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Die Erfindung bezieht sich auf eine Belastungsvorrichtung für einen Prüfstand zur Prüfung von drehbaren und stationären Bauteilen, auf einen Prüfstand mit einer derartigen Belastungsvorrichtung, auf eine Prüfanordnung sowie auf ein Prüfverfahren.
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Prüfstände zur wiederholbaren Prüfung der Festigkeit von Bauteilen bei mechanischer Belastung sind bekannt, wie am Beispiel eines Prüfstandes für Windenergieanlagen erläutert.
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Um für Gegenden mit niedrigen und mittleren Windgeschwindigkeiten effiziente Windenergieanlagen zu entwickeln, werden größere Rotoren eingesetzt, wodurch das Getriebe und der Triebstrang der Anlage erhöhten Belastungen ausgesetzt ist. Die bei Windkraftanlagen auftretenden schwankenden Drehmomente oder die typischen hohen Drehmomente bei niedrigen Drehzahlen führen zu weiteren Belastungen des Getriebes. Da die Getriebe im montierten Zustand schwer zugänglich sind, kommt es in besonderem Maße auf einen schadensfreien bzw. wartungsarmen Betrieb an. Die Prüfung derartiger Getriebe gewinnt daher zunehmend an Bedeutung.
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Ein Beispiel für einen Prüfstand für eine Windenergieanlage ist in
EP 1 564 405 A1 beschrieben. Der Prüfstand umfasst eine bewegliche Struktur, die am Flansch der Rotorwelle angeschraubt ist. An dieser Struktur greifen in der Form eines Hexapod mehrere Hydraulikzylinder an. Mit dem bekannten Prüfstand wird hauptsächlich die Azimutverstellung der Anlage geprüft. Da die Anordnung statisch überbestimmt ist, ist eine aufwändige Regelung erforderlich. Torsionsmomente können nur durch eine relativ kleine Winkelverdrehung über die Hexapodzylinder aufgebracht werden.
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Weitere Prüf- bzw. Belastungsvorrichtungen sind ferner in der
WO 2007/144003 A2 , der
DE 43 23 718 A1 , der
WO 2007/140788 A2 , der
DE 38 18 661 A1 und der
JP H03 238 376 A geschrieben.
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So beschreibt die
WO 2007/144003 einen Prüfstand zum Testen von Flügeln für Windenergieanlagen, wobei Radialzylinder von Lastmitteln starr mit dem Gehäuse des Prüfstands verbunden werden.
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Die
DE 43 23 718 A1 betrifft eine Prüfmaschine für Umlaufbiegungen langer Rundstäbe oder Stangen. Die Maschine umfasst drei in Axialrichtung verschiebbare Lager über die Kräfte auf den Rundstab zur Erzeugung einer Biegespannung aufgebracht werden können. Die dortigen Lager sind schwenkbar, um sich der Biegelinie anzupassen.
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Die
WO 2007/140788 A2 offenbart einen Prüfstand für Windkraftanlagen, der, wie in dortige
4 dargestellt ist, Mittel zur Lasteinleitung aufweist, die zwischen einer Bremse und dem Prüfling bzw. der Eingangswelle des Prüflings angeordnet ist. Durch das Lasteinleitungsmittel kann eine dynamisch einstellbare Axiallast in die dortige Eingangswelle eingeleitet werden.
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Die
DE 38 18 661 A1 offenbart eine Prüfeinrichtung für angetriebene Fahrzeugachsen, bei der von einem Rechner erstellte Lastkollektive über eine Vorrichtung unmittelbar auf die Radköpfe derartiger Fahrzeugachsen aufgegeben werden, wobei die Vorrichtung ansteuerbare Stellglieder zur Erzeugung von Quer- und Längskräften sowie von Kräftepaaren beinhaltet.
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Aus der
JP H03 238 376 A ist ein Prüfstand bekannt, der verschiedene Lastzylinder aufweist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Belastungsvorrichtung für einen Prüfstand zur Prüfung von drehbaren und stationären Bauteilen anzugeben, die für die Prüfung unterschiedlicher Bauteile oder Anlagen einsetzbar ist und montage- und servicefreundlich aufgebaut ist. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zu Grunde, einen Prüfstand mit einer derartigen Belastungsvorrichtung, eine Prüfanordnung sowie ein Prüfverfahren anzugeben.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe im Hinblick auf die Belastungsvorrichtung durch den Gegenstand des Anspruchs 1, im Hinblick auf den Prüfstand durch den Gegenstand des Anspruchs 15, im Hinblick auf die Prüfanordnung durch den Gegenstand des Anspruchs 16 sowie im Hinblick auf das Prüfverfahren durch den Gegenstand des Anspruchs 17 gelöst.
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Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, eine Belastungsvorrichtung für einen Prüfstand zur Prüfung von drehbaren und stationären Bauteilen anzugeben, wobei die Belastungsvorrichtung eine Lagerwelle umfasst, die einerseits mit einem Prüfling oder einer Prüflingswelle und andererseits mit einem Antrieb zur Übertragung eines Drehmoments und/oder eines Torsionsmoments verbindbar ist. Die Belastungsvorrichtung umfasst einen Lasteinleitungsrahmen, der auf der Lagerwelle drehbar gelagert ist und wenigstens einen Linearantrieb, der zur Einleitung von Axialkräften und/oder Radialkräften und/oder Momenten mit dem Lasteinleitungsrahmen verbunden ist. Zur Einstellung des Abstands zwischen Lasteinleitungsrahmen und Prüfling ist der Lasteinleitungsrahmen axial verschieblich und in verschiedenen Positionen axial arretierbar auf der Lagerwelle angeordnet und/oder die Länge der Lagerwelle ist prüflingsseitig veränderbar.
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Die erfindungsgemäße Belastungsvorrichtung hat den Vorteil, dass diese mobil oder stationär anwendbar ist. Das bedeutet, dass die Belastungsvorrichtung vor Ort in bestehende Prüfstände eingebaut werden kann. Alternativ kann die Belastungsvorrichtung fest in einen Prüfstand integriert sein. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Belastungsvorrichtung besteht darin, dass der Abstand zwischen Lasteinleitungsrahmen und Prüfling im Gebrauch der Belastungsvorrichtung eingestellt werden kann. Durch die Einstellung des Abstandes zwischen Lasteinleitungsrahmen und Prüfling wird der Hebelarm für die Einleitung von Biegemomenten in den Prüfling verändert. Dazu ist der Lasteinleitungsrahmen axial verschieblich und in verschiedenen Positionen axial arretierbar auf der Lagerwelle angeordnet. Zusätzlich oder alternativ dazu ist die Länge der Lagerwelle prüflingsseitig veränderbar. In beiden Fällen bzw. durch eine Kombination dieser Merkmale kann der Abstand zwischen Lasteinleitungsrahmen und Prüfling verkürzt oder verlängert werden. Dadurch ist eine Anpassung der Belastungsmöglichkeiten an verschiedenartige Prüflinge oder Austausch der Linearantriebe bzw. des Linearantriebs möglich.
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Durch die Anordnung des Lasteinleitungsrahmens auf der Lagerwelle kann im eingebauten Zustand der Belastungsvorrichtung ein Drehmoment auf den Prüfling übertragen werden. Dazu ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Lagerwelle einerseits mit einem Prüfling oder einer Prüflingswelle und andererseits mit einem Antrieb zur Übertragung eines Drehmoments verbindbar ist. Der Antrieb kann beispielsweise ein Drehantrieb sein, der an der Lagerwelle angeflanscht ist. Diese Anordnung ist beispielsweise zur Prüfung von Getrieben oder anderen drehbaren Bauteilen geeignet. Alternativ kann die Einleitung des Drehmoments durch exzentrisch an der Lagerwelle angreifende Linearantriebe bzw. wenigstens einen Linearantrieb erreicht werden, wodurch Torsionsmomente in ein stehendes Bauteil als Prüfling eingeleitet werden können.
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Die erfindungsgemäße Belastungsvorrichtung ist beispielsweise zur Prüfung von Windkraftanlagen, insbesondere zur Prüfung von Getrieben von Windkraftanlagen geeignet, ohne hierauf eingeschränkt zu sein. Andere Anwendungsmöglichkeiten der Belastungsvorrichtung, beispielsweise zur Prüfung von stehenden Strukturelementen sind denkbar.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der wenigstens eine Linearantrieb austauschbar, so dass bei Bedarf die durch den Linearantrieb aufbringbaren Kräfte, Hübe und Frequenzen geändert werden können.
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Zweckmäßigerweise weist der Lasteinleitungsrahmen mehrere unterschiedlich angeordnete und/oder stufenlos adaptierbare Anlenkstellen für Linearantriebe auf derart, dass die Angriffspunkte der einleitbaren Lasten in ihrer Lage veränderbar sind und die Belastungsvorrichtung vielseitig einsetzbar ist.
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Der wenigstens eine Linearantrieb ist vorzugsweise an einem Aufnahmemittel, insbesondere einer Bodenplatte oder einem Lagerbock befestigt, wobei der Linearantrieb und/oder das Aufnahmemittel zur Lageänderung verstellbar sind. Durch die Verstellbarkeit der Linearantriebe bzw. des Aufnahmemittels können diese einer Änderung des Abstands zwischen Lasteinleitungsrahmen und Prüfling leicht nachgeführt werden, wenn beispielsweise der Lasteinleitungsrahmen auf der Lagerwelle verschoben wird. Die Verstellbarkeit der Linearantriebe bzw. des Aufnahmemittels ist keine zwingende Voraussetzung für die Verschiebung des Lasteinleitungsrahmens auf der Lagerwelle, da die Linearantriebe anderweitig mitgeführt werden können, beispielsweise durch Verschwenken.
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Der Lasteinleitungsrahmen kann auf der Lagerwelle zur Einleitung eines Torsionsmoments drehfest arretierbar sein. Dadurch wird erreicht, dass eine Vielzahl von Lastfällen überprüfbar und der Anwendungsbereich der Belastungsvorrichtung erweitert wird. Beispielsweise kann ein Linearantrieb, der exzentrisch zur Lagerwelle angeordnet ist, mit dem Lasteinleitungsrahmen verbunden sein und den Lasteinleitungsrahmen mit einem Torsionsmoment beaufschlagen, das aufgrund der Arretierung des Lasteinleitungsrahmens über die Lagerwelle in den Prüfling eingeleitet werden kann.
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Der Lasteinleitungsrahmen kann eine Lagerhülse und ein Gestell umfassen, das mit der Lagerhülse verbunden ist und mehrere Anlenkstellen zur Verbindung mit axialen und/oder radialen Linearantrieben aufweist, wobei die Anlenkstellen am Gestell mittig und/oder außermittig bezogen auf die Lagerhülse angeordnet sind. Durch die mittige und/oder außermittige Anordnung der Anlenkstellen am Gestell bezogen auf die Lagerhülse mittels einer Änderung der Gestellgeometrie können unterschiedliche Belastungssituationen erzeugt werden. Die Lagerhülse kann einen Innenhülse und eine konzentrische Außenhülse aufweisen, wobei die Innenhülse axial verschieblich und in verschiedenen Positionen axial arretierbar auf der Lagerwelle angeordnet ist und die Außenhülse drehbar auf der Innenhülse gelagert ist. Dadurch kann auf einfache Weise die Verschiebung und Arretierung des Lasteinleitungsrahmens auf der Lagerwelle realisiert werden.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind wenigstens zwei radiale Linearantriebe vorgesehen, die auf dem Umfang der Lagerwelle und/oder am Lasteinleitungsrahmen (11) und/oder der Außenhülse (15b) versetzt, insbesondere um 90 Grad versetzt angeordnet sind. Damit können in verschiedenen Richtungen wirkende Radialkräfte in die Welle eingeleitet werden. Dabei ist die senkrechte Anordnung zweier radialer Linearantriebe zueinander besonders bevorzugt.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind zwei axiale Linearantriebe vorgesehen, die auf dem Umfang der Lagerwelle und/oder am Lasteinleitungsrahmen (11) und/oder der Außenhülse (15b) versetzt, insbesondere um 180 Grad versetzt angeordnet sind. Die symmetrische Anordnung der axialen Linearantriebe hat den Vorteil, dass durch eine geeignete Ansteuerung der Linearantriebe sowohl reine Axialkräfte, als auch Biegekräfte, sowie eine Überlagerung von Axial- und Biegekräften in die Welle eingeleitet werden können.
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Es können wenigstens drei axiale Linearantriebe vorgesehen sein, wobei wenigstens zwei axiale Linearantriebe auf einer Seite der Lagerwelle und wenigstens ein weiterer axialer Linearantrieb auf einer radial gegenüberliegenden Seite der Lagerwelle zur Erzeugung eines Giermomentes angeordnet sind. Damit können weitere Belastungsfälle, die bspw. im Betrieb einer Windkraftanlage auftreten, simuliert werden.
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Vorzugsweise ist wenigstens ein Linearantrieb zur Einleitung einer Axialkraft und einer Radialkraft geneigt zur Lagerwelle angeordnet. Zur Einstellung der Radialkraft- und Axialkraft kann die Neigung des Linearantriebs veränderbar sein.
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Die erfindungsgemäße Belastungsvorrichtung wird an sich, d. h. unabhängig vom jeweiligen Prüfstand als mobile Einheit offenbart und beansprucht. Die Belastungsvorrichtung ist angepasst dazu, in einen Prüfstand eingebaut zu werden. Dazu kann die Lagerwelle einerseits mit einem Prüfling oder einer Prüflingswelle und andererseits mit einem Antrieb zur Übertragung eines Drehmoments/Torsionsmoments verbunden werden. Die Erfindung umfasst ferner einen Prüfstand mit einer Belastungsvorrichtung, wie vorstehend beschrieben. Das bedeutet, dass ein Prüfstand, in den eine erfindungsgemäße Belastungsvorrichtung eingebaut ist, offenbart und beansprucht wird. Ferner wird eine Prüfanordnung offenbart und beansprucht, die den Prüfstand mit der erfindungsgemäßen Belastungsvorrichtung sowie einen in der Halteeinrichtung des Prüfstandes befestigten Prüfling umfasst. Der Prüfling, der drehbare Elemente, wie Getriebe, Motoren, Antriebskomponenten, Wellen, oder stationäre Elemente, wie Strukturbauteile, Platten, Träger umfasst, ist mit der Belastungsvorrichtung der Erfindung wirkverbunden derart, dass Lasten in den Prüfling eingeleitet werden können.
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Die Erfindung umfasst ein Verfahren zum Prüfen von drehbaren und stationären Bauteilen unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Belastungsvorrichtung mit einer Lagerwelle, die einerseits mit einem Prüfling oder einer Prüflingswelle und andererseits mit einem Antrieb zur Übertragung eines Drehmoments verbunden wird, einem Lasteinleitungsrahmen, der auf der Lagerwelle drehbar gelagert ist, und wenigstens einem Linearantrieb, der zur Einleitung von Axialkräften und/oder Radialkräften mit dem Lasteinleitungsrahmen verbunden ist. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zur Einstellung des Abstands zwischen Lasteinleitungsrahmen und Prüfling der Lasteinleitungsrahmen axial verschoben und arretiert. Zusätzlich oder alternativ wird die Länge der Lagerwelle prüflingsseitig verändert. Die im Zusammenhang mit der Belastungsvorrichtung genannten Vorteile gelten auch im Zusammenhang mit dem vorstehend genannten Prüfverfahren.
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Die Erfindung wird nachfolgend mit weiteren Einzelheiten anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:
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1 einen Schnitt entlang der Linie A-B der Belastungsvorrichtung gemäß 2;
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2 einen Längsschnitt einer Belastungsvorrichtung nach einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel mit axial verschiebbarem Lasteinleitungsrahmen und Distanzwelle zur Verlängerung der Lagerwelle;
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3 eine Seitenansicht einer Belastungsvorrichtung nach einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel in einem Prüfstand;
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4 eine Vorderansicht in Pfeilrichtung W gemäß 3;
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5 eine Seitenansicht einer Belastungsvorrichtung nach einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel in einem Prüfstand;
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6 eine Vorderansicht der Belastungsvorrichtung gemäß 5 im Pfeilrichtung T;
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7 eine Seitenansicht einer Belastungsvorrichtung nach einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel in einem Prüfstand mit vier Axialzylindern;
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8 eine Vorderansicht der Belastungsvorrichtung gemäß 7 in Pfeilrichtung U;
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9 eine Vorderansicht einer Variante der Belastungsvorrichtung gemäß 7 mit zwei Radialzylindern;
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10 eine Seitenansicht einer Belastungsvorrichtung nach einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel mit einem axial verschiebbaren Lasteinleitungsrahmen und angestellten Linearantrieben;
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11 eine Vorderansicht einer Variation der Belastungsvorrichtung gemäß 10 mit mittigem Radialzylinder;
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12 eine Seitenansicht der Befestigungsvorrichtung gemäß 11 in Pfeilrichtung T;
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13 eine Vorderansicht der Belastungsvorrichtung gemäß 10;
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14 eine Vorderansicht einer Variation der Belastungsvorrichtung gemäß 10;
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15 einen Längsschnitt durch eine Lagerhülse des Lasteinleitungsrahmens gemäß 10;
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16 einen Schnitt A-B durch die Belastungsvorrichtung gemäß 17;
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17 eine Seitenansicht einer Belastungsvorrichtung nach einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel, bei der die Lagerwelle mit einer Gelenkwelle verbunden ist;
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18 einen Schnitt A-B durch die Belastungsvorrichtung gemäß 19 und
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19 eine Seitenansicht einer Belastungsvorrichtung nach einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel, bei dem ein Torsionsmoment durch exzentrisch an der Lagerwelle angreifende Linearantriebe eingeleitet wird.
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In den 1 und 2 ist eine Belastungsvorrichtung nach einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel für eine mobile Anwendung gezeigt, die in verschiedene Prüfstände eingebaut werden kann. Es ist auch möglich, die Belastungsvorrichtung fest in einen Prüfstand zu integrieren. Die Belastungsvorrichtung ist zur Prüfung sich drehender Bauteile geeignet. Die Belastungsvorrichtung kann auch zur Prüfung stehender Bauteile eingesetzt werden. Insofern wird jeweils eine Prüfanordnung offenbart, bei der die Belastungsvorrichtung entweder mit einem sich drehenden Bauteil bzw. mit einem drehbaren Bauteil oder mit einem stehenden Bauteil verbunden ist.
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Die Belastungsvorrichtung umfasst eine Lagerwelle 10, die einerseits mit einem Prüfling P bzw. einer Prüfungswelle verbindbar ist. In 2 ist der Flansch 19 des Prüflings P durch Strichlinien angedeutet. Andererseits kann die Lagerwelle 10 mit einem Antrieb, insbesondere einem Drehantrieb (nicht dargestellt) einer Antriebseinheit verbunden werden. Im Beispiel gemäß 2 ist die Lagerwelle 10 mit einer Gelenkwelle 20 verbunden, die wiederum mit einem Drehantrieb koppelbar bzw. gekoppelt ist. Auf der Lagerwelle 10 ist ein Lasteinleitungsrahmen 11 drehbar gelagert. Dazu umfasst der Lasteinleitungsrahmen eine Lagereinheit in Form einer Lagerhülse 15 sowie ein Gestell 16, das mit der Lagerhülse 15 fest verbunden ist. Der Aufbau der Lagerhülse 15 ist in 15 dargestellt und in diesem Zusammenhang näher erläutert. 1 und 2 verdeutlichen ein Beispiel für die Anordnung der Linearantriebe, die an unterschiedlichen Anlenkstellen 13a, 13b des Lasteinleitungsrahmens angreifen. Die Anordnung ist beispielhaft zu verstehen. Anders angeordnete Linearantriebe können mit dem Lasteinleitungsrahmen 16 beliebig verbunden werden, so dass die Belastungsvorrichtung flexibel an unterschiedliche Belastungssituationen angepasst werden kann.
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Wenn drei Axialzylinder angebracht sind z. B. an den Eckpunkten eines beliebigen (vorzugweise gleichschenkligen) gedachten Dreiecks (18), so können neben den Axialkräften auch Giermomente (um Z-Achse, Zylinder 12e zieht, Zylinder 12f drückt oder umgekehrt) und Nickmomente (um X-Achse Zylinder 12g zieht und Zylinder 12e und 12f drücken) in den Prüfling eingeleitet werden. Es ist auch möglich, um andere in der Z-X-Ebene liegende Achsen ein Moment aufzubringen, wenn z. B. Zylinder 12f zieht und die Zylinder 12e und 12g drücken. Bei 4 oder mehr Axialzylindern sind die Möglichkeiten noch größer. Die senkrecht und waagrecht angeordneten Radialzylinder dagegen bringen neben den Kräften in Z- und X-Richtung auch Gier- und Nickmomente auf, sofern ein Abstand ”L” vorhanden ist, wobei das Moment durch den Abstand L variierbar ist. Mit den Axialzylindern kann man entweder reine Axialkräfte (ohne Momente) aufbringen (wenn z. B. symmetrisch angeordnete Zylinder mit gleich großer Kraft drücken oder ziehen) oder man kann reine Momente (ohne Axialkräfte) erzeugen, wenn bei 1 z. B. die oberen Zylinder 12g, 12h drücken und die unteren Zylinder 12e, 12f ziehen. Maßgebend ist, dass obere und untere Zylinder denselben Abstand zum Zentrum haben, ansonsten müssen die Zylinderkräfte verschieden groß sein. Des Weiteren können durch die Axialzylinder in weiten Bereichen gleichzeitig Biegemomente und Axialkräfte aufgebracht werden, wenn z. B. bei 1 die oberen Zylinder 12g, 12h zusammen mit 800 kN ziehen und die unteren zwei Zylinder 12e, 12f zusammen mit 1000 kN drücken, so ergibt sich neben dem Biege- bzw. Nickmoment eine Axialkraft von 200 kN. Die axialen Linearantriebe 12c–12h können auch nur zur Aufbringung der Axialkräfte genutzt werden, wenn diese nah an der Lagerwelle 10 liegen (2). Momente und Radialkräfte werden dann nur über die radialen Linearantriebe 12a, 12b eingeleitet. Der Vorteil ist hier eine kompaktere Bauweise. Axialkräfte können z. B. auch mit mindestens einem Linearantrieb zentrisch in die Lagerwelle bzw. den Prüfling eingebracht werden, insbesondere bei der Ausführung nach 19.
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Kräfte und Momente können somit beliebig variiert werden. Die Belastungsmöglichkeiten können durch die Variation des Abstandes L stark erweitert werden. Beispielsweise können bei der Anordnung nach 11 mit einem einzelnen Zylinder (12a) schon Radial- und Axialkräfte sowie Nickmomente eingeleitet und in größeren Bereichen variiert werden. Durch entsprechende Steuerung der Axial-, Radial- und schräg im Raum stehenden Zylinder lassen sich alle in der Praxis üblichen Belastungskombinationen erzeugen.
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Die Linearantriebe 12a–12i sind beidseitig gelenkig und spielfrei gelagert sowie zur Ansteuerung mit Kraft- und Wegsensoren ausgerüstet.
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Bei dem Beispiel gemäß 1, 2 sind vier axiale Linearantriebe 12e, 12f, 12g, 12h vorgesehen, die zur Erzeugung eines Giermoments auf radial gegenüberliegenden Seiten der Lagerwelle 10 angeordnet sind. Konkret sind die Anlenkstellen der axialen Linearantriebe 12e, 12f, 12g, 12h auf den Eckpunkten eines imaginären Rechtecks angeordnet, das senkrecht zur Lagerwelle 10 verläuft. Die Drehachse der Lagerwelle verläuft durch den Mittelpunkt des Rechtecks. Am Lasteinleitungsrahmen 11 greifen ferner zwei radiale Linearantriebe 12a, 12b an, die auf dem Umfang der Lagerwelle 10 um 90 Grad versetzt angeordnet sind (1). Wie in 2 zu erkennen, greifen die radialen Linearantriebe 12a, 12b direkt an der Lagerhülse 15 an. Hierzu weist die Lagerhülse 15 geeignete Befestigungsaugen auf.
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Für die Befestigung der Linearantriebe 12 gilt allgemein, dass diese mit dem Lasteinleitungsrahmen gelenkig verbunden sind. Dies gilt für alle Ausführungsbeispiele.
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Die Linearantriebe 12 sind an einer Bodenplatte 14a bzw. an einem Lagerbock 14b gelenkig angebracht. Dabei ist der mit der Bodenplatte 14a verbundene senkrechte radiale Linearantrieb 12a verstellbar und zwar, wie durch den doppelten Pfeil in 2 verdeutlicht, in Längsrichtung der Lagerwelle 10. Die axialen Linearantriebe 12e, 12f, 12g, 12h sind parallel zur Lagerwelle 10 angeordnet und am Lagerbock 14b befestigt. Der Lagerbock 14b ist in Längsrichtung der Lagerwelle 10 verstellbar. Zur Verstellung der Linearantriebe 12 bzw. des Lagerbocks 14b ist die Bodenplatte 14a als Spannfeld ausgebildet, so dass die verschiedenen Bauelemente an unterschiedlichen Positionen auf der Bodenplatte 14a befestigt werden können.
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Der Lasteinleitungsrahmen 11 ist mit einer Pendelstütze 17 verbunden, die an einem weiteren Lagerbock 14c befestigt ist. An diesem weiteren Lagerbock 14c ist auch der zweite, horizontal angeordnete radiale Linearantrieb 12b befestigt.
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Der Abstand zwischen dem Lasteinleitungsrahmen 11 und dem Prüfling P bzw. des Flansches 19 des Prüflings P wird durch Verschieben des Lasteinleitungsrahmens 11 erreicht, wie durch den im Bereich der Lagerwelle 10 gezeichneten Doppelpfeil in 2 verdeutlicht. Für die Verstellbarkeit des Lasteinleitungsrahmens 11 ist die Lagerhülse 15 von der Lagerwelle 10 lösbar und kann in Richtung des Doppelpfeils verschoben werden. Nachdem die gewünschte Position bzw. der gewünschte Abstand zum Prüfling P erreicht ist, wird die Lagerhülse 15 bzw. allgemein der Lasteinleitungsrahmen 11 in axialer Richtung mit der Lagerwelle 10 verbunden. Dazu weist die Lagerhülse 15 ein Arretiermittel 21 auf. Die Arretierung kann beispielsweise durch einen hydraulischen Pressverband oder alternativ mechanisch durch Formschluss erreicht werden. Derartige Wellen/Naben/Verbindungen sind dem Fachmann bekannt.
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Die Verstellung des Lasteinleitungsrahmens 11 kann bei ausreichendem Hub durch die axialen Linearantriebe 12e, 12f, 12g, 12h erfolgen. Andere Verstellantriebe für den Lasteinleitungsrahmen 11 sind möglich.
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Aufgrund der Verstellbarkeit des senkrecht angeordneten, radial angeordneten Linearantriebs 12a kann dieser bei Verstellung des Lasteinleitungsrahmens 11 nachgeführt werden. Dasselbe gilt für den Lagerbock 14b, an dem die axialen Linearantriebe 12e, 12f, 12g, 12h angebracht sind, der ebenfalls in Verstellrichtung des Lasteinleitungsrahmens 11 nachgeführt werden kann. Der weitere Lagerbock 14b für den horizontal angeordneten, radialen Linearantrieb 12b ist ebenfalls verstellbar, so dass dieser Zusammen mit der Pendelstütze 17 einer Verstellbewegung des Lasteinleitungsrahmens 11 nachgeführt werden kann.
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Eine weitere Möglichkeit, den Abstand zwischen dem Prüfling P und dem Lasteinleitungsrahmen 11 zu ändern, kann durch eine Änderung der Länge der Lagerwelle 10 erreicht werden. Diese Maßnahme kann alternativ oder zusätzlich zu der Verschiebefunktion des Lasteinleitungsrahmens 11 vorgesehen sein. Wie in 2 dargestellt, ist die Lagerwelle 10 mit einer Distanzwelle 18 prüflingsseitig verbunden. Die Distanzwelle 18 bildet die Verlängerung der Lagerwelle 10 und ist somit als Teil der Lagerwelle 10 anzusehen. Die Distanzwelle 18 ist mit dem Flansch 19 des Prüflings P verschraubt.
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Der Gesamtabstand zwischen dem Lasteinleitungsrahmen 11 und dem Prüfling P ist in 2 durch die Länge L3 verdeutlicht. Die Länge L3 setzt sich zum einen aus dem Abstand 11 zwischen dem Lasteinleitungsrahmen 11 und dem prüflingsseitigen Ende der Lagerwelle 10 und zum anderen aus der Länge L2 der Distanzwelle 18 zusammen. Die Länge L2 kann durch unterschiedlich lange Distanzwellen 18 und die Länge L1 durch Verschieben des Lasteinleitungsrahmens 11 variiert werden.
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Die Belastungsvorrichtung kann durch Hinzufügen weiterer Linearantriebe bzw. auch durch Weglassen von Linearantrieben erweitert bzw. modifiziert werden. Beispielsweise kann, wie in 1 durch die Strichlinien dargestellt, der Lasteinleitungsrahmen 11 mit zwei senkrecht angeordneten radialen Linearantrieben verbunden sein, die exzentrisch bezogen auf die Lagerwelle 10 am Lasteinleitungsrahmen 11 angreifen. Hierzu sind die Anlenkstellen 13a vorgesehen. Alternativ oder zusätzlich können bezogen auf die Längsachse der Lagerwelle 10 schräg angeordnete Linearantriebe mit dem Lasteinleitungsrahmen 11 verbunden sein. Hierfür sind beispielsweise die Anlenkstellen 13b am Lasteinleitungsrahmen 11 vorgesehen. Die zusätzlichen Linearantriebe können auf derselben Querschnittshöhe angreifen, wie die axialen Linearantriebe 12e, 12f, 12g, 12h.
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Die zusätzlichen Linearantriebe können in der Ebene des Radialzylinders 12a an den Anlenkstellen 13a oder 13b angreifen oder am Gestell 16 (hier eine Scheibe), wobei der mittige radiale Linearantrieb 12a und die Pendelstütze 17 entfallen können. Bei Schräganstellung der radialen Linearantriebe an den Anlenkstellen 13b kann auch der horizontale Radialantrieb 12b entfernt werden, kann aber je nach erforderlichem Belastungsumfang auch beibehalten werden.
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Mit der Belastungsvorrichtung gemäß 1, 2 können Radial- und Axialkräfte sowie Gier- und Nickmomente in den Prüfling bzw. die Prüflingswelle P eingeleitet werden, wobei je nach Anordnung und Steuerung der radialen Linearantriebe, die zur Einleitung der Radialkräfte sowie der Gier- und Nickmomente dienen, die Verdrehsicherung bzw. die Pendelstütze 17 entfallen kann.
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Wie eingangs erläutert, kann die Belastungsvorrichtung als unabhängige mobile Einheit verwendet werden und wird als solche offenbart. Die Bezugnahme auf den Prüfstand bzw. den Prüfling erfolgt zum besseren Verständnis der Funktion der entsprechenden Bauteile. Die Belastungsvorrichtung gemäß 1, 2 wird deshalb sowohl mit als auch ohne Prüfstand offenbart.
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In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem eine Belastungsvorrichtung nach einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel in einen Prüfstand eingebaut ist, wobei der Lasteinleitungsrahmen 11 der Belastungsvorrichtung eine andere Geometrie aufweist, als der Lasteinleitungsrahmen gemäß 1, 2.
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Der Prüfstand gemäß 3 umfasst eine Halteeinrichtung 110, die zur Befestigung eines Prüflings P vorgehen ist. Der Aufbau und die Funktionsweise des Prüfstandes werden beispielhaft anhand eines Prüfgetriebes erläutert, das durch die Halteeinrichtung 110 befestigt ist. Andere drehbare Elemente, bspw. Motoren oder gesamte Triebsstränge, einschließlich weiterer angeschlossene Bauelemente oder Baugruppen wie z. B. bei Windkraftanlagen der Turmanschluss, Azimutlager mit Antrieben, Bremsen usw. sind vorstellbar. Die Halteeinrichtung 110 ist zwischen einem Drehantrieb 111 und einem Lastmittel 112 angeordnet, die jeweils mit dem Eingang E bzw. mit dem Ausgang A des Prüfgetriebes bzw. der Prüflingswelle fluchten. Das Lastmittel 112 ist auf der Abtriebsseite des Prüfgetriebes angeordnet und umfasst beispielsweise einen Generator, der den Generator der Windkraftanlage simuliert bzw. diesem entspricht. Der Generator kann beispielsweise ein Asynchronmotor sein. Der Generator bzw. das Lastmittel 112 ist üblicherweise gekühlt.
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Zur Verbindung des Lastmittels 112 und des Ausgangs A des Prüfgetriebes ist eine Gelenkwelle 20, insbesondere eine erste Gelenkwelle 20a vorgesehen. Zusätzlich kann zwischen dem Lastmittel 112 und dem Prüfgetriebe eine Kupplung angeordnet sein. Als Kupplung kann beispielsweise eine Bogenzahnkupplung vorgesehen sein. Andere Kupplungen sind möglich. Die Gelenkwelle 20a hat beidseitig ein drehsteifes Gelenk, meist Kardangelenk, welches auch eine Bogenzahnkupplung (die ebenfalls gelenkig ist) oder sonstige geeignete Kupplung oder Gelenk sein kann (Die Gelenkigkeit ist in den Figuren durch schwarze Punkte angedeutet).
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Die erste Gelenkwelle 20a ermöglicht einen statischen Längenausgleich beispielsweise von ±10 mm und einen dynamischen Längenausgleich von beispielsweise ca. ±1 mm. Auch hier können andere Werte in Abhängigkeit von den jeweiligen Prüfbedingungen realisiert werden.
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Auf der Antriebsseite des Prüfgetriebes ist der Drehantrieb 111 vorgesehen, der bspw. das im Betrieb der Windkraftanlage vom Rotor aufgebrachte Antriebsmoment oder ein anderes Antriebsmoment simuliert. Der Drehantrieb 111 ist mit dem Eingang E des Prüfgetriebes koppelbar. Dazu ist der Drehantrieb 111 mit einer zweiten Gelenkwelle 20b verbunden, die mit der Getriebeeingangswelle des Prüfgetriebes fluchtet. Die zweite Gelenkwelle 20b kann durch eine Kupplung 23, insbesondere durch eine Membrankupplung mit dem Drehantrieb 111 verbunden sein. Die zweite Gelenkwelle 20b kann einen dynamischen Längenausgleich von mehr als ±1 mm ermöglichen.
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Sowohl die erste Gelenkwelle 20a als auch die zweite Gelenkwelle 20b können jeweils Sensoren zur Drehmomentmessung aufweisen.
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Der vorstehend beschriebene Aufbau umfassend die Halteeinrichtung 110, den Drehantrieb 111 und das Lastmittel 112 ist jeweils bei den Ausführungsbeispielen gemäß den 3, 5, 7 und 10 verwirklicht. Zur Simulation der bspw. im Betrieb der Windkraftanlage vom Rotor typischerweise aufgebrachten Drehmomente bzw. Drehzahlen ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 10 zwischen der zweiten Gelenkwelle 20b bzw. der Kupplung 23 und dem Motor, d. h. dem Drehantrieb 111 ein Zwischengetriebe 22 angeordnet, dessen Ausgangsmoment und Ausgangsdrehzahl dem Antriebsmoment des Rotors bzw. der Drehzahl des Rotors im Betrieb der Windkraftanlage entspricht. Dabei ist es auch möglich, das Zwischengetriebe 22 und den Drehantrieb 111 durch eine Gelenkwelle zu verbinden. Der Drehantrieb 111 mit Zwischengetriebe 22 gemäß 10 kann an Stelle des Drehantriebs 111 gemäß den 3, 5, 7 eingesetzt werden.
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Nachfolgend werden diejenigen Komponenten beschrieben, die gemäß 3 zur Einleitung der Prüflast dienen. Diese umfassen einen, insbesondere im Betrieb ortsfesten, Lasteinleitungsrahmen 11, mehrere Linearantriebe 12 sowie eine Lagerwelle 10. Diese Komponenten sind zwischen dem Drehantrieb 111 und dem Eingang E des Prüfgetriebes angeordnet. Der Lasteinleitungsrahmen 11 ist drehbeweglich auf der Lagerwelle 10 gelagert. Die Lagerung des Lasteinleitungsrahmen 11 kann beispielsweise durch hydrostatische Radial- und Axiallager 24 erfolgen. Die Konzeption der Lager und deren Auslegung sind dem Fachmann geläufig. Der ortsfest angeordnete Lasteinleitungsrahmen 11 ist mit einer Drehsicherung verbunden, beispielsweise mit einer Pendelstütze 17 (3). Die Pendelstütze 17 kann mit Sensoren zur Kraftmessung ausgestattet sein.
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Die ortsfeste Anordnung des Lasteinleitungsrahmens 11 bedeutet, dass dieser nicht mit der Lagerwelle 10 mitdreht, sondern von der Drehsicherung gehalten ist. Dabei ist nicht ausgeschlossen, dass der Lasteinleitungsrahmen 11 Auslenkbewegungen durchführt, die im Prüfbetrieb aufgrund der eingeleiteten Lasten auftreten. Dies gilt für alle Ausführungsbeispiele. Die meist geringen Auslenkungen machen sich durch die großen Abstände von vorderem und hinterem Gelenk an den Linearantrieben nicht stark bemerkbar und können steuerungstechnisch so verarbeitet werden, dass sie keine nennenswerten Auswirkungen auf die aufzubringenden Lasten haben.
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Wie in 3 weiter dargestellt, ist die Lagerwelle 10 einerseits mit der zweiten Gelenkwelle 20b und andererseits mit dem Eingang E des Prüfgetriebes verbunden. Die Lagerwelle 10 bildet somit eine Verlängerung der Getriebeeingangswelle. Die Verbindung zwischen dem Eingang E des Prüfgetriebes und der Lagerwelle 10, d. h. die Verbindung zwischen der Getriebeeingangswelle und der Lagerwelle 10 ist lösbar, so dass das Prüfgetriebe ausgetauscht werden kann.
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Durch die zweite Gelenkwelle 20b ist die Lagerwelle 10 mit dem Drehantrieb 111 gekoppelt, so dass das Antriebsmoment übertragen werden kann. Wenn zwischen der zweiten Gelenkwelle 20b und dem Drehantrieb 111 eine Kupplung 23 vorgesehen ist, kann die Lagerwelle 10 und der Drehantrieb 111 gekoppelt bzw. entkoppelt werden.
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Die Membrankupplung 23, die als Gelenk wirkt und einen Axialausgleich ermöglicht, kann rechts am Flansch des Antriebs 111 abgeschraubt werden. Das linke Gelenk von der Gelenkwelle 20b kann ebenfalls von der Lagerwelle 10 gelöst werden. Die Gelenkwelle 20b kann ebenso gestaltet sein wie die Gelenkwelle 20a, d. h. eine Gelenkwelle mit beidseitigen Gelenken z. B. Kardangelenke, Bogenzahnkupplungen o. ä. Bei Kardangelenken erfolgt der Längenausgleich innerhalb des mittigen Rohres, und bei Bogenzahnkupplungen ist das Rohr starr und der Längenausgleich geschieht an den Verzahnungen.
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Zur Einleitung der Prüflast sind mit dem Lasteinleitungsrahmen 11 drei Linearantriebe 12 verbunden, insbesondere gelenkig verbunden. Dabei ist ein radialer Linearantrieb 12a vorgesehen, der zur Einleitung einer Radialkraft in den Lasteinleitungsrahmen 11 und somit in die Lagerwelle 10 im Wesentlichen senkrecht und mittig zur Lagerwelle 10 angeordnet ist. Der Linearantrieb 12 ist durch den Doppelpfeil in 1 schematisch dargestellt. Die Linearantriebe 12 umfassen ferner zwei axiale Linearantriebe 12c, 12d, die zur Einleitung einer Axialkraft und/oder Biegekraft im Wesentlichen parallel beabstandet zur Lagerwelle 10 angeordnet sind. Der Linearantrieb 12 ist in 3 durch einen Doppelfeil schematisch dargestellt.
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Es ist auch möglich, nur zwei Linearantriebe 12 vorzusehen, beispielsweise einen radialen Linearantrieb und nur einen einzigen axialen Linearantrieb. Es ist ferner möglich, mehr als zwei Linearantriebe vorzusehen, die auf dem Umfang der Lagerwelle 10 versetzt angeordnet sind.
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Mittels der um 180° auf dem Umfang der Lagerwelle 10 versetzt angeordneten axialen Linearantriebe 12c, 12d können bei gleich großer Zug- oder Druckkraft in derselben Richtung entweder nur Axialkräfte auf die Lagerwelle 10 und somit auf das Prüfgetriebe übertragen werden. Bei unterschiedlichen Kräften der axialen Linearantriebe 12c, 12d können Axialkräfte und Biegemomente, bzw. Nickmomente überlagert in die Lagerwelle 10 und somit in das Prüfgetriebe eingeleitet werden. Bei gleich großen und entgegengesetzten Kräften der Linearantriebe 12c, 12d können reine Biegemomente in die Getriebeeingangswelle über die Lagerwelle 10 eingeleitet werden.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 sind die beiden axialen Linearantriebe 12c, 12d radial oben und radial unten bezogen auf die Lagerwelle 10 angeordnet. Konkret sind die Anlenkstellen 13a, 13b an denen die beiden axialen Linearantriebe 12c, 12d jeweils am Lasteinleitungsrahmen 11 angreifen, in einer Ebene angeordnet, die senkrecht zur Lagerwelle 10 verläuft. Dies bedeutet, dass die axialen Linearantriebe 12c, 12d auf dem Umfang der Lagerwelle 10 um 180 Grad versetzt angeordnet sind. Die Ebene, in der die beiden Anlenkstellen 13a, 13b angeordnet sind, verläuft bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 vertikal. Überdies verläuft die Ebene durch den Mittelpunkt der Lagerwelle 10.
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Während die axialen Linearantriebe 12c, 12d senkrecht zur vertikalen Ebene durch den Mittelpunkt der Lagerwelle 10 angeordnet sind, ist der radiale Linearantrieb 12a in der vertikalen Ebene durch den Mittelpunkt angeordnet, wie in 3 ersichtlich. Der radiale Linearantrieb 12a ist somit senkrecht zu den beiden axialen Linearantrieben 12c, 12d angeordnet. Der radiale Linearantrieb 12a greift auf der gleichen Höhe, d. h. am selben axialen Abstand L, wie einer der beiden bzw. beide axiale Linearantriebe 12c, 12d, insbesondere wie der obere axiale Linearantrieb 12c am Lasteinleitungsrahmen 11 an.
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Der Lasteinleitungsrahmen 11 ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 als Dreiecksrahmen ausgeführt, an dessen Spitze die Linearantriebe 12 angreifen. Die Grundlinie des Dreiecksrahmens ist mit der Lagerwelle 10 durch die Lager 24 verbunden. Das Lager 24 ist in den 3, 7, 17, und 19 als hydrostatisches Lager dargestellt. In den 2, 5, 10 und 15 ist das Lager 24 als Wälzlager dargestellt. Der Lasteinleitungsrahmen 11 ist auf beiden Seiten der Lagerwelle 10 symmetrisch ausgebildet. Andere Ausbildungen des Lasteinleitungsrahmens 11 sind möglich.
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Der Abstand L vom Prüfling P bis zum Lasteinleitungsrahmen 11 kann durch Einfügen einer Distanzwelle (nicht dargestellt) je nach Lastvorgaben eingestellt werden. Ist der Abstand L größer Null, ergibt sich durch die Radialkraft ein zusätzliches Nickmoment, das in einem Steuerprogramm berücksichtigt wird.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 sind die Linearantriebe 12 als Hydraulikzylinder ausgebildet, die die für die Lasteinleitung erforderlichen Kräfte aufbringen. Es ist auch möglich, die Linearantriebe durch Elektromotoren anzutreiben. Die Linearantriebe können ferner beispielsweise mechanische Antriebe, wie Drehspindeln oder Zahnstangen umfassen. Andere Ausbildungen der Linearantriebe sind möglich. Die vorgenannten Ausführungen der Linearantriebe werden im Zusammenhang mit allen Ausführungsbeispielen offenbart.
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In 3 ist ferner dargestellt, dass der Prüfstand auf einer Bodenplatte 14a montiert ist, der zur Einstellung einer Neigung um eine Drehachse schwenkbar ist. Die Drehachse verläuft in etwa auf Höhe des Drehantriebs 111 senkrecht zur Lagerwelle 10. Die Drehachse ist durch eine Lageranordnung 25 realisiert mit einer Achse 25a und zwei Lagerböcken 25b, die einerseits an der Unterseite des Bodens 19 und andererseits an einem Fundament 26 befestigt sind. Von der Lageranordnung 25 beabstandet angeordnet ist ein Stellzylinder 27, der zur Einstellung der Neigung des Bodens 19 um einen bestimmten Hub ausfahrbar bzw. einfahrbar ist. Der Stellzylinder 27 ist einerseits mit dem Fundament 26 und andererseits mit der Bodenplatte 14a verbunden. Der Neigungswinkel kann zwischen 0° und 6° betragen. Der Stellzylinder 27 ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 im Bereich des Lastmittels 112 angeordnet.
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Die Aufspann- oder Nutplatte 14a ist bei allen Figuren gleich. Unter der Platte befindet sich in der Regel ein schweres Betonfundament 26, welches je nach Anforderung und Umgebungsbedingungen auf dem Erdboden aufsitzt oder auf Schwingungsdämpfern gelagert ist. Bei 3 ist jedoch unter der Aufspannplatte 14a zu deren Verstärkung noch ein oberer Stahlrahmen 7 und darunter ein unterer Stahlrahmen 8 angebracht, unter diesem das Betonfundamt 26. Die Lagerung 25 kann auch direkt auf dem Betonfundament 26 angebracht werden, wobei der untere Stahlrahmen 8 in diesem Fall entfällt, oder wird oben bündig im Betonfundament 26 verankert. Die Lagerblöcke 25 sind in Längsrichtung gesehen je einmal links und rechts an den beiden Stahlrahmen 7, 8 befestigt Auch der Stellzylinder 27 kann zur Verbesserung der Drehsteifigkeit des Aufbaus links und rechts vorhanden sein. Die in der Neigung verstellbare Bodenplatte 14a kann auch bei den anderen Ausführungsbeispielen vorgesehen sein.
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Die Bodenplatte 14a kann beispielsweise als Nutplatte bzw. als Spannfeld ausgebildet sein. Im Bereich der Halteeinrichtung 110 ebenso wie im Bereich des Drehantriebs 111 können mehrere Ankerpunkte 28 in der Bodenplatte 14a vorgesehen sein. Durch die verschiedenen Ankerpunkte 28 kann der Abstand zwischen der Halteeinrichtung 110 und dem Drehantrieb 111 bzw. zwischen der Halteeinrichtung 110 und dem Lastmittel 112 eingestellt werden. Die verschiedenen Ankerpunkte 28 werden im Zusammenhang mit allen Ausführungsbeispielen offenbart. Die Nutplatte 14a bildet ein Spannfeld. Die Nuten können auch längs und quer verlaufen, bevorzugt jedoch nur längs zur Anpassung der Vorrichtungen an verschiedene Prüflingslängen. Die zusätzlichen Ankerpunkte 28 sind im Bereich von Drehantrieb 111 und Halteeinrichtung 110 wo die höchsten Drehmomente auftreten bzw. die größten Kräfte in die Nutplatte eingeleitet werden. Die zusätzlichen Ankerpunkte 28 verbinden die Nutplatte 14a mit dem Betonfundament 26 oder gehen direkt vom Drehantrieb 111 und der Halteeinrichtung 110 durch die Nutplatte 14a hindurch bis tief in das Betonfundament 26 (in 3 leicht anders gezeigt).
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 entsprechen der Antriebsstrang und der Abtriebsstrang des Prüfstandes jeweils dem Ausführungsbeispiel gemäß 3. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel gemäß 3 ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 der Lasteinleitungsrahmen 11 unterschiedlich ausgebildet und zwar so, dass eine außermittige Krafteinleitung in die Lagerwelle 10 möglich ist, wohingegen bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 die Krafteinleitung durch den symmetrischen Lasteinleitungsrahmen 11 mittig erfolgt. Konkret sind bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 die Anlenkstellen 13a, 13b der axialen Linearantriebe 12c, 12d am Lasteinleitungsrahmen 11 in einer Ebene angeordnet, die senkrecht zur Lagerwelle 10 verläuft und vom Mittelpunkt der Lagerwelle 10 axial beabstandet ist. Dadurch wird erreicht, dass nicht nur durch die axialen Linearantriebe 12c, 12d, sondern auch durch den radialen Linearantrieb 12a ein Biegemoment in der Lagerwelle 10 induziert wird.
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In 5 ist der Hebelarm L = 0 mm, d. h. durch die Radialkraft des Linearantriebs 12a wird kein Biegemoment (hier Nickmoment) eingeleitet, auch nicht in die Lagerwelle, sondern nur durch die ungleichmäßige Belastung der axialen Linearantriebe 12c, 12d, da es hier einen Hebelarm R1 und R2 gibt, die in diesem Fall gleich groß sind.
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Konkret ist der Lasteinleitungsrahmen 11 nicht als gleichschenkliger Dreiecksrahmen, wie im Ausführungsbeispiel gemäß 3, sondern als ungleichseitiger Dreiecksrahmen ausgebildet, bei dem die Rahmenseiten unterschiedlich lang sind. Die am Lasteinleitungsrahmen 11 befindlichen Anlenkstellen 13a, 13b für den Anschluss der drei Linearantriebe liegen in der Ebene des Anschlussflansches der Getriebewelle.
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Somit ist die Hebelarmlange L = 0 mm. Diese Anordnung hat die Besonderheit, dass Radialkräfte keine zusätzlichen Biegemomente erzeugen, was bei manchen Prüfungen erforderlich ist.
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Dabei befindet sich die Spitze des Dreiecksrahmens zwischen dem Mittelpunkt der Lagerwelle 10 und dem Eingang E des Prüfgetriebes. Damit ist der Abstand L zwischen Prüfling P und Lasteinleitungsrahmen 11 gleich Null, so dass die Wirklinie des radialen Linearantriebs 12a in der Ebene des Wellenflansches des Prüflings P liegt und kein zusätzliches Moment erzeugt wird. Es ist auch möglich, die Spitze des dreieckigen Rahmens 13 auf die andere Seite des Mittelpunkts der Lagerwelle 10 zu verlegen, so dass die Spitze des Dreiecksrahmens näher am Drehantrieb 111 angeordnet ist.
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Bei 3 und 5 können nur Nickmomente und keine Giermomente eingeleitet werden. Durch andere Anordnung der Linearantriebe ist auch die Einleitung von Giermomenten leicht möglich.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß 7 entspricht im Hinblick auf den Aufbau des Lateinleitungsrahmens 11 sowie im Hinblick auf die Ausbildung des Antriebs- und des Abtriebsstranges dem vorgenannten Ausführungsbeispiel gemäß 3. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 7 sind die Linearantriebe 12 als Hydraulikzylinder ausgebildet. Wenigstens ein senkrecht angeordneter radialer Linearantrieb 12a ist unterhalb der Lagerwelle 10 angeordnet und einerseits mit dem Lasteinleitungsrahmen 11 und andererseits mit der Bodenplatte 14a bzw. mit dem Fundament 26 gelenkig verbunden. Gemäß 8 sind zwei radiale Linearantriebe 12a, 12b unterhalb der Lagewelle 10 angeordnet, die am Lasteinleitungsrahmen 11 seitlich neben der Lagerwelle 10 angreifen. Dabei kann die Pendelstütze entfallen. Alternativ kann ein einziger mittig angeordneter Linearantrieb 12a unterhalb der Lagerwelle 10 angeordnet sein (9). Der Lasteinleitungsrahmen 11 ist durch eine Pendelstütze 17 gegen Verdrehen gesichert. Zusätzlich ist ein zweiter, horizontal angeordneter, radialer Linearantrieb 12a mit dem Lasteinleitungsrahmen 11 verbunden (8, 9), wobei die radialen Linearantriebe 12a auf dem Umfang der Lagerwelle 10 versetzt zueinander, insbesondere um 90 Grad versetzt zueinander angeordnet sind.
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Der Lasteinleitungsrahmen 11 in 7 mit 6 oder 7 Anlenkstellen für die Linearantriebe gleicht nur in der Seitenansicht etwa dem in 3 dargestellten Rahmen mit 3 Anlenkstellen. Maßgebend für die Belastung ist nur der Abstand L bzw. die geometrische Anordnung der Linearantriebe. Der Lasteinleitungsrahmen in 7 ist länger und daher bei größere Biegemomenten günstiger weil, die Lager 24 geringere Lasten aufnehmen müssen. Alle Varianten der Lasteinleitungen können kombiniert werden.
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In 7 ist ferner dargestellt, dass die Linearantriebe 12 einerseits gelenkig mit dem Lasteinleitungsrahmen 11 und andererseits gelenkig mit einer gegenüber dem Lasteinleitungsrahmen 11 angeordneten Stütze bzw. einem Lagerbock 14b verbunden sind. Wie durch den Doppelpfeil oberhalb der Hydraulikzylinder der axialen Linearantriebe 12 dargestellt, können diese eine Hubbewegung in beiden Axialrichtungen ausführen und zwar unabhängig voneinander, so dass die eingangs erläuterten Lastzustände (reine Axialkraft, reines Biegemoment, überlagerte Axialkraft/Biegemoment) erzeugbar sind. Das Ausführungsbeispiel gemäß 7 ermöglicht u. a. die Erzeugung eines Giermomentes. Die Erzeugung eines Giermomentes ist durch eine unterschiedliche Belastung der axialen Linearantriebe links und rechts der senkrechten Mittelachse (8 u. 9), also der Linearantriebe 12e und 12g mit Zuglast, und der Linearantriebe 12f und 12h mit Drucklast oder umgekehrt möglich.
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In 8 sind die Lagerwelle 10 sowie die Anlenkpunkte der vier axialen Linearantriebe 12e, 12f, 12g, 12h gezeigt. Aus 8 ist ersichtlich, dass zwei axiale Linearantriebe 12g, 12h oberhalb der Lagerwelle 10 und zwei weitere axiale Linearantriebe 12e, 12f, unterhalb der Lagerwelle 10 angeordnet sind. Die oberhalb bzw. unterhalb angeordneten Linearantriebe 12e, 12f, 12g, 12h sind jeweils nebeneinander angeordnet, insbesondere horizontal nebeneinander angeordnet. Die Anlenkpunkte der Linearantriebe 12e, 12f, 12g, 12h am Lasteinleitungsrahmen 11 sind auf den Eckpunkten eines imaginären Rechtecks angeordnet, das senkrecht zur Lagerwelle 10 verläuft. Außerdem verläuft die Drehachse der Lagerwelle 10 durch den Mittelpunkt des Rechtecks. Daraus ergibt sich insgesamt eine symmetrische Anordnung der axialen Linearantriebe 12e, 12f, 12g, 12h bezogen auf die Lagerwelle 10, insbesondere bezogen auf die Drehachse der Lagerwelle 10. Durch eine unterschiedliche Ansteuerung der vier axialen Linearantriebe 12e, 12f, 12g, 12h ist ein Giermoment in der Lagerwelle 10 erzeugbar.
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In 7 ist ferner zu erkennen, dass das Rechteck der Ebene entspricht, in der die Anlenkstellen der axialen Linearantriebe 12e, 12f, 12g, 12h am Lasteinleitungsrahmen 11 angeordnet sind. Die Ebene bzw. das imaginäre Rechteck verlaufen senkrecht zur Lagerwelle 10 und sind vom Mittelpunkt der Lagerwelle 10 beabstandet angeordnet. Die Axialzylinder sind vorzugsweise symmetrisch angeordnet, können aber bei Bedarf d. h. in Abhängigkeit von der Art des Prüflings und dem vorgesehenen Belastungsprogramm beliebig asymmetrisch angeordnet werden. Die verschiedenen Hebelarme in radialer Richtung werden durch das Steuerprogramm berücksichtigt, so dass am Prüfling immer die richtigen Kräfte und Momente eingeleitet werden, auch bei elastischen Verformungen von Prüfstands- und Prüflingsteilen.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß 10 unterscheidet sich von den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen durch die Anordnung der Linearantriebe 12i sowie durch die Geometrie des Lasteinleitungsrahmens 11. Im Übrigen stimmen die Ausführungsbeispiele überein. An Stelle der axialen und radialen Linearantriebe 12 sind bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 10 zwei, bezogen auf die Lagerwelle 10, insbesondere bezogen auf die Drehachse der Lagerwelle 10 geneigt angeordnete Linearantriebe 12i vorgesehen. Die beiden geneigten Linearantriebe 12i sind einerseits gelenkig mit der Nutplatte 14a und andererseits gelenkig mit dem Lasteinleitungsrahmen 11 verbunden. Der Lasteinleitungsrahmen 11 besteht hier aus einer speziellen Außenhülse 15b mit Anlenkstellen für die Lagerung der Linearantriebe sowie einer Innenhülse 15a und einem dazwischen angeordnetem Lager 24 (hier ein Kegelrollenlager, siehe 15; alternativ ein Gleitlager oder ein hydrostatisches Lager). Der Lasteinleitungsrahmen 11 ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 10 als Lager, insbesondere als Wälzlager oder als hydrostatisches Lager ausgebildet, das Radial- und Axialkräfte aufnehmen kann. Die Linearantriebe 12i greifen auf Höhe der Lagerwelle 10 direkt am Lasteinleitungsrahmen 11 bzw. dem Lager an. In den vorhergehenden Ausführungsbeispielen greifen die Linearantriebe 12 oberhalb bzw. unterhalb der Lagerwelle 10 am Lasteinleitungsrahmen 11 an. In 10 ist ferner zu erkennen, dass der Lasteinleitungsrahmen 11 bzw. das den Lasteinleitungsrahmen 11 bildende Lager vom Eingang E des Prüfgetriebes beabstandet angeordnet ist. Dadurch kann zusätzlich zur Radialkraft und Axialkraft ein Nickmoment in der Lagerwelle 10 bzw. der Prüflingswelle erzeugt werden. Der Abstand L zwischen dem Lasteinleitungsrahmen 11 und der Halteeinrichtung 110 für das Prüfgetriebe ist durch Verschieben des Lasteinleitungsrahmens 11 veränderbar.
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Die beiden geneigten Linearantriebe 12i sind in ihrer Neigung verstellbar, so dass die Radial- und Axialkräfte sowie die Momente zueinander bzw. deren Komponenten veränderbar sind. Bei der Ausführung nach 10 mit der in 13 gezeigten Längsansicht können Radial- und Axialkräfte sowie Nickmomente erzeugt und variiert werden. Hierfür wird der Abstand L und/oder die Schräglage der Linearantriebe bis ± 45 Grad oder mehr verändert. Zur Änderung des Neigungswinkels sind in der Bodenplatte 14a mehrere Ankerpunkte ausgebildet. Ebenso können zur Änderung des Neigungswinkels die unteren Befestigungen der Linearantriebe in den Nuten verschoben werden. Dies kann ggf. automatisiert geschehen. Die beiden Linearantriebe 12i können von der senkrechten Lage in eine beliebige Schräglage verstellt werden, beispielsweise bis ca. 45° oder mehr als 45°. Durch eine Änderung des Neigungswinkels können die Linearantriebe dem Lasteinleitungsrahmen 11 beim Verschieben nachgeführt werden.
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Es ist auch möglich, an Stelle der beiden Linearantriebe 16 einen einzigen mittig angeordneten Linearantrieb 12a vorzusehen (11, 12). Dieser kann mit einem horizontal angeordneten, radialen Linearantrieb 12b kombiniert sein. Die seitlich angeordneten, in Längsrichtung der Lagerwelle angestellten Linearantriebe 12i können parallel angeordnet sein (13). Alternativ können die Linearantriebe 12i seitlich, also quer zur Lagerwelle 10 angestellt sein (14). Bei der Anordnung nach 11 können bei entsprechender Schrägstellung der Linearantriebe Axial- und Radialkräfte sowie Nick- und Giermomente erzeugt werden; dasselbe gilt für die Anordnung nach 14, wobei hier kein seitlicher Lagerbock 14c benötigt wird.
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In 15 ist ein Querschnitt durch die Lagereinheit in Form einer Lagerhülse 15 der 14 dargestellt, die entweder den Lasteinleitungsrahmen 11 selbst bildet (10) oder die Verbindung des Gestelles 16 mit der Lagerwelle 10 ermöglicht (2). Die Lagerhülse 15 weist eine radial innen angeordnete Innenhülse 15a auf, die mit der Lagerwelle 10 verbunden ist. Konzentrisch zur Innenhülse 15a ist eine Außenhülse 15b angeordnet, die mit der Innenhülse 15a durch Wälzlager, beispielsweise durch Kegelrollenlager drehbar verbunden ist. Die Innenhülse 15a ist in axialer Richtung durch ein oder mehrere Arretiermittel 21, beispielsweise einen bewegbaren Bolzen, der in eine Nut in der Welle 10 eingreift, fixiert. Durch Entfernen des Bolzens wird die Innenhülse 15a freigegeben und kann in Längsrichtung der Lagerwelle 10 komplett mit Lagerung und Lasteinleitungsrahmen verschoben werden. Die Lagerwelle 10 weist wenigstens an einer weiteren Position eine zweite Nut auf, in die der Bolzen des Arretiermittels 21 zur axialen Arretierung der Lagerhülse 15 eingreift. Dadurch wird eine stufenweise Verstellung des Lasteinleitungsrahmens 11 ermöglicht, die auch auf andere Weise realisiert werden kann. Andere Arretiermöglichkeiten, beispielsweise ein hydraulischer Pressverband, sind möglich. Damit ist eine stufenlose Verstellung des Lasteinleitungsrahmens 11 möglich, die auch auf andere Weise erreicht werden kann.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß den 16 und 17 entspricht im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel gemäß 7, wobei anhand des Ausführungsbeispiels gemäß 16, 17 verdeutlicht wird, dass die Belastungsvorrichtung als unabhängige Belastungseinheit für verschiedenartige Aufgaben eingesetzt werden kann, z. B. durch Anflanschen an eine Getriebewelle, eine Motorwelle oder an einen sonstigen Prüfling, in den Kräfte und Momente wiederholbar eingeleitet werden müssen. Das Drehmoment wird durch die Gelenkwelle 20b von einem Motor (Elektro- oder Hydraulikmotor) mit oder ohne Zwischengetriebe aufgebracht. In 17 ist dargestellt, dass zur Entlastung des Eigengewichts des Lasteinleitungsrahmens 11 an dessen in 17 rechtem Lager ein Entlastungselement, wie beispielsweise ein Hydraulikzylinder, Druckluftzylinder oder eine Feder (strichpunktierter Pfeil) mit konstanter Kraft nach oben drückt. Im Übrigen wird auf die Ausführungen zum Ausführungsbeispiel gemäß 7 verwiesen.
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18 zeigt ein Ausführungsbeispiel, das im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel gemäß 16 entspricht, wobei an Stelle von vier axialen Linearantrieben nur drei axiale Linearantriebe 12e, 12f, 12g vorgesehen sind. Die axialen Linearantriebe können auch an den Eckpunkten des gleichschenkligen Dreiecks oder jeweils doppelt und geneigt zur Axialrichtung entsprechend einem Hexapod angeordnet sein. Die beiden radialen Linearantriebe 12a, 12b sowie die Verdrehsicherungen von der Pendelstütze 17 können dann entfallen. Dadurch sind Kräfte und Momente in allen Freiheitsgraden erzeugbar.
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In 19 ist dargestellt, dass an Stelle des Drehantriebes bzw. der Gelenkwelle 20b ein Torsionsmoment in die Lagerwelle 10 bei nichtumlaufender Welle und kleinem Verdrehwinkel eingebracht werden kann. Dazu sind an dem in 19 rechten Wellenende mittels zwei radial angeordneter Linearantriebe (strichpunktierter Pfeil), die gegensinnig arbeiten und damit biegeneutral sind, vorgesehen. Dies ist auch in 18 durch zwei strichpunktierte Pfeillinien dargestellt. Es ist auch möglich, am rechten Wellenende der Lagerwelle 10, d. h. an der vom Prüfling P entfernten Seite der Lagerwelle 10 einen Rotationsantrieb anzuflanschen. Alternativ können seitlich von der Lagerwelle 10 anstelle des Linearantriebs 12a zwei senkrecht angeordnete Linearantriebe vorgesehen sein, die am Lasteinleitungsrahmen 11 angreifen (siehe auch die äußeren zwei strichpunktierten Pfeillinien in 18). Der Lasteinleitungsrahmen 11 ist dann mit der Lagerwelle 10 drehfest zu verriegeln und die Pendelstütze zu entfernen, so dass durch die senkrecht angeordneten Linearantriebe ein Torsionsmoment in die Lagerwelle 10 durch den Lasteinleitungsrahmen 11 eingebracht werden kann. Für die Erzeugung des Drehmoments bzw. des Torsionsmoments kann die Pendelstütze 17 gemäß 18 durch einen Linearantrieb ersetzt werden. Auch in diesem Fall ist der Lasteinleitungsrahmen 11 gegen Verdrehung zu blockieren, so dass durch den Lasteinleitungsrahmen 11 ein Torsionsmoment in die Lagerwelle 10 eingeleitet werden kann. Wie bereits erwähnt, ist es insbesondere bei der Anordnung nach 19 auch möglich, dass ein axialer Linearantrieb direkt am rechten Ende der Lagerwelle zentrisch angreift. Die anderen drei Linearantriebe können durch diesen je nach Anforderung entweder unterstützt oder durch diesen ersetzt werden.
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Bei den Seitenansichten der 2, 3, 5, 7, 17 und 19 sind nur die Lasteinleitungsrahmen mit Lagerung geschnitten, sowie die Querträger der Böcke 14b, damit Lager und Lagerwelle voll sichtbar sind. Bei 2, 7, 17 und 19 sind deshalb nur die hinteren Linearantriebe zu sehen, bei 2 die Antriebe 12h, 12f und bei 19 die Antriebe 12g, 12f. Bei 19 kann ein Drehmoment rechts an der Lagerwelle mittels Linearantrieben eingeleitet werden (18, innere senkrechte Pfeillinien) oder alternativ am Lasteinleitungsrahmen (18, äußere senkrechte Pfeillinien), wenn dieser an der Lagerwelle arretiert wird (durch Stifte bei 19 angedeutet). Es kann auch ein Drehantrieb wie bei 17 angebaut werden.
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Bei allen Ausführungsbeispielen ist vorgesehen, dass verschiedene Sensoren, beispielsweise Temperatursensoren, Öldrucksensoren, Vibrationssensoren (Beschleunigungsaufnehmer) und Ölpartikelzähler im Prüfgetriebe vorgesehen sind.
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Insgesamt bietet die Belastungsvorrichtung eine große Flexibilität in der Anpassung an verschiedene Prüflinge und Belastungssituationen und kann sowohl als mobile Einheit, als auch stationär in einem Prüfstand eingesetzt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 7
- oberer Stahlrahmen
- 8
- unterer Stahlrahmen
- 10
- Lagerwelle
- 11
- Lasteinleitungsrahmen
- 12
- Linearantrieb
- 12a, 12b
- radiale Linearantriebe
- 12c–12h
- axiale Linearantriebe
- 12i
- angestellter Linearantrieb
- 13a, 13b
- Anlenkstellen
- 14
- Aufnahmemittel
- 14a
- Bodenplatte
- 14b
- Lagerbock
- 14c
- weiterer Lagerbock
- 15
- Lagereinheit (Lagerhülse)
- 15a
- Innenhülse
- 15b
- Außenhülse
- 16
- Gestell
- 17
- Pendelstütze
- 18
- Distanzwelle
- 19
- Flansch Prüfling
- 20
- Gelenkwelle
- 20a
- erste Gelenkwelle
- 20b
- zweite Gelenkwelle
- 21
- Arretiermittel
- 22
- Zwischengetriebe
- 23
- Kupplung
- 24
- Lager
- 25
- Lageranordnung
- 25a
- Achse
- 25b
- Lagerböcke
- 26
- Fundament
- 27
- Stellzylinder
- 28
- Ankerpunkte
- 110
- Halteeinrichtung
- 111
- Drehantrieb
- 112
- Lastmittel
- P
- Prüfling
