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Die
Erfindung betrifft einen Schwenkprüfstand, insbesondere einen Schwenkprüfstand für geschleppte
Prüfkörper bzw.
Prüfobjekte,
speziell Fahrzeugmotoren oder Getriebe, und ein Verfahren zum Betreiben
eines Schwenkprüfstands.
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Es
ist bisher ein Schwenkprüfstand
bekannt, der einen gesteuert verschwenkbaren kardanischen Käfig aufweist,
mittels welchem ein geschleppter Prüfkörper verschwenkt werden kann.
Zum Antrieb des Prüfkörpers wird
eine externe Belastungseinheit verwendet, deren Antriebsstrang durch
eine Schwenkachse zu einem der kardanischen Rahmen geleitet wird,
und weiter im kardanischen Rahmen zum Prüfling. Dazu sind mehrere an
den kardanischen Rahmen angeordnet Winkelantriebe vorhanden, wodurch
unter anderem der kardanische Käfig nur
unter hohem Aufwand herstellbar und zudem schwer und somit nur aufwändig bewegbar
wird. Zudem sind ein Wechsel und eine Modifizierung des Prüfkörpers aufwändig.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit
zur vergleichsweise preiswerten, einfachen und flexiblen Prüfung von Prüfkörpern auf
Schwenkbewegungen bereitzustellen.
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Diese
Aufgabe wird mittels eines Schwenkprüfstands nach Anspruch 1 oder
7, eines Verfahrens nach Anspruch 14 und einer Verwendung nach Anspruch
15 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind insbesondere den Unteransprüchen entnehmbar.
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Der
Schwenkprüfstand
weist eine Schwenkeinheit in Form eines gesteuert verschwenkbaren kardanischen
Käfigs
auf, welcher zur Aufnahme eines Prüfteils eingerichtet ist. Durch
die Verwendung eines kardanischen Käfigs kann eine hochgradig freie Verschwenkung
eines am kardanischen Käfig aufgehängten Prüfkörpers bzw.
Prüfobjekts
erreicht werden. Zudem kann ein Prüfablauf mit hoher Genauigkeit
wiederholt werden. Auch ist ein solcher Prüfstand mit vergleichsweise
einfachen Komponenten aufbaubar. Ferner ist der Prüfkörper (ggf.
mittels Adaptern und/oder Befestigungsdornen) einfach und stabil
montierbar. Aufgrund der leichten Erreichbarkeit des Prüfkörpers wird
die Arbeitssicherheit verbessert, und der Prüfkörper kann einfacher ein- und ausgebaut
als auch umgebaut werden.
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Theoretisch
sind Verschwenkungen in sämtliche
Raumwinkel möglich,
z. B. ist der Prüfstand
theoretisch um jede Schwenkachse um 360° schwenkbar. Bevorzugt wird
es jedoch aus praktischen Erwägungen,
wenn die Verschwenkung in der jeweiligen Schwenkachse auf unter
60° beschränkt ist,
z. B. auf ca. 55°.
Die Beschränkung
kann mechanisch oder, bevorzugt, elektronisch geschehen.
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Der
Schwenkprüfstand
weist zum geschleppten Antrieb des Prüfkörpers auch eine ortsfeste Antriebseinheit
zum Antreiben des Prüfkörpers auf,
wobei die Antriebseinheit mit dem Prüfkörper zu dessen Antrieb über ein
flexibles Kupplungsmittel verbindbar ist. Mittels des flexiblen
Kupplungsmittels kann der Antriebsstrang die Bewegung des Prüfkörpers mitmachen.
Die Bewegung des Prüfkörpers wird durch
den ortsfesten Antrieb nicht mehr wesentlich behindert. Dies ist
besonders bei höhergradigen
Verschwenkungen sinnvoll, bei denen sonst ein steifer Antriebsstrang
nicht mit der Bewegung des Prüfkörpers mitgeführt werden
könnte.
Das flexible Kupplungsmittel ist ferner vom kardanischen Käfig getrennt
angeordnet, so dass der kardanische Käfig den Antriebsstrang auch
noch mitbewegen muss. Das flexible Kupplungsmittel kann z. B. hoch
aufgehängt
werden. Dadurch ergibt sich eine erheblich einfachere und preiswertere
Auslegung der kardanischen Rahmen und Schwenkmotoren.
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Bevorzugterweise
umfasst das flexible Kupplungsmittel eine hydraulische Kupplung.
Besonders bevorzugt wird dabei eine hydraulische Kupplung, die mindestens
aufweist: eine von der Antriebseinheit angetriebene, ortsfeste Volumenstrom-Geberpumpe zur Erzeugung
eines Volumenstroms einer Hydraulikflüssigkeit; eine am Prüfkörper anschließbare Volumenstrom-Nehmerpumpe zum mechanischen
Antrieb des Prüfkörpers mittels
des Volumenstroms; und flexible Hydraulikleitungen zwischen der
Volumenstrom-Geberpumpe und der Volumenstrom-Nehmerpumpe. Die Volumenstrom-Geberpumpe
erzeugt allgemein aus einem mechanischen Antrieb einen Volumenstrom,
während
die Volumenstrom-Nehmerpumpe allgemein aus dem Volumenstrom einen
mechanischen Antrieb erzeugt. Der mechanische Antrieb ist häufig eine
Drehung einer Antriebswelle. Als flexible Hydraulikleitungen können beispielsweise
Schläuche
eingesetzt werden. Mittels der flexiblen Hydraulikleitungen ist
ein Abkopplung der Bewegung des Prüfkörpers vom Antriebsmotor besonders
einfach, genau steuerbar, langlebig und sicher erreichbar. Alternativ
kann das flexible Kupplungsmittel anders ausgestaltet sein, z. B.
als flexible mechanische Welle.
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Zum
leistungsstarken und dennoch preiswerten Antrieb des geschleppten
Prüflings
umfasst der ortfest angebrachte Motor vorzugsweise einen Drehstrom-Asynchronmotor.
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Vorzugsweise
umfasst die Volumenstrom-Geberpumpe eine Axialkolben-Verstellpumpe und/oder
umfasst die Volumenstrom-Nehmerpumpe einen
Konstantmotor. Zwar ist es möglich,
eine Antriebsleistung des Konstantmotors auch über eine Einstellung des Durchsatzes
der Axialkolben-Verstellpumpe zu regeln, jedoch ist dies vergleichsweise aufwändig. Es
wird deshalb bevorzugt, dass eine Antriebsleistung nur über eine
Steuerung der Antriebseinheit durchgeführt wird. Die Axialkolben-Verstellpumpe weist
dazu für
einen Prüfablauf
eine feste Volumenstromstellung auf, insbesondere auf Vollförderung
(maximaler Durchsatz).
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Die
Aufgabe wird auch durch einen Schwenkprüfstand für einen befeuerten Prüfkörper gelöst, der
einen gesteuert verschwenkbaren kardanischen Käfig aufweist, welcher zur Aufnahme
des befeuerten Prüfkörpers eingerichtet
ist, als auch eine hydraulische Kupplung, welche aufweist: eine
am Prüfkörper angebrachte
und von einer Antriebswelle des Prüfkörpers antreibbare Volumenstrom-Geberpumpe
zur Erzeugung eines Volumenstroms einer Hydraulikflüssigkeit;
eine ortsfeste Volumenstrom-Nehmerpumpe; und flexible Hydraulikleitungen
zwischen der Volumenstrom-Geberpumpe und der Volumenstrom-Nehmerpumpe.
Die hydraulische Kupplung dient hierbei nicht dem Antrieb, sondern kann
zur Abbremsung des Antriebs des befeuerten Prüfkörpers verwendet werden.
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In
diesem Fall wird vorzugsweise ein Konstantmotor als Volumenstrom-Geberpumpe
und/oder eine Axialkolben-Verstellpumpe als Volumenstrom-Nehmerpumpe
eingesetzt. Dies entspricht in etwa einer Umkehrung der Wirkungsweise
bezüglich des
geschleppten Prüfkörpers.
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Allgemein
wird ein Schwenkprüfstand
bevorzugt, welcher einen Kühlkreislauf
für die
Hydraulikflüssigkeit
umfasst, insbesondere welcher einen Hydraulikflüssigkeitskühler umfasst. Vorzugsweise
ist im Kühlkreislauf
zur Reinigung der Hydraulikflüssigkeit
auch ein Filter eingesetzt.
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Auch
wird allgemein ein Schwenkprüfstand bevorzugt,
welcher einen Bypass (d. h., einen hydraulischen Nebenkreislauf)
zur Leitung von Hydraulikflüssigkeit
zum Konstantmotor zu dessen Kühlung umfasst,
insbesondere durch Erhöhung
einer Leckage von Hydraulikflüssigkeit
am Konstantmotor. Vorzugsweise wird der Bypass vom Kühlkreislauf
abgezweigt.
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Sowohl
bei einem befeuertem aus auch bei einem geschleppten Prüfkörper weist
der Schwenkprüfstand
bevorzugt eine Abgasanlage auf, insbesondere eine Abgasanlage mit Ölabscheider
und/ oder Aktivkohlefilter. Bei geschlepptem Prüfkörper dient die Abgasanlage
zur Abführung
eines Motorölnebels.
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Allgemein
bevorzugt weist der Prüfstand eine
Steuereinrichtung auf, welche die Verschwenkung des Prüfstands
steuert. Die Steuereinrichtung weist bevorzugt eine programmierbare
Prozessoreinheit auf, z. B. einen Mikrocontroller. Auch ist es bevorzugt,
wenn die Steuereinrichtung mit einem Speicher funktional verbunden
ist, welcher voreingestellte Verschwenkungsabläufe beinhalten kann, z. B.
in Form von Kennlinien. Diese Verschwenkungsabläufe können beispielsweise vorbestimmten
Fahrprofilen bzw. Kurvenprofilen entsprechen.
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Bevorzugt
wird zur realistischen und preiswerten Nachbildung von Verschwenkungen
ein Schwenkprüfstand,
der jeweils einen Schwenkmotor zum Schwenken eines zugehörigen kardanischen Rahmens
aufweist.
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Die
Aufgabe wird auch mittels eines Verfahrens zum Betreiben des (befeuerten
oder geschleppten) Schwenkprüfstands
gelöst,
bei dem die mindestens eine Steuerkennlinie aus Daten, insbesondere Beschleunigungsdaten,
einer Fahrt eines Kfz gewonnen wird. Beispielsweise kann ein Kfz
mit Beschleunigungssensoren ausgestattet und einen gewünschten
Kurs abgefahren werden. Die so gewonnenen Beschleunigungswerte können vom
Prüfstand
eingelesen und in entsprechende Kennlinien bzw. Bewegungsabläufe des
kardanischen Käfigs
umgesetzt werden.
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Die
Aufgabe wird auch gelöst
mittels einer Verwendung eines Schwenkprüfstands, insbesondere wie oben
beschrieben mit einem gesteuert verschwenkbaren kardanischen Käfig zur
Verschwenkung eines am kardanischen Käfig befestigten befeuerten
Prüfkörpers, insbesondere
Kfz-Motors.
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Im
Folgenden wird der Schwenkprüfstand anhand
eines Ausführungsbeispiels
schematisch genauer dargestellt.
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1 zeigt
in Schrägansicht
den Aufbau des Schwenkprüfstands;
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2 zeigt
ein Blockdiagramm des Schwenkprüfstands
mit Antriebseinheit für
ein geschlepptes Prüfteil.
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3 zeigt
eine Schrägansicht
einer hydraulischen Kupplung des Schwenkprüfstands nach 2.
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1 zeigt
Komponenten eines Schwenkprüfstands 1,
der mittels eines kardanischen Käfigs 2 mit
zwei kardanischen Rahmen 3, 4 realisiert ist.
Zur Verschwenkung der kardanischen Rahmen 3, 4 ist
an jedem der Rahmen 3, 4 ein jeweils zugehöriger Schwenkmotor 5, 6 montiert.
Der kardanische Käfig 2 ist über Stützbeine 7 auf
einem festen Sockel 8 montiert. Im einzelnen ist der äußere kardanische Rahmen 3 mittels
der Schwenkmotors 5 am Sockel 8 schwenkbar (in
der gezeigten Abbildung um die x-Achse), und der innere kardanische
Rahmen 4 ist mittels des Schwenkmotors 6 am äußeren Rahmen 3 senkrecht
dazu verschwenkbar (in der gezeigten Abbildung um die y-Achse).
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Jeder
Schwenkmotor 5, 6 erbringt eine maximale Leistung
von 0,18 kW, die jeweilige maximale Verstellung beträgt 18°/s. Der kardanische
Käfig 2 ist in
jeder der Schwenkachsen theoretisch um 360° schwenkbar, wird jedoch elektronisch
auf 54° beschränkt, was
einer Beschleunigung von maximal ca. 1,4 g entspricht.
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Aus
Gründen
einer besseren Übersichtlichkeit
nicht gezeigt, aber vorhanden, ist eine Steuereinrichtung, die mit
den Schwenkmotoren 5, 6 zu deren Steuerung verbunden
ist. Eine Lage der kardanischen Rahmen 3, 4 bzw.
eines Prüfkörpers wird
mittels Winkelgebern (ohne Abb.) ermittelt. Mittels der Winkelgeber
wird eine Winkelstellung mindestens eines der kardanischen Rahmen 3, 4 (insbesondere beider
Rahmen 3, 4) ermittelt und an die Steuereinrichtung
zur Ansteuerung, insbesondere Regelung, der Schwenkmotoren 5, 6 zurückgemeldet.
Alternativ können
die Schwenkmotoren 5, 6 auch ohne Winkelgeber
verstellt werden. Der Schwenkprüfstand
ist hier zur genaueren Einstellung der Schwenkwinkel für den statischen
Bereich ausgelegt.
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Die
Anbindung an die Steuereinheit erfolgt über einen CAN-Bus, die Steuerung
wird auf der Steuereinheit mittels des Steuerungssystems "Diadem" realisiert. Dabei
können
die Daten, insbesondere Beschleunigungswerte, welche bei einer Messung im
Fahrzeug auf dem Testgelände
aufgenommen werden, direkt in Diadem eingebunden werden. Dadurch
kann am Prüfstand
der Fahrkurs mit hoher Genauigkeit simuliert werden.
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2 zeigt
skizzenhaft als Blockdarstellung einen Schwenkprüfstand 1 für einen
geschleppten Prüfkörper 9 (Motor,
Getriebe u. v. m.), und 3 zeigt in Schrägansicht
eine hydraulische Kupplung 11 des Schwenkprüfstands 1.
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Um
die kinematischen Anforderungen erfüllen zu können, ist es vorteilhaft, die
zu bewegenden Massen zu reduzieren. Dies geschieht durch eine räumliche
Trennung zwischen Prüfkörper 9 und
Antriebseinheit 10, d. h., dass die Antriebseinheit 10 ortsfest
angeordnet wird, während
der Prüfling 9 geschwenkt
wird. Am kardanischen Käfig 2 sind
lediglich die Schwenkmotoren 5, 6 angebracht;
der Antriebsstrang 11 ist vom Käfig 2 im Wesentlichen
bewegungsentkoppelt und daran angelenkt.
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Die
Antriebseinheit 10 ist hier ein Drehstrom-Asynchronmotor,
wie er beispielsweise von der Firma Siemens angeboten wird. Der
Drehstrom-Asynchronmotor 10 erreicht eine Leistung von 220
KW und eine maximale Drehzahl von 10000 min–1.
Der (begrenzte) Hochlauf von 0 auf 10000 min–1 erfolgt
in 1 s.
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Die
Antriebseinheit 10 ist mit dem Prüfkörper 9 über eine
flexible hydraulische Kupplung 11 verbunden, die bewegungsunabhängig vom
kardanischen Käfig 2 geführt ist.
Eine solche hydraulische Kupplung 11 wird beispielsweise
von der Firma Rexroth Bosch angeboten. Die gestrichpunktet umrahmte
hydrau lische Kupplung 11 weist hier eine Hydraulikstrom-Geberpumpe
in Form einer Axialkolben-Verstellpumpe 12 (156 KW, maximale
Drehzahl 4100 min–1) und eine Hydraulikstrom-Nehmerpumpe
in Form eines hydraulisch angetriebenen Konstantmotors 13 (133
KW, maximale Drehzahl 6900 min–1) auf. Die Axialkolben-Verstellpumpe 12 wird
vom Drehstrom-Asynchronmotor 10 angetrieben. Der Konstantmotor 13 ist
am Prüfkörper 9 zu
dessen Antrieb angebracht, z. B. an einem Getriebedorn eines Motors.
Die Kraftübertragung
zwischen Axialkolben-Verstellpumpe 12 und Konstantmotor 13 (und
damit zwischen Drehstrom-Asynchronmotor 10 und Konstantmotor 13)
geschieht mittels flexibler hydraulischer Schläuche, von denen hier ein Zufuhrschlauch 14 und
ein Rücklaufschlauch 15 dargestellt
sind.
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Beim
Betrieb des geschleppten Schwenkprüfstands 1 wird durch
den Drehstrom-Asynchronmotor 10 die Axialkolben-Verstellpumpe 12 angetrieben,
welche einen Volumenstrom einer Hydraulikflüssigkeit (maximaler Volumenstrom
hier: 201 l/min bei 400 bar) über
den Zufuhrschlauch 14 zum Konstantmotor 13 liefert,
welchen dieser in eine Antriebsbewegung einer mechanischen Welle
umsetzt. Die Welle (ohne Abb.) treibt wiederum den Prüfkörper 9 an. Über den
Rücklaufschlauch 15 wird
die Hydraulikflüssigkeit
wieder zur Axialkolben-Verstellpumpe 12 zurückgeführt. Durch
die flexible Natur der Schläuche 14, 15 kann
der Prüfkörper 9 in
seiner Bewegung von den ortfesten Komponenten 10, 12 (im
gestrichelt eingezeichneten Block) im Wesentlichen entkoppelt geschwenkt
werden. Dadurch, dass die Schläuche 14, 15 nicht
am kardanischen Käfig 2 angelenkt
sind, kann der kardanische Käfig 2 besonders
einfach und preiswert ausgelegt werden. Die Schläuche 14, 15 können zum
Beispiel aufgehängt sein.
Zur sicheren Befestigung kann ein Prüfkörper 9 mittels Befestigungsdornen
an den Rahmen 3, 4 gesichert werden.
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Dabei
würde die
Möglichkeit
bestehen, die Leistung des Konstantmotors 13 außer über den Asynchronmotor 10 auch
mit Hilfe einer Einstellung des Volumenstroms an der Verstellpumpe 12 zu
regeln. Da ein zweiter Regelkreis jedoch die Dynamik des Prüfstands 1 negativ
beeinträchtigt,
wird die Antriebsregelung hier ausschließlich am Asynchronmotor 10 ausgeführt (z.
B. durch Einstellung der Drehzahl); die Verstellpumpe 12 ist
auf vorbestimmten Durchsatz eingestellt, hier vorteilhafterweise
auf eine Vollförderung
(maximaler Durchsatz).
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Zur
Kühlung
der Hydraulikflüssigkeit
wird von der (Haupt-)Zufuhrleitung 14 eine Kühlkreislauf-Zufuhrleitung 16 abgezweigt,
die zu einem Hydraulikflüssigkeitskühler 17 führt, von
wo aus die Hydraulikflüssigkeit über eine
Kühlkreislauf-Rücklaufleitung 18 gekühlt wieder
zur Axialkolbenpumpe 12 zurückgeführt wird. Zur Regelung des
Kühlvolumenstroms
ist in der Kühlkreislauf-Zufuhrleitung 16 ein Regelventil 19 eingebracht.
Außer
einem Hydraulikflüssigkeitskühler 17 ist
auch ein Filter (ohne Abb.) zur Reinigung der Hydraulikflüssigkeit
im Kühlkreislauf
vorhanden.
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Die
Kühlung
des Konstantmotors 14, dessen O-Ring-Dichtungen nur bis
115°C ausgelegt
ist, erfolgt durch einen sog. Bypass. Dazu ist zwischen den Haupthydraulikleitungen 14, 15 ein
Strömungswiderstand 20 eingebracht,
der einen Druckunterschied Δp aufbaut
und von dem flussaufwärts
eine Bypasszuleitung 21 zum Konstantmotor 14 führt(angedeutet). Die
dadurch transportierte Hydraulikflüssigkeit bewirkt durch eine
verstärkte
Leckage einen verstärkten
Spülvorgang,
durch den eine Kühlung
insbesondere der Dichtungen verbessert wird. Der Leckagestrom wird über eine
Bypassrückleitung 22 stromabwärts des
Strömungswiderstands 20 in
die Kühlkreislauf-Zufuhrleitung 16 eingebracht.
Im Bypass kann ein Volumenstromregelventil (ohne Abb.) eingebracht
sein.
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Mit
Hilfe dieses Aufbaus wird eine frühzeitige Konzeptentwicklung
sowie eine sichere Serienauslegung insbesondere von Fahrzeugkomponenten
ermöglicht.
Der Prüfstand
ist speziell geeignet zur Untersuchung des Verhaltens eines Ölkreislaufes
eines Motors. Ein sehr wichtiger Aspekt dabei ist, dass die Versuche
am Ölsystem
bereits durchgeführt
werden können,
bevor eine bestimmte Applikation erste Steuergeräte bereitstellen kann. Die
Versuche werden hier typischerweise bei Öltemperaturen zwischen 80 und
130°C durchgeführt.
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Jedoch
ist der vorliegende Schwenkprüfstand
nicht auf die beschriebene Ausführungsform beschränkt.
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So
sind Verstellmotoren mit anderer Charakteristik einsetzbar, z. B.
mit einer Leistung von 1,5 kW und einer maximalen Verstellung von
90°/s. Auch
ist weder die Schwenkbarkeit des kardanische Käfigs auf 54° beschränkt, noch dessen Beschleunigung
auf 1,4 g. Ferner ist geschleppte Schwenkprüfstand nicht auf den statischen
Bereich beschränkt,
eine Nutzung im dynamischen Bereich ist ebenfalls möglich.
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Grundsätzlich ist
auch eine Nutzung für
befeuerte Prüfkörper möglich. Dann
können
für den
Fall eines befeuerten Motors als Prüfkörper durch Verwendung einer
Abgasanlage mit Ölabscheider
und Aktivkohlefilter auch hinsichtlich des Umweltschutzes die Anforderungen übertroffen
werden. Die verwendeten Abgasschläuche sind dabei vorzugsweise
für Temperaturen
bis 180°C
ausgelegt.
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Auch
ist die flexible Kupplungseinheit außer zu seiner Verwendung als
flexibles Kupplungselement auch als zusätzlicher Antrieb einsetzbar.
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Allgemein
ist der Schwenkprüfstand
nicht zur Nutzung auf irgendwelchen Anwendungsfeldern beschränkt. So
ist der Einsatz des Schwenkprüfstandes außer mit
Motorkomponenten auch mit anderen Antriebskomponenten, wie beispielsweise
Getrieben, denkbar. Auch können
beispielsweise Bahn- oder Flugzeugkomponenten untersucht werden.
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- 1
- Schwenkprüfstand
- 2
- kardanischer
Käfig
- 3
- kardanischer
Rahmen
- 4
- kardanischer
Rahmen
- 5
- Schwenkmotor
- 6
- Schwenkmotor
- 7
- Stützbein
- 8
- fester
Sockel
- 9
- Prüfkörper
- 10
- Antriebseinheit
- 11
- hydraulische
Kupplung
- 12
- Axialkolben-Verstellpumpe
- 13
- Konstantmotor
- 14
- Zufuhrschlauch
- 15
- Rücklaufschlauch
- 16
- Kühlkreislauf-Zufuhrleitung
- 17
- Hydraulikflüssigkeitskühler
- 18
- Kühlkreislauf-Rücklaufleitung
- 19
- Regelventil
- 20
- Strömungswiderstand
- 21
- Bypasszuleitung
- 22
- Bypassrückleitung