form auf, auf der Oberseite des Füllelements 24 ist ein Dehnungsmessstreifen 25 angeordnet. Zusätzlich ist seitlich an dem Bauteil 22 bzw. seitlich an dem Lagerring ein weiterer Dehnungsmessstreifen 26 angeordnet, der zum Erfassen einer Dehnung oder einer daraus abgeleiteten Messgröße wie eine Kraft oder ein Moment ausgebildet ist. Die Dehnungsmessstreifen 25, 26 sind mit der Signalauswerteeinheit 6 über Leitungen verbunden. Für die Funktion des Mess-elements 21 ist es wesentlich, dass das Füllelement 24 aus einem Werkstoff besteht, dessen Temperaturausdehnungskoeffizient sich von demjenigen des Bauteils 22, an dem die Dehnung oder die Kraft gemessen werden soll, unterscheidet. Das Füllelement 24 ist so in die Ausnehmung 23 eingebracht, dass es über den Einsatzbereich der Temperatur nicht frei wird. Bei einer Temperaturänderung des Bauteils 2 nimmt die Aufweitung des Werkstoffs des Bauteils 22, der das Füllelement 24 umgibt, zu oder ab. Dadurch entsteht eine Dehnungsänderung des Füllelements 24 bzw. des Füllelements selbst. Diese Dehnungsänderung ist proportional zur Temperaturänderung. Nach einer Kalibrierung des von dem Dehnungsmessstreifen 25 gelieferten Dehnungssignals kann dieses in einen Temperaturwert umgerechnet werden, so dass über den Umweg einer Dehnungsmessung die Temperaturmessung erfolgt. Zusätzlich zu der Ausnehmung 23 weist das Bauteil 22 eine weitere Ausnehmung 27 auf, die ebenfalls seitlich an dem Bauteil 22 angeordnet ist. In der Ausnehmung 27 befindet sich ein Füllelement 28, das dem Füllelement 24 entspricht. Das Füllelement 28 ist von einem Dehnungsmessstreifen 29 umgeben, der an eine weitere Signalauswerteeinheit angeschlossen ist. An diese weitere Signalauswerteeinheit ist auch ein Dehnungsmessstreifen 30 angeschlossen, der an der Außenseite des Bauteils 22 angeordnet ist, und der dem Dehnungsmessstreifen 26 entspricht.
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5 zeigt die Ausnehmung 27, in die das Füllelement 28 eingesetzt ist, in einem vergrößerten Maßstab. In 5 erkennt man, dass das Füllelement 28 von dem Dehnungsmessstreifen 29, dessen Signal einen zur Temperaturänderung proportionalen Dehnungsmesswert liefert, umgeben ist. Der Dehnungsmessstreifen 29 umgibt die Ausnehmung 27 mäanderartig. Zusätzlich ist ein weiterer Dehnungsmessstreifen 31 als Kompensations-DMS vorgesehen, der im Wesentlichen kreisförmig ausgebildet ist und den mäanderförmigen Dehnungsmessstreifen 29 außenseitig umgibt. Die Dehnungsmessstreifen 29, 31 sind seitlich an dem Bauteil 22 angebracht. Das Aufbringen aller Dehnungsmessstreifen 29, 30, 31 sowie der Dehnungsmessstreifen 25, 26 erfolgt durch ein einziges Beschichtungsverfahren, nachdem zuvor die Füllelemente 24, 28 in die Ausnehmungen 23, 27 eingebracht worden sind. Anschließend wird das Füllelement 28 durch Beschichten mit dem Dehnungsmessstreifen 25 versehen, im Rahmen desselben Herstellungsprozesses werden die Dehnungsmessstreifen 29, 30, 31 aufgebracht.
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Die Messelemente bzw. die mit einem oder mehreren Messelementen versehenen Bauteile können effizient und kostengünstig durch ein einziges Herstellungsverfahren, bei dem eine Beschichtung aufgebracht wird, erzeugt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bauteil
- 2
- Messelement
- 3
- Dehnungsmessstreifen
- 4
- Dehnungsmessstreifen
- 5
- Außenring
- 6
- Signalauswerteeinheit
- 7
- Leitung
- 8
- Leitung
- 9
- Dehnungsmessstreifen
- 10
- Bimetallelement
- 11
- Leitung
- 12
- Messelement
- 13
- Dehnungsmessstreifen
- 14
- Bauteil
- 15
- Dehnungsmessstreifen
- 16
- Verformungselement
- 17
- Punkt
- 18
- Punkt
- 19
- Dehnungsmessstreifen
- 20
- Doppelpfeil
- 21
- Messelement
- 22
- Bauteil
- 23
- Ausnehmung
- 24
- Füllelement
- 25
- Dehnungsmessstreifen
- 26
- Dehnungsmessstreifen
- 27
- Ausnehmung
- 28
- Füllelement
- 29
- Dehnungsmessstreifen
- 30
- Dehnungsmessstreifen
- 31
- Dehnungsmessstreifen
