DE102014224185A1 - Arrangement for detecting an overload of a component made of a fiber composite material - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Anordnung (1) zum Überwachen eines Bauteils (2) zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug, bezüglich einer Überbelastung, umfassend: – das Bauteil (2) aus einem Faserverbundwerkstoff zum elastischen Aufnehmen einer Last, wobei das Bauteil (2) ein oder mehrere Elemente (3) aufweist, wobei mindestens eines der Elemente (3) mit einer Schwachstelle (4) versehen ist, an der bei einer Überbelastung des Bauteils (2) eine Schädigung des Faserverbundwerkstoffs vor einer Schädigung der übrigen Bereiche der Elemente (39 auftritt. – eine Sensoranordnung (5) zum optischen Erfassen der Schädigung an der Schwachstelle (4).The invention relates to an arrangement (1) for monitoring a component (2) for use in a motor vehicle with respect to overloading, comprising: - the component (2) made of a fiber composite material for resiliently receiving a load, wherein the component (2) is an or a plurality of elements (3), wherein at least one of the elements (3) is provided with a weak point (4) at which at an overload of the component (2) damage to the fiber composite material from damage to the remaining areas of the elements (39 occurs. - A sensor arrangement (5) for optically detecting the damage to the weak point (4).
Description
Technisches Gebiet Technical area
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Detektieren einer Überbelastung oder Schädigung eines aus einem Faserverbundwerkstoff gebildeten Bauteils. The invention relates to a method for detecting an overload or damage of a component formed from a fiber composite material.
Stand der Technik State of the art
Im Kraftfahrzeug sind viele Bauteile vorgesehen, die elastisch verformbar sind, um eine Kraftübertragung bzw. eine Bewegung zwischen zwei Komponenten bei plötzlich einwirkenden Kräften zu dämpfen. Beispielsweise dienen Blattfedern zum Dämpfen von über die Straße auf die Karosserie des Kraftfahrzeugs ausgeübten Schlägen. In the motor vehicle, many components are provided which are elastically deformable in order to dampen a force transmission or a movement between two components in the case of suddenly acting forces. For example, leaf springs are used to dampen impacts applied to the body of the motor vehicle via the road.
Neben metallischen Materialien, wie Stahl und Aluminium, können derartige Bauteile auch aus Faserverbundwerkstoffen ausgebildet sein. Bei Bauteilen aus Metall tritt bei einer Überbelastung eine bleibende plastische Verformung auf, die sich durch eine Veränderung im Fahrverhalten des Kraftfahrzeugs bemerkbar macht. Dies ist jedoch bei Bauteilen aus Faserverbundwerkstoffen nicht der Fall. Dort entstehen bei Überbelastung Faserrisse und sonstige Materialveränderungen, die die Belastbarkeit des Materials bezüglich Biegebelastungen verringern. In addition to metallic materials such as steel and aluminum, such components may also be formed from fiber composites. In the case of components made of metal, an overloading results in permanent plastic deformation, which is manifested by a change in the driving behavior of the motor vehicle. However, this is not the case with components made of fiber composites. There, when overloaded, fiber cracks and other material changes occur which reduce the load capacity of the material with regard to bending loads.
Bei einer durch eine Überbelastung bedingten Schädigung eines Faserverbundmaterials und einer entsprechenden Abnahme der Biegebelastbarkeit kann die Schädigung nicht ohne Weiteres erkannt werden, insbesondere dann nicht, wenn das Bauteil über die verbundenen Komponenten keinen weiteren großen Belastungen ausgesetzt wird. Jedoch ist die Biegebelastbarkeit des Bauteils reduziert, so dass es bei einer weiteren größeren Belastung zu einem Bruch des Bauteils kommen kann. In a caused by an overload damage to a fiber composite material and a corresponding decrease in the bending load, the damage can not be readily recognized, especially not if the component is exposed to the connected components no further large loads. However, the flexural strength of the component is reduced, so that it can lead to a fraction of the component at a further greater load.
Die Druckschrift
Weiterhin ist aus der Druckschrift
In der Druckschrift
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung zum Überwachen eines Bauteils aus einem Kunststoffmaterial bezüglich einer Überbelastung bzw. bezüglich einer Schädigung aufgrund einer Überbelastung zur Verfügung zu stellen, so dass ein Fehler vor einer plastischen oder irreversiblen Verformung des Bauteils erkannt werden kann. It is an object of the present invention to provide an arrangement for monitoring a component made of a plastic material with respect to an overload or with respect to a damage due to an overload available, so that an error can be detected before a plastic or irreversible deformation of the component.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Diese Aufgabe wird durch die Anordnung zum Überwachen eines Bauteils, insbesondere einer Blattfeder, bezüglich einer Überbelastung in einem Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 1 gelöst. This object is achieved by the arrangement for monitoring a component, in particular a leaf spring, with respect to an overload in a motor vehicle according to
Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Anordnung zum Überwachen eines Bauteils zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug bezüglich einer Überbelastung vorgesehen, umfassend:
- – das Bauteil aus einem Faserverbundwerkstoff zum elastischen Aufnehmen einer Last, wobei das Bauteil ein oder mehrere Elemente aufweist, wobei mindestens eines der Elemente mit einer Schwachstelle versehen ist, an der bei einer Überbelastung des Bauteils eine Schädigung des Faserverbundwerkstoffs vor einer Schädigung der übrigen Bereiche der Elemente auftritt; und.
- – eine Sensoranordnung zum optischen Erfassen der Schädigung an der Schwachstelle.
- - The component of a fiber composite material for resiliently receiving a load, wherein the component comprises one or more elements, wherein at least one of the elements is provided with a weak point, at the overload of the component damage to the fiber composite material from damage to the remaining areas of the Elements occurs; and.
- A sensor arrangement for optically detecting the damage at the weak point.
Eine Idee der obigen Anordnung besteht darin, ein oder mehrere Elemente eines Bauteils mit mindestens einer Schwachstelle zu versehen, die eine geringere Biegebelastbarkeit aufweist, als übrige Stellen der Elemente. Bei Überbelastung des Bauteils durch eine zu hohe Biegebelastung ist eine Beschädigung oder ein Brechen desjenigen Elements, das mit der Schwachstelle versehen ist, zu erwarten. Bei Elementen aus einem Faserverbundwerkstoff äußert sich eine Schädigung vor dem vollständigen Bruch durch eine Verfärbung, insbesondere eine Weißverfärbung, an der Oberfläche des Faserverbundwerkstoffs, so dass dadurch eine Überbelastung an der Schwachstelle erkannt werden kann. Die Verfärbung entsteht durch eine Verstreckung des Materials und stellt eine Vorschädigung bei Kunststoffmaterialien und Faserverbundwerkstoffen dar, die im Falle einer weiteren Überbelastung einen Bruch ankündigen kann. Insbesondere wird durch das gezielte Vorsehen einer Schwachstelle im Faserverbundwerkstoff ein Bereich geschaffen, dessen optische Eigenschaften sich bei einer Überbelastung ändern, so dass diese durch eine geeignete optische Sensoranordnung erkannt werden kann. An idea of the above arrangement is to provide one or more elements of a component with at least one weak point, which has a lower bending load capacity, than remaining locations of the elements. If the component is overloaded by too high a bending load, damage or breakage of the element which is provided with the weak point is to be expected. In the case of elements made of a fiber composite material, damage prior to complete breakage due to discoloration, in particular white discoloration, manifests itself on the surface of the fiber composite material, so that overstressing of the weak point can be recognized. The discoloration is caused by a stretching of the material and is a pre-damage to plastic materials and fiber composites, which can announce a break in the event of further overload. In particular, the targeted provision of a weak point in the fiber composite material creates a region whose optical properties change when overloaded so that it can be detected by a suitable optical sensor arrangement.
Weiterhin kann das Bauteil eine Blattfeder umfassen, die als das eine oder die mehreren Elemente längliche flächige Federelemente aufweist, wobei die Federelemente senkrecht zu ihren Hauptflächen übereinander angeordnet sind. Furthermore, the component may comprise a leaf spring which, as the one or more elements, has elongated flat spring elements, wherein the spring elements are arranged one above the other perpendicular to their major surfaces.
Insbesondere kann die Schwachstelle durch eine oder mehrere der folgenden Maßnahmen gebildet sein:
- – verringerter Querschnitt bezüglich einer Längenrichtung des Elements, an der eine Biegebelastung auftritt;
- – eine Perforation des Elements durch eine oder mehrere Durchgangsöffnungen; und
- – eine Materialveränderung des Faserverbundwerkstoffs zum Reduzieren der Biegebelastbarkeit des Elements.
- - Reduced cross section with respect to a length direction of the element at which a bending load occurs;
- - a perforation of the element through one or more through holes; and
- - A material change of the fiber composite material for reducing the bending load capacity of the element.
Weiterhin kann der Faserverbundwerkstoff so gewählt sein, dass bei Auftreten einer Überbelastung an der Schwachstelle eine Verfärbung eines Oberflächenabschnitts der Schwachstelle auftritt. Furthermore, the fiber composite material can be chosen so that when an overload occurs at the weak point discoloration of a surface portion of the vulnerability occurs.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Sensoranordnung eine optische Sensoreinheit umfassen, um eine Änderung eines Reflektionsverhaltens an dem Oberflächenabschnitt zu detektieren. According to one embodiment, the sensor arrangement may comprise an optical sensor unit in order to detect a change in a reflection behavior at the surface section.
Weiterhin kann die Sensoranordnung eine fest mit dem Element verbundene Sensoraufnahme zur Aufnahme einer Sensoreinheit aufweisen. Die Sensoraufnahme ist insbesondere ausgebildet, um eine Sensoreinheit aufzunehmen, so dass ein Lichtstrahl einer Lichtquelle der Sensoreinheit auf den Oberflächenabschnitt gerichtet ist. Die Sensoranordnung kann weiterhin ein lichtempfindliches Element aufweisen, das ausgebildet ist, um eine Lichtstärke von von dem Oberflächenabschnitt reflektiertem Licht zu detektieren. Furthermore, the sensor arrangement may have a sensor receptacle fixedly connected to the element for receiving a sensor unit. The sensor receptacle is in particular designed to receive a sensor unit, so that a light beam of a light source of the sensor unit is directed onto the surface section. The sensor assembly may further include a photosensitive element configured to detect a light intensity of light reflected from the surface portion.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Sensoreinheit mit einem Rastelement versehen sein, das so ausgebildet ist, dass es bei Einsetzen in die Sensoraufnahme darin verrastet. According to one embodiment, the sensor unit may be provided with a latching element, which is designed such that it latches when inserted into the sensor receptacle therein.
Es kann vorgesehen sein, dass mehrere Schwachstellen an den Elementen vorgesehen sind, die jeweils mit einer Sensoranordnung versehen sind, wobei die Schwachstellen ausgebildet sind, so dass bei verschiedenen Biegebelastungen eine Schädigung auftritt. It can be provided that a plurality of weak points are provided on the elements, which are each provided with a sensor arrangement, wherein the weak points are formed, so that damage occurs at different bending loads.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein System mit der obigen Anordnung und einem Steuergerät vorgesehen, wobei das Steuergerät ausgebildet ist, um einen der Schädigung des Faserverbundwerkstoffs entsprechenden Messwert zu erfassen. According to a further aspect, a system with the above arrangement and a control unit is provided, wherein the control unit is designed to detect a measured value corresponding to the damage of the fiber composite material.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass das Steuergerät signalisiert, wenn ein Messwert einen ein Maß einer Schädigung vorgebenden Schwellenwert überschreitet. Furthermore, provision can be made for the control unit to signal when a measured value exceeds a threshold value which predetermines a degree of damage.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Embodiments are explained below with reference to the accompanying drawings. Show it:
Beschreibung von Ausführungsformen Description of embodiments
Die Federelemente
Der Faserverbundwerkstoff kann aus allgemein üblichen Materialien, wie Glas, Kohle, Aramid, Basalt und dergleichen hergestellt sein, das in Form von Geweben, Gelegen, Gestricken, Geflechten oder auch einzelnen Faserbündeln vorliegt. Das Fasermaterial ist in eine duro- oder thermoplastische Matrix eingelassen, zum Beispiel durch Techniken wie Prepreg- oder RTM-Verfahren. The fiber composite may be made of common materials such as glass, carbon, aramid, basalt, and the like, which may be in the form of woven, laid, knitted, braided, or even single fiber bundles. The fibrous material is embedded in a duroplastic or thermoplastic matrix, for example by techniques such as prepreg or RTM processes.
Blattfedern aus Faserverbundwerkstoffen werden insbesondere dort eingesetzt, wo diese eine hohe Stabilität bei gleichzeitig geringem Gewicht aufweisen sollen, wie beispielsweise beim Einsatz in Transportmitteln, wie beispielsweise Flugzeugen und Kraftfahrzeugen. Leaf springs made of fiber composite materials are used in particular where they should have a high stability with low weight, such as when used in means of transport, such as aircraft and motor vehicles.
Beim Einsatz von Blattfedern aus einem metallischen Material zeigt sich eine Überbelastung durch eine plastische Verformung. Eine solche plastische Verformung zeigt sich durch eine veränderte Anordnung von den über die Blattfeder miteinander verbundenen Komponenten des Kraftfahrzeugs. Wenn die Blattfeder für eine Achsaufhängung in einem Kraftfahrzeug verwendet wird, ist ein verändertes Fahrverhalten die Folge. The use of leaf springs made of a metallic material shows an overload due to a plastic deformation. Such a plastic deformation is manifested by a changed arrangement of the components of the motor vehicle connected to one another via the leaf spring. When the leaf spring is used for an axle suspension in a motor vehicle, a changed driving behavior is the result.
Der Faserverbundwerkstoff einer Blattfeder wird bei einer Überbelastung ebenfalls geschädigt. Die Schädigung besteht in der Regel nicht in einer plastischen Verformung der gesamten Blattfeder sondern tritt je nach Dauer und Stärke der Überbelastung nur an bestimmten Bereichen auf. Im Bereich der Schädigung verliert der Faserverbundwerkstoff die Fähigkeit, Biegekräfte aufzunehmen, und die Blattfeder verliert somit insgesamt ihre Steifigkeit und ihre gesamte Biegebelastbarkeit. The fiber composite material of a leaf spring is also damaged in an overload. The damage is usually not in a plastic deformation of the entire leaf spring but occurs depending on the duration and strength of the overload only on certain areas. In the area of damage, the fiber composite loses the ability to absorb bending forces, and the leaf spring thus loses its rigidity and total bending load capacity.
Die Bereiche, in denen bei einer kurzzeitigen Überbelastung eine Schädigung auftritt äußern sich an der Oberfläche des Faserverbundmaterials durch eine Verfärbung, insbesondere durch eine Weißfärbung. Eine solche Weißfärbung der Oberfläche des Faserverbundmaterials an einem zuvor einer Überbelastung ausgesetzten Bereich wird Weißbruch genannt. The areas in which damage occurs during brief overloading are manifested on the surface of the fiber composite material by a discoloration, in particular by a whitening. Such a white coloration of the surface of the fiber composite material on a previously exposed to an overload area is called white fracture.
Es ist nun vorgesehen, eine Blattfeder
Die Schwachstelle
Auch kann die Blattfeder
In den
Die Sensoraufnahme
Die Sensoreinheit
Von der Sensoreinheit
In
Durch einen Vorher/Nachher-Vergleich der Lichtstärke des von dem Oberflächenabschnitt der Schwachstelle
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1 1
- Blattfeder leaf spring
- 2 2
- Federelement spring element
- 3 3
- Befestigungspunkte attachment points
- 4 4
- Schwachstelle weak spot
- 5 5
- Sensoranordnung sensor arrangement
- 51 51
- Sensoraufnahme sensor recording
- 52 52
- Sensoreinheit sensor unit
- 53 53
- hülsenförmiger Abschnitt sleeve-shaped section
- 54 54
- Flanschabschnitt flange
- 55 55
- Rastelement locking element
- 56 56
- Anschlussleitung connecting cable
- 60 60
- Auswerteeinheit evaluation
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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- DE 4213884 A1 [0007] DE 4213884 A1 [0007]
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