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Die Erfindung betrifft eine Messanordnung mit einem mechanischen Bauteil, wenigstens einer, fest mit dem Bauteil verbundenen, sensitiven Schicht, die aus einem elektrisch leitfähigen Komposit aus einer Matrix und in diese eingebetteten Partikeln besteht und vier elektrische Kontaktstellen aufweist, die zwei Kontaktstellenpaare mit jeweils zwei der Kontaktstellen bilden, wobei die wenigstens eine sensitive Schicht zwischen den Kontaktstellen jedes Kontaktstellenpaars jeweils einen elektrischen Widerstand bildet, und einer elektrisch mit den Kontaktstellen verbundenen Auswerteeinheit, mittels welcher in Abhängigkeit von den elektrischen Widerständen wenigstens ein eine mechanische Belastung des Bauteils charakterisierendes Belastungssignal erzeugbar ist.
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Eine derartige Messanordnung wird z.B. dazu verwendet, auf das Bauteil einwirkende Zug- und Druckkräfte zu messen. Es gibt aber auch Bauteile, die durch Drehmomente belastet und z.B. tordiert werden.
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Aus
JP 2016-011937 A ist eine Messanordnung zur Erfassung von Belastungen von mechanischen Bauteilen bekannt. Diese wird fest mit dem Bauteil verbunden und weist eine sensitive Schicht auf, die aus einem elektrisch leitfähigen Komposit aus einer Matrix und in diese eingebetteten Partikeln besteht. Weiterhin sind mehrere Kontaktstellen vorgesehen, die jeweils Kontaktstellenpaare bilden, wobei die sensitive Schicht zwischen den Kontaktstellen jedes Kontaktstellenpaars jeweils einen elektrischen Widerstand bildet. Eine elektrisch mit den Kontaktstellen verbundene Auswerteeinheit ist vorgesehen, mittels welcher in Abhängigkeit von den elektrischen Widerständen wenigstens ein eine mechanische Belastung des Bauteils charakterisierendes Belastungssignal erzeubar ist.
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DE 198 14 261 A1 betrifft eine Drehmoment- bzw. Torsionsmesssanordnung von bezüglich der Längsachse diagonal angeordneten Dehnungsmessstreifen.
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DE 100 55 943 A1 offenbart eine Messanordnung zur Messung von aufgrund von Belastungen hervorgerufenen Verformungen in verschiedene Richtungen.
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Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Messanordnung zu schaffen, mittels welcher ein auf ein Bauteil wirkendes Drehmoment und/oder eine Torsion des oder eines Bauteils erfassbar ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Messanordnung nach Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und in der nachfolgenden Beschreibung gegeben.
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Eine Messanordnung mit einem mechanischen Bauteil, wenigstens einer, fest mit dem Bauteil verbundenen, sensitiven Schicht, die aus einem elektrisch leitfähigen Komposit aus einer Matrix und in diese eingebetteten Partikeln besteht und vier elektrische Kontaktstellen aufweist, die zwei Kontaktstellenpaare mit jeweils zwei der Kontaktstellen bilden, wobei die wenigstens eine sensitive Schicht zwischen den Kontaktstellen jedes Kontaktstellenpaars jeweils einen elektrischen Widerstand bildet, und einer elektrisch mit den Kontaktstellen verbundenen Auswerteeinheit, mittels welcher in Abhängigkeit von den elektrischen Widerständen wenigstens ein eine mechanische Belastung des Bauteils charakterisierendes Belastungssignal erzeugbar ist, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktstellen einen viereckigen Bereich definieren, dessen Diagonalen durch jeweils eines der Kontaktstellenpaare definiert sind. Durch die Anordnung der Kontaktstellenpaare auf Diagonalen eines durch die Kontaktstellen definierten Vierecks ist es insbesondere möglich, eine Torsion des Bauteils und/oder ein auf das Bauteil wirkendes Drehmoment zu messen. Erfindungsgemäß charakterisiert das wenigstens eine Belastungssignal ein auf das Bauteil wirkendes Drehmoment und/oder eine Torsion des Bauteils. Weiterhin erfindungsgemäß erstreckt sich das Bauteil zumindest im Bereich der sensitiven Schicht in einer Längsrichtung, zu welcher die Diagonalen schräg verlaufen.
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Vorteilhaft verlaufen zwei Längsseiten des viereckigen Bereichs in Längsrichtung. Bevorzugt ist der viereckige Bereich rechteckig oder quadratisch. Vorzugsweise ist oder bildet der viereckige Bereich einen, insbesondere viereckigen, Bereich der wenigstens einen sensitiven Schicht. Bevorzugt ist der viereckige Bereich, insbesondere vollständig, durch die wenigstens eine sensitive Schicht gebildet.
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Gemäß einer Ausgestaltung weist das Bauteil eine Bauteiloberfläche auf, auf der die wenigstens eine sensitive Schicht vorgesehen ist. Bevorzugt ist zwischen der wenigstens einen sensitiven Schicht und dem Bauteil oder dessen Bauteiloberfläche eine oder wenigstens eine elektrisch isolierende Isolationsschicht vorgesehen. Somit ist es möglich, die wenigstens eine sensitive Schicht auch auf ein elektrisch leitfähiges Bauteil aufzubringen. Die wenigstens eine sensitive Schicht ist z.B. stoffschlüssig und/oder formschlüssig und/oder kraftschlüssig mit der Bauteiloberfläche verbunden. Vorteilhaft ist oder sind die wenigstens eine sensitive Schicht und/oder die Auswerteeinheit in einem an dem Bauteil vorgesehenen Gehäuse vorgesehen.
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Bevorzugt handelt es sich bei der wenigstens einen sensitiven Schicht um eine oder um eine einzige oder um genau eine sensitive Schicht. Alternativ umfasst die wenigstens eine sensitive Schicht z.B. zwei oder wenigstens zwei, insbesondere übereinander angeordnete, sensitive Schichten, die vorzugsweise jeweils die Kontaktstellen genau eines der Kontaktstellenpaare aufweisen. Somit können die elektrischen Pfade entlang der Diagonalen elektrisch voneinander entkoppelt werden. Bevorzugt ist zwischen den sensitiven Schichten wenigstens eine elektrisch isolierende Isolationsschicht oder Zwischenschicht vorgesehen.
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Die Matrix ist bevorzugt elektrisch isolierend und/oder besteht bevorzugt aus einem elektrisch isolierenden Material. Insbesondere besteht die Matrix aus einem thermoplastischen oder duroplastischen Kunststoff, wie z.B. aus einem Harz oder Kunstharz. Beispielsweise besteht die Matrix aus Epoxidharz. Vorzugsweise sind die Partikel elektrisch leitfähig und/oder bestehen aus einem elektrisch leitfähigen Material, beispielsweise aus einem Metall, wie z.B. Eisen. Insbesondere umfassen die Partikel Kohlenstoffnanoröhren und/oder die Partikel sind aus Kohlenstoffnanoröhren gebildet. Kohlenstoffnanoröhren werden z.B. auch durch den Ausdruck CNT abgekürzt, der aus der englischen Bezeichnung „Carbon Nano Tubes“ für Kohlenstoffnanoröhren abgeleitet ist.
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Gemäß einer Weiterbildung ist durch die wenigstens eine sensitive Schicht ein erster der elektrischen Widerstände zwischen den Kontaktstellen eines ersten der Kontaktstellenpaare und ein zweiter der elektrischen Widerstände zwischen den Kontaktstellen eines zweiten der Kontaktstellenpaare gebildet.
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Bevorzugt umfasst das wenigstens eine Belastungssignal ein den ersten elektrischen Widerstand charakterisierendes erstes Widerstandssignal und ein den zweiten elektrischen Widerstand charakterisierendes zweites Widerstandssignal. Beispielsweise wird das wenigstens eine Belastungssignal und/oder werden die beiden Widerstandssignale durch, insbesondere gleichzeitige oder aufeinander folgende, Widerstandsmessungen der elektrischen Widerstände gewonnen. Die Auswerteeinheit umfasst z.B. eine Widerstandsmessvorrichtung, mittels welcher die Widerstandsmessungen durchführbar sind.
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Gemäß einer Ausgestaltung weist die Auswerteinheit eine die elektrischen Widerstände umfassende Brückenschaltung oder Messbrücke auf, wobei das wenigstens eine Belastungssignal insbesondere durch die Brückenquerspannung oder Brückenzweigspannung der Brückenschaltung oder Messbrücke gegeben ist und/oder die Brückenquerspannung oder Brückenzweigspannung der Brückenschaltung oder Messbrücke umfasst. Hierdurch ist z.B. auch eine Kompensation von Abhängigkeiten der elektrischen Widerstände von der Temperatur möglich (Temperaturkompensation). Bevorzugt umfasst die Brückenschaltung oder Messbrücke zwei parallel geschaltete Spannungsteiler, die jeweils einen der elektrischen Widerstände und einen elektrischen Referenzwiderstand umfassen. Die Messbrücke ist vorzugsweise eine Wheatstonesche Messbrücke. Die elektrischen Referenzwiderstände sind insbesondere gleich.
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Die Erfindung betrifft ferner einen verstellbaren Wankstabilisator mit zwei Stabilisatorhälften, die durch einen Verstellantrieb miteinander verbunden sind, der mittels eines elektrischen Steuergeräts steuerbar ist, und einer erfindungsgemäßen Messanordnung, wobei eine der Stabilisatorhälften das mechanische Bauteil bildet. Bevorzugt umfasst das Steuergerät die Auswerteeinheit und/oder das Steuergerät ist mit der Auswerteeinheit, insbesondere elektrisch, verbunden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
- 1 eine schematische Ansicht eines verstellbaren Wankstabilisators mit einer Messanordnung gemäß einer ersten Ausführungsform,
- 2 eine schematische Ansicht der Messanordnung gemäß der ersten Ausführungsform mit einer auf einem Bauteil angeordneten sensitiven Schicht,
- 3 die Ansicht nach 2 bei einem auf das Bauteil wirkenden Drehmoment und
- 4 eine schematische Ansicht einer Messanordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform.
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Aus 1 ist eine schematische Ansicht eines verstellbaren Wankstabilisators 1 mit einer Messanordnung 2 gemäß einer ersten Ausführungsform ersichtlich, wobei der verstellbare Wankstabilisator 1 zwei Stabilisatorhälften 3 und 4 aufweist, die durch einen Verstellantrieb 5 miteinander verbunden sind, der mittels eines Steuergeräts 6 steuerbar ist. Die Stabilisatorhälften 3 und 4 weisen jeweils einen sich in einer Längsrichtung x erstreckenden Stabilisatorhälftenabschnitt 7 auf, dessen Längsmittelachse mit dem Bezugszeichen 8 gekennzeichnet ist. Die Längsmittelachse 8 erstreckt sich somit in Längsrichtung x.
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2 zeigt eine schematische Ansicht der Messanordnung 2, die ein durch die Stabilisatorhälfte 3 gebildetes mechanisches Bauteil, wenigstens eine, fest mit dem Bauteil 3 verbundene, sensitive Schicht 9, die aus einem elektrisch leitfähigen Komposit aus einer elektrisch isolierenden Matrix und in diese eingebetteten, elektrisch leitfähigen Partikeln besteht, eine elektrisch isolierende Isolationsschicht 10, die zwischen der sensitiven Schicht 9 und einer Bauteiloberfläche des Bauteils 3 vorgesehen ist, und vier elektrische Kontaktstellen 11, 12, 13 und 14 aufweist, die zwei Kontaktstellenpaare mit jeweils zwei der Kontaktstellen bilden. Dabei bilden die Kontakte 11 und 12 ein erstes Kontaktstellenpaar und die Kontakte 13 und 14 ein zweites Kontaktstellenpaar. Die sensitive Schicht 9 ist im Stabilisatorhälftenabschnitt 7 der Stabilisatorhälfte 3 vorgesehen. Bei den elektrisch leitfähigen Partikeln handelt es sich insbesondere um Kohlenstoffnanoröhren.
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Die Kontaktstellen 11, 12, 13 und 14 definieren einen viereckigen Bereich der sensitiven Schicht 9, dessen Diagonalen durch jeweils eines der Kontaktstellenpaare definiert sind. Dabei ist eine erste der Diagonalen durch die Kontaktstellen 11 und 12 und eine zweite der Diagonalen durch die Kontaktstellen 13 und 14 definiert. Zwischen den Kontaktstellen 11 und 12 des ersten Kontaktstellenpaars wird durch die sensitive Schicht 9 ein erster elektrischer Widerstand R1 gebildet. Ferner wird zwischen den Kontaktstellen 13 und 14 des zweiten Kontaktstellenpaars durch die sensitive Schicht 9 ein zweiter elektrischer Widerstand R2 gebildet.
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Wirkt auf die Stabilisatorhälfte 3 ein Drehmoment M um die Längsmittelachse 8, so verringert sich der Abstand zwischen den Kontaktstellen 11 und 12, sodass sich auch der Widerstand R1 verringert. Ferner vergrößert sich der Abstand zwischen den Kontaktstellen 13 und 14, sodass sich auch der Widerstand R2 vergrößert. Dies ist in 3 durch Pfeile in der sensitiven Schicht 9 angedeutet. Wirkt das Drehmoment hingegen in die entgegengesetzte Richtung, so vergrößert sich der Widerstand R1 und verringert sich der Widerstand R2. Vorzugsweise ändern sich die Widerstände auf Grund des Drehmoments zwar entgegengesetzt, aber im gleichen Maße.
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Durch Widerstandsmessungen der Widerstände R1 und R2 lassen sich somit Informationen über das wirkende Drehmoment M gewinnen. Insbesondere lässt sich durch Widerstandsmessungen der Widerstände R1 und R2 wenigstens ein das Drehmoment M charakterisierendes Signal erzeugen. Da das Drehmoment M das Bauteil 3 mechanisch belastet, insbesondere tordiert, handelt es sich bei dem Signal auch um ein die Belastung des Bauteils 3 charakterisierendes Belastungssignal.
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Die Messung des Widerstands R1 kann z.B. dadurch erfolgen, dass an die Kontaktstellen 11 und 12 eine bekannte Spannung U1 angelegt und der durch den Widerstand R1 fliegende Strom I1 gemessen wird. Ferner kann die Messung des Widerstands R2 z.B. dadurch erfolgen, dass an die Kontaktstellen 13 und 14 eine bekannte Spannung U2 angelegt und der durch den Widerstand R2 fliegende Strom I2 gemessen wird. Die Widerstandsmessungen werden bevorzugt nacheinander durchgeführt.
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Anstelle einer Widerstandsmessung wird gemäß einer zweiten Ausführungsform der Messanordnung 2 eine Messbrücke 15 zum Bestimmen eines das Drehmoment M charakterisierenden Signals eingesetzt, was aus 4 ersichtlich ist. Dabei werden zu der ersten Ausführungsform identische oder ähnliche Merkmale mit denselben Bezugszeichen wie bei der ersten Ausführungsform bezeichnet.
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Die Messbrücke 15 umfasst zwei parallel geschaltete Reihenschaltungen, die jeweils einen der Widerstände R1 bzw. R2 und einen Referenzwiderstand Rr umfassen. An die parallel geschalteten Reihenschaltungen wird eine Versorgungsspannung U0 angelegt. Ferner wird die Brückenquerspannung Um der Messbrücke 15 gemessen, die ein das Drehmoment M charakterisierendes Signal bildet. Da das Drehmoment M das Bauteil 3 mechanisch belastet, insbesondere tordiert, handelt es sich bei dem Signal auch um ein die Belastung des Bauteils 3 charakterisierendes Belastungssignal.
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Zur weiteren Beschreibung der zweiten Ausführungsform wird auf die Beschreibung der ersten Ausführungsform verwiesen. Insbesondere kann die Messanordnung gemäß der zweiten Ausführungsform die Messanordnung in 1 ersetzen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wankstabilisator
- 2
- Messanordnung
- 3
- Stabilisatorhälfte
- 4
- Stabilisatorhälfte
- 5
- Verstellantrieb
- 6
- Steuergerät
- 7
- Stabilisatorhälftenabschnitt
- 8
- Längsmittelachse
- 9
- sensitive Schicht
- 10
- Isolationsschicht
- 11
- Kontaktstelle
- 12
- Kontaktstelle
- 13
- Kontaktstelle
- 14
- Kontaktstelle
- 15
- Messbrücke
- x
- Längsrichtung
- R1
- Widerstand
- R2
- Widerstand
- Rr
- Referenzwiderstand
- U0
- Versorgungsspannung der Messbrücke
- Um
- Brückenquerspannung der Messbrücke
- U1
- Spannung
- U2
- Spannung
- I1
- Strom
- I2
- Strom
