Dickenmessung

Eine heiße Scheibe

Bremsscheiben erreichen im Fahrversuch Temperaturen von rund 600 Grad Celsius. Die kapazitive Sensorik muss diese Temperaturen aushalten, um die Dickenabweichung bestimmen zu können. Denn sie ist eine wichtige Messgröße für die Effizienz der Bremsen.

05. November 2018
Bild: Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG
Bild 1: Eine heiße Scheibe (Bild: Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG)

Bremsscheiben sind hohen mechanischen und thermischen Belastungen ausgesetzt. Die kinetische Energie eines fahrenden Fahrzeugs wird beim Bremsen an den Scheiben in Wärme umgewandelt und das Bremssystem erhitzt sich in kurzer Zeit. Schon bei der Herstellung von Bremsscheiben muss daher genau darauf geachtet werden, alle wesentlichen Spezifikationen einzuhalten. Ansonsten funktionieren die Bremsen nicht einwandfrei und Mängel können sich 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. 

Sensoren vor Hitze geschützt

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. Eine der Hauptursachen für Vibrationen am Fahrzeug ist außerdem die variierende Stärke von Bremsscheiben. Um die Bremsscheibendicke zuverlässig und präzise zu bestimmen, lässt sich zum Beispiel das kapazitive Wegmesssystem CapaNCDT DTV von Micro-Epsilon einsetzen. Es arbeitet hochauflösend und kann dadurch Abweichungen bis unter einen Mikrometer sowohl bei Raumtemperatur im Prüfstand als auch bei Bremsscheibentemperaturen von rund 600 Grad Celsius im Fahrversuch bestimmen. Das System erfasst die Dicke der Bremsscheiben von zwei Seiten und ermöglicht eine genaue Bestimmung der Disc Thickness Variation. Diese Dickenmessung erfolgt berührungslos mit kapazitiven Wegsensoren.

Rotiert die Bremsscheibe, wird die Dickenabweichung über den kompletten Scheibenumfang bestimmt. Wenn der Anwender mehrere Sensorpaare verwendet, lässt sich auch eine mehrspurige Dickenmessung über die Reibfläche verteilt durchführen. Dadurch kann auch eine Verwölbung der Scheibe erkannt werden. Speziell für das Vermessen von Bremsscheiben haben die Experten von Micro-Epsilon einen Vierkanal-Sensor CapaNCDT konzipiert.

»Wegen seines robusten Aufbaus ist er für raue Umgebungsbedingungen von der Produktionsüberwachung und Qualitätsprüfung über den Prüfstand bis hin zum Versuchsfahrzeug bestens geeignet«, stellt das Unternehmen heraus. 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 CapaNCDT 6220 lassen sich die vier Sensorkanäle bei dynamischen Messungen bis fünf Kilohertz synchron verarbeiten und analog oder digital über die Ethernet- beziehungsweise EtherCAT-Schnittstelle ausgeben. 

Software analysiert Scheibendicke

Für Messaufgaben wie das Prüfen von Gewährleistungsansprüchen oder zur Qualitätssicherung steht auch ein Messkoffer als Komplettpaket zur Verfügung. Er wird insbesondere bei Bremsscheibenherstellern oder in der Automobilindustrie und bei deren Zulieferern eingesetzt. Enthalten sind ein Zweikanal-Controller, zwei Sensoren mit Kabel und Haltesatz sowie ein Softwarepaket. 

Die Software ermöglicht eine automatische Kompensation bei gelochten Bremsscheiben, eine automatische und manuelle Rotationserkennung über die Peak-to-Peak-Auswertung sowie das Drucken und Speichern von Messdaten. Mithilfe der Software lassen sich Unwucht, Keiligkeit oder Verwölbungen bestimmen. Die Software ist außerdem 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. 

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. 

Für raue Umgebungen geeignet

Die Abstandsänderung wird im Controller erfasst und aufbereitet. Das Ergebnis lässt sich über verschiedene Ausgänge ausgeben. Weg, Abstand und Position können so präzise im Mikro- und Nanometerbereich vermessen werden. Das kapazitive Messprinzip ist in der Regel nicht für Messungen in schwierigen Umgebungen vorgesehen, wie sie bei Bremsscheiben im Fahrversuch vorherrschen. Die Micro-Epsilon-Sensortechnologie aber macht präzise Messungen mit kapazitiven Sensoren unter extremen Bedingungen möglich, so der Hersteller weiter.

Seine kapazitiven Wegsensoren können dank ihrer Technologie auch in rauen Industrieumgebungen eingesetzt werden, optional sind sie für Reinraum oder Ultrahochvakuum geeignet. Durch verfügbare Kabellängen bis acht Meter, Kabel mit Metallschutzschlauch oder Steckverbinder im gleichen Umfang wie das verwendete Kabel sind sie flexibel einsetzbar. 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 langzeitstabil, da laut Hersteller keine Komponenten verbaut sind, die die Lebensdauer einschränken. 

SPS IPC Drives: Halle 7A, Stand 130

Erschienen in Ausgabe: 07/2018