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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Simulation von Unfallszenarien nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1. Derartige Vorrichtungen dienen insbesondere zur Simulation der Auswirkungen eines Unfalls auf ein Versuchsobjekt und werden auch als Crash-Test-Schlittenvorrichtungen bezeichnet. Die Vorrichtung umfasst einen Schlitten, der in Längsrichtung beschleunigt werden kann. Der Schlitten umfasst ein Unterteil und ein an dem Unterteil gelagertes Oberteil, das als Träger des Versuchsobjektes dient. Zwischen Unterteil und Oberteil sind Aktuatoren vorgesehen, mittels deren Nick- und Gierbewegungen des Oberteils erzeugt werden können.
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Um das Crash-Verhalten von Fahrzeugen zu testen und die Auswirkungen des Aufpralls auf bestimmte Bauteile des Fahrzeugs zu untersuchen, werden seit jeher Crash-Tests mit vollständigen Fahrzeugen durchgeführt. Die Fahrzeuge werden dazu beschleunigt und mit feststehenden Hindernissen zur Kollision gebracht. Dabei kommt es in der Regel zur vollständigen Zerstörung des Fahrzeugs. Crashtest-Versuche mit kompletten Fahrzeugen sind naturgemäß sehr teuer. Aus diesem Grund werden bereits seit Längerem sogenannte Crash-Schlitten eingesetzt. Es wird unterschieden zwischen Beschleunigungsschlitten und Verzögerungsschlitten. Verzögerungsschlitten werden mit einer geeigneten Beschleunigungsvorrichtung vorsichtig auf eine bestimmte Geschwindigkeit beschleunigt und anschließend zur Simulation des Aufpralls von einer Verzögerungseinheit relativ abrupt abgebremst. Mit einem sogenannten Beschleunigungsschlitten wird der Aufprall hingegen invers simuliert. Der Schlitten steht zunächst still und wird von einer sehr leistungsstarken Beschleunigungseinheit rückwärts beschleunigt. In beiden Fällen sind auf dem Schlitten die zu untersuchenden Fahrzeugaufbauten installiert.
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Einfache Crash-Schlitten-Vorrichtungen können nur Beschleunigungen abbilden, die in axialer Richtung wirken. Bei den meisten Unfällen kommt es allerdings zu einem komplexen Beschleunigungsverhalten. Das Fahrzeug erfährt nicht nur starke negative Beschleunigungen in Längsrichtung. Je nachdem, wie das Fahrzeug mit dem Hindernis kollidiert, kommt es auch zu Nick-, Gier- und Rollbewegungen.
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Eine Crash-Schlitten-Vorrichtung, mit der sowohl Nick- als auch Gierbewegungen simuliert werden können, ist beispielsweise auf
DE 10 2007 056 572 A1 bekannt. Der Crash-Schlitten dieser Vorrichtung besteht aus einem Unterteil und einem Oberteil, das als Träger der zu untersuchenden Komponenten dient. Das Oberteil liegt am vorderen und hinteren Ende des Schlittens jeweils auf einer Quertraverse auf. Die beiden Quertraversen können mittels Aktuatoren unabhängig voneinander in der Höhe verstellt, so dass dem Oberteil des Schlittens eine Nickbewegung aufgeprägt werden kann. Zwischen dem Oberteil des Schlittens und den beiden Quertraversen besteht eine Gleitlagerung. Das Oberteil kann deshalb in Querrichtung auf den Quertraversen bewegt werden. Hierzu sind sowohl am vorderen Ende als auch am hinteren Ende des Schlittens entsprechende Aktuatoren vorgesehen. Vorderes Ende und Heck des Oberteils können somit unabhängig voneinander in Querrichtung bewegt werden. Dadurch lässt sich eine Gierbewegung um die Hochachse des Schlittens erzeugen. Eine Rollbewegung kann hingegen nicht simuliert werden. Zudem haben Versuche gezeigt, dass die in
DE 10 2007 056 572 A1 gezeigte Vorrichtung nicht für schwere Versuchsobjekte, bzw. für große Aufpralllasten geeignet ist.
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Aus
DE 10 2007 042 775 A1 ist ebenfalls ein zweiteiliger Crash-Schlitten bekannt. Die obere Plattform des Schlittens ist so eingerichtet, dass sie gegenüber dem Unterteil eine Nickbewegung ausführen kann. Hierzu sind zwei Aktuatoren vorgesehen, mittels deren vorderes Ende und hinteres Ende der oberen Plattform unabhängig voneinander in der Höhe verstellt werden können. Die Vorrichtung ist nicht dazu geeignet, ein Gieren oder Rollen der oberen Plattform zu simulieren. Eine ähnliche Vorrichtung ist aus
DE 10 2005 010 189 B3 bekannt.
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Auch die Crash-Schlitten-Vorrichtungen aus
DE 19857429 A1 und
DE 10118682 B4 erlauben eine Nickbewegung des Schlittens. In beiden Fällen sind die Aktuatoren zur Höhenverstellung des vorderen und hinteren Endes des Crash-Schlittens entweder teilweise oder vollständig in das Fundament integriert und daher nicht zwischen dem Oberteil und dem Unterteil des Schlittens angeordnet. Auch hier ist keine Simulation von Gier- bzw. Rollbewegungen möglich.
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Die
DE 19805512 B4 offenbart einen zweiteiligen Beschleunigungsschlitten, der über eine Kippmechanik in Form einer passiven Hydraulikeinheit verfügt. Die Hydraulikeinheit lässt eine Nickbewegung des oberen Schlittenteils zu, wobei die bei der Nickbewegung auftretenden Kräfte teilweise absorbiert werden. Es ist beschrieben, dass der Nickbewegung beispielsweise eine Drehbewegung des Versuchsaufbaus um die Hochachse des Schlittens überlagert werden kann. Eine entsprechende Vorrichtung, die zur Simulation von Nick- und Gierbewegungen ausgelegt ist, wird allerdings nicht gezeigt.
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Die
EP 2098850 A2 offenbart einen Schlitten zur Durchführung von Crash-Tests mit einem Dummy. Der Dummy wird auf einer Plattform befestigt, die gegenüber dem eigentlichen Schlitten eine Sekundärbewegung ausführen kann, die der Aufprallverzögerung überlagert wird. Zur Erzeugung der Sekundärbewegung ist eine Aktuatoreinheit zwischen der Dummy-Pattform und dem Schlitten vorgesehen. Der in
EP 2098850 A2 gezeigte Schlitten eignet sich allerdings nicht für schwere Versuchsobjekte bzw. große Aufpralllasten.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, mit welcher der simulierten Aufprallverzögerung sowohl Nick- als auch Gier- und Rollbewegungen überlagert werden können. Die Vorrichtung soll darüber hinaus einfach aufgebaut, robust und zuverlässig sein. Auch soll sich die Vorrichtung für schwere Testobjekte eignen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1. Demnach liegt bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art eine erfindungsgemäße Lösung vor, wenn das Oberteil des Schlittens an einem aufprallseitigen vorderen Ende des Schlittens gegen das Unterteil mittels einer beidseitig drehbar angelenkten Koppelstange abgestützt ist, wobei zumindest fünf Aktuatoren zwischen Unterteil und Oberteil vorgesehen sind, und wobei das Oberteil über die Aktuatoren und die Koppelstange derart am Unterteil gelagert ist, dass mittels der Aktuatoren zusätzlich eine Rollbewegung des Oberteils erzeugt werden kann.
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Die Erfindung bietet den Vorteil, dass sämtliche bei einem realen Unfall auftretenden Beschleunigungen simuliert werden können. Dabei stellt die erfindungsgemäße Lösung sicher, dass sich die Crash-Schlitten-Vorrichtung auch für schwere Versuchsobjekte eignet. Durch die Koppelstange zwischen Oberteil und Unterteil werden die extrem hohen Kräfte aufgenommen, die beim Aufprall in Längsrichtung des Schlittens hervorgerufen werden. Die Koppelstange ist daher so ausgerichtet, dass sie in der Ausgangsstellung des Schlittens im Wesentlichen parallel zur Längsachse des Schlittens oder zumindest parallel zur mittleren Längsebene des Schlittens verläuft. Vorzugsweise ist die Koppelstange mittig angeordnet und verläuft daher in der mittleren Längsebene des Schlittens. Die beim Aufprall in Längsrichtung des Schlittens erzeugten Kräfte müssen somit nicht durch die Aktuatoren aufgenommen werden. Dies gewährleistet zum einen, dass die Aktuatoren nicht in ihrer Funktionalität beeinträchtigt werden, und zum anderen relativ leicht und platzsparend ausgelegt werden können. Die Erfindung stellt somit eine kompakte und zugleich robuste und zuverlässige Crash-Schlitten-Vorrichtung bereit. Die leichte und kompakte Bauweise des Schlittens führt wiederum zu einer Erhöhung der Nutzlast. Mit einem leichten Crash-Schlitten können relativ schwere Versuchsobjekte getestet werden.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind sowohl die Koppelstange als auch die Aktuatoren am Unterteil und am Oberteil jeweils über ein Lager mit zumindest zwei Rotationsfreiheitsgraden angelenkt. Vorzugsweise weisen die Lager drei Rotationsfreiheitsgrade auf. Dadurch wird sichergestellt, dass das Oberteil des Schlittens gegenüber dem Unterteil in jeder erdenklichen Richtung verdreht, bzw. verkippt werden kann. Sofern Lager mit drei Rotationsfreiheitsgraden verwendet werden, kann auf aufwendige und teure Gleitführungen verzichtet werden. Weiter bevorzugt werden die Lager als Kugelgelenke ausgeführt. Falls Lager mit lediglich zwei Rotationsfreiheitsgraden verwenden werden, können alternativ auch Aktuatoren zum Einsatz kommen, die selbst einen Rotationsfreiheitsgrad aufweisen. Beispielsweise können hydraulische Aktuatoren verwenden werden, deren Kolben derart im Zylinder gelagert ist, dass der Kolben um seine eigene Achse gedreht werden kann.
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In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind am vorderen Ende des Schlittens zwei Aktuatoren, und am gegenüberliegenden hinteren Ende des Schlittens drei Aktuatoren zwischen dem Unterteil und dem Oberteil des Schlittens angeordnet. Bei dieser Ausführungsform sind somit lediglich fünf Aktuatoren erforderlich, um der Verzögerung in Längsrichtung des Schlittens sämtliche erdenklichen Drehbewegungen in Form von Nick-, Gier- oder Rollbewegungen zu überlagern. Der Aufbau des Schlittens ist bei dieser Ausführungsform zudem sehr einfach und ermöglicht eine einfache Steuerung der Aktuatoren.
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Bei dieser Ausführungsform ist es weiterhin von Vorteil, wenn die beiden Aktuatoren am vorderen Ende des Schlittens in jeder Stellung stets einen Winkel zueinander einschließen. Vorzugsweise schließen die beiden Aktuatoren einen stumpfen Winkel ein. Weiter vorzugsweise sind die beiden vorderen Aktuatoren an den beiden Längsseiten des Schlittenunterteils drehbar angelenkt und laufen schräg nach oben aufeinander zu, so dass sich die beiden oberen Anlenkpunkte am Oberteil in einem gemeinsamen Punkt, bzw. in einem gemeinsamen Angriffsbereich treffen. Vorzugsweise ist in diesem gemeinsamen Angriffsbereich auch die Koppelstange am Oberteil angelenkt. Bei dieser Ausführungsform ergeben sich eine besonders vorteilhafte Krafteinleitung am vorderen Ende des Schlittens sowie eine besonders einfache Steuerung der beiden vorderen Aktuatoren.
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Bei der Ausführungsform mit zwei Aktuatoren am vorderen Ende des Schlittens und drei Aktuatoren am hinteren Ende ist es weiter von Vorteil, wenn zwei der drei Aktuatoren am hinteren Ende an den beiden gegenüberliegenden Längsseiten des Schlittens angeordnet und in einer Ausgangsstellung im Wesentlichen vertikal ausgerichtet sind, wobei der Dritte dieser drei Aktuatoren am Unterteil an einer der beiden Längsseiten des Schlittens, und am Oberteil an der gegenüberliegenden Längsseite des Schlittens angelenkt ist. Auch hierdurch ergeben sich ein besonders leichter Aufbau des Schlittens und eine besonders leichte Ansteuerung der Aktuatoren.
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In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Aktuatoren als Hydraulikzylinder ausgeführt. Dadurch wird eine präzise und schnelle Bewegung des Oberteils erreicht. Zudem können mit Hydraulikzylindern sehr große Kräfte erzeugt und dadurch sehr schwere Testobjekte getestet werden. Das Hydrauliksystem zur Versorgung der Hydraulikzylinder ist an Bord des Schlittens untergebracht und verfügt über einen Druckspeicher, der nach jedem Versuch erneut aufgeladen wird.
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In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung ist der Schlitten als Verzögerungsschlitten ausgeführt. Grundsätzlich eignet sich die Erfindung auch bei Beschleunigungsschlitten, die den Aufprall invers simulieren. Die Ausführungsform mit Verzögerungsschlitten erlaubt es jedoch, im Verzögerungsverfahren besonders große Versuchsobjekte zu testen.
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Die Erfindung stellt ferner einen Schlitten für eine Vorrichtung zur Simulation von Unfallszenarien bereit.
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Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1: den Schlitten einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in Schrägansicht,
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2: den Schlitten aus 1 in einer Seitenansicht,
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3: den Schlitten aus den 1 und 2 in einer Draufsicht,
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4: den Schlitten aus den 1–3 in einer Vorderansicht,
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5: eine Seitenansicht des Schlittens aus den 1–4 mit verschwenktem Oberteil,
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6: eine Draufsicht auf den Schlitten aus 5, und
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7: eine Vorderansicht des Schlittens aus den 5 und 6.
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Für die folgenden Ausführungen gilt, dass gleiche Teile durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet werden. Sofern in einer Zeichnung Bezugszeichen enthalten sind, die in der zugehörigen Figurenbeschreibung keine Erwähnung finden, so wird auf vorangehende oder folgende Figurenbeschreibungen Bezug genommen.
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1 zeigt den Crash-Schlitten 2 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 in Schrägansicht. Der Schlitten verfügt über Räder 15 und kann mittels einer nicht gezeigten Beschleunigungsvorrichtung im Schienensystem 14 auf eine bestimmte Ausgangsgeschwindigkeit gebracht werden. Die Vorrichtung verfügt ferner über eine ebenfalls nicht dargestellte Bremseinrichtung, die den Schlitten gemäß einer realen Unfall-Zeit-Verzögerungsfunktion abbremst. Hierzu existieren mehrere am Markt verfügbare Bremssysteme. Im vorliegenden Fall verfügt die Vorrichtung über eine sogenannte Hydrobremse. Dazu ist am vorderen Ende 8 des Schlittens 2 ein sogenannter Bremskeil 16 angebracht, der zur Simulation des Aufpralls am Ende der Schienenstrecke 14 in den Walzenspalt zweier gegeneinander gedrückten Bremswalzen eintritt. Um vorgegebene Verzögerungsfunktionen abbilden zu können, ist die Kraft, mit der die beiden Bremswalzen gegeneinander gedrückt werden, regelbar.
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Der Crash-Schlitten 2 ist zweiteilig aufgebaut und verfügt daher über ein Unterteil 3 und ein Oberteil 4. Am Unterteil 3 sind die Räder 15 des Schlittens angebracht. Auch der Bremskeil 16 ist starr mit dem Unterteil 3 des Schlittens verbunden. Das Oberteil 4 dient als Plattform für den Versuchsaufbau. Dies bedeutet, die zu testenden Versuchsobjekte sind auf dem Oberteil 4 des Schlittens montiert. Das Oberteil 4 ist beweglich gegenüber dem Unterteil 3 gelagert. Die bewegliche Lagerung besteht ausschließlich über die Koppelstange 10 am vorderen Ende 8 des Schlittens, und über die fünf Aktuatoren 5.1, 5.2, 6.1, 6.2 und 7. Die Koppelstange 10 dient im Wesentlichen der axialen Abstützung des Oberteils 4 an einem starren Abstützelement des Unterteils 3 am vorderen Ende 8 des Schlittens. Die Koppelstange 10 ist sowohl am Unterteil 3 als auch am Oberteil 4 über ein Kugelgelenk 18 bzw. 19 drehbar gelagert. Das Lager 18 auf Seiten des Unterteils befindet sich hinter dem Bremskeil 16. An dieser Stelle sei angemerkt, dass sämtliche Abbildungen schematischer Natur sind. Das Lager 18 kann im Gegensatz zu Abbildung auf einem extra dafür vorgesehenen Abstützbügel angeordnet sein. Die Seitenansicht in 2, die Draufsicht in 3 und die Vorderansicht in 4 zeigen, dass die Koppelstange 10 in der Ausgangsstellung in der Mittellängsebene des Schlittens liegt. Sie verläuft in dieser Ausgangsstellung nicht ganz parallel zu der in 2 gezeigten Längsachse 11 des Schlittens. Das Lager 19, über welches die Koppelstange mit dem Oberteil 4 des Schlittens verbunden ist, ist ebenso wie das Lager 18 als Kugelgelenk ausgeführt. Die Lagerung der Koppelstange erlaubt somit sowohl Nickbewegungen des Oberteils um die in 3 gezeigte Querachse 12, als auch Gierbewegungen um die in 2 gezeigte Hochachse 13, und Rollbewegungen um die ebenfalls in 2 gezeigte Längsachse 11. Es wird angemerkt, dass es sich bei den Achsen 11, 12 und 13 nicht um starre, sondern um gedachte Achsen handelt, die je nach Stellung des Oberteils 4 mit dem Oberteil mitwandern. Die beiden Lager 18 und 19 können auch als Drehgelenke mit lediglich zwei Rotationsfreiheitsgraden ausgeführt sein. In diesem Fall muss die Koppelstange 10 allerdings derart ausgeführt werden, dass das hintere Ende der Koppelstange gegenüber dem vorderen Ende verdreht werden kann. Dies lässt sich beispielsweise mit einer zweiteiligen Koppelstange realisieren, deren vorderer Teil mit dem hinteren Teil über ein herkömmliches Wälzlager verbunden ist.
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Die Verstellung des Oberteils 4 um Längsachse 11, Querachse 12 und Hochachse 13 erfolgt mittels der fünf Aktuatoren 5.1, 5.2, 6.1, 6.2 und 7. Alle Aktuatoren sind jeweils über ein Kugelgelenk 17 sowohl mit dem Unterteil 3 als auch mit dem Oberteil 4 des Schlittens verbunden. Bei den Aktuatoren handelt es sich um Hydraulikzylinder, die über ein nicht dargestelltes Hydrauliksystem angesteuert werden, welches an Bord des Schlittens mitgeführt wird. Das Hydrauliksystem verfügt über einen Druckspeicher, der vor jedem Versuch neu aufgeladen werden muss. Die beiden Hydraulikzylinder 5.1 und 5.2 am vorderen Ende 8 des Schlittens sind im Wesentlichen an den beiden gegenüberliegenden Längsseiten des Unterteils 3 gelagert und laufen schräg aufeinander zu. Die Längsachsen dieser beiden Aktuatoren schließen dabei einen stumpfen Winkel ein. Beide Aktuatoren sind am Oberteil 4 im selben Bereich gelagert, wie die Koppelstange 10. Das Lager 19 der Koppelstange 10 sowie die beiden oberen Lager der Aktuatoren 5.1 und 5.2 liegen somit eng beieinander.
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Zwei weitere Aktuatoren 6.1 und 6.2 befinden sich am hinteren Ende 9 des Schlittens in den beiden gegenüberliegenden hinteren Ecken. Ein fünfter Aktuator 7 ist ebenfalls am hinteren Ende 9 des Schlittens angeordnet und verläuft quer zur Längsachse 11 vom Unterteil 3 des Schlittens schräg nach oben zum Oberteil 4. Das untere Lager des fünften Aktuators 7 befindet sich auf der linken Längsseite des Schlittens, das obere Lager auf der rechten Längsseite.
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Das hintere Ende des Oberteils 4 kann mittels des Aktuators 7 in Querrichtung bewegt werden. Für eine Bewegung des vorderen Endes des Oberteils in Querrichtung zeichnen die beiden vorderen Aktuatoren 5.1 und 5.2 verantwortlich. Wird beispielsweise der Zylinder des rechten Aktuators 5.2 eingefahren, und der Zylinder des linken Aktuators 5.1 gleichzeitig ausgefahren, so bewegt sich das vordere Ende des Oberteils in Querrichtung nach rechts. Mittels der beiden vorderen Aktuatoren 5.1 und 5.2 kann das vordere Ende des Oberteils auch in der Höhe verstellt werden. Die Höhenverstellung des hinteren Endes erfolgt mittels der beiden hinteren Aktuatoren 6.1 und 6.2. Obgleich alle Aktuatoren zusammenwirken, wird eine Nickbewegung des Oberteils folglich maßgeblich durch Verstellung der Aktuatoren 5.1, 5.2, 6.1 und 6.2 erzeugt. Bei einer Gierbewegung kommt es hauptsächlich auf eine Verstellung der Aktuatoren 5.1, 5.2 und 7 an. Eine Rollbewegung schließlich erfolgt durch gegenläufige Betätigung der Aktuatoren 6.1 und 6.2.
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Die 5–7 zeigen den Schlitten 2 zum Ende einer Aufprallsimulation. Das Oberteil 4 des Schlittens ist aus der in den 1–4 gezeigten Ausgangsstellung ausgelenkt. Während der Simulation wurde dem Oberteil 4 eine kombinierte Nick-, Gier- und Rollbewegung aufgeprägt. Die kombinierte Verkippung wurde dabei der axialen Verzögerungsfunktion überlagert.
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Es wird angemerkt, dass zur Lagerung der Aktuatoren 5.1, 5.2, 6.1, 6.2 und 7 auch Drehlager mit jeweils lediglich zwei Rotationsfreiheitsgraden zum Einsatz kommen können, falls die Aktuatoren selbst eine Verdrehung erlauben. Bei Hydraulikzylindern kann beispielsweise der Kolben gegenüber den Zylindern drehbar gelagert sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007056572 A1 [0004, 0004]
- DE 102007042775 A1 [0005]
- DE 102005010189 B3 [0005]
- DE 19857429 A1 [0006]
- DE 10118682 B4 [0006]
- DE 19805512 B4 [0007]
- EP 2098850 A2 [0008, 0008]
