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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung des
statischen und/oder dynamischen Reibungskoeffizienten einer Fläche, insbesondere
einer natürlichen
oder künstlichen
Rasenfläche
gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1.
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Der
Verwendung von Kunstrasen als Ersatz für einen natürlichen Rasen wird bereits
seit mehreren Jahren große
Aufmerksamkeit geschenkt. Kunstrasen bestehen in der Regel aus Fasern
verschiedener Art aus synthetischem Material, die durch Tufting oder
dergleichen an einer Matte eines Trägermaterials befestigt sind.
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Da
heutzutage auch Anwendungen als Fußballplätze in Betracht gezogen werden,
ist die Kenntnis der Eigenschaften und des Verhaltens dieser Art von
Kunstrasen von immer größer werdender
Bedeutung. Um Kunstrasenplätze
insbesondere auch für diese
Anwendungen geeignet zu machen, müssen mehrere relevante Eigenschaften
davon weiter verbessert werden. Insbesondere sind in diesem Zusammenhang
die Griffigkeit der Sportschuhe auf solch einem Platz und die Gleiteigenschaften
in Betracht zu ziehen. Ein sicherer Kunstrasen sollte die Füße des Spielers
optimal schonen.
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Mehrere
Instrumente und Verfahren zum Messen der Gleiteigenschaften von
Kunstrasenplätzen
und somit Erreichen eines besseren Verständnisses dieser Eigenschaften
sind bereits vorgeschlagen worden. In der Praxis ist ersichtlich
geworden, dass die Ergebnisse und die Leichtigkeit der Verwendung
dieser Instrumente nicht voll zufriedenstellend ist.
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In
der US-A-4,098,111 ist eine Messvorrichtung an einem Fahrzeug befestigt.
Ein Messkörper (-rad)
ist an einem Arm angebracht, der wiederum schwenkbar mit einem Rahmen
verbunden ist, bei dem es sich um das Fahrzeug handelt. Alle Messungen
werden durch Bewegen des Fahrzeugs durchgeführt, während das Messrad auf der zu
messenden Fläche
aufliegt. Das Messrad wird durch Bewegen des Fahrzeugs gedreht,
und seiner Drehbewegung wird durch Verwendung eines Kettengetriebes
entgegengewirkt. Somit kommt es während der Messung zwischen
der Fläche
und dem Messrad zu Schlupf, und das entgegenwirkende Antriebsmoment
in der Kette wird gemessen und als Maß für den Reibungskoeffizienten
der Fläche
verwendet.
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Die
internationale Patentanmeldung Nr. WO 98135218 offenbart eine Vorrichtung
zum Messen eines Reibungskoeffizienten eines Bodens unter Verwendung
eines auf den Boden zu platzierenden Kontaktkörpers. Der Kontaktkörper ist
mit einem Roboterarm verbunden, der eine Reihe von starren Verbindungsgliedern
(Armsegmenten oder Armgliedern) umfasst, die durch Gelenkbolzen
verbunden sind. Jedes Armsegment des Roboterarms ist unter Verwendung
mehrerer Bewegungserzeugungs- und Kraftmesskomponenten bezüglich des
Bodens beweglich. Der Roboterarm weist ein komplexes Steuersystem auf,
um den Kontaktkörper
mit dem Boden in Kontakt zu halten, während die mehreren Armsegmente
des Roboterarms verschoben werden.
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In
der US-A-4,798,080 wird eine tragbare Vorrichtung zum Prüfen des
Rutschwiderstands von Flächen,
wie zum Beispiel Böden
und Badewannenflächen,
durch Anlegen einer Last an ein auf der Fläche aufliegendes Kissen aus
Reibungsmaterial in einem gewählten
Auftreffwinkel offenbart. Ein das Kissen tragendes angelenktes Gestänge ist
in einem vorbestimmten Winkel eingestellt, und die Last wird im
Wesentlichen sofort angelegt, um zu ermitteln, ob das Kissen in
dem voreingestellten Winkel rutscht. Tests können aufeinander folgend in
verschiedenen Winkeln des Gestänges
durchgeführt
werden, oder es kann ein einzelner Ja-Nein-Test bezüglich eines Bezugswinkels
durchgeführt
werden.
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In
der US-A-5,259,236 wird ein so genanntes Tribometer offenbart, das
die durch einen menschlichen Fuß oder
eine Stockspitze während
des Gehens auf eine Testfläche
ausgeübten
Kräfte
ungefähr verdoppelt.
Die durch eine Probe auf die Testfläche ausgeübte Kraft wird durch einen
mit Druckfluid versorgten fluidbetätigten Zylinder bereitgestellt.
Diese Kraft wird während
einer ausreichend kurzen Zeitspanne angelegt, um die Absorptions-
und Rakeleffekte zu vermeiden, die normalerweise beim Testen von
nassen Flächen
auftreten. Der Reibungskoeffizient für die Testfläche wird
dann durch Messen des Auftreffwinkels, in dem die Probe rutscht,
wenn sie mit der Testfläche
in Kontakt gebracht wird, bestimmt.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung
zur Messung des statischen und/oder dynamischen Reibungskoeffizienten einer
Fläche
bereitzustellen, die ein zuverlässiges Messergebnis
bereitstellt und die des Weiteren benutzerfreundlich und leicht
zu transportieren ist.
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Um
diese Aufgabe zu erfüllen
ist die erfindungsgemäße Vorrichtung
gemäß den Merkmalen von
Anspruch 1 gekennzeichnet.
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Die
Mittel zum Messen der im Stab auftretenden Kräfte können aus Dehnungsmessstreifen
bestehen.
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Auf
diese Weise wird eine relativ einfache Vorrichtung erhalten, bei
der der mit der zu messenden Fläche
in Kontakt stehende Körper
in Form eines künstlichen
Fußes
vorliegen kann, der mit verschiedenen Arten von Schuhwerk ausgestattet
werden kann, damit die Reibung dieser Schuhwerkarten mit dem betreffenden
Kunstrasen gemessen werden kann. Der Schuh liegt auf dem Kunstrasen
auf, und zwischen der Sohle des Schuhs und dem Kunstrasen tritt
infolge des Ausübens
eines Drehmoments um den Drehpunkt mit dem ersten Arm eine Reibungskraft
auf. Indem zunächst
das im betreffenden Stab bei Stillstand des Schuhs auftretende Drehmoment bezüglich der
zu messenden Fläche
gemessen wird, was mittels der Dehnungsmessstreifen erfolgt, kann der
statische Reibungskoeffizient der betreffenden Fläche daraus
berechnet werden. An einem Punkt wird das ausgeübte Drehmoment größer sein
als das Reibmoment, und der Schuh wird anfangen, sich über die
Fläche
zu bewegen, und die an diesem Punkt angelegte Kraft kann dann mittels
der Dehnungsmessstreifen berechnet werden. Auf diese Weise wird
der dynamische Reibungskoeffizient bestimmt. Es ist möglich, die
Rollreibung der betreffenden Fläche
zu messen, indem statt eines künstlichen Fußes eine
drehbare Rolle an dem Stab befestigt wird.
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Die
Mittel zum Anlegen des oben genannten Drehmoments an den oben genannten
Stab kann aus einer Stange oder Spindel bestehen, die sich zumindest
im Wesentlichen parallel zum ersten Arm erstreckt, wobei die Stange
oder Spindel einerseits mit einem Punkt am Stab und andererseits
mit dem Rahmen schwenkbar verbunden ist, und wobei des Weiteren
Mittel zum Ändern
der Länge
der Stange oder Spindel zwischen ihren beiden Drehpunkten vorgesehen
sind. Die oben genannte Stange oder Spindel kann eine hydraulische
oder pneumatische Stange oder Gewindespindel sein, die an einen
Hydraulik- oder einen Druckluftzylinder bzw. eine drehbare Mutter
angreift, der bzw. die wiederum schwenkbar mit dem Rahmen verbunden
ist.
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Auf
diese Weise bilden der erste Arm und die Spindel oder Stange zusammen
mit dem Stab, der den Schuh trägt,
welcher mit der Kunstrasenflächen in
Kontakt steht, und den Drehpunkten am Rahmen eine Parallelogrammkonstruktion,
so dass sich die Position des Schuhs bezüglich der zu messenden Kunstrasenfläche bei
Vorwärts-
und Rückwärtsbewegung
des Schuhs nicht ändert.
Somit wird ein ordnungsgemäßer und
kontinuierlicher Kontakt der Sohle des Schuhs mit der betreffenden
Fläche
gewährleistet.
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Um
eine ordnungsgemäße Messung
des Reibungskoeffizienten der Kunstrasenfläche zu gewährleisten, muss der Schuh,
das heißt
der mit dem oben genannten Stab verbundene Körper, mit einer bestimmten
Kraft gegen die Fläche
gedrückt
werden. Dazu sind Belastungsmittel vorgesehen, die gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform
der Vorrichtung gemäß der Erfindung
aus einem elektromagnetischen Stellglied bestehen können, dessen
beweglicher Anker über
eine Zugfeder mit einem Punkt an dem oben genannten ersten Arm verbunden
ist. Damit die Kraft, mit der der oben genannte Körper gegen
die Fläche
gedrückt
wird, geändert
werden kann, und des Weiteren damit jegliche Auf- und Abbewegung
des ersten Arms ausgeglichen werden kann, sind Kraftmessmittel am
ersten Arm angebracht, deren Messwert einer Steuervorrichtung zugeführt wird, mittels
derer die durch das Stellglied ausgeübte Kraft gesteuert werden
kann. Auf diese Weise kann die durch das Stellglied auf dem ersten
Arm ausgeübte Kraft
entweder auf einer konstanten Höhe
gehalten, oder unter gewissen Umständen und falls gewünscht an
geänderte
Umstände
angepasst werden.
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Bei
einer anderen vorteilhaften Ausführungsform
werden die Belastungsmittel durch einen Stab gebildet, der schwenkbar
mit dem ersten Arm verbunden ist, wobei an dem Stab Gewichte vorgesehen sein
können,
und wobei der Stab einen Teil eines viereckigen Gelenks in Form
eines Parallelogramms bildet. Bei dieser Ausführungsform kann die Kraft,
mit der der Körper
gegen die Kunstrasenfläche
gedrückt wird,
durch Ändern
der Anzahl der vorgesehenen Gewichte geändert werden. Da der Stab,
an dem die Gewichte angeordnet sind, Teil eines viereckigen Gestänges in
Form eines Parallelogramm bildet, bleibt der Schwerpunkt dieser
Gewichte zu jeder Zeit, auch während
der Auf- und Abbewegung des ersten Arms, auf der gleichen Vertikalen.
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Aus
dem Vorhergehenden geht hervor, dass die Erfindung eine einfache
und robuste Messvorrichtung zur Messung des Reibungskoeffizienten
einer Kunstrasenfläche
bereitstellt, die zuverlässige Messergebnisse
gewährleistet,
wobei die Vorrichtung des Weiteren aufgrund ihrer geringen Abmessungen
leicht zu transportieren und zu betätigen ist.
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Im
Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung,
die eine beispielhafte Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung
ausführlicher
zeigt, erläutert.
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1 ist
eine nicht maßstäbliche schematische
Schnittansicht einer Messvorrichtung zur Messung des dynamischen
und/oder statischen Reibungskoeffizienten einer Grasfläche, insbesondere einer
Kunstrasenfläche.
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2a und 2b zeigen
die Vorrichtung von 1 in einer für den Transport geeigneten
Position.
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3 ist
eine nicht maßstäbliche schematische
Querschnittsansicht einer Messvorrichtung zur Messung des dynamischen
und/oder statischen Reibungskoeffizienten einer Grasfläche, insbesondre
einer Kunstrasenfläche.
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In 1 zeigt
die Zahl 1 eine Montageplatte, die eine Seite einer Messvorrichtung
bildet. Die beiden Montageplatten 1 sind mittels einer
Achse 2 verbunden, an deren beiden Enden ein Rad 3 angebracht
ist. Ein Arm 5 ist schwenkbar um einen Punkt 4 mit
den Montageplatten 1 verbunden, wobei der Arm auf seiner
anderen Seite über
einen Drehpunkt 6 mit einem Stab 7 verbunden ist,
der an seiner unteren Seite einen Körper 8 in Form eines
künstlichen Fußes trägt. An seiner
oberen Seite ist der Stab 7 über einen Drehpunkt 9 mit
einer Spindel 10 verbunden, die in einer Mutter 11 untergebracht
ist, welche ebenfalls über
einen Drehpunkt 10 schwenkbar mit den Montageplatten 1 verbunden
ist und mittels eines Elektromotors 14 über ein Getriebe 13 gedreht
werden kann.
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Der
Arm 5 ist über
einen Drehpunkt 15 schwenkbar mit einer Stange 16 verbunden,
an der Belastungsgewichte 17 angeordnet werden können.
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An
ihrer unteren Seite ist die Stange 16 über einen Drehpunkt 18 mit
einer Stange 19 verbunden, die wiederum über einen
Drehpunkt 20 mit den Montageplatten 1 verbunden
ist. In dem durch die Montageplatten 1 definierten Raum
befindet sich des Weiteren eine Vorrichtung zum Lagern von Gewichten 21,
die nicht verwendet werden.
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Der
Betrieb der Vorrichtung ist wie folgt. Die Montageplatten 1 werden
mit ihrer Unterseite 22, die mit Einstellfüßen versehen
sein kann, auf der Fläche 23 platziert,
deren Reibungskoeffizienten gemessen werden soll. Somit werden die
Räder 3 von
der Fläche
gelöst,
und der Schuh 8 kommt mit seiner Unterseite mit der Fläche 23 in
Kontakt. Dann wird mittels eines Elektromotors 14, der
Mutter 11 und der Spindel 10 an den Drehpunkt 9 des
Stabs 7 eine Kraft angelegt.
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Infolge
dieser Kraft entsteht ein Drehmoment um den Punkt 6, das
dazu führt,
dass der Schuh 8 nach hinten gezogen wird, wobei dieser
Bewegung jedoch durch die Reibungskraft FW zwischen
der Unterseite des Schuhs 8 und der Fläche 23 entgegengewirkt
wird. Diese Kraft FW erzeugt ein Biegemoment
in dem Stab 7, das mittels des Dehnungsmessstreifens 24 gemessen
wird. Die durch den Dehnungsmessstreifen 24 gemessene Biegekraft
liefert ein Maß für die Reibungskraft
FW, aus dem sich der Reibungskoeffizient
der Fläche 23 bestimmen
lässt. Der
Schuh 8 muss natürlich
mit einer bestimmten Normalkraft gegen die Fläche 23 gedrückt werden, wobei
diese Normalkraft durch Belastung des Arms 5 mit Belastungsgewichten 17 erhalten
wird, die auf einer Stange 16 angeordnet sind, welche um
den Punkt 15 schwenkt. Um zu verhindern, dass sich der Schwerpunkt
der Gewichte 17 beim Anheben des Arms 5 bezüglich des
Arms 5 verschiebt, ist der Arm 16 über einen
Drehpunkt 18 und eine Stange 19 mit dem Drehpunkt 20 verbunden,
so dass ein Parallelogramm erhalten wird, und wenn sich der Arm 5 nach oben
bewegt, bewegt sich das Gewicht 17 derart, dass der Schwerpunkt
dieser Gewichte auf der gleichen vertikalen Linie verbleibt. Auf
diese Weise wird eine Messvorrichtung erhalten, mittels derer die
Reibung von Kunstrasenflächen
sehr genau gemessen werden kann.
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Zur
Messung des statischen Reibungskoeffizienten, wobei der Schuh deshalb
stationär
ist, wird der Elektromotor 14 so gesteuert, dass die Kraft
an den Drehpunkt 9 im Laufe der Zeit, während der die durch die Dehnungsmessstreifen 24 gemessenen Werte
aufgezeichnet werden, zunimmt. Die Kraft nimmt so lange zu, bis
eine Bewegung um ca. 5–10 Grad
um den Drehpunkt 6 durchgeführt worden ist. Um den dynamischen
Reibungskoeffizienten zu messen, wird der Elektromotor 14 so
gesteuert, dass der Drehpunkt 9 eine vorbestimmte Bewegung
mit einer konstanten Geschwindigkeit durchführt, wodurch der durch die
Dehnungsmessstreifen 24 gemessene Wert aufgezeichnet wird.
Dadurch bewegt sich der Punkt 9 entlang einer Strecke,
die einer Winkelverformung des Stabs 7 von 0°–45° entspricht,
so dass die Reibung mit jeder dieser geneigten Positionen gemessen
wird. Die Messung wird angehalten, wenn ein Winkel von 45° erreicht
ist.
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Der
den Schuh 8 tragende Stab 7 ist so in der Vorrichtung
angebracht, dass ihre Position geändert werden kann, so dass
auch die Reibung, die auftritt, wenn ein Schuh mit seiner Spitze
nach hinten weist, und auch in geneigten Positionen des Schuhs 8,
gemessen werden kann. Die Vorrichtung ist sehr fest und stabil auf
der Fläche 23 angeordnet
und liegt auf einer Seite der Montageplatten 1 auf. Zur
Belastung des Arms 5 derzeit nicht verwendete Gewichte
können
vorübergehend
in der Vorrichtung 21 gelagert werden. Des Weiteren umfasst
die Vorrichtung einen Griff 25, der in 1 in
Ruhestellung angeordnet ist und der in den 2a und 2b in
eine aktive Stellung bewegt worden ist, in der dieser Griff ergriffen werden
kann, um die Vorrichtung zu kippen, so dass sie auf den Rädern 3 aufliegt
und leicht über
das Gelände
bewegt werden kann. Wie des Weiteren in den 2a und 2b gezeigt,
ist das Ganze in der Transportstellung so getrennt, dass die Außenmaße minimal
sind, so dass die Vorrichtung leicht zu transportieren ist. Die
Gewichte 17 sind in dieser Stellung alle in der Vorrichtung 21 gelagert,
und die Spindel 10 ist von dem Stab 7 getrennt,
so dass das Ganze nach unten geklappt werden kann, wodurch das Außenmaß sehr klein
ist.
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3 zeigt
schematisch die Vorrichtung von 1 mit dem
Unterschied, dass die Mittel zur Belastung des Arms 5 nun
in Form eines elektromagnetischen Stellglieds 30 vorliegen,
dessen Anker 31 über eine
Zugfeder 32 mit dem Arm 5 verbunden ist. Das Stellglied 30 selbst
ist über
einen Drehpunkt 33 mit den Montageplatten 1 verbunden.
Die durch das Stellglied 30 an den Arm angelegte Kraft
kann mittels eines Dehnungsmessstreifens 35 gemessen werden, dessen
Daten einer (nicht gezeigten) Steuervorrichtung zugeführt werden
können,
so dass die an den Arm 5 angelegte Belastung mittels dieser
Steuervorrichtung geändert
werden kann. Dadurch kann die Belastung am Arm 5 selbst
dann konstant gehalten werden, wenn der Arm 5 nach oben
bewegt wird.
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Wie
aus dem Vorhergehenden hervorgeht, kann der künstliche Fuß 8 durch eine drehbare
Rolle ersetzt werden, um die Rollreibung der Fläche 23 zu bestimmen,
wobei die im Stab 7 auftretenden Kräfte durch die Dehnungsmessstreifen 24 auf
gleiche Weise wie oben gemessen werden können.