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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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Das Patent
DE 10 2004 031 612 B3 offenbart eine Prüfeinrichtung zur Reibungsuntersuchung mit einem Prüfkörper, der über einen Arm an einer kardanischen Aufhängung befestigt, die sich mit Abstand außerhalb eines Gegenkörpers befindet. Der Gegenkörper ist eine drehend antreibbare Scheibe, auf der der Prüfkörper gewichtsbelastet aufliegt.
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Das Gebrauchsmuster
G 90 00 632 U1 offenbart einen Reibungsmessstand zur Bewertung der Reibbeiwerte und Abriebwiderstandswerte von Gummiproben von beispielsweise Reifenlaufflächen. Ein Gummiprobenkörper ist als Scheibenrädchen ausgebildet und drehbar gelagert. Er wird an eine drehend antreibbare Scheibe angedrückt, wobei ein Schräglaufwinkel einstellbar ist.
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Das Patent
DE 26 45 902 C3 offenbart eine Einrichtung zur Reib- und Verschleißprüfung mit einer drehend antreibbaren Ringscheibe als Gegenkörper, gegen die bolzenförmige Prüfkörper gedrückt werden, die in einem Halter fest eingespannt sind. Der Halter ist mit einem Pendellager schwenkbar gelagert, das Abstand vom Gegenkörper aufweist, d. h. sich außerhalb der Reibungsebene befindet.
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Das Patent
US 3,041,868 A offenbart eine Vorrichtung zum Prüfen von Schmiermitteln, bei der ein Prüfkörper gleitend oder wälzend mit einer drehend antreibbaren Kurbelscheibe über ein Pleuel zu einer hin- und hergehenden Hubbewegung angetrieben wird. Eine gelenkige Verbindung des Prüfkörpers mit dem Pleuel befindet sich oberhalb des Gegenkörpers.
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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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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 Schwenkpunkt 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, dessen 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. 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 möglich, 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).
