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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Prüfeinrichtung zur Reibungsuntersuchung
eines Prüfkörpers an
einem Gegenkörper,
mit einer Reibungsebene, in der sich der Prüfkörper und der Gegenkörper flächig mit
Reibflächen
kraftbeaufschlagt berühren,
und mit einem insbesondere oszillierenden Antrieb für den Prüfkörper, der
den Prüfkörper vorzugsweise
geradlinig gegenüber
dem Gegenkörper
hin und her bewegt.
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Es
ist bekannt, dass Reibung entsteht, wenn Flächen zweier Körper unter
Krafteinwirkung aneinanderliegend relativ zueinander bewegt werden.
Die Höhe
der Reibung hängt
dabei von der wirkenden Anpresskraft (Normalkraft) und von der Oberflächenbeschaffenheit
der Reibflächen
der sich reibenden Körper
ab. Für
tribologische Untersuchungen werden üblicherweise Prüfeinrichtungen
eingesetzt, bei denen ein Prüfkörper unter
vorgegebener Normalbelastung relativ gegenüber einem Gegenkörper bewegt wird.
Der Prüfkörper ist
dabei mit einem Antrieb verbunden, der häufig eine oszillierende Bewegung
ausführt
und dabei den Prüfkörper entlang
einer Linie auf dem Gegenkörper
hin und her bewegt. Der Gegenkörper
ist meist derart unbeweglich gelagert, dass eine in Bewegungsrichtung
des Prüfkörpers wirkende
Reibkraft an dem Gegenkörper
erfasst werden kann.
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Solche
Prüfeinrichtungen
liefern normalerweise bei hoher Normalbelastung gute Messergebnisse,
bei Messungen oder Untersuchungen mit niedriger Normalbelastung
arbeiten sie jedoch nicht immer zufriedenstellend. Die Messergebnisse
der Reibungsuntersuchungen werden dadurch beeinträchtigt,
dass der oszillierende Antrieb ein sich entsprechend der Bewegungsrichtung
des Antriebs in der Richtung periodisch änderndes Kippmoment an dem
Prüfkörper bewirkt,
wodurch sich die Reibungsverhältnisse
zwischen dem Prüfkörper und
dem Gegenkörper
laufend verändern.
Der Prüfkörper wird
in Bewegungsrichtung vorn stärker
gegen den Gegenkörper
gedrückt
als hinten. Dies macht sich bei Messungen und Untersuchungen bemerkbar,
die eine hohe Genauigkeit erfordern.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Prüfeinrichtung zur Reibungsuntersuchung
vorzuschlagen, bei der das von dem Antrieb auf den Prüfkörper übertragene
Kippmoment vernachlässigbar
ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
Prüfvorrichtung
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
sind den Unteransprüchen
zu entnehmen.
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Der
Prüfkörper der
erfindungsgemäßen Prüfeinrichtung
ist schwenkbar mit dem Antrieb verbunden. Er kann um eine Achse
oder um einen Punkt wie bei einem Kugelgelenk, also in alle Richtungen, schwenkbar
sein. Die Schwenkachse oder der Schwenkpunkt befinden sich in der
Reibungsebene, in der die Reibfläche
des Prüfkörpers die
Reibfläche des
Gegenkörpers
berührt.
Zum einen richtet sich der Prüfkörper durch
die Schwenkverbindung mit der Schwenkachse oder dem Schwenkpunkt
in der Reibungsebene von selbst am Gegenkörper aus. Zum anderen, und
das ist für
die Erfindung der wesentlichere Gesichtspunkt, bewirkt der Antrieb
kein Kippmoment auf den Prüfkörper, weil
der Antrieb in der Reibungsebene am Prüfkörper angreift. Es wird nicht ein
in Bewegungsrichtung vorderer Teil der Reibfläche des Prüfkörpers stärker gegen den Gegenkörper gedrückt und
ein in Bewegungsrichtung hinterer Teil der Reibfläche entlastet,
sondern die Belastung über die
Reibfläche
des Prüfkörpers ist
gleichmäßig über die
Reibfläche
verteilt. Auch wenn sich die Bewegungsrichtung des Prüfkörpers gegenüber dem
Gegenkörper
bei einem oszillierenden Antrieb umkehrt, ändert sich nichts an der gleichmäßig über die
gesamte Reibfläche
des Prüfkörpers verteilten
Belastung. Eine solche, über
die gesamte Reibfläche gleichmäßig verteilte
Belastung ist Voraussetzung für unverfälschte Messungen
und Untersuchungen.
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Physisch
muss die Schwenkverbindung außerhalb
der Reibflächen,
also beispielsweise neben dem Gegenkörper oder den Gegenkörper umschließend angeordnet
sein, um die Schwenkachse oder den Schwenkpunkt der Schwenkverbindung
des Prüfkörpers mit
dem Antrieb in der Reibungsebene anordnen zu können. Denkbar und innerhalb
des Rahmens der Erfindung ist es auch möglich, die Schwenkachse oder
den Schwenkpunkt etwas unter die Reibungsebene zu verlegen, so dass
der Antrieb ein gegenläufiges
Kippmoment auf den Prüfkörper bewirkt.
Mit unterhalb der Reibungsebene ist gemeint, dass die Schwenkachse
oder der Schwenkpunkt der Schwenkverbindung sich im Gegenkörper befinden.
Ein gegenläufiges
Kippmoment meint, dass der Prüfkörper entgegen
des üblichen
Kippmoments beaufschlagt ist, dass also ein in Bewegungsrichtung
hinterer Teil der Reibfläche
des Prüfkörpers stärker gegen
den Gegenkörper
gedrückt
und ein in Bewegungsrichtung vorderer Teil der Reibfläche entlastet
wird. Die Verlagerung der Schwenkachse oder des Schwenkpunkts der
Schwenkverbindung des Prüfkörpers mit
dem Antrieb ist an sich nur dazu gedacht, das Kippmoment, welches
der Antrieb auf den Prüfkörper ausübt, tatsächlich zu
eliminieren und nicht um den Prüfkörper mit
einem gegenläufigen Kippmoment
zu beaufschlagen.
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Wie
bereits angesprochen muss nicht der Prüfkörper bewegt werden, sondern
es kann auch der Gegenkörper
bewegt werden, notwendig ist eine Relativbewegung des Prüfkörpers gegenüber dem Gegenkörper.
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Vorzugsweise
befindet sich die Schwenkachse oder der Schwenkpunkt nicht außerhalb
des Prüfkörpers, also
nicht vor oder hinter und auch nicht neben dem Prüfkörper, sondern
zwischen Enden bzw. innerhalb eines Umfangs des Prüfkörpers. Insbesondere
befindet sich die Schwenkachse oder der Schwenk punkt in Bewegungsrichtung
gesehen in einer Mitte oder zumindest in einem mittleren Bereich des
Prüfkörpers. Dadurch
wird die gewünschte
Ausrichtung des Prüfkörpers am
Gegenkörper
erreicht und es ist eine bestmögliche
Elimination des Kippmoments zu erwarten.
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Der
Antrieb erfolgt vorzugsweise parallel zur, d. h. innerhalb der Reibungsebene.
Allerdings wird das Kippmoment auch dann eliminiert, wenn der Antrieb
außerhalb,
d. h. schräg
zur Reibungsebene erfolgt.
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Weist
die Schwenkverbindung des Prüfkörpers mit
dem Antrieb eine Schwenkachse auf, sieht eine Ausgestaltung der
Erfindung vor, dass die Schwenkachse orthogonal zur Bewegungsrichtung verläuft.
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Eine
Ausgestaltung der Erfindung sieht eine kardanische „Aufhängung” des Prüfkörpers vor,
womit gemeint ist, dass der Prüfkörper um
zwei Schwenkachsen schwenkbar gelagert mit dem Antrieb verbunden
ist. Die Schwenkachsen schneiden sich vorzugsweise jedoch nicht
zwingend orthogonal. Die kardanische „Aufhängung” bildet letzten Endes eine
Punktlagerung, der Prüfkörper ist
um den Schnittpunkt der beiden Schwenkachsen wie um einen Schwenkpunkt
in allen Richtungen schwenkbar. Der Schnittpunkt der Schwenkachsen
der kardanischen „Aufhängung”, also
der Schwenkpunkt des Prüfkörpers, befindet
sich in der Reibungsebene. Vorzugsweise befinden sich die Schwenkachsen
in der Reibungsebene. Die kardanische „Aufhängung” ermöglicht eine Anordnung von Schwenklagern
außerhalb
des Prüfkörpers und
außerhalb
des Gegenkörpers.
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Eine
andere Ausgestaltung der Erfindung sieht einen Gelenkkopf als Punktlagerung
zur Verbindung des Prüfkörpers mit
dem Antrieb vor. Der an sich bekannte Gelenkkopf weist einen Kugelschichthohlkörper auf,
der auch als Lagerkalotte bezeichnet wird und der in dem ringförmigen Gelenkkopf,
der eine korrespondierende Kugelschichthohlfläche aufweist, um einen Schwenkpunkt
in allen Richtungen schwenkbar gelagert ist. Der Kugelschichthohlkörper ist
hohl, er weist ein axiales Durchgangsloch auf, in dem der Prüfkörper so
befestigt ist, dass sich seine Reibfläche in einer Mittelebene des Kugelschichthohlkörpers befindet.
Der Kugelschichthohlkörper
umgibt den Gegenkörper,
an dem der Prüfkörper reibend
anliegt, mit Abstand, so dass die gewünschte Bewegung des Prüfkörpers gegenüber dem
Hohlkörper
möglich
ist. Der Gelenkkopf ist eine einfache und preisgünstige Möglichkeit zur Verwirklichung
der schwenkbaren Verbindung des Prüfkörpers mit dem Antrieb, wobei
sich der Schwenkpunkt in der Reibungsebene befindet.
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Eine
andere Möglichkeit
ist die Verwendung eines Pendellagers, beispielsweise eines Pendelkugellagers
oder eines Pendelrollenlagers, deren Innenringe um einen Schwenkpunkt
in allen Richtungen schwenkbar sind. Der vergleichsweise kleine Schwenkwinkel
eines Pendellagers ist ausreichend für die Erfindung. Der Prüfkörper ist
im Innenring des Pendellagers so befestigt, dass sich seine Reibfläche in der
Mittelebene befindet. Der Innenring des Pendellagers umschließt den Gegenkörper mit
Abstand, so dass die gewünschte
Bewegung des Prüfkörpers gegenüber dem
Gegenkörper
möglich
ist.
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Der
Antrieb des Prüfkörpers gegenüber dem Gegenkörper kann
auf einer Kreisbahn erfolgen, also immer in derselben Richtung.
Das ist beispielsweise möglich
durch einen Drehantrieb des Gegenkörpers und eine exzentrische
Anordnung des ortsfest mit der Schwenkverbindung gehaltenen Prüfkörpers. Insbesondere
sieht die Erfindung einen oszillierenden Antrieb, also eine hin-
und hergehende Bewegung des Prüfkörpers gegenüber dem
Gegenkörper
vor.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Weitere
Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
der Erfindung in Verbindung mit den Ansprüchen und der beigefügten Zeichnung. Die
einzelnen Merkmale der Erfindung können für sich allein oder zu mehreren
bei unterschiedlichen Ausführungsformen
der Erfindung verwirklicht sein. Es zeigen:
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1 eine
Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Prüfeinrichtung;
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2 und 3 perspektivische
schematisierte Darstellungen erfindungsgemäßer Prüfeinrichtungen; und
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4 und 5 zwei
Ausführungsformen erfindungsgemäßer Prüfeinrichtungen.
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Die
in 1 dargestellte, erfindungemäße Prüfeinrichtung 1 dient
zu Reibungsuntersuchungen. Sie weist einen Prüfkörper 2 auf, der mit
einer Normalkraft beaufschlagt an einem Gegenkörper 3 anliegt. Ein
oszillierender Antrieb 4 ist mit einem Doppelpfeil symbolisch
dargestellt, er kann beispielsweise mit einem Exzenter, einem Pneumatik-
oder Hydraulikzylinder oder einem Linearmotor erfolgen. Derartige
Antriebe sind bekannt und sollen an dieser Stelle nicht näher erläutert werden.
Der Antrieb des Prüfkörpers gegenüber dem
Gegenkörper
kann beispielsweise auch auf einer Kreisbahn erfolgen. Dargestellt
und erläutert
wird die Erfindung mit einem feststehenden Gegenkörper 3 und
dem angetriebenen Prüfkörper 2,
es ist allerdings auch umgekehrt möglich, den Gegenkörper 3 oder
auch den Prüfkörper 2 und
den Gegenkörper 3 zu
bewegen.
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Die
aneinander anliegenden Reibflächen 5, 6 des
Prüfkörpers 2 und
des Gegenkörpers 3 sind ebene
Flächen,
sie definieren eine Reibungsebene 7. Eine Schwenkachse 8 einer
Schwenkverbindung des Prüfkörpers 2 mit
dem Antrieb 4 befindet sich in der Reibungsebene 7.
Dadurch wird ein Kippmoment durch den Antrieb 4 auf den
Prüfkörper 2 vermieden, der
Prüfkörper 2 wird über seine
gesamte Reibfläche 5 gleichmäßig verteilt
gegen die Reibfläche 6 des
Gegenkörpers 3 gedrückt. Es
wird vermieden, dass ein in Bewegungsrichtung vorderer Bereich der
Reibfläche 5 des
Prüfkörpers 2 stärker gegen
die Reibfläche 6 des
Gegenkörpers 3 gedrückt und
ein Bewegungsrichtung hinterer Bereich der Reibfläche 5 des
Prüfkörpers 2 entlastet
wird. Auch bei einem oszillierenden Antrieb 4, der den
Prüfkörper 2 hin-
und hergehend gegenüber
dem Gegenkörper 3 bewegt,
wird der Prüfkörper 2 beim
Wechsel der Bewegungsrichtung nicht kippend beansprucht, sondern
er wird unabhängig
von der Bewegungsrichtung immer über seine
gesamte Reibfläche 5 gleichmäßig verteilt
gegen die Reibfläche 6 des
Gegenkörpers 3 gedrückt.
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2 zeigt
schematisiert eine Ausführungsform
einer erfindungemäßen Prüfeinrichtung 1.
Der Prüfkörper 2 ist
beispielsweise ein Zylinder, der Gegenkörper 3 eine rechteckige
oder längliche
Bahn. Zur schwenkbaren Verbindung des Prüfkörpers 2 mit dem Antrieb 4 sind
zwei Lager 9 gleichachsig seitlich beiderseits neben dem
Gegenkörper 3 angeordnet. Denkbar
ist die Schwenklagerung auch mit nur einem Lager 9. Die
Lager 9 sind in der Reibungsebene 7 angeordnet,
die durch die aneinander reibenden Reibflächen 5, 6 des
Prüfkörpers 2 und
des Gegenkörpers 3 definiert
sind, d. h. eine Schwenkachse 8 befindet sich in der Reibungsebene 7.
Befestigt ist der Prüfkörper 2 beispielsweise
mit einer gekröpften
Traverse 10, die drehbar in den Lagern 9 gelagert
ist. Durch die Kröpfung
verläuft
die Traverse 10 oberhalb der Reibfläche 6 des Gegenkörpers 3.
Trotzdem wirkt bei einer Bewegung des Prüfkörpers 2 gegenüber dem Gegenkörper 3 kein
Kippmoment auf den Prüfkörper 2,
weil die Schwenkachse 8 in der Reibungsebene 7 verläuft.
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Die
Lager 9 sind an einem gabelförmigen Halter 11 angebracht,
der mit dem Antrieb 4 beispielsweise oszillierend bewegbar
ist. Der Halter 11 umgreift den Gegenkörper 3 seitlich.
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Auch
wenn der Antrieb 4 wie in 1 zu sehen
schräg
zur Reibungsebene 7 verläuft, bewirkt das kein Kippmoment
auf den Prüfkörper 2.
Das gilt auch bei einer schwenkbaren Befestigung des Prüfkörpers 2 an
einem senkrecht zur Reibungsebene 7 verlaufenden Halter 12,
wie er mit Strichlinien dargestellt ist und der oszillierend parallel
zur Reibungsfläche 7 bewegt
wird, wie es mit dem gestrichelten Doppelpfeil dargestellt ist,
um den Prüfkörper 2 zu
bewegen.
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3 zeigt
eine kardanische „Aufhängung” des Prüfkörpers 2.
Der Gegenkörper 3 ist
beispielsweise rechteckig oder quadratisch. Er wird von einem rahmenförmigen Halter 13 umschlossen,
der auf jeder der vier Seiten des Gegenkörpers 3 ein Lager 9 aufweist.
Einander gegenüberliegende
Lager 9 sind gleichachsig angeordnet, ihre Schwenkachsen 8 befinden
sich in der Reibungsebene 7, die durch die aneinander reibenden
Reibflächen 5, 6 des
Prüfkörpers 2 und
des Gegenkörpers 3 definiert
ist. An zwei der Lager 9 ist der Prüfkörper 2 mittels der gekröpften Traverse 10 wie
zu 2 erläutert
befestigt, die durch die Kröpfung
oberhalb der Reibungsebene 7 verläuft. Die Lager 9 der
Traverse 10 sind durch den rechteckigen Rahmen 13 mit
den beiden anderen Lagern 9 verbunden, mit denen der rechteckige
Rahmen 13 in einem gabelförmigen Halter 11 schwenkbar
oder drehbar gelagert ist. Der Halter 11 ist mit dem Antrieb 4 beispielsweise
oszillierend antreibbar. Die beiden Schwenkachsen 8 sind
orthogonal zueinander, sie selbst und ihr Schnittpunkt 14 befinden sich
in der Reibungsebene 7. Der Prüfkörper 2 ist um den
Schnittpunkt 14 der beiden orthogonalen, sich schneidenden
Schwenkachsen 8 in allen Richtungen schwenkbar, der Schnittpunkt 14 bildet
einen Schwenkpunkt 15, um den der Prüfkörper 2 in allen Richtungen
schwenkbar ist.
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Um
ein eventuell dennoch auftretendes Kippmoment zu eliminieren kann
die Schwenkachse 8 auch etwas unterhalb oder auch oberhalb
der Reibungsebene 7 angeordnet sein.
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Die
in 4 dargestellte erfindungsgemäße Prüfeinrichtung 1 zur
Reibungsuntersuchung weist einen Gelenkkopf 16 mit einer
Lagerkalotte 17 und einem Gelenkring 18 auf. Die
Lagerkalotte 17 ist ein ringförmiger Kugelschichtkörper. Der
Gelenkring 18 weist eine mit der Lagerkalotte 17 korrespondierende hohle
Kugelschichtfläche
auf, in der die Lagerkalotte 17 um einen Schwenkpunkt in
ihrer Mitte in allen Richtungen schwenkbar gelagert ist. Der Gelenkring 18 weist
ein radial abstehendes Gewinde 19 für den in 4 nicht
dargestellten Antrieb 4 auf. In einem axial durchgehenden
Loch 20 ist mit einer eingepressten Lochscheibe 21 der
Prüfkörper 2 befestigt, so
dass seine Reibfläche 5 sich
in einer Mittelebene 22 der Lagerkalotte 17 befindet.
Dadurch wird wiederum erreicht, dass sich ein Schwenkpunkt, um den Prüfkörper 2 im
Gelenkkopf 16 in allen Richtungen schwenkbar gelagert ist,
in der Reibungsebene 7 befindet, so dass ein Kippmoment
auf den Prüfkörper 2 eliminiert
ist, egal in welcher Richtung dieser in der Reibungsebene 7 bewegt
wird.
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Der
Prüfkörper 2 ist
zylindrisch und weist einen Durchmesser von beispielsweise 5 mm
auf. Der feststehende Gegenkörper 3 ist
ebenfalls zylindrisch und weist einen Durchmesser von beispielsweise
12 mm auf. Das Mittelloch 20 der Lagerkalotte 17 des Gelenkkopfs 16 weist
einen größeren Innendurchmesser
auf, so dass sie mit dem Gelenkkopf 16 gegenüber dem
Gegenkörper 3 in
der Reibungsebene 7 in allen Richtungen frei bewegbar ist,
um den Prüfkörper 2 gegenüber dem
Gegenkörper 3 zu
Reibungsuntersuchungen bewegen zu können.
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5 zeigt
eine Prüfeinrichtung 1 mit
einem Pendellager 23 anstelle des in 4 verwendeten Gelenkkopfs 16.
Dargestellt ist in 5 ein Pendelkugellager, verwendbar
ist ebenso ein Pendelrollenlager oder ein sonstiges Pendellager.
Wie in der Lagerkalotte 17 des Gelenkkopfs 16 aus 4 ist
in 5 der Prüfkörper 2 mit
einer Lochscheibe 21, die in einen Innenring 24 des
Pendellagers 23 eingepresst ist, im Innenring 24 gehalten.
Der Innenring 24 des Pendellagers 23 umschließt den Gegenkörper 3 mit
Abstand, so dass die gewünschte
Bewegung des Prüfkörpers 2 gegenüber dem
Gegenkörper 3 möglich ist.
Die Reibfläche 5 des
Prüfkörpers 2 befindet sich
in einer Mittelebene 22 des Pendellagers 23, so dass
der Prüfkörper 2 schwenkbar
um einen Schwenkpunkt gelagert ist, der sich in der Reibungsebene 7 befindet.
Der vergleichsweise kleine Schwenkwinkel eines Pendellagers 23 ist
ausreichend, um wie gewünscht,
ein Kippmoment auf den Prüfkörper 2 durch
dessen Bewegung gegenüber dem
Gegenkörper 3 zu
eliminieren. Der Prüfkörper 2 kann
in 4 und 5 axial verschoben werden, um
seine Reibfläche 5 exakt
auf die Mittelebene 22 des Gelenkkopfs 16 bzw.
Schwerpunkt des Pendellagers 23 auszurichten. Auch kann
durch die Verschiebung die Reibfläche 5 geringfügig gegenüber der
Mittelebene 22 verschoben werden, so dass sich der Schwenkpunkt,
um den der Prüfkörper 2 in
allen Richtungen schwenkbar ist, etwas unter- oder auch oberhalb
der Reibungsebene 7 befinden, falls das notwendig ist,
um das Kippmoment, das der Antrieb 4 auf den Prüfkörper 2 bewirkt,
zu eliminieren.
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Auch
wenn die 2 bis 5 zylindrische Prüfkörper 2 zeigen,
ist eine andere Form des Prüfkörpers 2 möglich, beispielsweise
ein quaderförmiger oder
prismatischer Prüfkörper (nicht
dargestellt).