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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.
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Eine derartige Prüfeinrichtung, welche im Fachbereich auch servohydraulische bzw. pneumatische 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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Die Druckschrift
US 2005/0081656 A1 betrifft eine Crashsimulator-Schlittenanordnung mit einen Mischschlitten, einem darauf angeordnetem Prüfaufbau, einem Geschwindigkeitsgenerator, einem Ventilmechanismus zur Steuerung eines hydraulischen Zylinders und einem Bremselement. Eine Steuereinrichtung liefert Steuersignale an den Geschwindigkeitsgenerator
2, den Ventilmechanismus und das Bremselement zur Steuerung des Schlittens. Die Steuerung des Ventilmechanismus kann durch aktives Feedback durch geeigneten Sensoren, wie z. B. Beschleunigungssensoren erfolgen.
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Die Druckschrift
DE 19857429 A1 betrifft eine Testvorrichtung zur Simulation von Fahrzeugcrashtests mit einer Schlittenanordnung, einer Beschleunigungseinheit, einer Bremsvorrichtung sowie Beschleunigungssensoren am Schlitten und eine Steuereinrichtung, welche die Beschleunigungseinheit mittels der von den Sensoren erhaltenen Signale steuert.
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Ähnliche Systeme sind auch aus der Druckschrift
DE 19927944 A1 und der Druckschrift
DE 20 2005 012 077 U1 bekannt, bei denen ebenfalls Beschleunigungssensoren zum Einsatz kommen.
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Aus der Druckschrift
DE 2143540 A ist die Verwendung eines Geschwindigkeitsmessers bei einer Testvorrichtung bekannt.
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Die Druckschrift
DE 10 2009 038455 A1 betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Crashsimulationseinrichtung für Fahrzeuge sowie eine entsprechende Vorrichtung. In diesem Zusammenhang wird ferner die Druckschrift
DE 10339409 B3 genannt.
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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 oder pneumatisch aus einem Zylinderrohr eines Antriebzylinders herauszufahren. Um die reale Verzögerungskurve nachfahren zu können, wird dabei versucht, die hydraulische bzw. pneumatische Beaufschlagung der Schubstange über ein Ventil zu steuern.
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Um eine reale Verzögerungskurve zu erhalten, ist es notwendig, ein sehr genaues Beschleunigungsprofil für die Beaufschlagung der Schubstange zu gewährleisten. Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, dieses Beschleunigungsprofil auf Grundlage angelegter Luft- bzw. Fluiddrücke zu berechnen. Es hat sich jedoch gezeigt, dass die dazu numerisch berechneten Druckverläufe häufig nicht zu reproduzierbaren Beschleunigungsprofilen der Schlittenanordnung führen.
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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 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 durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 und im Hinblick auf das Verfahren durch den Gegenstand des nebengeordneten Patentanspruchs 6 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Prüfeinrichtung hat den Vorteil, dass während des Versuchs permanent die Momentanbeschleunigung der Schlittenanordnung gemessen werden kann. Dementsprechend wird die Versuchs-Nachfahrgenauigkeit stark verbessert und die Anzahl der notwenigen Iterationsschritte verringert. Darüber hinaus können durch die erfindungsgemäße Prüfeinrichtung verlässliche Versuchsparameter bestimmt und gesichert werden.
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Die erfindungsgemäße Prüfeinrichtung weist ferner eine Regeleinrichtung zum Regeln des Beschleunigungswertes der Schlittenanordnung auf. Zu diesem Zweck ist die Regeleinrichtung mit dem mindestens einen Sensorelement elektrisch verbunden. Dementsprechend ist es denkbar, die von der erfindungsgemäßen Prüfeinrichtung erfasste Bewegungsmesswerte der Schlittenanordnung nicht nur zu Dokumentationszwecken zu speichern, sondern diese auch zum Regeln der Beschleunigung der Schlittenanordnung zu verwenden. Gemäß dieser Variante der erfindungsgemäßen Prüfeinheit werden die von dem mindestens einen Sensorelement kontinuierlich erfassten Bewegungsmesswerte der Schlittenanordnung an die Regeleinrichtung übertragen. Die Regeleinrichtung verwendet die eingehenden Bewegungsmesswerte als Regelgröße, um als Stellgröße die Beschleunigung der Schlittenanordnung zu regulieren.
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Es ist insbesondere vorgesehen, dass die Regeleinrichtung dazu ausgebildet ist, anhand der Bewegungsmesswerte der Schlittenanordnung die Kraft zu regeln, welche von der Beschleunigungseinheit auf die Schlitteneinheit übertragen wird. Im Einzelnen erfolgt die Regelung der Kraft dadurch, dass die Regeleinrichtung als Stellwert die Beschleunigungseinheit mit berechenbaren Drücken beaufschlagt. Mit anderen Worten, durch die Regeleinrichtung kann der Druck gesteuert werden, welcher an der Beschleunigungseinheit anliegt, um somit die Kraft, d. h. auch die Beschleunigung zu regeln, welche von der Beschleunigungseinheit auf die Schlitteneinheit übertragen wird. Selbstverständlich ist die erfindungsgemäße Prüfeinrichtung dabei nicht auf bestimmte Ausführung der Beschleunigungseinheit beschränkt. Vielmehr kann die Beschleunigungseinheit durch alle herkömmlichen Antriebsmechanismen (pneumatisch, hydraulisch, elektrisch, magnetisch usw.) eine Kraft zur Beschleunigung der Schlittenanordnung bereitstellen.
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Gemäß einer nächsten Umsetzung der erfindungsgemäßen Prüfeinrichtung ist es vorgesehen, dass die Prüfeinrichtung ferner eine Bremseinrichtung aufweist, welche mit der Regeleinrichtung verbunden und dazu ausgelegt ist, die Beschleunigung der Schlittenanordnung zu kontrollieren. Durch das Vorsehen einer Bremseinrichtung kann die Regulierbarkeit des erwünschten Beschleunigungsprofils weiter verbessert werden. Vorteilhafterweise wird dadurch die Reproduzierbarkeit der gewünschten Beschleunigungsprofile stark verbessert. Es ist darüber hinaus denkbar, dass die erwähnte Bremseinrichtung auch dazu verwendet wird, die Schlittenanordnung abzubremsen, nachdem diese das gewünschte Beschleunigungsprofil durchfahren hat. Mit anderen Worten, die Regeleinrichtung kann nicht nur dazu verwendet werden, die Beschleunigung der Schlittenanordnung durch Beeinflussung der Beschleunigungseinheit zu erhöhen, sondern auch dazu, die Beschleunigung der Schlittenanordnung bedarfsweise zu reduzieren.
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Dabei ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die Bremseinrichtung als Wirbelstrombremse ausgebildet ist. Auf diese Weise unterliegt die erfindungsgemäße Prüfeinrichtung einem besonders geringen Verschleiß, wobei gleichzeitig eine besonders schnelle und genau bestimmbare Bremsleistung erzielt wird. Selbstverständlich ist es auch denkbar, die Bremseinrichtung als jede andere elektromagnetische oder mechanische Bremse oder als Fluidbremse auszugestalten.
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Das mindestens eine Sensorelement zur kontinuierlichen Erfassung von Bewegungsmesswerten der Schlittenanordnung weist nach einer weiteren Ausführungsalternative einen Beschleunigungssensor und/oder einen Geschwindigkeitssensor und/oder einen Positionssensor auf. Dabei ist es insbesondere bevorzugt, das Sensorelement als Beschleunigungssensor auszugestalten. Beispielsweise ist es hierbei denkbar, den Beschleunigungssensor als Dehnungsmessstreifen und/oder als einen Magneten, welcher im elektrischen Feld einer Spule bewegt wird, auszubilden. Weitere Beispiele umfassen die Anwendung von Lasern, wie bei der Laser-Doppler-Technik. Handelt es sich bei dem Bewegungsmessewert um die Beschleunigung der Schlittenanordnung, so kann die Regelgröße (Bewegungsmesswert) unmittelbar mit dem Sollwert (angestrebtes Beschleunigungsprofil) verglichen werden. Handelt es sich bei dem Bewegungsmesswert andererseits um die Position bzw. die Geschwindigkeit der Schlittenanordnung, so muss diese zuvor von der Regeleinrichtung umgerechnet werden. Beispielsweise ist es in diesem Zusammenhang denkbar, dass das mindestens eine Sensorelement als Geschwindigkeitssensor ausgebildet ist und die Regeleinrichtung das erfasste Geschwindigkeitsprofil kontinuierlich in ein Beschleunigungsprofil der Schlittenanordnung konvertiert. Darüber hinaus könnte das eben erwähnte Geschwindigkeitsprofil von der Regeleinrichtung gleichzeitig dazu benutzt werden, absolute Positionsmesswerte der Schlittenanordnung in Echtzeit zu berechnen. Mit anderen Worten kann die Regeleinrichtung als virtuelles Sensorelement dienen, welches sich der tatsächlichen Messwerte des physischen Sensorelements bedient.
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Auch durch das erfindungsgemäße Verfahren lassen sich besonders gut reproduzierbare Versuchsparameter erzielen.
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Gemäß einer weiteren Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass mit Hilfe der Regeleinrichtung anhand der Bewegungsmesswerte der Schlittenanordnung eine Bremskraft gesteuert wird, welche mit Hilfe einer Bremseinrichtung auf die Schlittenanordnung übertragen wird. Somit ergibt sich eine besonders zuverlässige Steuerung des oben bereits erwähnten Beschleunigungsprofils der Schlittenanordnung, wodurch in vorteilhafter Weise sehr gut reproduzierbare Versuchsbedingungen erzeugt werden können.
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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 zeigt:
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1 ein Signalflussdiagramm für eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung.
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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. Kolbentange. 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 bzw. pneumatischen Antriebzylinder 122 mit einem Kolben 123 und zwei Steuerventilen (erstes Ventil 124, zweites Ventil 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. Dabei 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 Fluid 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. Andererseits ist die nicht mit dem kolbenstangenseitigen Bereich 129 des Antriebzylinders 122 verbundenen Seite mit dem drucklosen Fluidreservoir 141 in Fluidverbindung bringbar.
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Wie bereits angedeutet, kann über das zweite Ventil 125 Fluid 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. Insbesondere kann so viel unter Druck stehendes Fluid aus dem Hochdruck-Reservoir 170 in den kolbenstangenseitigen Bereich 129 des Antriebzylinders 122 strömen oder über das Ventil 125 in das drucklose Reservoir 141 abströmen, 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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Um das tatsächliche Beschleunigungsprofil der Schlittenanordnung jedoch aufnehmen zu können, weist die erfindungsgemäße Prüfeinrichtung mindestens ein Sensorelement 111, 112, 113 auf. Bei dem mindestens einen Sensorelement kann es sich um einen Positionssensor 113 und/oder einen Geschwindigkeitssensor 112 und/oder einen Beschleunigungssensor 111 handeln. Dementsprechend nimmt das mindestens eine Sensorelement vorzugsweise kontinuierlich Bewegungsmesswerte (Position, Geschwindigkeit oder Beschleunigung) der Schlittenanordnung 110 auf.
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Die ermittelten Bewegungsmesswerte werden gemäß der in 1 dargestellten, bevorzugten Ausführungsform direkt an eine Regeleinrichtung 150 zum Regeln der Beschleunigung der Schlittenanordnung 110 übermittelt. Dazu ist die besagte Regeleinrichtung 150 mit dem mindestens einen Sensorelement 111, 112, 113 verbunden. Die Regeleinrichtung ist ferner über eine Signalverbindung mit einer Steuereinheit 160, wie etwa mit einem PC, verbunden. Über die Signalverbindung wird von der Steuereinheit 160 eine vorab festlegbare und beispielsweise manuell in die Steuereinheit 160 eingebbare Sollgröße für die Beschleunigung der Schlittenanordnung 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 also dazu ausgelegt, eine Regelgröße gemäß der Sollgröße nachzuregeln. Die Regelgröße ist in einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Prüfeinrichtung 100 der momentane Bewegungsmesswert, welcher von mindestens einem Sensorelement 111, 112, 113 erfasst wird. Bei dem Bewegungsmesswert handelt es sich je nach Sensorelement 111, 112, 113 entweder um die Position, die Geschwindigkeit oder die Beschleunigung der Schlittenanordnung 110. Handelt es sich bei dem Bewegungsmessewert um die Beschleunigung der Schlittenanordnung, so kann diese Regelgröße unmittelbar mit dem Sollwert verglichen werden. Handelt es sich bei dem Bewegungsmesswert andererseits um die Position bzw. die Geschwindigkeit der Schlittenanordnung 110, so muss diese zuvor von der Regeleinrichtung 150 umgerechnet werden.
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Die Regeleinrichtung 150 ist ferner dazu ausgelegt, anhand der Bewegungsmesswerte der Schlittenanordnung 110 die Kraft zu Regeln, welche von der Beschleunigungseinheit 120 auf die Schlitteneinheit 110 übertragen wird. Mit anderen Worten, die Regeleinrichtung 150 generiert aus dem/den Bewegungsmesswert/en (Regelgröße) und dem Sollwert eine Stellgröße, die die Durchflussmengen der beiden Ventile 124, 125 verändert 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 beeinflusst.
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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 gezeigte Prüfeinrichtung 100 weist weiterhin eine Bremseinrichtung 114 auf, um die Schlittenanordnung 110 während und/oder im Anschluss an die Testphase wieder abzubremsen. Die Bremseinrichtung 114 ist insbesondere mit der Regeleinrichtung 150 verbunden, wodurch die Regeleinrichtung 150 als eine zweite Stellgröße ein Steuersignal für die Bremseinrichtung 114 ausgeben kann. Mit anderen Worten, die Regeleinrichtung 150 kann nicht nur dazu verwendet werden, die Beschleunigung der Schlittenanordnung 110 durch Beeinflussung der Beschleunigungseinheit 120 zu erhöhen, sondern auch dazu, die Beschleunigung der Schlittenanordnung 110 bedarfsweise zu reduzieren.
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Natürlich ist es alternativ auch 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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Bei der schematisch dargestellten Bremseinrichtung 114 kann es sich in vorteilhafter Weise um eine Wirbelstrombremse handeln. Auf diese Weise weist die erfindungsgemäße Prüfeinrichtung 100 einen besonders geringen Verschleiß auf, wobei gleichzeitig eine sehr schnelle und genau bestimmbare Bremsleistung erzielt wird. Selbstverständlich ist es auch denkbar, die Bremseinrichtung 114 als jede andere elektro-magnetische oder mechanische Bremse oder auch als Fluidbremse auszugestalten.
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Wie oben bereits angedeutet, kann es sich bei dem mindestens einen Sensorelement 111, 112, 113 um einen Positionssensor 113 und/oder einen Geschwindigkeitssensor 112 und/oder einen Beschleunigungssensor 111 handeln. Dabei ist es insbesondere bevorzugt, das mindestens eine Sensorelement als Beschleunigungssensor 113 auszugestalten. Beispielsweise ist es hierbei denkbar, den Beschleunigungssensor 113 als Dehnungsmessstreifen und/oder als einen Magneten, welcher im elektrischen Feld einer Spule bewegt wird, auszubilden. Weitere Beispiele umfassen die Anwendung der optischen Meßtechnik wie der Laser-Doppler-Technik. Selbstverständlich ist die erfindungsgemäße Prüfeinrichtung nicht auf eine bestimmte Art von Sensorelementen beschränkt, sondern kann prinzipiell jegliches Messprinzip verwenden, dass sich zur schnellen Erfassung der Bewegungsmesswerte eignet.
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Die Erfindung ist nicht auf die unter Bezugnahme auf 1 exemplarisch beschriebene Ausführungsform der Prüfeinrichtung 100 beschränkt, sondern ergibt sich aus einer Zusammenschau sämtlicher hierin beschriebener Merkmale und Vorteile.
