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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur tribometrischen Charakterisierung einer Oberfläche, wobei ein Messkörper mit einer vorgebbaren Anpresskraft gegen die Oberfläche gedrückt, und auf der Oberfläche bewegt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, und eine Verwendung des Verfahrens.
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Elektrisch antreibbare oder angetriebene Kraftfahrzeuge, wie beispielsweise Elektro- oder Hybridfahrzeuge, weisen typischerweise einen Elektromotor als Antriebsmaschine auf, welcher zur Versorgung mit elektrischer Energie an einen fahrzeuginternen elektrischen (Hochvolt-)Energiespeicher gekoppelt ist. Derartige Energiespeicher sind beispielsweise in Form von (Fahrzeug-)Batterien ausgeführt.
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Unter einer elektrochemischen Batterie ist hierbei insbesondere eine sogenannte sekundäre Batterie (Sekundärbatterie) des Kraftfahrzeugs zu verstehen, bei welcher eine verbrauchte chemische Energie mittels eines elektrischen (Auf-)Ladevorgangs wiederherstellbar ist. Derartige Batterien sind insbesondere als elektro-chemische Akkumulatoren, beispielsweise als Lithium-lonen-Akkumulatoren, ausgeführt. Zur Erzeugung oder Bereitstellung einer ausreichend hohen Betriebsspannung weisen solche Batterien typischerweise mehrere einzelne Batteriezellen auf, welche modular verschaltet sind.
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Die Batterien oder Batteriezellen werden beispielsweise aus folienartigen Batterieelektroden hergestellt. Die Batterieelektroden weisen in der Regel eine Aktivmaterialbeschichtung auf, welche auf ein Folienmaterial, insbesondere auf eine Kupfer- oder Aluminiumfolie, aufgetragen ist.
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Die Güte und Qualität der Batteriekomponenten ist relevant für die Qualität der hergestellten Batterie oder Batteriezelle. Zur Reduktion von Ausschussteilen und zur Verbesserung eines Prozessverständnisses ist es daher wünschenswert, die erzeugten Batteriekomponenten zu untersuchen und/oder zu prüfen.
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Hierbei ist beispielsweise eine Charakterisierung der Oberfläche einer Batteriekomponente hinsichtlich der Funktion oder der Eigenschaften möglich. Eine Charakterisierung, also eine Kontrolle beziehungsweise eine Untersuchung und/oder Prüfung, von Schweißverbindungen ist beispielsweise mittels mikroskopischer Verfahren, wie beispielsweise optischer Mikroskopie, Elektronenmikroskopie, oder Rastersondentechniken (Rasterkraftmikroskopie, Rastertunnelmikroskopie, SNOM etc.) möglich. Derartige Verfahren liefern jedoch häufig lediglich ein eindimensionales beziehungsweise einskaliges Ergebnis. Mit anderen Worten geben diese Verfahren in der Regel lediglich Informationen über Höhe, elektrische Spannung, ...
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Alternativ zu mikroskopischen Verfahren können auch tribometrische Verfahren zur Untersuchung von Reibung und Verschleiß an der Oberfläche zu deren Charakterisierung verwendet werden. Tribometrie beschäftigt sich hierbei mit dem Messwesen auf dem Gebiet der Tribologie, bei welchem Kräfte gemessen werden, welche bei einer Relativbewegung an der Oberfläche auftreten. Es handelt sich somit um eine mechanisch-dynamische Charakterisierung der Oberfläche. Die hierfür eingesetzten Vorrichtungen werden auch Tribometer genannt.
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Die
EP 3 489 655 A1 offenbart eine Abriebprüfvorrichtung zum Messen eines Abriebzustandes eines Werkstücks, aufweisend einen Werkstückhaltemechanismus, der das Werkstück hält, und ein Kontaktwerkzeug, das wiederholt Kontakt und Nicht-Kontakt mit dem Werkstück herstellt, sowie einen Drehmechanismus, der das Kontaktwerkzeug frei drehbar hält, und einen Heizmechanismus, der einen Endabschnitt des Kontaktwerkzeugs intermittierend erwärmt.
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Aus der
DE 10 2015 215 302 A1 ist ein automatisches Schmiersystem zum automatischen sowie bedarfsgesteuerten Beaufschlagen eines Lagers mit Schmiermittel bekannt. Das Schmiersystem weist eine automatische Schmiervorrichtung zum automatischen Beaufschlagen des Lagers mit Schmiermittel und eine Erfassungsvorrichtung zum Erfassen von Betriebsparametern des Lagers auf. Das Schmiersystem weist eine Datenübertragungsvorrichtung auf, die zur Übertragung von Daten zwischen der Erfassungsvorrichtung und der Schmiervorrichtung ausgebildet ist. Die automatische Schmiervorrichtung ist ausgebildet, das Lager in Abhängigkeit der von der Erfassungsvorrichtung erfassten Betriebsparameter mit Schmiermittel zu beaufschlagen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein besonders geeignetes Verfahren zur tribometrischen Charakterisierung einer Oberfläche anzugeben. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, eine besonders geeignete Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, und eine besonders geeignete Verwendung des Verfahrens anzugeben.
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Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich der Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 sowie hinsichtlich der Verwendung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Dabei gelten die Ausführungen im Zusammenhang mit dem Verfahren sinngemäß auch für die Vorrichtung und/oder die Verwendung und umgekehrt. Die Konjunktion „und/oder“ ist hier und im Folgenden derart zu verstehen, dass die mittels dieser Konjunktion verknüpften Merkmale sowohl gemeinsam als auch als Alternativen zueinander ausgebildet sein können.
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Sofern nachfolgend Verfahrensschritte beschrieben werden, ergeben sich vorteilhafte Ausgestaltungen für die Vorrichtung insbesondere dadurch, dass diese ausgebildet ist, einen oder mehrere dieser Verfahrensschritte auszuführen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere zur tribometrischen Charakterisierung einer Oberfläche, beispielsweise einer Oberfläche einer Batteriezelle, insbesondere einer Feststoff- oder Festkörperzelle, vorgesehen, sowie dafür geeignet und ausgestaltet. Erfindungsgemäß wird hierbei eine Messung eines komplexwertigen Verschleißes durchgeführt. Hierbei wird ein Messkörper (Prüfkörper, Tribokörper) mit einer vorgebbaren Anpresskraft gegen die zu untersuchende oder zu charakterisierende Oberfläche gedrückt, und auf der Oberfläche bewegt. Mit anderen Worten wird ein mechanischer (Gleit- oder Reib-)Kontakt zwischen dem Messkörper und der Oberfläche erzeugt. Verfahrensgemäß wird hierbei mittels einer Düse ein Schmiermittel periodisch auf die Oberfläche aufgebracht. Mit anderen Worten wird während einer Messung in regelmäßigen Abständen Schmiermittel zugeführt oder nachgeführt. Anhand der mechanischdynamischen Messung wird ein Verschleiß, insbesondere ein Volumenverschleiß, der Oberfläche bestimmt. Anhand des bestimmten Verschleißes wird anschließend eine Information über die Oberflächenbeschaffenheit ermittelt. Dadurch ist ein besonders geeignetes Verfahren zur tribometrischen Charakterisierung einer Oberfläche realisiert.
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Gemäß dem Archardschen Verschleißgesetz ist der Volumenverschleiß Wv proportional zu einer normal zur Oberfläche wirkenden Kraft F
N, welche mittels der Anpresskraft realisiert ist, und einem Verschleißweg s während der Bewegung des Messkörpers, sowie umgekehrt proportional zu einer Härte des Verschleißwerkstoffes beziehungsweise Oberfläche H:
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Der Proportionalitätsfaktor K wird auch als (Archardscher) Verschleißkoeffizient bezeichnet, und ist eine für das tribologische System charakteristische Größe (vgl. bspw. H. Czichos: „Tribologie-Handbuch“).
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Eine Gegenmaßnahme zum Verschleiß ist die Schmierung, bei welchem durch Einsatz eines Schmiermittels die Reibung zwischen dem Messkörper und der Oberfläche, und somit der Verschleiß, reduziert wird. Schmiermittel oder Schmierstoffe werden hierbei in Trockenschmierstoffe und flüssige oder pastöse Schmierstoffe unterschieden. Trockenschmierstoffe oder Festschmierstoffe sind beispielsweise Pulverschichten aus Graphit oder Keramik. Hier und im Folgenden ist unter einem Schmiermittel jedoch insbesondere ein flüssiger, viskoser oder pastöser Schmierstoff, wie beispielsweise ein Schmieröl oder ein Schmierfett, also eine Schmierflüssigkeit, zu verstehen. Mit anderen Worten wird verfahrensgemäße ein flüssiges oder pastöses Schmiermittel mittels der Düse periodisch zugeführt oder nachgeführt.
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Die Erfindung geht hierbei von der Erkenntnis aus, dass im Falle einer periodischen Schmierung ein zeitlicher Versatz des Verschleißes auftritt. Dieser zeitliche Versatz ist analog zum Vorgehen in der Elektrotechnik oder Hydrodynamik durch einen komplexwertigen Verschleißkoeffizienten beschreibbar:
wobei i die imaginäre Einheit und K1 der Realteil sowie K2 der Imaginärteil des Verschleißkoeffizienten sind, und im Allgemeinen auch der Verschleiß W
v und die Kraft F
N als komplexe Grö-ßen behandelt werden. Analog dem Vorgehen in der Elektrotechnik können somit auch ein Wirkverschleiß, ein Scheinverschleiß und ein Blindverschleiß definiert werden.
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Durch periodische Zuführung oder Nachführung von Schmiermittel wird somit im Gegensatz zu herkömmlichen Verschleißmessungen effektiv eine komplexwertige Verschleißmessung durchgeführt. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit eine mehrdimensionale Charakterisierung von Verschleißerscheinungen für die untersuchte Oberfläche. Dies führt in der Folge zu einem wesentlich tieferen Verständnis der entsprechenden Phänomene und ist zudem praxisnäher, da in vielen Systemen regelmäßig Schmiermittel nachgeführt wird.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung wird die Information anhand einer Frequenzabhängigkeit des Verschleißes ermittelt. Ein zusätzlicher oder alternativer Aspekt der Erfindung sieht hierbei vor, dass anhand des Verschleißes der Realteil und der Imaginärteil des Verschleißkoeffizienten berechnet werden, und dass insbesondere anhand einer Frequenzabhängigkeit des Realteils und/oder des Imaginärteils eine Information über die Oberflächenbeschaffenheit ermittelt wird.
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Diese Weiterbildungen gehen davon aus, dass sich für unterschiedliche Funktionen des zeitlichen Einsatzes von Schmierung unterschiedliche Verschließvolumina ergeben. Mit anderen Worten sind der Realteil K1 und der Imaginärteil K2 Funktionen einer Frequenzverteilung (f) des Zusatzes von Schmierstoffen, d.h. K1 = K1(f) beziehungsweise K2 = K2(f).
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Der Real- und Imaginärteil des komplexen Verschleißkoeffizienten werden somit für eine mehrdimensionale Charakterisierung verwendet. Beispielsweise sind die Real- und Imaginärteile als Ursprungsabstand und Phase des komplexen Verschleißes darstellbar.
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Erfindungsgemäß wird eine Eigenschaft des zugeführten/nachgeführten Schmiermittels zeitgesteuert variiert. Beispielsweise wird das Volumen des Schmiermittels und/oder eine chemische Zusammensetzung des Schmiermittels zeitgesteuert variiert.
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Aus der Frequenzabhängigkeit des Archard-Verschleißkoeffizienten bei zeitlich variablem Schmiermittelvolumen und/oder zeitlich variabler Schmiermittelzusammensetzung lassen sich Informationen über chemische Bindungszustände, physikalische Adhäsionskräfte, elektrostatische Anziehungskräfte, Wechselwirkungen auf molekularer und supramolekularer Ebene, Oberflächenzustände und ähnliches ermitteln. Durch die Auswertung des Frequenzspektrums ist eine mindestens zweidimensionale Charakterisierung des tribologischen Systems möglich. Bei Einsatz unterschiedlicher Schmiermittel beziehungsweise unterschiedlicher Schmiermittelzusammensetzungen ist zudem eine Charakterisierung in Bezug auf unterschiedliche Verschleißmechanismen möglich, was weitere Analysedimensionen eröffnet. Werden unterschiedliche Schmiermittel eingesetzt, wird der Archard-Koeffizient K = K1 + iK2 ein komplexer Vektor K(x,y,z,...) = K1 (x,y,z,...) + iK2(x,y,z,...) in Abhängigkeit der Zusammensetzungen der jeweiligen Schmiermittel.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit beispielsweise eine Messung des Verschleißes in Abhängigkeit der Anpresskraft und der (zeitlich variablen) Schmiermittelzusammensetzung, ggf. auch als ein momentaner Verschlussfortschritt (ΔWv in Δt) oder als erste Ableitung des Verschleißes nach der Zeit (WV' = dWV/dt). Hierbei sind zum Beispiel die Anpresskraft und Härte des Verschleißwerkzeugs (Messkörper) und die (mit der Frequenz f sich ändernde) Schmiermittelzusammensetzung zum Zeitpunkt t vorgegeben. Die Größen Wv(t), ΔWV in Δt oder Wv' werden hierbei gemessen und der komplexwertige Verschleißkoeffizient, mit Realteil und Imaginärteil, wird im Zuge der Auswertung berechnet.
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In einer geeigneten Ausbildung wird die Information durch eine Fouriertransformation in Abhängigkeit der zeitvariierten Eigenschaft ermittelt. Beispielsweise erfolgt eine Messung des zeitlichen Fortschritts des Gesamtverschleißes bei Einsatz eines Krafthubs bei vorgegebener, aber zeitlich variabler Schmiermittelzusammensetzung und Rücktransformation durch Fourier-Transformation in Abhängigkeit von der Zusammensetzung. Hierbei wird der Verschleiß Wv(t) in die Frequenzdomäne zurücktransformiert.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zur tribometrischen Charakterisierung einer Oberfläche vorgesehen sowie dafür geeignet und eingerichtet. Die Vorrichtung weist hierbei einen Messkörper auf, welcher mit einer vorgebbaren Anpresskraft gegen die Oberfläche drückbar, und auf der Oberfläche bewegbar ist. Die Vorrichtung weist weiterhin eine Düse zur periodischen Aufbringung (Zuführung, Nachführung) eines Schmiermittels auf die Oberfläche, und einen Controller (also eine Steuereinheit) auf.
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Der Controller ist hierbei allgemein - programm- und/oder schaltungstechnisch - zur Durchführung des vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet. Der Controller ist somit konkret dazu eingerichtet, die Anpresskraft und/oder die Bewegung des Messkörpers sowie die Zuführung des Schmiermittels zu steuern. Der Controller ist weiterhin dazu eingerichtet den (Volumen-)Verschleiß zu erfassen, und hieraus eine Information über die Oberfläche zu bestimmen. Die Realisierung des erfindungsgemäßen Messverfahrens erfolgt somit in einem modifizierten Tribometer, in dem zusätzlich zum Verschleißproduzierenden Messkörper Düsen vorhanden sind, in denen zeitgesteuert der Vortrag des Schmiermittels erfolgt.
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In einer bevorzugten Ausgestaltungsform ist der Controller zumindest im Kern durch einen Mikrocontroller mit einem Prozessor und einem Datenspeicher gebildet, in dem die Funktionalität zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in Form einer Betriebssoftware (Firmware) programmtechnisch implementiert ist, so dass das Verfahren - gegebenenfalls in Interaktion mit einem Vorrichtungsnutzer - bei Ausführung der Betriebssoftware in dem Mikrocontroller automatisch durchgeführt wird. Der Controller kann im Rahmen der Erfindung alternativ aber auch durch ein nicht-programmierbares elektronisches Bauteil, wie zum Beispiel einem anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC) oder durch einem FPGA (Field Programmable Gate Array), gebildet sein, in dem die Funktionalität zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit schaltungstechnischen Mitteln implementiert ist.
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In einer bevorzugten Ausführung ist die Düse in den Messkörper integriert. Dadurch ist eine besonders kompakte Vorrichtung realisiert. Durch die Integration oder Einbettung der Düse in den Messkörper ist diese stets in unmittelbarer Umgebung zu der zu schmierenden Stelle zwischen dem Messkörper und der Oberfläche angeordnet.
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In einer bevorzugten Anwendung wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Charakterisierung einer Oberfläche einer Batteriezelle, insbesondere einer Festkörperzelle, verwendet. Die Oberfläche ist hierbei beispielsweise eine Aktivmaterial- oder Festkörperelektrolytschicht.
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Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt hierbei in einer vereinfachten und schematischen Darstellung eine Vorrichtung zur Charakterisierung einer Oberfläche.
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Die in der Figur dargestellte Vorrichtung 2 weist eine Ablage 4 auf, auf welcher ein zu charakterisierender Körper 6 mit einer Oberfläche 8 als tribometrische Untersuchungsfläche platziert ist.
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Der Körper 6 ist beispielsweise eine Batteriekomponente einer Batteriezelle, insbesondere einer Feststoff- oder Festkörperzelle. Der Körper 6 ist zum Beispiel eine Aktivmaterialschicht oder Festkörperelektrolytschicht.
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Die Vorrichtung 2 weist einen Messkörper (Tribokörper) 10 auf, welcher während einer Messung mit einer vorgebbaren Anpresskraft 12 auf die Oberfläche 8 des Körpers 6 gepresst wird. Der Messkörper 10 wird während einer Messung über die Oberfläche 8 bewegt, was in der Figur schematisch mit einem Doppelpfeil 14 angedeutet ist.
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In den Messkörper 10 ist eine Düse 16 zur Zuführung oder Nachführung von Schmiermittel 18 integriert. Das flüssige oder pastöse Schmiermittel 18 wird hierbei während der Messung periodisch, also zeitlich getaktet, auf die Oberfläche 8 aufgebracht. Dies ist in der Figur schematisch als lokale Tropfen dargestellt. Das Schmiermittel 18 kann jedoch beispielsweise auch bereichsweise oder global periodisch auf die Oberfläche 8 aufgebracht werden.
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Die Vorrichtung 2 weist weiterhin einen nicht näher gezeigten Controller auf, welcher die Messung steuert und auswertet. Durch das periodische Aufbringen des Schmiermittels 18 während der Messung ist die Vorrichtung 2 als ein modifiziertes Tribometer zur Messung eines komplexwertigen (Volumen-)Verschleißes ausgeführt. Dadurch ist somit eine mindestens zweidimensionale Charakterisierung von Verschleißerscheinungen der Oberfläche 8 und somit des Körpers 6 ermöglicht. Beispielsweise wird hierbei ein Realteil und Imaginärteil des komplexwertigen Verschleißkoeffizienten berechnet und als Ursprungsabstand und Phase des komplexen Verschleißes dargestellt.
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Während der Messung kann das Schmiermittelvolumen und/oder die (chemische) Schmiermittelzusammensetzung durch die Düse 16 zeitgesteuert variiert werden. Durch die Auswertung des resultierenden Frequenzspektrums des Volumenverschleißes ist eine mindestens zweidimensionale Charakterisierung der Oberflächenbeschaffenheit 18 möglich. Bei Einsatz unterschiedlicher Schmiermittel 18 beziehungsweise unterschiedlicher Schmiermittelzusammensetzungen ist zudem eine Charakterisierung in Bezug auf unterschiedliche Verschleißmechanismen möglich, was weitere Analysedimensionen eröffnet.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht somit beispielsweise eine Messung des Verschleißes in Abhängigkeit der Anpresskraft 12 und der (zeitlich variablen) Schmiermittelzusammensetzung, ggf. auch als ein momentaner Verschlussfortschritt (ΔWV in Δt) oder als erste Ableitung des Verschleißes nach der Zeit (WV' = dWV/dt). Hierbei sind zum Beispiel die Anpresskraft und Härte des Verschleißwerkzeugs (Messkörper) und die (mit der Frequenz f sich ändernde) Schmiermittelzusammensetzung zum Zeitpunkt t vorgegeben. Die Größen Wv(t), ΔWV in Δt oder Wv' werden hierbei gemessen und der komplexwertige Verschleißkoeffizient, mit Realteil und Imaginärteil, wird im Zuge der Auswertung berechnet.
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Ebenso denkbar ist beispielsweise eine Messung des zeitlichen Fortschritts des Gesamtverschleißes bei Einsatz eines Krafthubs bei vorgegebener, aber zeitlich variabler Schmiermittelzusammensetzung und Rücktransformation durch Fourier-Transformation in Abhängigkeit von der Zusammensetzung. Hierbei wird der Verschleiß Wv(t) in die Frequenzdomäne zurücktransformiert.
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Die beanspruchte Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus im Rahmen der offenbarten Ansprüche abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der beanspruchten Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den verschiedenen Ausführungsbeispielen beschriebenen Einzelmerkmale im Rahmen der offenbarten Ansprüche auch auf andere Weise kombinierbar, ohne den Gegenstand der beanspruchten Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Vorrichtung
- 4
- Ablage
- 6
- Körper
- 8
- Oberfläche
- 10
- Messkörper
- 12
- Anpresskraft
- 14
- Doppelpfeil
- 16
- Düse
- 18
- Schmiermittel