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Brems- und Beschleunigungsmesser Mit der fortschreitenden Entwicklung
des Kraftfahrwesens ist das dringende Bedürfnis entstanden, die Anfahrbeschleunigung
und die Bremsverzögerung der Fahrzeuge einwandfrei prüfen zu können. Die bekannten
Beschleunigungsmeßgeräte beruhen meist darauf, daß eine in einer bestimmten Richtung
frei bewegliche Masse sich unter dem Einfluß der Trägheitskraft gegenüber den übrigen
starren Teilen der Meßvorrichtung verschieben kann.
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Die Verschiebung erfolgt so lange, bis Gleichgewicht eintritt zwischen
der Trãgheitskraft, welche die Masse ablenkt, lund der Riclhtkraft (Feder- oder
Schwerkraft), welche der Ab. lenkung in steigendem Maße entgegenwirkt.
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Der von der beweglichen Masse zurückgelegte Weg dient als Maß für
die Beschleunigung. Der Nachteil dieser Geräte besteht darin, daß die frei beweglicllbe
Masse zusäminen mit der Richtkraft ein schwingungsfähiges System bildet, dessen
Eigenschwingung das Meßergebnis störend beeinflußt. Durch eine starke Dämpfung kann
wohl die Eigenschwingung unterdrückt werden, die Meßgenauigkeit wird aber dadurch
herabgesetzt.
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Es sind auch - Beschleunigungsmeßgeräte bekannt, bei denen das Erreichen
einer bestimmten Höchstbeschleunigung elektrisch angezeigt wird. Dies geschieht
dadurch, daß durch eine mechanisch9 oder elektrische Feder (Solenoid) eine bewegbar
gelagerte Masse gegen einen elektrischen Kontakt gedrückt wird, der sich erst dann
öffnet, wenn die Beschleunigungskraft ,einen derartigen Betrag erreicht hat, daß
die entgegenwiilnde Federkraft überwunden wird. Durch Anordnung zahlreicher - M-as-sen
mit gestaffelter Federkraft kann zw.ar die Beschleunigung innerhalb gewisser Stufen
bestimmt werden, aber eine stetige Messung ist mit dieser Anordnung nicht möglich.
Sie neigt auch zu Eigeuschwingungen und ist daher mehr geeignet, mechanische Erschütterungen
nach ihren Schwingungszahlen zu analysieren, als die Fahrtbeschleunigung oder Bremsverzögerung
von Kraftfahrzeugen zu bestimmen. Des weiteren sind elektrische Beschleunigungsmeßgeräte
bekannt, bei welchen zür Messung der Beschleunigungskraft als druckempfindliches
Meßorgan eine Säule aus Kohleplatten oder ähnlichem Material verwendet wird, wobei
unter dem Einfluß des auf sie lastenden Druckes die Säule ihren inneren Widerstand
ändert. Der Nachteil einer derartigen Vorrichtung ist, daß der innere Widerstand
der druckempfindlichen Kohlesäule.außer vom Druck auch von anderen Einflüssen,
wie
Feuchtigkeitsgräd der Luft, Temperatur und elektromotorischer Spannung der Stromquelle,
abhängt. Um diese Fehlerquellen zu vermeiden, muß ein solches Gerät vor jeder Verwendung
erst auf die Nullstellung ein-, justiert werden, was für die Bedienung dest Geräts
lästig ist. Wenn die-Einjustierungunsorgfältig gemacht oder unterlassen wird, ist
das Meßergebnis falsch.
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Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches Beschleunigungsgerät,
welches im Gegensatz zu der letztgenannten Vornchtung von der Temperatur, der Luftfeuchtigkeit
und der Betriebsspannung der Stromquelle in weiten Grenzen unabhängig ist. Gegenstand
der Erfindung ist ein elektromagnetisches Beschleunigungsgerät, bei dem das elektromagnetische
System nach Art eines Summers ausgebildet ist, dessen Stromverbrauch abzüglich des
Verbrauchs im Ruhezustand des Fahrzeugs ein Maß für die Beschleunigung ist. Dadurch
wird.die Anfachung freier Eigenschwingungen, die das Meßergebnis stören würden,
unterdrückt. Das Meßgerät gemäß der Erfindung zeigt die Beschleunigung stetig und
direkt an einer Skala an. Da es sich um ein elektrisches Meßverfahren handelt, ist
selbstverständlich die Möglichkeit der Fernmessung und der selbsttätigen Aufzeichnung
des zeitlichenVerlaufes der Beschleunigung (Anfahrbeschleunigung, Bremsverzögerung)
auf Koordinatenpapier gegeben. Durch Umschaltung auf verschiedene elektrische Meßbereiche
des Strommessers kann selbstverständlich die Empfindlichkeit des Beschleunigungsmeßgerätes
in einfacher Weise ;beeinflußt werden. Man erhält also sowohl bei Messung kleiner
als auch großer Beschleunigungen oder Verzögerungen nach Umschalten auf den geeigneten
Meßbereich jedesmal einen großen Skalenausschlag und eine gute Meßgenauigkeit. Dieser
Umstand ist praktisch wichtig, weil mit ein und demselben Gerät z. B. die maximale
Anfahrbeschleunigung, -die bekanntlich bei Kraftfahrzeugen in einer anderen Größenordnung
als die Geschwindigkeitsänderung während der Fahrt liegt, ebensogut wie diese gemessen
werden kann.
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Einzelmerkmale der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung der
Zeichnung.
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Abb. 1 zeigt das Prinzip des Beschleunigungsmessers (Bremsmessers).
Die um die Achse o beweglich gelagerte Masse I, auf welche die Beschleun,igungskraft
p einwirkt, dient als Anker für den Elektromagneten 2. Durch eine Feder 3 wird der
Anker I an den Unterbrecherkontakt 4 angedrückt. Der Elektromagnet 2 wird von der
Batterie 5 über den Schalter 6 und den Unterbrecherkontakt 4 gespeist. In dem elektrischen
Stromkreis liegt ein Strommesser oder ein schreibendes elektrisches Meßgerät 7,
auf dessen Skala die Beschleunigung abgelesen wird. DurchVeränderung des Nebenschlusses
8 kann das Meßgerät auf verschiedene Empfindlichkeit eingestellt werden. Parallel
zur Wicklung des Elektromagneten 2 liegt ein Kondensator 9, der die Funkenbildung
am Unterbrecherkontakt + unterdrückt. Die Wirkungsweise des Beschleunigungsmeßgerätes
ist folgende: Bei einem elektrischen Summer ist bekanntlich der vom Elektromagneten
aufgenommene Strom proportional der auf den Anker ausgeübten Kraft, welche der magnetischen
Anziehung.entgegenwirkt. Die Beziehung zwischen Strom und Kraft ist linear, solange
die magnetische Charakteristik linear ist, was bei geringer Sättigung des Magnetkerns
der Fall ist. Der Strom ist bei der Summerschaltung in gewissen Grenzen spannungsunabhän,gig,
d. h. die Stromquelle braucht keine konstante Spannung zu haben, da eine Veränderung
der Spannung auf den Mittelwert des Stromes keinen wesentlichen Einfluß hat, sondern
nur die Frequenz der Stromunterbrechungen ändert. Außer dem Drehmoment, welches
die Feder 3 auf den Anker I ausübt, wirkt ein zusätzliches Drehmoment auf den Anker
ein, welches von der Beschleunigungskraft p herrührt. Durch dieses zusätzliche Drehmoment
erhöht bzw. erniedrigt sich die Stromaufnahme des Elektromagneten. Die Stromänderung
ist also ein Maß für die Beschleunigung Die Skala des Strommessers wird in m/ss
geeicht, so daß die Beschleunigung direkt abgelesen werden kann.
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Was die Ausführung der einzelnen Bauteile betrifft, so empfiehlt
sich folgendes: Der Elek tromagnet wird am besten aus unterteiltem Eisen angefertigt.
Durch Anordnung von Kurzschluß ringen oder von Kurzschlußwin dungen mit vorgeschaltetem
veränderlichem Ohmschen Widerstand kann die Schnelligkeit der magnetischen Feldänderungen
und somit die Frequenz der Stromunterbrechungen auf ein günstiges Maß eingestellt
werden. Was den Anker betrifft, so ist die Amplitude der mechanischen Schwingungen
möglichst klein zu halten. Es soll daherlder Unterbrecherkontakt so ausgeführt werden,
daß er nur wenig durchfedern kann, was z. B. durch Auf legen der Kontaktscheibe
auf eine Gummiunterlage erzielt wird. Eine günstigeSchwingungszahl des Ankers kann
ferner durch geeignete Formgebung des Ankers hinsichtlich seines Trägheitsmomentes
oder seines Reibungswiderstandes gegenüber der ihn umgebenden Luft oder Flüssigkeit
erzielt werden.
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Der Beschleunigungsmesser zeigt den Awgenblickswert der Beschleunigung
an. Wird das Meßgerät dagegen zusätzlich gedämpft, so erhält man die mittlere Beschleunigung,
die
über eine kurze Zeitspanne integriert ist, als Meßergebnis.
Eine zusätzliche Dämpfung des Meßgerätes kann durch Unterbringung des E1ektromagneben
und Ankers in Öl erreicht werden, sofern man es nicht vorzieht, eine Dämpfung auf
elektrischem Wege herbeizuführen (W.irbelstromdämpfung des Strom messers). Alle
diese einzelnen Maßnahmen bilden nicht den Gegenstand der Erfindung.
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Zur Anfachung der mechanischen -Schwingungen des Ankers ist eine
bestimmte Stromstärke erforderlich. In der Schaltung gemäß Abb. 1 fließt also auch
ein Strom durch das elektrische Meßgerät, wenn keine Beschleunigungskraft auf den
Anker einwirkt. Es wäre nun erwünscht, diesen konstanten Strombetrag von der elektrischen
Messung auszuschließen.
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Dies geschieht erfindungsgemäß durch Anordnung eines Hilfsstromkreises,
durch welchen der Elektromagnet zur - Vorerregung einen Strom erhält, welcher nicht
durch das Meßinstrument fließt. In Abb. I ist dieser Hilfsstromicreis gestrichelt
angedeutet. Im Ellfsstromkreis liegt der Eisen-Wassers toff-Widerstand 10 oder eine
sonstige Vorrichtung zur Konstanthaltung der Stromstärke. Es wird notwendig sein,
die elektrische Zeitkonstante (T = L/R) des Hilfssitromkreises kleiner zu halten
als diejenige des Hauptstromkreises, damit die Vorerregung des Elektromagneten unabhängig
von den sonstigenBetriebsverhältnissen konstant bleibt. Die magnetische Vorerregung
erfolgt zweckmäßig über eine getrennte Hilfswicklung, welche in der Abb. I der Ubersichtlichkeit
halber nicht eingezeichnet ist.
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Bei der Schaltung gemäß Abb. 1 hat der Unterbrecherkontakt den voIlen
Betriebsstrom zu schalten. Um den Unterbrecherkontakt zu entlasten, kann die Schaltung
selbstverständlich auch so getroffen werden, daß der Unterbrecherkontakt nur den
Gitterkreis einer Elektronenröhre steuert, während der Elektromagnet - und der Strommesser
im Anodenstromkreis liegen.
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Das vorstehend beschriebene Meßgerät dient zur Ermittlung der Bremsverzögerung
oder der Anfahrbeschleunigung insbesondere von Kraftfahrzeugen. Voraussetzung für
eine einwandfreie Messung ist die horizontale Lage des Meßgerätes, weil anderenfalls
eine Komponente der Erdbeschleunigung das Meßergebnis fälscht. Das Gerät läßt sich
nun erfindungsgemäß auch als Neigungsmesser, z. B. für Flugzeuge, verwenden, wobei
- sofern keine sonstigen Beschleunigungskräfte auftreten -- der Skalenausschlag
des Meßgerätes angenähert proportional dem Sinus des Neigungswinlcels gegen die
Horizontale ist.
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Für die Verwendung als Brems- oder Beschleunigungsmesser für Fahrzeuge
ist die Bedingung der genau horizontalen Lage sehr schwer zu erfüllen. Das Instrument
kann wohl mit der Wasserwaage. vorübergehend horizontal eingestellt werden, eine
dauernde - horizntale Lage läßt sich jedoch liegen der Erschütterungen des Fahrzeuges
und der Unebenheit der Fahrbahn kaum erzielen.
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Zum Gegenstand der vorliegenden Erfindung gehört die Ausstattung
des Meßgerätes mit einem - Neigungsausgleich, wodurch das Meßgerät in bezug auf
die Drehung um eine seiner Hauptachsen unabhängig wird von der jeweiligen Lage zur
Horizontalen. Im folgenden werden zwei verschiedene Lösungswege zur Erzielung des
Neigungsausgleiches angegeben :, Der Neigungsausgleich wird erstens dadurch erzielt,
daß man die Beschleunigung auf mehrere Massen einwirken läßt, deren Bewegungsweg
in verschiedener Richtung zur Horizontalen verläuft. Abb. 2 zeigt - im Schrägriß
eine Anordnung, bei welcher erfindungsgemäß auf einer Scheibe -r 1, deren Ebene
in der Fahrtricitung liegt, die beweglich in den Gleitlagern 12 und 13 geführten
Massen 14 gleichmäßig über den Um fang verteilt sind. Die Bewegung der Massen kann
nur in radialer Richtung erfolgen. Nach innen zu wird der Bewegungsweg jeder Masse
durch einen Anschlag 1.2 begrenzt.' Die in radialer Richtung wirkendea Massenktäfte
werden durch Seidenfäden o. dgl. -über eine Umlenkung (I5), welche aus Seilrollen
oder Gelenken besteht, auf die Stelle I6 übertragen, in welcher die Fäden zusammenlaufen.
Die auf die Stelle I6. in Richtung der Symmetrieachse übertragene Kraft, welche
von den radial nach außen wirkenden Trägheitskräften und Gewichten der Massen 14
herrührt, ist ein Maß für die Größe der Fahrtbeschleunigung. Zur elektrischen Messung
dieser Kraft wird die Stelle I6 mit dem Anker eines Elektromagneten, ähnlich Abb.
I, verbunden. Es ist eventuell zweckmäßig; die Kraftübertragung -auf den Anker durch
Zwischenschalten einer oder mehrerer Federn elastisch zu gestalten.
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Der in Abb. 1 dargestellte Anker wird in Verbindung mit der Anordnung
gemäß Abb. 2 - selbst wenn sein Gewicht klein -ist - bei einer Lagenveränderung
eine fehlerhafte Anzeige geben. -Um den Einfluß der Fahrt- und .Erdbeschleunigung
auf die Ankermasse selbst zu kompensieren, wird der Anker zum Zwecke des Neigungsausgleiches
erfindungsgemäß in seinem Schwerpunkt gelagert. Die Abb. 3 zeigt im Aufriß einen
Anker I7, dessen Drehachse durch seinen Schwerpunkt rE geht. Der Anker 17 wird durch
den Elek tromagneten I9- mit Hilfe des Unterbrecherkontaktes 20 in mechanische Drehschwiffgungen
versetzt.
An der Stelle I6 wird durch das in Abb. 2 dargestellte Meßsystem die Kraftp auf
den Anker I7 übertragen.
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Die Wirkungsweise des Beschleunigungsmeßgerätes mit Neigungsausgleich
gemäß Abb. -2 und Abb. 3 ist folgende: Auf jede der einzelnen Massen 14 wirkt die
Erd- und Fahrtbeschleunigung ein. Die Kraft in der jeweiligen Bewegungsrichtung
der Massen ist gleich der entsprechenden Komponente der Resultierenden aus der Erd-und
Fahrtbeschleunigung. An der Kraftübertragung nach der Stelle können sich nur diejenigen
Massen beteiligen, deren Bewegung radial nach außen gerichtet ist, weil eine Kraftübertragung
mittels der Seiden- -fäden nur durch Zug, nicht aber durch Druck erfolgen kann.
Das Prinzip des Neigungsausgleiches besteht darin, daß das System der radial angeordneten
beweglichen Massen nach keiner bestimmten Richtung orientiert ist. Das Meßgerät
zeigt also die Fahrtçbeschleunigung richtig an, sofern nur die Fahrtrichtung mit
der Ebene der Scheibe 11 zusammenfällt. Im übrigen kann das Meßgerät um die Symmetrieachse
beliebig gedreht werden, ohne daß sich ein wesentlicher Meßfehler ergibt. Theoretisch
vollkommen wäre die Neigungsunempfindlichkeit gegenüber einer derartigen Verlagerung
nur dann, wenn unendlich viele bewegliche Massen angeordnet wären. Praktisch erreicht
man durch eine größere Anzahl von Massen (z. B. 30) eine genügende Unempfindlichkeit
des Meßgerätes gegen eine Lagenveränderung. Der bei einer Lagenveränderung auftretende
größte Fehler ist eine trigonometrische Funktion des halben Winkels, den die Radien
zweier benachbarter Massen einschließen. In der Abb. 2 sind entgegen der praktischen
Ausführung der Übersichtlichkeit halber nur wenige Massen dargestellt.
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Es ist selbstverständlich, daß die einzelnen Massen nicht unbedingt
in einer Ebene, wie in Abb.. 2, liegen müssen, es läßt sich vielmehr jede andere
sinngemäße Anordnung verwenden, bei der das Prinzip der Verwendung zahlreicher,
nach verschiedener Richtung beweglicher Massen beibehalten wird. Erwähnt sei noch,
daß man selbstverständlich an Stelle des elektromagnetischen Kraftmessers (vgl.
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Abb. 3) auch einen Kraftmesser anderen Prinzips (z. B. Federwaage)
in Verbindung mit der in Abb. 2 dargestellten Anordnung verwenden kann. Für Sonderzwecke
kann der Neigungsausgleich selbstverständlich auch so ausgeführt werden, daß die
einzelnen Massen strahlenförmig nach allen Seiten des Raumes beweglich angeordnet
werden. Das Gerät ist dann nach allen Richtungen hin iagenunempfindlich.
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Das Pririzip, riach dem'der vorstehend beschriebene Beschleunigungsmesser
mit Neigungsausgleich arbeitet, ist ziemlich umständlich. Es wird daher im folgenden
ein zweiter Lösungsweg gemäß der Erfindung zur Erzielung eines Neigungsausgleiches
angegeben, welcher wesentlich einfacher ist, da er nur eine bewegliche Masse benötigt.
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Hiernach wird der Neigungsausgleich dadurch erreicht, daß man den
Anker so lagert, daß er nach allen Seiten hin pendeln kann.
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Während beim Beschleunigungsmesser ohne Neigungsausgleich gemäß Abb.
I der Ankern sich nur um die Achse o drehen kann, also nur einen Freiheitsgrad hat,
wird der Anker zur Erzielung eines Neigungsausgleiches erfindungsgemäß - kardanisch
gelagert, so daß seine Bewegung nach zwei Freiheitsgraden erfolgen kann. Abb. 4
zeigt das Prinzip eines derartigen Beschleunigungsmeßgerätes mit Neigungsausgleich.
Der Anker 2' ist rotationssymmetrisch geformt und an der Stelle 22 durch ein Kugelgelenk
(oder kardanische Aufhängung) gelagert. Auf der Symmetrieachse ist des weiteren
der im Schnitt gezeichnete Unterbrecherkontakt 23 angeordnet, welcher ebenfalls
rotationssymmetrisch geformt ist, z. B. als Kugel, welche einen umhüllenden Zylinder
nach allen Seiten hin berühren kann.
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Auch der im Schnitt gezeichnete Elektromagnet 24 ist rotationssymmetrisch
(Topfmagnet) und trägt um den zentralen Polschenkel die Wicklung 25. Anker und Kern
des Elektromagneten sind mit einer Spitze 26 versehen, so daß bei Erregung des Elektromagneten
der Anker durch den magnetischen Kraftfluß in die zentrale Lage gezogen wird. bm
übrigen ist die elektrische Schaltung wie in Abb. 1.
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Die Wirkungsweise dieses Beschleunigungsmessers mit Neigungsausgleich
ist folgende: Das Gerät wird so aufgestellt, daß die Fahrtrichtung parallel zur
Ebene der Ankerscheibe 21 verläuft. Der Anker wird von den Beschleunigungskräften
in Richtung der Resultierenden aus Erd- und Fahrtbeschleunigung abgelenkt. Da der
Anker nach allen Richtungen beweglich gelagert ist und das ganze System rotationssymmetrisch
geformt ist, wird keine bestimmte Ablenkungsrichtung bevorzugt. Die Orientierung
der resultierenden Beschleunigungskraft gegenüber dem Anker ist also gleichgültig,
und hierauf beruht die Neigungsunempfindlichkeit des Gerätes in bezug auf eine Drehung
um die Symmetrieachse. Sobald die Ablenkung des Ankers aus seiner zentralen Lage
ein geringes Maß überschritten hat, berührt die Kontaktkugel 23 den sie umhüllenden
Kontaktzylinder, dessen Durchmesser etwas grö-Ber ist als der Durchmesser der Kugel,
und
bewirkt dadurch eine Erregung des Elektromagneten 24. Der Elektromagnet
zieht nun den Anker 21 wieder in die zentrale Lage zurück, weil der magnetische
Widerstand des Luftspaltes am geringsten ist, wenn die Spitze des Ankers dem zugespitzten
Magnetpol bei 26 genau gegenübersteht. In dieser Stellung ist aber der Kontakt 23
geöffnet, so daß sich der Elektromagnet 24 entregt und der Anker 21 unter dem Einfluß
der auf ihn wirkenden Resultierenden aus Erd- und Fahrtbeschleunigung wieder so
lange abgelenkt wird, bis sich die beiden Kontaktteile 23 berühren und das Spiel
von neuem beginnt. Der vom Elektromagneten aufgenommene Strom ist ein Maß für die
Größe der auf den Anker wirkenden resultierenden Kraft, welche sich normalerweise
aus zwei rechtwinkligen Komponenten, der Erd- und Fahrtbeschleunigung, zusammensetzt.
Da erstere bekannt ist, kann aus der Größe des elektrischen Stromes auf die Höhe
der Fahrtbeschleunigung oder Bremsverzögerung geschlossen werden. Die B¢sehleunigung
wird direkt in m/s2 auf der entsprechend geeichten Skala des Strommessers abgelesen.
Das beschriebene Beschleunigungsmeßgerät kann beliebig um seine Symmetrieachse gedreht
werden, ohne daß sich hierbei das Meßergebnis ändert. Es ist also neigungsunempfindlich.