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Die Erfindung betrifft eine Prüfeinrichtung zur Kraftfahrzeug-Crashsimulation gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Prüfeinrichtung.
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Demgemäß betrifft die Erfindung eine Prüfeinrichtung zur Kraftfahrzeug-Crashsimulation mit einer Schlittenanordnung, die längs einer Schienenanordnung verschiebbar angeordnet ist, einem auf der Schlittenanordnung angeordneten Prüfaufbau, auf dem mindestens eine zu prüfende Kraftfahrzeugkomponente angeordnet oder anbringbar ist, und mit einer Beschleunigungseinheit, über die zur Beschleunigung der Schlittenanordnung eine Kraft auf diese übertragbar ist, wobei die Beschleunigungseinheit einen hydraulischen Antriebszylinder mit einem Kolben und einer mit der Schlittenanordnung verbundenen Kolbenstange aufweist.
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Die Druckschrift
DE 20 2005 012 077 U1 betrifft eine Vorrichtung zum Einbringen zusätzlicher Kräfte bei der Durchführung von Crash-Versuchen, insbesondere der Durchführung von sogenannten inversen Crash-Versuchen, bei denen die Verzögerungskräfte eines realen Aufpralls simuliert werden. Die aus diesem Stand der Technik bekannte Vorrichtung weist einen Zylinder auf, der eine Druckkammer aufweist, deren Volumen durch einen Kolben begrenzt wird, welcher über eine Schubstange auf das Versuchsobjekt wirkt. Des Weiteren ist eine auf die Schubstange wirkende Bremseinrichtung vorgesehen.
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Die Druckschrift
DE 199 27 944 A1 betrifft ein Verfahren zur Durchführung von Crash-Schlitten-Versuchen, bei welchem die Verzögerungskräfte eines realen Aufpralls simuliert werden, in dem ein Crash-Schlitten entsprechend der realen Verzögerungskurve beschleunigt wird. Zur Vermeidung von Kalibrier Versuchen wird während des Versuches auf den Crash-Schlitten einerseits eine Kraft in Beschleunigungsrichtung ausgeübt, die größer ist als die zur Beschleunigung entsprechend der realen Verzögerungskurve jeweils nötige Kraft. Andererseits wird eine der Beschleunigungsrichtung entgegen gerichtete Bremskraft ausgeübt, die so groß ist, dass die resultierende Kraft den Schlitten entsprechend der gewünschten Beschleunigungskurve beschleunigt.
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Die Druckschriften
US 2002/0026820 A1 und
US 3,823,600 A betreffen jeweils einen HYGE-Beschleuniger, bei dem ein doppelt wirkender Kolben zwischen einer Zylinderkammer mit hohem Druck und einer Zylinderkammer mit niedrigem Druck ausgenutzt wird. Die auf den Kolben wirkenden Kräfte sind vor einem Auslösepuls aufgrund unterschiedlicher Angriffsflächen des Kolbens im Gleichgewicht. Der Auslösepuls bewirkt ein Abheben des Kolbens von einer Dichtung, die die Angriffsfläche des Kolbens für die Kammer mit hohem Druck begrenzt, sodass schlagartig die gesamte Kolbenfläche dem hohem Druck ausgesetzt ist und der Kolben eine der Differenz zwischen dem hohem und niedrigen Druck entsprechende Beschleunigungskraft erfährt.
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Eine Prüfeinrichtung, welche im Fachbereich auch servohydraulische Katapultanlage genannt wird, ist dem Prinzip nach aus der Fahrzeugtechnik allgemein bekannt und dient dazu, den immer kürzeren Entwicklungszeiten im Automobilbau und den Anforderungen nach höherer passiver Sicherheit Rechnung zu tragen. Mit einer solchen Prüfeinrichtung sind inverse Crashtests realisierbar. Hierbei wirken nicht die im normalen Betrieb oder im Crashfall auftretbaren Verzögerungskräfte auf die zu untersuchenden Kraftfahrzeugkomponenten ein. Vielmehr werden bei inversen Crashtests die den auftretbaren Verzögerungskräfte entsprechenden Beschleunigungskräfte in die zu untersuchenden Kraftfahrzeugkomponenten eingeleitet.
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In der Regel werden dabei die zu untersuchenden Fahrzeugkomponenten, wie Sitze, Lenksäulen und Lenkräder, Windschutzscheiben, Armaturenbretter, Sicherheitsgurte und deren Befestigung, Airbag-Systeme und andere Komponenten, in einer verstärkten Fahrzeugkarosserie, der so genannten Panzerkarosse, auf einem Schlitten, entsprechend der verschiedenen Unfallsituationen kontrolliert beschleunigt und Bruchverhalten bzw. Bauteilzuverlässigkeit untersucht. Bei herkömmlichen Prüfeinrichtungen wird der Schlitten beispielsweise mit Hilfe einer zu einer Beschleunigungseinheit gehörenden Schubstange beschleunigt. Im Einzelnen ist es bekannt, die Schubstange entsprechend einer realen Verzögerungskurve hydraulisch aus einem Zylinderrohr eines Antriebzylinders herauszufahren. Um die reale Verzögerungskurve nachfahren zu können, wird dabei versucht, die hydraulische Beaufschlagung der Schubstange über ein Hydraulikventil zu steuern.
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Beispielsweise ist es bekannt, dass der Antriebzylinder über ein vierstufiges Servoventil gesteuert wird, das mit einer Kolbenspeichereinheit in Verbindung steht. Eine solche servohydraulische Katapultanlage ist beispielsweise aus einer Werkzeitschrift RIQ, Ausgabe 1/1998, Seiten 2 bis 4 von Mannesmann-Rexroth bekannt.
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Aufgrund der großen erforderlichen Beschleunigung muss allerdings das Hydraulikventil eine extrem hohe Durchflussmenge aufweisen und sehr schnell reagieren können. Dabei müssen zur Anpassung an die reale Verzögerungskurve mehrere Kalibrierversuche durchgeführt werden, da ein derartiges Hydraulikventil innerhalb der Versuchszeit von maximal etwa 100 Millisekunden nicht geregelt werden kann. Dieses herkömmliche Verfahren ist daher verhältnismäßig aufwendig.
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Auf Grundlage dieser Problemstellung liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Prüfeinrichtung zur Kraftfahrzeug-Crashsimulation der eingangs genannten Art sowie ein Verfahren zum Betrieb einer derartigen Prüfeinrichtung derart weiterzubilden, dass in einer einfach zu realisierenden aber dennoch reproduzierbaren Weise eine Simulation von Unfallsituationen verbessert werden kann. Insbesondere soll eine Prüfeinrichtung mit einem hydraulischen Antriebszylinder angegeben werden, mit welcher – im Vergleich zu herkömmlichen Prüfeinrichtungen – die Versuchs-Reproduzierbarkeit sowie die Versuchs-Nachfahrgenauigkeit verbessert und die Anzahl der notwendigen Iterationsschritte verringert werden können.
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Im Hinblick auf die Prüfeinrichtung wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mindestens ein Messaufnehmer vorgesehen ist zum Erfassen eines im kolbenseitigen Bereich des Antriebzylinders wirkenden Druckes und/oder zum Erfassen eines im kolbenstangenseitigen Bereich des Antriebzylinders wirkenden Druckes, und dass eine Regeleinrichtung vorgesehen ist, welche ausgelegt ist, in Abhängigkeit von dem in dem Antriebzylinder erfassten Druck eine dem kolbenseitigen oder dem kolbenstangenseitigen Bereich des Antriebzylinders pro Zeiteinheit zu- oder abgeführte Menge an Hydraulikflüssigkeit derart einzustellen, dass eine auf die Schlittenanordnung übertragene Beschleunigungskraft einen vorab festgelegten oder festlegbaren Wert annimmt.
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In einer bevorzugten Realisierung der erfindungsgemäßen Lösung ist dabei vorgesehen, dass ein erster Messaufnehmer zum Erfassen des im kolbenseitigen Bereich des Antriebzylinders wirkenden Druckes und ein zweiter Messaufnehmer zum Erfassen des im kolbenstangenseitigen Bereich des Antriebzylinders wirkenden Druckes vorgesehen sind, wobei die Regeleinrichtung ausgelegt ist, die dem kolbenseitigen Bereich des Antriebzylinders pro Zeiteinheit zugeführte Menge an Hydraulikflüssigkeit derart einzustellen, dass die Differenz zwischen dem im kolbenseitigen Bereich wirkenden Druck und dem im kolbenstangenseitigen Bereich wirkenden Druck einen vorab festgelegten oder festlegbaren Wert annimmt.
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Denkbar hierbei ist es, dass die Beschleunigungseinheit einen hydraulischen Antriebzylinder mit einem Kolben und einer mit der zu beschleunigenden Schlittenanordnung verbundenen Kolbenstange aufweist, wobei schnell reagierende Steuerventile, beispielhafter Weise ein 2-Steuerkanten-Ventil oder ein 1-Steuerkanten-Ventil vorgesehen sind, über welche der Antriebszylinder mit Hydraulikflüssigkeit beaufschlagbar ist. Bei einer 2-Kanten-Ventilausführung ist eine zur kolbenseitigen Bereich angeschlossene Druck-Steuerkante mit einem Hochdruck-Fluidreservoir in Fluidkommunikation, wobei eine zweite Rückfluss-Steuerkante des kolbenseitigen Bereiches in Fluidkommunikation mit einer drucklosen Rückflussleitung ist.
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Bei einer 1-Kanten-Ventilausführung stellt die Druck-Steuerkante eine Fluidkommunikation des Hochdruck-Fluidreservoirs mit dem kolbenseitigen Bereich her, wobei der stangenseitigen Bereich mit dem Hochdruck oder einem Niederdruck-Fluidreservoir direkt in Fluidkommunikation ist.
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Die Regeleinrichtung ist dabei ausgelegt, die pro Zeiteinheit dem Antriebzylinder zugeführte Menge an Hydraulikflüssigkeit derart einzustellen, dass die auf die Schlittenanordnung übertragene Beschleunigungskraft einen vorab festgelegten oder festlegbaren Wert annimmt. Das Hochdruck-Fluidreservoir stellt eine mit hohem Druck beaufschlagtes Hydraulikfluid zur Verfügung. Das Niederdruck-Fluidreservoir nimmt bei der 1-Kanten-Ausführung die im stangenseitigen Bereich in der Kolbenbewegung anfallende Fluidmenge auf.
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Über die Druck-Steuerkante strömt dem kolbenseitigen Bereich des Antriebzylinders das unter hohem Druck beaufschlagte Fluid zu, wobei der stangenseitige Bereich je nach der Ausführung mit dem Niederdruck-Reservoir oder dem Hochdruck-Reservoir verbunden ist. Mit den daraus resultierende Drücken in den beiden Zylinder-Kammern wird über die Kolbenfläche und die Kolbenstange eine Kraft auf die Schlittenanordnung ausgeübt, und infolgedessen die Schlittenanordnung beschleunigt.
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In einer weiteren Realisierung der erfindungsgemäßen Lösung ist dabei vorgesehen, dass ein erster Messaufnehmer zum Erfassen des im kolbenseitigen Bereich des Antriebzylinders wirkenden Druckes und ein zweiter Messaufnehmer zum Erfassen des im kolbenstangenseitigen Bereich des Antriebzylinders wirkenden Druckes vorgesehen sind, wobei die Regeleinrichtung ausgelegt ist, die dem kolbenstangenseitigen Bereich des Antriebzylinders pro Zeiteinheit zu- und abgeführte Menge an Hydraulikflüssigkeit derart einzustellen, dass die Differenz zwischen dem im kolbenseitigen Bereich wirkenden Druck und dem im kolbenstangenseitigen Bereich wirkenden Druck einen vorab festgelegten oder festlegbaren Wert annimmt.
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Denkbar hierbei ist es, dass die Beschleunigungseinheit einen hydraulischen Antriebzylinder mit einem Kolben und einer mit der zu beschleunigenden Schlittenanordnung verbundenen Kolbenstange aufweist, wobei ein erstes Ventil vorgesehen ist, über welches der kolbenseitige Bereich des Antriebzylinders mit Hydraulikflüssigkeit beaufschlagbar ist, und wobei ferner ein zweites Ventil vorgesehen ist, über welches der kolbenstangenseitige Bereich des Antriebzylinders mit Hydraulikflüssigkeit beaufschlagbar ist. Die Regeleinrichtung ist dabei ausgelegt, die pro Zeiteinheit dem kolbenstangenseitigen Bereich des Antriebzylinders zu- und abgeführte Menge an Hydraulikflüssigkeit derart einzustellen, dass die auf die Schlittenanordnung übertragene Beschleunigungskraft einen vorab festgelegten oder festlegbaren Wert annimmt. Im Einzelnen dient das erste Ventil dazu, bei Bedarf den kolbenseitigen Bereich des Antriebzylinders mit einem Fluidreservoir zu verbinden. Das Hochdruck-Fluidreservoir stellt eine mit hohem Druck beaufschlagte Hydraulikflüssigkeit zur Verfügung. Auch das zweite Ventil dient dazu, bei Bedarf den kolbenstangenseitigen Bereich des Antriebzylinders mit einem zweiten Hochdruck-Fluidreservoir zu verbinden oder mit einem drucklosen Fluidreservoir zu verbinden. Das dem zweiten Ventil zugeordnete Fluidreservoir stellt eine Hydraulikflüssigkeit bereit, deren Druck höher ist als der Druck der Hydraulikflüssigkeit, die mit dem Fluidreservoir bereitgestellt wird, welches mit dem ersten Ventil verbunden ist.
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Über das erste Ventil strömt dem kolbenseitigen Bereich des Antriebzylinders das unter hohem Druck beaufschlagte Fluid zu, so dass über die Kolbenfläche und die Kolbenstange eine Kraft auf die Schlittenanordnung ausgeübt wird, infolgedessen die Schlittenanordnung beschleunigt. Über das zweite Ventil kann in definierter Weise Fluid aus dem kolbenstangenseitigen Bereich des Antriebzylinders entströmen bzw. in definierter Weise Fluid in den kolbenstangenseitigen Bereich des Antriebzylinders einströmen und auf diese Weise den Druck und die resultierende Beschleunigung beeinflussen.
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Vorzugsweise weist die Beschleunigungseinheit einen ersten und zweiten Messaufnehmer zum Erfassen des in dem kolbenseitigen Bereich des Antriebzylinders herrschenden Druckes einerseits und des in dem kolbenstangenseitigen Bereich des Antriebzylinders herrschenden Druckes andererseits auf.
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In einer bevorzugten Realisierung der erfindungsgemäßen Prüfeinrichtung steht die Regeleinrichtung über einen Sollgrößen-Eingang mit einer Steuereinrichtung in Verbindung, um als Sollgröße ein vorgegebenes Beschleunigungsprofil zu erhalten. Der Regeleingang der Regeleinrichtung steht über einen Subtrahierer mit dem ersten und zweiten Messgeber in Signalverbindung, um als Regelgröße die Differenz der Drücke aus dem Inneren des Antriebzylinders zu erhalten, welche über die Geometrie des Kolbens, der Konstruktion der Prüfeinrichtung sowie der Masse der Schlittenanordnung mit der Beschleunigung verknüpft sind. Die Regeleinrichtung steht mit ihrem Regelausgang mit dem Ventil in Signalverbindung, um als Stellgröße die Durchflussmenge des Ventils derart zu regeln, dass die resultierende Beschleunigung der Schlittenanordnung dem Beschleunigungsprofil folgt.
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In einer nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform der Prüfeinrichtung ist nur ein einziger Messaufnehmer vorgesehen zum Erfassen des im kolbenseitigen Bereich des Antriebzylinders herrschenden Druckes oder zum Erfassen des im kolbenstangenseitigen Bereich des Antriebzylinders herrschenden Druckes, wobei nur das Messsignal dieses Messaufnehmers über eine Signalleitung direkt als Regelgröße am Regeleingang der Regeleinrichtung anliegt.
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Im Hinblick auf das Verfahren wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe erfindungsgemäß durch die nachfolgend angegebenen Verfahrensschritte gelöst:
- 1. mit Hilfe eines ersten Messaufnehmers wird ein im kolbenseitigen Bereich des Antriebzylinders wirkender Druck gemessen;
- 2. mit Hilfe eines zweiten Messaufnehmers wird ein im kolbenstangenseitigen Bereich des Antriebzylinders wirkender Druck gemessen; und
- 3. es wird eine dem kolbenseitigen Bereich des Antriebzylinders pro Zeiteinheit zugeführte Menge an Hydraulikflüssigkeit derart eingestellt, dass die Differenz zwischen dem im kolbenseitigen Bereich des Antriebzylinders wirkenden Druck und dem im kolbenstangenseitigen Bereich des Antriebzylinders wirkenden Druck einen vorab festgelegten Wert annimmt.
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Alternativ können auch die folgenden Verfahrensschritte anstelle von Schritt 3 treten:
- – es wird dem kolbenseitigen Bereich des Antriebzylinders pro Zeiteinheit eine Menge an Hydraulikflüssigkeit zugeführt, sodass sich ein konstantes Druckniveau einstellt und
- – es wird eine dem kolbenstangenseitigen Bereich des Antriebzylinders pro Zeiteinheit zu- oder abgeführte Menge an Hydraulikflüssigkeit derart eingestellt, dass die Differenz zwischen dem im kolbenseitigen Bereich des Antriebzylinders wirkenden Druck und dem im kolbenstangenseitigen Bereich des Antriebzylinders wirkenden Druck den vorab festgelegten Wert annimmt.
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Die mit der erfindungsgemäßen Lösung erzielbaren Vorteile liegen auf der Hand. Demnach zeichnet sich die erfindungsgemäße Prüfeinrichtung dadurch aus, dass durch die aktive Regelung der Stellgröße die resultierende Beschleunigung der Schlittenanordnung dem vorgegebenen Beschleunigungsprofil genauer folgt. Indem die Stellgröße die Durchflussmenge des Hydraulikfluides ist, erfolgt die Regelung verschleißfrei und mit hoher Reproduzierbarkeit.
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Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung eine beispielhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung näher beschrieben.
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Es zeigen:
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1 ein Signalflussdiagramm für eine beispielhafte 2-Steuerkanten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung;
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2 ein Signalflussdiagramm für eine beispielhafte 1-Steuerkanten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung;
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3 ein Signalflussdiagramm für eine weitere beispielhafte 1-Steuerkanten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung; und
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4 ein Signalflussdiagramm für eine weitere beispielhafte Ausführungsform der Erfindung mit 2-Wege-Ventil.
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1 zeigt schematisch ein Signalflussdiagramm für eine beispielhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung 100. Wie dargestellt, weist die Prüfeinrichtung 100 eine Schlittenanordnung 110 und eine Beschleunigungseinheit 120 auf. Schlittenanordnung 110 und Beschleunigungseinheit 120 sind mittels einer Kraftübertragungseinrichtung 121 verbunden. In der gezeigten Ausführungsform ist die Kraftübertragungseinrichtung 121 eine Schub- bzw. Kolbenstange. Auf der Schlittenanordnung 110 kann ein Prüfobjekt, z. B. ein Kraftfahrzeug oder Komponenten davon, angeordnet sein.
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Die Beschleunigungseinheit 120 weist einen hydraulischen Antriebzylinder 122 mit einem Kolben 123 und einem 2-Kantenventil (Druck-Steuerkante 124, Rückfluss-Steuerkante 125) auf. Der Kolben 123 zusammen mit der damit verbundenen Kolbenstange 121 ist axial längs der Achse des Antriebzylinders 122 verschiebbar und trennt zwei Zylinderbereiche, den kolbenseitigen Zylinderbereich 128 und den kolbenstangenseitigen Zylinderbereich 129, fluiddicht voneinander ab.
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Im Einzelnen ist bei der in 1 dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Prüfeinrichtung 100 vorgesehen, dass der Antriebzylinder 122 als doppelt wirkender Zylindern ausgeführt ist, wobei die (bereits erwähnte) Druck-Steuerkante 124 vorgesehen ist, über welche der kolbenseitige Bereich 128 des Antriebzylinders 122 mit Hydraulikflüssigkeit beaufschlagbar ist. Ferner ist die (ebenfalls bereits erwähnte) zweite synchron geöffnete Rückfluss-Steuerkante 125 vorgesehen, über welche der kolbenstangenseitige Bereich 129 des Antriebzylinders 122 mit der Rückflussleitung in Fluidkommunikation steht.
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In der in 1 schematisch dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Prüfeinrichtung 100 steht die Druck-Steuerkante 124 mit ihrer nicht mit dem kolbenseitigen Bereich 128 des Antriebzylinders 122 verbundenen Seite mit einem ersten Hochdruck-Fluidreservoir 140 in Fluidverbindung. Der Druck von dem mit dem ersten Fluidreservoir 140 bereitgestellten Fluid (Hydraulikflüssigkeit) ist gleich groß wie und vorzugsweise größer als der Druck P1 im kolbenseitigen Bereich 128 des Antriebzylinders 122. Das erste Fluidreservoir 140 kann beispielsweise eine Kolbenspeichereinheit sein.
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Andererseits steht die Rückfluss-Steuerkante 125 mit ihrer nicht mit dem kolbenstangenseitigen Bereich 129 des Antriebzylinders 122 verbundenen Seite mit dem Rückfluss-Reservoir 141 in Fluidverbindung. Der Druck von dem mit dem zweiten Fluidreservoir 141 bereitgestellten Fluid (Hydraulikflüssigkeit) ist geringer als in dem kolbenstangenseitigen Bereich.
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Über die Druck-Steuerkante 124 ist demnach dem kolbenseitigen Bereich 128 des Antriebzylinders 122 ein unter hohem Druck stehendes Hydraulikfluid zuführbar, so dass der im kolbenseitigen Bereich 128 des Antriebzylinders 122 herrschende Druck P1 erhöht und eine auf den Kolben 123 und die Kolbenstange 121 wirkende Druckkraft reduziert um die niedrige Gegenkraft im stangenseitigen Bereich auf die Schlittenanordnung 110 übertragen werden kann. Auf diese Weise kann die Schlittenanordnung 110 beschleunigt werden.
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Wahlweise können Druck-Steuerkante 124 und Rückfluss-Steuerkante 125 auch in separaten Ventilen realisiert sein.
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Im Einzelnen ist die auf die Kolbenstange 121 wirkende Druckkraft bestimmt durch die Differenz zwischen dem in dem kolbenseitigen Bereich 128 des Antriebzylinders 122 herrschenden Druck P1 und dem in dem kolbenstangenseitigen Bereich 129 des Antriebzylinders 122 herrschenden Druck P2. Ferner haben die im kolbenseitigen Bereich 128 vorhandene Wirkfläche auf den Kolben 123 und die im kolbenstangenseitigen Bereich 129 vorhandene Wirkfläche auf den Kolben 123 einen Einfluss auf die auf die Kolbenstange 121 wirkende Druckkraft.
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Wie bereits angedeutet, kann über das zweite Ventil 125 Fluid, wie etwa Hydraulikfluid, aus dem kolbenstangenseitigen Bereich 129 des Antriebzylinders 122 entströmen. Auf diese Weise können der sich in dem kolbenstangenseitigen Bereich 129 einstellende Druck P2 und die resultierende Beschleunigung beeinflusst werden.
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Wie in 1 dargestellt, weist die dargestellte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Prüfeinrichtung 100 weiterhin Messaufnehmer 126, 127 auf zum Erfassen des Druckes P1 in dem kolbenseitigen Bereich 128 des Antriebzylinders 122 einerseits und zum Erfassen des Druckes P2 in dem kolbenstangenseitigen Bereich 129 des Antriebzylinders 122 andererseits.
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Ferner ist eine Regeleinrichtung 150 vorgesehen, welche in der in 1 dargestellten Ausführungsform über eine Signalverbindung mit einer Steuereinheit 160, wie etwa mit einem PC verbunden ist. Über die Signalverbindung wird von der Steuereinheit 160 eine vorab festlegbare und beispielsweise manuell in die Steuereinheit 160 eingebbare Sollgröße an die Regeleinrichtung 150 übertragen. Die Sollgröße kann ein vorgegebener Beschleunigungswert oder aber auch ein vorgegebenes Beschleunigungsprofil (d. h. eine vorgegebene zeitliche Entwicklung der Beschleunigung) sein.
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Die Regeleinrichtung 150 ist dazu ausgelegt, eine Regelgröße gemäß der Sollgröße nachzuregeln. Die Regelgröße ist in einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Prüfeinrichtung 100 die Differenz zwischen dem im kolbenseitigen Bereich 128 wirkenden Druck P1 und dem im kolbenstangenseitigen Bereich 129 wirkenden Druck P2. Über die Geometrie des Kolbens 123, der Konstruktion der Prüfeinrichtung 100 sowie der Masse der Schlittenanordnung 110 ist der Differenzdruck nach allgemeinen Gesetzen der Hydraulik und der Physik mit der Beschleunigung verknüpft. Insbesondere kann davon ausgegangen werden, dass der Differenzdruck proportional zu einer über die Beschleunigungseinheit 120 auf die Schlittenanordnung 110 übertragenen Beschleunigungskraft ist.
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Die Regeleinrichtung 150 ist ausgelegt, als Stellgröße die Durchflussmenge des 2-Kanten-Ventils (Druck-Steuerkante 124, Rückfluss-Steuerkante 125) zu verändern und so über eine Veränderung der pro Zeiteinheit dem kolbenseitigen Bereich 128 zugeführten und im stangenseitigen Bereich 129 abgeführte Fluidmenge, die Drücke P1, P2 des Antriebzylinders 122 zu beeinflussen.
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In einer nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform der Prüfvorrichtung 100 ist die Regeleinrichtung 150 dazu ausgelegt, nur den Druck P1 in dem kolbenseitigen Bereich 128 des Antriebzylinders 122 von nur einem Messaufnehmer 127 zu erfassen und als Regelgröße auszuwerten.
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Das Verfahren für eine erfindungsgemäße Kraftfahrzeug-Crashsimulation weist die folgenden Schritte auf:
Die Steuereinheit 160 gibt über die Signalverbindung eine Sollgröße an die Regeleinrichtung 150 aus. Die Sollgröße entspricht einer gewünschten Beschleunigung der Schlittenanordnung 110 zu dem jeweiligen Zeitpunkt. In ihrem zeitlichen Verlauf entspricht die Sollgröße dem gewünschten Beschleunigungsprofil. Als Regelgröße liegt an der Regeleinrichtung 150 die Differenz der Signale der beiden Druck-Messaufnehmer 126 und 127 an. Über die Geometrie des Kolbens 123 und die Masse der Schlittenanordnung 110 ist die Beschleunigung der Schlittenanordnung 110 mit der Regelgröße nach allgemeinen Gesetzen der Hydraulik und der Physik verknüpft.
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Die Regeleinrichtung 150 regelt als Stellgröße die Durchflussmenge des 2-Kanten-Ventils (Druck-Steuerkante 124, Rückfluss-Steuerkante 125) derart, dass die resultierende Beschleunigung der Schlittenanordnung 110 dem gewünschten Beschleunigungsprofil folgt. Die Regeleinrichtung öffnet dazu das 2-Kanten-Ventil soweit, dass jeweils so viel unter Druck stehendes Fluid aus dem Druck-Reservoir 140 in den ersten Zylinderbereich 128 zufließt und aus dem Bereich 129 zum drucklosen Reservoir 141 wegfließt, so dass die durch die Druckdifferenz zwischen erstem und zweitem Zylinderbereich 128, 129 auf den Kolben ausgeübte Kraft über die Kraftübertragungseinrichtung die gewünschte Beschleunigung der Schlittenanordnung 110 bewirkt.
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In verschiedenen Ausführungsformen der Prüfvorrichtung 100 können als Regeleinrichtung 150 unter anderem Proportional- (P), Proportional-Integral- (PI) oder Proportional-Integral-Differential- (PID) Regler verwendet werden.
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Die Prüfeinrichtung 100 kann weitere Bremsmittel aufweisen, um die Schlittenanordnung 110 im Anschluss an die Testphase wieder abzubremsen. Weiterhin ist es möglich, die Verbindung zwischen Schlittenanordnung 110 und Kraftübertragungseinheit 121 derart zu gestalten, dass sich die Schlittenanordnung 110 nach der Beschleunigungsphase durch den Kolben 123 von der Kraftübertragungseinheit 121 löst und unabhängig von dem Kolben 123 und der Kraftübertragungseinheit 121 mit geeigneten Bremsmitteln abgebremst wird.
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In 2 ist beispielhafter Weise die Ausführung mit einem 1-Steuerkanten-Ventil dargestellt. In der in 2 schematisch dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Prüfeinrichtung 100 steht die Steuerkante 124 mit ihrer nicht mit dem kolbenseitigen Bereich 128 des Antriebzylinders 122 verbundenen Seite mit einem ersten Hochdruck-Fluidreservoir 140 in Fluidverbindung. Der Druck von dem mit dem ersten Fluidreservoir 140 bereitgestellten Fluid (Hydraulikflüssigkeit) ist gleich groß wie und vorzugsweise größer als der Druck P1 im kolbenseitigen Bereich 128 des Antriebzylinders 122. Das erste Fluidreservoir 140 kann beispielsweise eine Kolbenspeichereinheit sein.
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Andererseits steht der kolbenstangenseitige Bereich 129 des Antriebzylinders 122 mit dem Rückfluss-Reservoir 170 in Fluidverbindung. Der Druck von dem mit dem zweiten Fluidreservoir 170 bereitgestellten Fluid (Hydraulikflüssigkeit) ist geringer als in dem kolbenstangenseitigen Bereich.
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Über die Steuerkante 124 ist demnach dem kolbenseitigen Bereich 128 des Antriebzylinders 122 ein unter hohem Druck stehendes Hydraulikfluid zuführbar, so dass der im kolbenseitigen Bereich 128 des Antriebzylinders 122 herrschende Druck P1 erhöht und eine auf den Kolben 123 und die Kolbenstange 121 wirkende Druckkraft reduziert um die niedrige Gegenkraft im stangenseitigen Bereich auf die Schlittenanordnung 110 übertragen werden kann. Auf diese Weise kann die Schlittenanordnung 110 beschleunigt werden. Im Weiteren entspricht die in 2 beschriebene Vorrichtung der bereits im Zusammenhang mit 1 beschriebenen Ausführungsform.
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Demgemäß unterscheidet sich das Verfahren mit der Vorrichtung aus 2 dadurch, dass die Regeleinrichtung 150 als Stellgröße die Durchflussmenge des 1-Kanten-Ventils (Steuerkante 124) derart, dass die resultierende Beschleunigung der Schlittenanordnung 110 dem gewünschten Beschleunigungsprofil folgt.
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In 3 ist beispielhafter Weise eine weitere Ausführung mit einem 1-Steuerkanten-Ventil dargestellt. In der in 3 schematisch dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Prüfeinrichtung 100 steht die Steuerkante 124 mit ihrer nicht mit dem kolbenseitigen Bereich 128 des Antriebzylinders 122 verbundenen Seite mit einem ersten Hochdruck-Fluidreservoir 140 in Fluidverbindung. Der Druck von dem mit dem ersten Fluidreservoir 140 bereitgestellten Fluid (Hydraulikflüssigkeit) ist gleich groß wie und vorzugsweise größer als der Druck P1 im kolbenseitigen Bereich 128 des Antriebzylinders 122. Das erste Fluidreservoir 140 kann beispielsweise eine Kolbenspeichereinheit sein.
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Ebenso steht der kolbenstangenseitige Bereich 129 des Antriebzylinders 122 mit dem Fluidreservoir 140 in Fluidverbindung. Da die Wirkfläche des Kolbens in dem kolbenstangenseitigen Bereich um den Querschnitt der Kolbenstange verringert ist, ist die Gegenkraft auf der Kolbenstangenseite in der Beschleunigungsphase kleiner oder gleich der Beschleunigungskraft auf der Kolbenstangenseite Dadurch ist das Fluid aus dem Kolbenstangenseitigen Bereich in der Lage, gegen den Druck des Fluidreservoirs 140 zurückzufließen.
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Über die Steuerkante 124 ist demnach dem kolbenseitigen Bereich 128 des Antriebzylinders 122 ein unter hohem Druck stehendes Hydraulikfluid zuführbar, so dass der im kolbenseitigen Bereich 128 des Antriebzylinders 122 herrschende Druck P1 erhöht und eine auf den Kolben 123 und die Kolbenstange 121 wirkende Druckkraft reduziert um die niedrige Gegenkraft im stangenseitigen Bereich auf die Schlittenanordnung 110 übertragen werden kann. Auf diese Weise kann die Schlittenanordnung 110 beschleunigt werden.
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Im Weiteren entspricht die in 3 beschriebene Vorrichtung der im Zusammenhang mit 2 beschriebenen Ausführungsform.
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4 zeigt schematisch ein Signalflussdiagramm für eine weitere beispielhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung 100. Mit gleichen Referenzzeichen bezeichnen die gleichen Teile wie in 1 bis 3.
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Im Einzelnen ist bei der in 4 dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Prüfeinrichtung 100 wie in den vorhergehenden Ausführungsformen vorgesehen, dass der Antriebzylinder 122 als doppeltwirkender Zylinder ausgeführt ist, wobei ein erstes Ventil 124 vorgesehen ist, über welches der kolbenseitige Bereich 128 des Antriebzylinders 122 mit Hydraulikflüssigkeit beaufschlagbar ist. Ferner ist das zweite Ventil 125 vorgesehen, über welches der kolbenstangenseitige Bereich 129 des Antriebzylinders 122 mit Hydraulikflüssigkeit beaufschlagbar ist.
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In der in 4 schematisch dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Prüfeinrichtung 100 steht das erste Ventil 124 mit seiner nicht mit dem kolbenseitigen Bereich 128 des Antriebzylinders 122 verbundenen Seite mit einem ersten Fluidreservoir 140 in Fluidverbindung. Das erste Fluidreservoir 140 kann beispielsweise eine Kolbenspeichereinheit sein. Andererseits steht das zweite Ventil 125 mit seiner nicht mit dem kolbenstangenseitigen Bereich 129 des Antriebzylinders 122 verbundenen Seite je nach Stellsignal entweder mit einem zweiten drucklosen Fluidreservoir 141 oder einem Hochdruck-Fluidreservoir 170 in Fluidverbindung.
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Über das erste Ventil 124 ist demnach dem kolbenseitigen Bereich 128 des Antriebzylinders 122 ein unter hohem Druck stehendes Hydraulikfluid zuführbar, so dass der im kolbenseitigen Bereich 128 des Antriebzylinders 122 herrschende Druck P1 erhöht und eine auf den Kolben 123 und die Kolbenstange 121 wirkende Druckkraft zu der Schlittenanordnung 110 übertragen werden kann. Auf diese Weise kann die Schlittenanordnung 110 beschleunigt werden.
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Im Einzelnen ist die auf die Kolbenstange 121 wirkende Druckkraft bestimmt durch die Differenz zwischen dem in dem kolbenseitigen Bereich 128 des Antriebzylinders 122 herrschenden Druck P1 und dem in dem kolbenstangenseitigen Bereich 129 des Antriebzylinders 122 herrschenden Druck P2. Ferner haben die im kolbenseitigen Bereich 128 vorhandene Wirkfläche auf den Kolben 123 und die im kolbenstangenseitigen Bereich 129 vorhandene Wirkfläche auf den Kolben 123 einen Einfluss auf die auf die Kolbenstange 121 wirkende Druckkraft.
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Wie bereits angedeutet, kann über das zweite Ventil 125 Fluid, wie etwa Hydraulikfluid, aus dem kolbenstangenseitigen Bereich 129 des Antriebzylinders 122 ein- und ausströmen. Auf diese Weise können der sich in dem kolbenstangenseitigen Bereich 129 einstellende Druck P2 und die resultierende Beschleunigung maßgeblich beeinflusst werden.
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Wie in 4 dargestellt, weist die dargestellte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Prüfeinrichtung 100 ebenfalls Messaufnehmer 126, 127 auf zum Erfassen des Druckes P1 in dem kolbenseitigen Bereich 128 des Antriebzylinders 122 einerseits und zum Erfassen des Druckes P2 in dem kolbenstangenseitigen Bereich 129 des Antriebzylinders 122 andererseits.
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Ferner ist ebenfalls eine Regeleinrichtung 150 vorgesehen, welche in der in 4 dargestellten Ausführungsform über eine Signalverbindung mit einer Steuereinheit 160, wie etwa mit einem PC verbunden ist. Über die Signalverbindung wird von der Steuereinheit 160 eine vorab festlegbare und beispielsweise manuell in die Steuereinheit 160 eingebbare Sollgröße an die Regeleinrichtung 150 übertragen. Die Sollgröße kann ein vorgegebener Beschleunigungswert oder aber auch ein vorgegebenes Beschleunigungsprofil (d. h. eine vorgegebene zeitliche Entwicklung der Beschleunigung) sein.
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Die Regeleinrichtung 150 ist dazu ausgelegt, eine Regelgröße gemäß der Sollgröße nachzuregeln. Die Regelgröße ist bei der erfindungsgemäßen Prüfeinrichtung 100 die Differenz zwischen dem im kolbenseitigen Bereich 128 wirkenden Druck P1 und dem im kolbenstangenseitigen Bereich 129 wirkenden Druck P2. Über die Geometrie des Kolbens 123, der Konstruktion der Prüfeinrichtung 100 sowie der Masse der Schlittenanordnung 110 ist der Differenzdruck nach allgemeinen Gesetzen der Hydraulik und der Physik mit der Beschleunigung verknüpft. Insbesondere kann davon ausgegangen werden, dass der Differenzdruck proportional zu einer über die Beschleunigungseinheit 120 auf die Schlittenanordnung 110 übertragenen Beschleunigungskraft ist.
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Die Regeleinrichtung 150 ist ausgelegt, als Stellgröße die Durchflussmenge des zweiten Ventils 125 zu verändern und so über eine Veränderung der pro Zeiteinheit dem kolbenstangenseitigen Bereich 129 zu- oder abgeführten Fluidmenge den Druck P2 in dem kolbenstangenseitigen Bereich 129 des Antriebzylinders 122 zu beeinflussen.
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In einer nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform der Prüfvorrichtung 100 ist die Regeleinrichtung 150 dazu ausgelegt, nur den Druck P2 in dem kolbenstangenseitigen Bereich 129 des Antriebzylinders 122 von nur einem Messaufnehmer 127 zu erfassen und als Regelgröße auszuwerten.
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Das Verfahren für eine erfindungsgemäße Kraftfahrzeug-Crashsimulation weist die folgenden Schritte auf:
Die Steuereinheit 160 gibt über die Signalverbindung eine Sollgröße an die Regeleinrichtung 150 aus. Die Sollgröße entspricht einer gewünschten Beschleunigung der Schlittenanordnung 110 zu dem jeweiligen Zeitpunkt. In ihrem zeitlichen Verlauf entspricht die Sollgröße dem gewünschten Beschleunigungsprofil. Als Regelgröße liegt an der Regeleinrichtung 150 die Differenz der Signale der beiden Druck-Messaufnehmer 126 und 127 an. Über die Geometrie des Kolbens 123 und die Masse der Schlittenanordnung 110 ist die Beschleunigung der Schlittenanordnung 110 mit der Regelgröße nach allgemeinen Gesetzen der Hydraulik und der Physik verknüpft.
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Dem kolbenseitigen Bereich 128 des Antriebzylinders 122 wird pro Zeiteinheit eine konstante Menge an Hydraulikflüssigkeit zugeführt. Durch Einspeisen eines Konstantdruckes in den kolbenseitigen Bereich 128 des Antriebzylinders 122 führt zu einer konstanten Beschleunigungskraft, die auf die Schlittenanordnung 110 wirkt. Das Bilden einer dynamischen Beschleunigungskraft erfolgt durch dynamisches Verändern des Druckes in dem kolbenstangenseitigen Bereich 129 des Antriebzylinders 122.
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Im Einzelnen regelt die Regeleinrichtung 150 als Stellgröße die Durchflussmenge des zweiten Ventils 125 derart, dass die resultierende Beschleunigung der Schlittenanordnung 110 dem gewünschten Beschleunigungsprofil folgt. Die Regeleinrichtung öffnet dazu das Ventil 125 soweit, dass jeweils so viel unter Druck stehendes Fluid aus dem Hochdruck-Reservoir 170 in den kolbenstangenseitigen Bereich 129 des Antriebzylinders 122 strömt oder über das Ventil 125 in das drucklose Reservoir strömt, so dass die durch die Druckdifferenz zwischen dem kolbenseitigen Bereich 128 und dem kolbenstangenseitigen Bereich 129 auf den Kolben 123 ausgeübte Kraft über die Kraftübertragungseinrichtung 121 die gewünschte Beschleunigung der Schlittenanordnung 110 bewirkt.
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In verschiedenen Ausführungsformen der Prüfvorrichtung 100 können als Regeleinrichtung 150 zum Beispiel Proportional- (P), Proportional-Integral- (PI) oder Proportional-Integral-Differential- (PID) Regler verwendet werden.
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Die Prüfeinrichtung 100 kann weitere Bremsmittel aufweisen, um die Schlittenanordnung 110 im Anschluss an die Testphase wieder abzubremsen. Weiterhin ist es möglich, die Verbindung zwischen Schlittenanordnung 110 und Kraftübertragungseinheit 121 derart zu gestalten, dass sich die Schlittenanordnung 110 nach der Beschleunigungsphase durch den Kolben 123 von der Kraftübertragungseinheit 121 löst und unabhängig von dem Kolben 123 und der Kraftübertragungseinheit 121 mit geeigneten Bremsmitteln abgebremst wird.
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Die Erfindung ist nicht auf die unter Bezugnahme auf 1 bis 4 exemplarisch beschriebenen Ausführungsformen der Prüfeinrichtung 100 beschränkt, sondern ergibt sich aus einer Zusammenschau sämtlicher hierin beschriebener Merkmale und Vorteile.
