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Die
Erfindung betrifft eine Prüfvorrichtung
sowie ein Prüfverfahren
für Fahrzeug-Stabilisatoren nach
den Oberbegriffen von Anspruch 1 bzw. 7.
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Für die Entwicklung
von Fahrzeug-Stabilisatoren ebenso wie für die Endkontrolle bei der
Fertigung oder die Eingangskontrolle zugekaufter Teile muss man
die Stabilisatoren unter wirklichkeitsnahen Belastungsbedingungen
dynamisch prüfen.
Diese Prüfung
bedeutet insbesondere einen Dauertest, in welchem üblicherweise
bis zu 106 Lastspiele gefahren werden. Früher bekannte
Prüfstände für Stabilisatoren
umfassten Exzenter-Antriebe, um die Prüfverformungen entweder gegenphasig
in beide Schenkel der Stabilisatoren oder bei fester Einspannung
des Gegenschenkels einseitig in einen Schenkel einzuleiten. Die
Versuchsfrequenz konnte dabei kaum 5 Hz übersteigen, da ansonsten die
nicht ausgleichbaren Massenkräfte
zu extremen Vibrationen des Prüfstands,
des Bodens etc. führten.
Die aus der niedrigen Testfrequenz resultierende Testdauer war für die Entwicklung
von Stabilisatoren störend
und machte eine stichprobenmäßige Überprüfung unmöglich.
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Um
zumindest das Problem von Exzenter-Antrieben zu vermeiden, dass
hierbei nur Schwingversuche mit konstanten Amplituden durchgeführt werden
können,
können
servohydraulische Prüfanlagen
eingesetzt werden. Derartige Prüfanlagen
sind aber nicht nur in der Herstellung äußerst teuer, sie erregen auch
wegen der unausgleichbaren Massen Vibrationen am Aufstellort und
sind im Betrieb sehr kostspielig.
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Aus
der WO 88/06283 ist ein Prüfstand
bekannt, bei dem die beiden Schenkel eines Stabilisators an zwei
bewegbaren Massenelementen befestigt sind, welche über einen
Schwingungserreger in Schwingung versetzt werden können. Da
der Stabilisator um seine Längsachse
tordierbar angeordnet ist, bilden die Massenelemente mit dem als
Torsionsfe der eingespannten Stabilisator einen Schwingkreis. Wird
dieser Schwingkreis zu Schwingungen nahe der Resonanzfrequenz angeregt,
so erhält
man nicht nur eine hohe Testfrequenz, sondern muss auch nur sehr wenig
Schwingungsenergie zuführen,
nämlich
soviel, um Reibungsverluste auszugleichen. Mit dieser herkömmlichen
Prüfvorrichtung
ist aber der Nachteil verbunden, dass die Schwingung äußere Kräfte verursacht,
welche die Prüfvorrichtung
in Vibration versetzen. Außerdem
lässt sich
in der Vorrichtung nur ein Prüfling
zur gleichen Zeit testen.
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Ausgehend
von dem oben genannten Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, eine Prüfvorrichtung
und ein Prüfverfahren
der eingangs genannten Axt dahingehend weiterzubilden, dass Stabilisatoren
auf einfache, kostengünstige
Art schneller als bisher geprüft
werden können.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Prüfvorrichtung
gemäß Anspruch
1 und ein Verfahren zur Prüfung
von Stabilisatoren gemäß Anspruch
7 gelöst. Die
Lösung
basiert auf dem Prinzip, äußere Kräfte per
Drehschwingung zu reduzieren. Dies kann elegant dadurch geschehen,
dass im Schwingungssystem selbst kompensierende Kräfte erzeugt
werden. Dies wird erreicht, indem mehrere Prüflinge unter Einhaltung gewisser
Symmetriebeziehungen in das Schwingungssystem einbezogen werden.
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Der
Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist
nicht nur, dass keine oder kaum noch äußere Kräfte auftreten, so dass die
Prüfvorrichtung
in einem wesentlich geringeren Maße vibriert. Durch das Einspannen
mehrerer Prüflinge
kann zugleich auch ein entsprechendes Vielfaches an Durchsatz erreicht werden.
Schließlich
erhöht
sich auch noch die Torsionskraft des Drehschwingungssystems, d.h.
auch die Resonanzfrequenz erreicht ein Vielfaches gegenüber einem
gleichartigen System mit nur einem Prüfling, so dass die benötigte Testdauer
auf den entsprechenden Bruchteil abfällt. Geringere Störung durch Vibrationen
der Prüfvorrichtung
ergänzt
sich hier also in vorteilhafter Weise mit einer erheblich erhöhten Testkapazität.
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Vorteilhafterweise
ist eine Schutzhülle
der Prüfvorrichtung
fest mit einem Maschinenbett verbunden, welches die Lager trägt. Damit
kann die Prüfvorrichtung
zum Schutz des Bedienpersonals abgekapselt werden. Eine feste Verbindung
der Schutzhülle
mit dem Maschinenbett ist möglich,
da die äußeren Kräfte kompensiert
sind, so dass das Maschinenbett keinen starken Vibrationen ausgesetzt
ist.
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Bevorzugt
sind zwei Stabilisatoren vorgesehen, die Kopplungselemente im Wesentlichen
geradlinig und die Stabilisatoren so einspannbar, dass die Schenkel
der Stabilisatoren und die Kopplungselemente auf den Linien eines
Parallelogramms liegen. Dies ist eine einfache Anordnung, bei der
die erforderliche Symmetrie der auftretenden Kräfte ersichtlich gegeben ist,
so dass wegen gegenseitiger Kompensation keine äußeren Kräfte auftreten.
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Die
Antriebseinrichtung weist vorteilhafterweise einen Hydraulik- oder
Elektromotor, vorzugsweise einen Scheibenläufermotor, auf. Damit lassen sich
die erforderlichen Energien dosiert und auf einfache Weise in das
Schwingungssystem einleiten.
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Bei
einer Ausführungsform
sind die Stabilisator-Drehlager zum Einspannen am Stabilisator befestigter
Stabilisatorlager ausgebildet. Dabei kann dann die Lagerung des
Stabilisators mit dessen Originallagern so vorgenommen werden, wie
in der Realität
bei Anbringung an einem Fahrgestell. Bevorzugt kann hier durch große Massen
der Massenelemente eine niedrige Resonanzfrequenz eingestellt werden,
so dass der Test des Stabilisators und seiner Lagerung an einem
Fahrgestellt unter realitätsnahen
Bedingungen ohne übermäßige Erwärmung der
Stabilisatorlager ausgeführt
werden kann.
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Vorteilhafterweise
sind an den Schenkelenden befestigbare zusätzliche Massenelemente vorgesehen
oder die Schwingkörper
mit einer Einrichtung zur Befestigung von Zusatzmassen versehen, um
die Resonanzfrequenz einzustellen. Da bei einer gegebenen Zahl von
Stabilisatoren die Federkonstante festgelegt ist, hängt die
Resonanzfrequenz alleine noch von der schwingenden Masse ab. Unterschiedliche
Resonanzfrequenzen führen
zu unterschiedlicher Testdauer, können aber auch die Axt der Belastung
eines Schenkels beeinflussen, etwa durch unterschiedliche Erwärmung. Somit
lassen sich sehr einfach verschiedene Testbedingungen erzeugen.
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Entsprechende
Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, wie sie in
den weiteren abhängigen
Ansprüchen
definiert sind, führen
zu ähnlichen
und weiteren Vorteilen.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen
dieser Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung unter
Bezug auf die beigefügten
Zeichnungen. Die Zeichnungen zeigen in:
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1 eine
perspektivische schematische Darstellung einer Ausführungsform
der Erfindung für zwei
Stabilisatoren;
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2 eine
Draufsicht auf die erfindungsgemäße Ausführungsform
gemäß 1;
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3 eine
Seitenansicht der erfindungsgemäßen Ausführungsform
gemäß 1;
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4 einen
Schnitt durch die erfindungsgemäße Ausführungsform
entlang der Linie IV-IV in 3;
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5 einen
Querschnitt durch ein Lager für einen
Stabilisator;
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6 einen
Längsschnitt
durch ein Lager für einen
Stabilisator entlang der Linie VI-VI in 5;
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7 einen
Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform der Erfindung analog
der 4, wobei nur ein Stabilisator mit konstantem,
mitschwingendem Kraftangriffswinkel eingespannt ist;
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8 einen
Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform der Erfindung analog
der 4, wobei in eine Prüfvorrichtung für zwei Stabilisatoren mit
Parallelogrammeinfederungen ein Stabilisator eingespannt ist;
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9 eine
Darstellung gemäß 8,
wobei beide Stabilisatoren eingespannt sind; und
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10 einen
Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform der Erfindung analog
der 4, wobei in einer Vorrichtung mit kreuzförmigem Schwingkörper vier
Stabilisatoren eingespannt sind.
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In
der nachfolgenden Beschreibung werden für gleiche und gleich wirkende
Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet.
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Die 1 – 4 zeigen
eine Prüfvorrichtung
für zwei
Stabilisatoren in perspektivischer Ansicht, Draufsicht, Seitenansicht
bzw. im Querschnitt. Zunächst
soll die Funktionsweise anhand der schematischen perspektivischen
Darstellung der 1 erläutert werden. Auf einem Maschinenbett 1 sind Schwingkörperhalterungen 2, 2' angebracht.
Zwei Schwingkörper 10, 10' sind an diesen
Schwingkörperhalterungen 2, 2' mittels Schwingkörper-Drehlager 11, 11' drehbar gelagert.
Bei der hier dargestellten Ausführungsform
ist jeder Schwingkörper 10, 10' langgestreckt
und trägt
an jedem Ende ein Massenelement 12, 12'.
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Zwischen
den Schwingkörperhalterungen 2, 2' sind auf dem
Maschinenbett 1 zwei Lagerhalterungen 3, 3' angebracht,
an denen Stabilisator-Drehlager 20, 20', 20'', 20''' montiert sind.
Dabei sind die Stabilisator-Drehlager 20 so angeordnet,
dass zwei in je ein Paar der Stabilisator-Drehlager 20 eingespannte
Stabilisatoren 40, 40' in einer Ebene mit einer Drehachse 30 durch
die Schwingkörper-Drehlager 20 und
zu dieser Drehachse 30 parallel angeordnet sind. Nur in
der Vereinfachung der schematischen Darstellung der 1 stößt die Drehachse 30 durch
die Lagerhalterungen 3, 3' in Durchstoßpunkten 31, während 4 illustriert,
dass die Lagerhalterungen 3, 3' vorteilhafterweise gekröpft sind,
um daran seitlich die Stabilisator-Drehlager 20 anzubringen.
Ein erster und ein zweiter Schenkel 41, 41', 42, 42' jedes Stabilisators 40, 40' ist jeweils
an seinem Endpunkt über
ein Kopplungselement 13, 13' mit dem Schwingkörper 10, 10' verbunden.
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Wegen
der drehbaren Lagerungen 11, 20 kann das aus den
Schwingkörpern 10, 10', den Stabilisatoren 40, 40' und den Kopplungselementen 13, 13', 13'', 13''' gebildete System
in Drehschwingungen versetzt werden. Die Drehung dieses Schwingungssystems
soll durch den Pfeil 50 angedeutet werden. Die Amplitude
richtet sich nach den Testerfordernissen. Wie in der Illustration
zu erkennen, ist das Schwingungssystem 10, 10', 12, 13, 40, 40' symmetrisch
zu der Drehachse 30.
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Versetzt
man nun einen der beiden Schwingkörper 10, 10' mittels einer
später
genauer beschriebenen Antriebseinrichtung in Drehschwingung, so wird
die Drehbewegung des Schwingkörpers 10 über die
Kopplungselemente 13, 13', 13'', 13''' auf
die zweiten Schenkel 42, 42' übertragen. Wegen der symmetrischen
Anordnung wird dabei der eine zweite Schenkel 42 in eine
Richtung, der andere zweite Schenkel 42' in Gegenrichtung gezogen. Die
Stabilisatoren 40, 40' übertragen durch eine Drehbewegung
in den Stabilisator-Drehlagern 20 diese
Abwärts-
bzw. Aufwärtsbewegung
in die ersten Schenkel 41, 41'. Über die Kopplungselemente 13, 13', 13'', 13''' wird dann der
andere Schwingkörper 10' des Schwingkörper-Paares 10 zunächst in
eine gleichgerichtete Bewegung gezwungen. Wenn sich aber an dem
angetriebenen Schwingkörper 10 wegen
der von außen
angeregten Schwingung die Bewegungsrichtung umkehrt, so folgt der
andere Schwingkörper 10' dieser Bewegung
aufgrund der Massenträgheit nicht
sofort. Wird der angetriebene Schwingkörper 10 in Schwingungen
bei der Resonanzfrequenz des Schwingungssystemes 10, 10', 12, 13, 40, 40' getrieben,
so pendelt sich nach einem kurzen Einschwingvorgang eine Schwingung
bei der Resonanzfrequenz ein, bei welcher die beiden Schwingkörper 10, 10' und somit auch
jeweils die ersten und zweiten Schenkel 41, 41' bzw. 42, 42' eines jeden
Stabilisators 40, 40' in eine gegenphasige Schwingung
versetzt sind. Die Bewegung der Schenkelenden der Schenkel 41, 42 in
einem eingeschwungenen, gegenphasig schwingenden System ist durch
Pfeile 51 illustriert.
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Aufgrund
der gewählten
Symmetrie dieser Anordnung treten Kräfte im eingeschwungenen System
immer nur paarweise und in paarweise einander entgegengesetzter
Richtung auf. Da sich somit sämtliche
inneren Kräfte
gegenseitig kompensieren, ist das Gesamtsystem nach außen kräftefrei.
Das äußert sich
vor allem darin, dass die Prüfvorrichtung und
das Maschinenbett 1 nicht vibrieren.
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Unter
Bezugnahme auf die 1 – 4 sollen
im Folgenden Merkmale der Ausführungsform beschrieben
werden, die zur Vereinfachung der Schemadarstellung der 1 ausgelassen
worden sind. Wie am besten in 3 zu erkennen,
ist eine Welle 14 des Schwingkörpers 10 über das
Schwingkörper-Drehlager 11 gelagert
und über
eine Wellenkupplung 61 mit einem Motor 62 einer
als Ganzes mit dem Bezugszeichen 60 bezeichneten Antriebseinrichtung
verbunden. Der Motor 62 ist ein Scheibenläufermotor,
dessen Motorwelle über
die Wellenkupplung 61 drehfest mit dem Schwingkörper 10 verbunden
ist und diesen antreiben kann, während
sein Stator am Maschinenbett 1 befestigt ist. Durch diese
Anordnung folgt also der Schwingkörper 10 einer Drehbewegung
des Rotors im Motor 62. Da der Motor 62 eine Trägheit besitzt,
die somit entlang der Drehachse 30 dem Schwingungssystem
eine Asymmetrie verleiht, ist auf der Gegenseite mit dem anderen Schwingkörper 10 eine
entsprechende Ausgleichsmasse 63 verbunden, welche in einer
an dem Maschinenbett 1 befestigten Halterung 64 drehbar
gelagert ist.
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Die
Lagerhalterungen 3, 3' sowie die Halterung 64 sind
an einer an dem Maschinenbett montierten Schiene 4 verstellbar
befestigt. Dadurch ist also die Länge der Prüfvorrichtung einstellbar, und
auch bei unterschiedlichen Längen
von Prüflingen
kann das Stabilisator-Drehlager 20 den Stabilisator 40 stets
an denjenigen Stellen stützen,
an denen er auch an einem Fahrzeugrahmen befestigt wäre.
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Die
Massenelemente 12 sind aber ganz allgemein variabel zu
verstehen, so dass beispielsweise unterschiedliche Massenelemente 12 eingesetzt werden
können
oder auch zusätzliche
Massen an die Enden der Schenkel 41, 42 angeschraubt
werden können.
Damit lässt
sich die Resonanzfrequenz variieren, so dass leicht unterschiedliche
Testbedingungen eingestellt werden können.
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Nachstehend
sollen die Stabilisator-Drehlager 20 näher beschrieben werden, über welche
die zu prüfenden
Stabilisatoren 40 in den Lagerhalterungen 3, 3' gelagert sind.
Wie in den
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5 und 6 dargestellt,
wird der Stabilisator 40 in ein Klemmstück 22, das vorzugsweise
aus zwei (außen)
konischen Kunststoffhälften
besteht, in eine zylinderförmige
Aussparung eingesetzt. Wenn der Stabilisator 40 in dieses
Klemmstück
eingesetzt ist, kann das Klemmstück 22 mit
Hilfe von Spannbolzen 23 in einen korrespondierend konischen
Innenring 26 des Stabilisator-Drehlagers 20 eingespannt werden.
Der Innenring 26 ist mit einem Außenring 25 über ein
Pendelkugellager 24 verbunden. Dieses Pendelkugellager 24 ermöglicht also
Drehbewegungen des Außenrings 25 gegen
den Innenring 26 und sorgt somit für die drehbare Lagerung des
Stabilisators 40.
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Statt
der soeben beschriebenen Stabilisator-Drehlager 20, die
vor allem für
geringe Reibung bei ihrer Drehbewegung ausgebildet sind, damit sie weniger
schnell überhitzen,
kann alternativ auch eine Lagerung verwendet werden, bei welcher
der Stabilisator 40 mit Stabilisatorlagern eingespannt
wird, die Originallager sind. Das bedeutet, dass diese Originallager
denjenigen an sich bekannten Lagern entsprechen, mit denen der Stabilisator 40 im
Betrieb an einem Fahrgestell angebracht ist.
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Es
ist somit ermöglicht,
nicht nur den Stabilisator selbst zu testen, sondern auch in realistischer Weise
seine Lagerung an dem Fahrgestell eines Fahrzeugs. Damit dieser
Test tatsächlich
realitätsnah ablaufen
kann, werden hierbei besonders große Massenelemente 12 verwendet,
damit das System bei einer niedrigen Resonanzfrequenz schwingt.
Die großen
Massen und die langsamere Schwingung führen zu einer geringeren Erwärmung, also
zu Bedingungen, wie sie in der Realität auftreten würden.
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Die 7 – 10 zeigen
einige weitere Ausführungsformen,
wie eine erfindungsgemäße Prüfvorrichtung
für verschiedene
Anzahlen von Stabilisatoren in verschiedener symmetrischer Anordnung
ausgestaltet sein kann. In 7 ist nur
ein Stabilisator 40 eingespannt, wobei das Kopplungselement 13 mit
einem konstanten, mitschwingenden Kraftangriffswinkel angreift.
Hierbei fällt
die Längsachse
des Stabilisators 40 mit der Drehachse 30 der Prüfvorrichtung
zusammen, und es können
sich nicht alle Kräfte
kompensieren.
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8 zeigt
eine Prüfvorrichtung
für zwei
Stabilisatoren 40, bei welchen die Stabilisatorschenkel 41 und
der Stabilisator 40 selbst so mit dem Kopplungselement 13 verbunden
bzw. eingespannt sind, dass Kopplungselement 13 und Schenkel 41 während der
Schwingungen stets auf den Linien eines Parallelogramms zu liegen
kommen. In der dargestellten Ruhestellung handelt es sich dabei
sogar um ein Rechteck. In 8 ist die
Prüfvorrichtung
nur mit einem Stabilisator bestückt,
während 9 eine gleichartige
Prüfvorrichtung mit
zwei eingespannten Stabilisatoren zeigt. Erst im Falle der Doppelbestückung der 9 können sich
aufgrund der Symmetrie alle inneren Kräfte gegenseitig kompensieren.
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Die
Prüfvorrichtung
ist aber nicht auf die Prüfung
von nur zwei Stabilisatoren beschränkt. Wie in 10 dargestellt,
kann ein kreuzförmig
ausgestalteter Schwingkörper 10 derart
mit vier Schenkelementen von vier Stabilisatoren gekoppelt werden, dass
die jeweils diagonal gegenüber
liegenden Stabilisatoren ihre inneren Kräfte gegenseitig kompensieren.
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Die
in den 7 bis 10 dargestellten symmetrischen
Anordnungen der Stabilisatoren und der Kopplungselemente sind hier
nur beispielhaft zu verstehen. Jede entsprechende achsensymmetrische
Anordnung zur Drehachse 30 sorgt zumindest für eine teilweise
Kompensation von inneren Kräften. Obwohl
bei einer ungeraden Anzahl von Stabilisatoren eine vollständige Kompensation
solcher Kräfte schwierig
oder gar unmöglich
ist, ist in jedem Fall eine teilweise Kompensation durchaus denkbar. Dennoch
dürften
diejenigen Anordnungen die einfachsten sein, bei denen jeweils ein
Paar von Stabilisatoren in Symmetrie zur Drehachse 30 angeordnet ist.
Sofern es die Testzwecke unterstützt,
ist es aber ohne Weiteres möglich,
die Anzahl der zu prüfenden Stabilisatoren
mit weiteren Ausgestaltungen der Form der Schwingkörper 10 und
entsprechenden symmetrischen Anordnungen der Stabilisatoren zu erhöhen.
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Die
vorstehende Beschreibung beschränkt sich
auf die Anwendung der Prüfvorrichtung
für Fahrzeug-Stabilisatoren.
Selbstverständlich
handelt es sich dabei aber nur um einen besonders wichtigen Anwendungsfall.
Der Stabilisator ist nichts weiter als eine Torsionsfeder, so dass
die Prüfvorrichtung
sich ohne Weiteres mit beliebigen Torsionsfedern oder Körpern, welcher
Torsionsfedereigenschaften haben, verwenden lässt.
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Obwohl
die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen
beschrieben worden ist, umfasst sie doch auch weitere Kombinationen
der erfindungswesentlichen Merkmale, wie sie insbesondere, aber nicht
abschließend,
in den angefügten
Unteransprüchen
definiert sind.
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- 1
- Maschinenbett
- 2,
2'
- Schwingkörperhalterung
- 3,
3'
- Lagerhalterungen
- 4
- Schiene
- 10,
10'
- Schwingkörper
- 11,
11'
- Schwingkörper-Drehlager
- 12,
12'
- Massenelement
- 13,
13'
- Kopplungselement
- 14
- Welle
- 20,
20'
- Stabilisator-Drehlager
- 22
- Klemmstück
- 23
- Bolzen
- 24
- Pendelkugellager
- 25
- Außenring
- 26
- Innenring
- 30
- Drehachse
- 31
- Durchstoßpunkt
- 40,
40'
- Stabilisator
- 41,
41'
- Erster
Schenkel
- 42,
42'
- Zweiter
Schenkel
- 50
- Drehpfeil
- 51
- Richtungspfeile
- 60
- Antriebseinrichtung
- 61
- Wellenkupplung
- 62
- Antriebsmotor
- 63
- Ausgleichsmasse
- 64
- Halterung