Bremsscheiben sind ein wesentlicher Sicherheitsfaktor am Fahrzeug. Sie werden in höchstem Maß beansprucht, da sie hohen mechanischen und thermischen Belastungen ausgesetzt sind. Die kinetische Energie, die im fahrenden Fahrzeug gespeichert ist, wird dort in Wärme umgewandelt und das Bremssystem erhitzt sich in kurzer Zeit. Schon bei der Herstellung von Bremsscheiben muss daher genauestens auf die Einhaltung aller wesentlichen Spezifikationen geachtet werden, weil die Bremsen sonst nicht einwandfrei funktionieren und sich Mängel auch anderweitig negativ auf Fahrzeug, Fahrverhalten und Sicherheit auswirken. Bereits während der Produktion wird der Rohling nach den mechanischen Bearbeitungsschritten auf die Einhaltung von Dicken- und Schlagtoleranzen geprüft. Aber auch im Prüfstand und Fahrversuch wird die Bremsscheibendicke regelmäßig überwacht. Die entscheidende Messgröße ist die Dickenabweichung, die sogenannte Disc Thickness Variation. Nur bei gleichmäßiger Scheibendicke kann eine Bremsanlage ihre maximale Effizienz erreichen. Unebenheiten, Schläge oder Abriebe auf der Oberfläche der Scheibe führen zu Kontaktverlust der Bremsbeläge und verringern somit die Bremswirkung. Bremsen entfalten also schlichtweg nicht ihre volle Bremswirkung, was im Ernstfall eine große Gefahr darstellt. Eine der Hauptursachen für Vibrationen am Fahrzeug ist übrigens die variierende Stärke von Bremsscheiben. Der Fahrer nimmt in diesem Fall pulsierende Bremspedale, Lenkraddrehschwingungen oder Vibrationen der Karosserie bedingt durch auftretende Bremsmomentschwankungen wahr.
Wegmesssystem bestimmt Bremsscheibendicke
Zur zuverlässigen und hochpräzisen Bestimmung der Bremsscheibendicke wird das kapazitive Wegmesssystem Capa NCDT DTV von Micro-Epsilon eingesetzt. Es arbeitet hochauflösend und kann dadurch Abweichungen bis unter 1 µm sowohl bei Raumtemperatur im Prüfstand als auch bei Bremsscheiben-Temperaturen von rund 600 Grad Celsius im Fahrversuch bestimmen. Das System erfasst die Dicke der Bremsscheiben von zwei Seiten und ermöglicht eine hochgenaue Bestimmung der Disc Thickness Variation. Diese Dickenmessung erfolgt berührungslos mit kapazitiven Wegsensoren. Rotiert die Bremsscheibe, wird die Dickenabweichung über den kompletten Scheibenumfang bestimmt. Wenn man mehrere Sensorpaare verwendet, lässt sich auch eine mehrspurige Dickenmessung über die Reibfläche verteilt durchführen. Dadurch lässt sich auch eine Verwölbung der Scheibe erkennen. Speziell für die Vermessung von Bremsscheiben wurde ein innovativer Vierkanal-Sensor Capa NCDT konzipiert. Wegen seines robusten Aufbaus ist er für raue Umgebungsbedingungen von der Produktionsüberwachung und Qualitätsprüfung über den Prüfstand bis hin zum Versuchsfahrzeug geeignet. Im kompakten Gehäuse sind vier kapazitive Sensoren untergebracht, die die Messwerte unabhängig voneinander erfassen. Vor mechanischen und thermischen Belastungen schützt ein spezielles Keramiksubstrat, welches eine hohe Stabilität auch bei Temperaturschwankungen schafft. Um eine positionsgenaue Messung mit geringem Montageaufwand zu realisieren, sind die Sensoren in spiegelverkehrten Anordnungen verfügbar, die auf der jeweils gegenüberliegenden Seite der Bremsscheibe montiert werden können. Kombiniert mit dem Controller Capa NCDT 6220 lassen sich die vier Sensorkanäle bei dynamischen Messungen bis 5 kHz synchron verarbeiten und analog oder digital über die Ethernet- bzw. Ethercat-Schnittstelle ausgeben. Für Messaufgaben, wie der Prüfung von Gewährleistungsansprüchen oder zur Qualitätssicherung, steht auch ein handlicher Messkoffer als Komplettpaket zur Verfügung. Er wird insbesondere bei Bremsscheibenherstellern oder in der Automobilindustrie und deren Zulieferern eingesetzt. Enthalten sind ein Zweikanal-Controller, zwei Sensoren mit Kabel und Haltesatz sowie ein umfangreiches Softwarepaket. Die Software ermöglicht eine automatische Kompensation bei gelochten Bremsscheiben, eine automatische und manuelle Rotationserkennung über die Peak-to-Peak-Auswertung, Drucken und Speichern von Messdaten. Mit Hilfe der Software lassen sich Unwucht, Keiligkeit oder Verwölbungen bestimmen. Eine Besonderheit stellt die Erkennung einer Umdrehung der Scheibe dar. Die Software ist in der Lage durch Werteabgleich zu erkennen, wann die Bremsscheibe wieder an ihrem Ausgangspunkt angekommen ist. Nach einer kompletten Umdrehung liefert sie Aussagen über das Minimum und das Maximum der Scheibendicke.
Kapazitives Messverfahren basiert auf Prinzip eines idealen Plattenkondensators
Das kapazitive Messverfahren basiert auf dem Prinzip eines idealen Plattenkondensators. Die Gesamtkapazität ändert sich, wenn sich der Abstand zwischen den Platten, also Sensor und Messobjekt, verändert. Wird ein Wechselstrom mit konstanter Frequenz und konstanter Amplitude durch den Sensorkondensator geschickt, so ist die Amplitude der Wechselspannung am Sensor proportional zum Abstand des Messobjekts. Die Abstandsänderung wird im Controller erfasst, aufbereitet und das Ergebnis lässt sich über verschiedene Ausgänge ausgeben. Weg, Abstand und Position können so präzise im Mikro- und Nanometerbereich vermessen werden. Kapazitive Sensoren, wie sie für die Bestimmung der Disc Thickness Variation eingesetzt werden, sind für berührungslose Weg-, Abstands- und Positionsmessungen konzipiert. Sie zeichnen sich durch ihre Langzeitstabilität, Zuverlässigkeit und Temperaturstabilität aus. Das kapazitive Messprinzip ist in der Regel nicht für Messungen in schwierigen Umgebungen, wie sie bei Bremsscheiben im Fahrversuch vorherrschen, vorgesehen. Die moderne und innovative Sensortechnologie des Herstellers aber macht hochpräzise Messungen mit kapazitiven Sensoren auch unter extremen Bedingungen möglich. Kapazitive Wegsensoren des Unternehmens lassen sich dank ihrer innovativen Technologie auch in rauen Industrieumgebungen einsetzen, optional sind sie auch für den Reinraum oder das Ultrahochvakuum geeignet. Durch verfügbare Kabellängen bis acht Meter, Kabel mit Metallschutzschlauch oder Steckverbinder im gleichen Umfang wie das verwendete Kabel sind sie äußerst flexibel einsetzbar. Weitere Vorteile sind Miniaturausführungen, die sich in beengte Bauräume einpassen lassen, oder erweiterte Befestigungsmöglichkeiten durch Kleben oder mittels Magnetfolie. Zudem überzeugen sie durch weitere Vorteile, wie die extrem zuverlässigen und stabilen Messungen, die hochgenau und im Nanometerbereich erfolgen können, sogar bei schwierigen Temperaturbereichen wie nahe dem absoluten Temperatur-Nullpunkt. Je nach Anwendung lässt sich zudem die Anzahl der Messkanäle individuell bestimmen. Durch Synchronisierung der Kanäle werden – auch beim Einsatz mehrerer Sensoren in unmittelbarer Nähe – präzise Ergebnisse erreicht. Die kapazitiven Sensoren sind dazu langzeitstabil, da keine Komponenten verbaut sind, die die Lebensdauer einschränken. Außerdem lassen sich Sensor und Controller aus der Micro-Epsilon-Produktpalette einfach kombinieren. So kann jeder Sensor mit jedem Controller verwendet werden, eine sonst übliche aufwendige Kalibrierung entfällt. jg
Details zur Dickenmessung mit kapazitiven Sensoren von Micro-Epsilon:
SPS IPC Drives 2017: Halle 7A, Stand 130
