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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Simulation der Auswirkungen eines Unfalls auf ein Versuchsobjekt durch inverse Simulation eines Unfallszenarios nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1.
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Um das Unfallverhalten von Kraftfahrzeugen und deren Teilen zu testen und wichtige Erkenntnisse darüber zu gewinnen, wie z. B. die Sicherheit von Kraftfahrzeugsitzen weiter verbessert werden kann, werden seit Langem Crash-Tests durchgeführt. Möglichst belastbare realistische Ergebnisse werden erzielt, wenn ein komplettes Kraftfahrzeug mit einem Hindernis zur Kollision gebracht wird. Derartige Versuche sind jedoch sehr teuer, da das Kraftfahrzeug bei dem Test in der Regel komplett zerstört wird oder zumindest nicht mehr für weitere realistische Tests eingesetzt werden kann. Um das Unfallverhalten von Einzelkomponenten oder Teilaufbauten zu simulieren, bedient man sich sogenannter „Simulationsschlitten“. Die verwendeten Schlitten dienen als Träger des Versuchsobjekts und werden Beschleunigungen ausgesetzt, die einem realistischen Unfallszenario entsprechen. Die Simulationsschlitten können in zwei vom Ansatz her grundverschiedene Kategorien eingeteilt werden. Zum einen existieren sogenannte „Verzögerungsschlitten“. Diese werden zunächst relativ langsam auf die Ausgangsgeschwindigkeit vor dem Unfall beschleunigt. Die Beschleunigung erfolgt deshalb relativ moderat, da der Testaufbau nicht bereits in der Beschleunigungsphase zerstört werden soll. Die eigentliche Simulation des Unfalls erfolgt durch Abbremsung des Simulationsschlittens. Hierzu kommen spezielle Bremssysteme zum Einsatz, die so ausgelegt sind, dass dem Simulationsschlitten eine realistische, beim Unfall auftretende Verzögerungsfunktion aufgeprägt werden kann.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit der zweiten Kategorie von Simulationsschlitten, den sogenannten „Beschleunigungsschlitten“. Beschleunigungsschlitten werden vor der eigentlichen Simulation nicht auf eine Ausgangsgeschwindigkeit beschleunigt, sondern befinden sich in der Regel im Stillstand. Die Simulation erfolgt durch starke Beschleunigung des Schlittens, die mittels leistungsfähiger Aktuatoren bewerkstelligt wird, beispielsweise mittels pneumatisch oder hydraulisch betriebener Stellzylinder. Der aufgeprägte Beschleunigungsverlauf entspricht dabei der negativen Beschleunigung, die das Fahrzeug beim Unfall erfährt. Der Unfall wird sozusagen invers simuliert. Die starke Beschleunigung des Schlittens führt dazu, dass sich der Simulationsschlitten nach der eigentlichen Simulation mit einer Geschwindigkeit bewegt, die nahezu der realen Ausgangsgeschwindigkeit vor dem Unfall entspricht. Um die Testergebnisse nicht zu verfälschen bzw. das Testobjekt nach der eigentlichen Simulation nicht noch zusätzlich zu deformieren, muss der Schlitten anschließend moderat abgebremst werden. Die Schlitten werden üblicherweise auf einem Schienensystem geführt, welches einen Abschnitt zum Auslauf bzw. zur Abbremsung des Schlittens aufweist. Um die Auslaufphase des Simulationsschlittens überhaupt erst zu ermöglichen, liegt der Kolben des zur Beschleunigung dienenden Zylinders meistens nur lose an dem Simulationsschlitten an und ist daher nicht mit dem Simulationsschlitten verbunden. Dies ist notwendig, da der Kolben des Beschleunigungszylinders lediglich einen begrenzten Hub hat. Der Kolben wird am Ende der Simulationsphase relativ abrupt abgebremst. Der Beschleunigungszylinder ist so ausgelegt, dass diese abrupte Abbremsung nicht zu einer Beschädigung des Zylinders oder des Kolbens führt. Wäre der Simulationsschlitten am Ende der Simulation mit dem Kolben des Beschleunigungszylinders gekoppelt, so hätte die abrupte Abbremsung von Kolben und Schlitten in der Regel eine vollständige Zerstörung des Testaufbaus zur Folge.
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Eine Vorrichtung zur inversen Unfallsimulation ist beispielsweise aus
DE 199 27 944 A1 bekannt. Bei der in dieser Druckschrift beschriebenen Vorrichtung liegt der Kolben des Beschleunigungszylinders, wie oben beschrieben, lose an dem Beschleunigungsschlitten an. Bei dieser Vorrichtung können demnach nur positive Beschleunigungen vom Kolben auf den Simulationsschlitten übertragen werden. Bei realen Unfallszenarien kommt es hingegen oft kurzzeitig zu einer Umkehr der Beschleunigungsrichtung. Ein Paradebeispiel hierfür ist beispielsweise der Seitenaufprall, bei dem die Tür eines ersten Autos von der Front eines zweiten Autos getroffen wird. Die Tür des ersten Autos wird zunächst in positiver Richtung beschleunigt. In weiterer Folge kann es dazu kommen, dass einer der Insassen von innen gegen die Tür prallt, was wiederum zu einer negativen Beschleunigung der Tür führt. Danach folgt in der Regel eine weitere positive Beschleunigung, die durch das zweite Auto verursacht wird. Derartige Beschleunigungsvorgänge lassen sich mit der aus
DE 199 27 944 A1 bekannten Vorrichtung nicht abbilden. Nach dem Stand der Technik werden derartige Simulationen zumeist auf einer sogenannten „Abschussanlage“ durchgeführt, wobei der Schlitten über eine Bremse verfügt, die gegen den zur Beschleunigung eingesetzten Antriebskolben arbeitet. Dabei wird entweder die Antriebskraft des Zylinders bei konstanter Bremskraft, oder aber die Bremskraft bei konstanter oder als Funktion des Kolbenhubs veränderlicher Antriebskraft geregelt. Derartige Vorrichtungen mit zusätzlicher Bremse sind relativ aufwändig und daher relativ teuer. Zudem wird unnötiger Verschleiß dadurch produziert, dass Antriebskolben und Bremse gegeneinander arbeiten.
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Aus
WO 2005/121742 A1 ist eine Vorrichtung zur Simulation einer Seitenkollision eines Kraftfahrzeugs bekannt. Diese Vorrichtung verfügt über zwei Schlitten, die mittels zweier unabhängig voneinander arbeitender Beschleunigungszylinder beschleunigt werden. Einer der beiden Schlitten dient als Träger eines Kraftfahrzeugsitzes mit darauf aufgesetztem Dummy, der zweite Schlitten dient als Träger einer Seitentür. Um den richtigen Abstand zwischen Sitz und Seitentür zu wahren, sind die beiden Simulationsschlitten vor der Simulation mittels einer Kopplungsvorrichtung miteinander gekoppelt. Die Kopplungsvorrichtung ist nicht dazu geeignet, eine Beschleunigungsfunktion, die dem ersten Schlitten aufgeprägt wird, auf den zweiten Schlitten zu übertragen. Die Kopplungseinrichtung ist derart ausgebildet, dass die Kopplung zwischen den beiden Schlitten automatisch gelöst wird, wenn derjenige Schlitten, der die Kraftfahrzeugtür trägt, beschleunigt wird.
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Die
DE 10 2009 021686 A1 beschäftigt sich mit der Führung einer Kamera, die zur Aufnahme des Unfallgeschehens bei Verwendung eines Verzögerungsschlittens eingesetzt wird. Die Kamera wird auf einem zusätzlichen Kameraschlitten geführt, der vor der Aufprallsimulation mit dem Simulationsschlitten gekoppelt ist. Die Kamera wird dadurch auf dieselbe Ausgangsgeschwindigkeit beschleunigt, wie der Simulationsschlitten. Um zu verhindern, dass die Kamera und der Kameraaufbau bei der Crash-Simulation zerstört werden, wird der Kameraschlitten vor dem Aufprall von dem Simulationsschlitten entkoppelt. Dadurch wird ermöglicht, dass der Kameraschlitten sanft abgebremst werden kann.
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Eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1 ist sowohl aus
DE 19511422 A1 als auch aus
DE 19541318 C2 bekannt. Beide Veröffentlichungen beschäftigen sich mit einer Simulationsvorrichtung zur inversen Unfallsimulation, bei der eine Kopplung zwischen Aktuator und Versuchskörper vorgesehen ist, um dem Versuchskörper während der Simulation sowohl positive als auch negative Beschleunigungen aufprägen zu können. Um die Kopplung nach erfolgter Simulation zu lösen und den Versuchskörper auslaufen zu lassen, kommt In beiden Fällen ein schnell ansprechender Kupplungsmechanismus zum Einsatz, der mittels einer Reglereinheit angesprochen wird.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1 anzugeben, die bei Verwendung eines Beschleunigungsschlittens die Aufprägung sowohl positiver als auch negativer Beschleunigungen erlaubt und möglichst einfach und kostengünstig ist. Die Erfindung soll ferner eine besonders zuverlässige und einfach zu realisierende positionsabhängige Entkopplung von Schlitten und Aktuator ermöglichen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1. Demnach liegt bei der Vorrichtung nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1 dann eine erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe vor, wenn die Kopplungsvorrichtung ein Eingriffselement umfasst, das mit dem Schlitten oder mit dem Aktuator verbunden ist, wobei das Eingriffselement in einer Führung geführt ist, die so ausgebildet ist, dass das Eingriffselement während der Simulation mit dem jeweils anderen Bauteil im mitnehmenden Eingriff steht, wobei der mitnehmende Eingriff aufgrund der Führung an einer vorbestimmten Löseposition des Schlittens gelöst wird. Die Kopplung zwischen Schlitten und Aktuator ermöglicht während der Simulation eine Übertragung sowohl positiver als auch negativer Beschleunigungen vom Aktuator auf den Schlitten. Die Erfindung kommt ohne ein zusätzliches und teueres Bremssystem des Schlittens aus, das bei herkömmlichen Beschleunigungsschlittenvorrichtungen nach dem Stand der Technik zur Erzeugung negativer Beschleunigungen benötigt wird. Um zu verhindern, dass das Testobjekt durch die abrupte Abbremsung des Aktuators in dessen ausgefahrener Endstellung zerstört wird, wird die Kopplung zwischen Schlitten und Aktuator erfindungsgemäß gelöst, so dass eine sanfte Abbremsung des Schlittens ermöglicht wird.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt die Entkopplung von Schlitten und Aktuator in einem Sicherheitsabstand vor der maximal möglichen Endposition des Aktuators.
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In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden durch den Aktuator während der Simulation sowohl positive als auch negative Beschleunigungen auf den Schlitten übertragen. Dadurch werden zu simulierende Unfallszenarien, bei welchen sowohl positive als auch negative Beschleunigungen auftauchen, realistisch abgebildet. Insbesondere ein Seitenaufprall wird dadurch äußerst realitätsgenau nachgebildet.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Schlitten durch die Kopplungsvorrichtung gegen den Aktuator vorgespannt. Dadurch wird sichergestellt, dass vom Aktuator negative Beschleunigungen unverfälscht auf den Schlitten übertragen werden können, und der Schlitten nicht etwa durch eine elastische Verformung der Kopplungsvorrichtung vom Aktuator abhebt, sondern stets eine zuverlässige Anlage zwischen Schlitten und Aktuator gewährleistet ist. Vorzugsweise entspricht die Vorspannkraft der maximalen negativen Beschleunigungskraft, die durch den Aktuator während der Simulation auf den Schlitten übertragen werden soll. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Vorspannkraft geringfügig größer ist als die maximale negative Beschleunigungskraft, die während der Simulation erzeugt wird. Durch Vermeidung unnötig hoher Vorspannkräfte wird der Verschleiß sowohl der Kopplungsvorrichtung als auch des Schlittens und des Aktuators möglichst gering gehalten.
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Weiter vorzugsweise ist die Kopplungsvorrichtung so ausgelegt, dass die Kopplung zwischen Schlitten und Aktuator bei Überschreiten einer festgelegten, maximal zulässigen auf den Schlitten wirkenden negativen Beschleunigungskraft automatisch gelöst wird. Dadurch wird verhindert, dass der Schlitten und insbesondere das Versuchsobjekt bzw. der Testaufbau zerstört wird, falls unvorhergesehen eine abrupte Abbremsung des Aktuators erfolgt. Die automatische Entkopplung kann vorzugsweise durch eine Sollbruchstelle der Kopplungsvorrichtung erzielt werden. Besonders bevorzugt umfasst die Kopplungsvorrichtung mindestens zwei Teile, die durch einen Bolzen zusammengehalten werden, der so ausgelegt ist, dass er bei Erreichen der maximal zulässigen negativen Beschleunigungskraft abgeschert wird. Vorzugsweise steht die Achse des Bolzens senkrecht auf die Beschleunigungsrichtung. Weiter vorzugsweise ist die Sollbruchstelle so ausgeführt, dass die Kopplung gelöst wird, wenn die maximale negative Beschleunigungskraft, die während der Simulation durch den Aktuator auf den Schlitten übertragen werden soll, um etwa 25 % überschritten wird.
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Vorteilhafterweise befindet sich am vorderen Stirnende des Aktuators eine Einstellvorrichtung, die bei angekoppeltem Schlitten eine Einstellung der Vorspannkraft erlaubt.
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In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Eingriffselement gelenkig mit dem Schlitten oder mit dem Aktuator verbunden. Weiter vorzugsweise umfasst die Kopplungsvorrichtung zumindest eine Koppelstange, die sowohl gelenkig mit dem Eingriffselement als auch gelenkig mit dem Schlitten oder mit dem Aktuator verbunden ist. Besonders bevorzugt wird zumindest eine dieser beiden gelenkigen Verbindungen mittels des bereits zuvor erwähnten Bolzens realisiert, der bei Überschreiten einer festgelegten, maximal zulässigen negativen Beschleunigungskraft abgeschert wird. Ein besonders einfacher Aufbau ergibt sich, wenn das Eingriffselement mit dem Aktuator verbunden ist. Bei dieser Ausführungsform muss das Eingriffselement lediglich über eine relativ kurze Strecke geführt werden, die im Wesentlichen dem Hub des Aktuators entspricht. Dabei bietet es sich an, das Eingriffselement mit der Stirnseite des Aktuators zu koppeln. Weiter vorzugsweise kommt als Führung des Eingriffselements eine Kulissenführung zum Einssatz. Ein besonders robuster, einfacher, zuverlässiger und verschleißarmer Aufbau der Kopplungsvorrichtung ergibt sich, wenn das Eingriffselement ein zweiachsiger Wagen ist, welcher über eine Eingriffsnase verfügt, die für den mitnehmenden Eingriff sorgt. Beide Achsen des Wagens sind dabei in der Kulissenführung geführt. Im zur Simulation nutzbaren Bereich verläuft die Kulissenführung vorzugsweise parallel zu der Bahn des Schlittens, welcher in der Regel in einem Schienensystem geführt ist. An einer vorbestimmten Löseposition weicht die Kulissenführung von der parallelen Ausrichtung zum Schienensystem des Schlittens ab, was zu einer Verkippung des Wagens an dieser vorbestimmten Löseposition führt. Die Verkippung des Wagens bewirkt ihrerseits, dass die Eingriffsnase des Wagens aus der Position des mitnehmenden Eingriffs herausgeschwenkt wird.
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In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Eingriffselement gelenkig mit dem Aktuator verbunden, wobei das Eingriffselement in der gekoppelten Position einen Vorsprung des Schlittens hintergreift und dabei den Schlitten gegen ein Stirnende des Aktuators vorspannt. Auch diese Ausführungsform trägt zu einer einfachen und zuverlässigen Ausführung der Kopplungsvorrichtung bei. Vorzugsweise beschreibt die Führung dabei an der Löseposition einen Knick, der eine Verkippung des Eingriffselements verursacht, wobei die Verkippung die Aufhebung der Vorspannung bewirkt. Dadurch kann der Verschleiß, der mitunter durch die Lösung des mitnehmenden Eingriffs erzeugt wird, minimiert werden.
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Als Aktuator kommt vorzugsweise ein Hydraulikzylinder zum Einsatz. Mit einem Hydraulikzylinder können auch sehr große Beschleunigungen äußerst exakt erzeugt werden.
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Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur inversen Simulation von Unfallszenarien,
- 2 eine perspektivische Detailansicht der Kopplungsvorrichtung der in 1 gezeigten Vorrichtung,
- 3 die erfindungsgemäße Vorrichtung aus 1 während der Simulationsphase,
- 4 die erfindungsgemäße Vorrichtung aus den 1 und 3 am Ende der Simulationsphase, und
- 5 die erfindungsgemäße Vorrichtung aus den 1, 3 und 4 nach Beendigung der Simulation und während der Auslaufphase des Simulationsschlittens.
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1 zeigt einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Simulation von Unfallszenarien. Die Vorrichtung umfasst einen Schlitten 3, der in einem Schienensystem geführt ist und durch den Kolben 4 eines hydraulischen Zylinders beschleunigt werden kann. Der Schlitten 3 dient als Träger des Versuchsaufbaus. Im dargestellten Beispiel ist auf dem Schlitten ein zu testender Kfz-Sitz 2 montiert. Der Schlitten 3 ist über eine Kopplungsvorrichtung mit dem Kolben 4 des hydraulischen Zylinders gekoppelt. Die Kopplungsvorrichtung 5 ist im Detail in 2 gezeigt. Der Schlitten ist in dieser Abbildung nicht dargestellt. Die Kopplungsvorrichtung 5 umfasst einen Wagen 10, der über zwei Koppelstangen 8.1 und 8.2 mit dem vorderen Ende des Kolbens 4 verbunden ist. Die beiden Koppelstangen sind sowohl am Wagen 10 als auch am Kolben 4 drehbar angelenkt. Zur gelenkigen Verbindung dienen die beiden Bolzen 6.1 und 6.2. Der Wagen 10 ist zweiachsig ausgeführt und umfasst die beiden Achsen 15.1 und 15.2. Beide Achsen sind zu beiden Seiten des Wagens jeweils in einer Kulissenführung 7 geführt, wovon in 2 aus Gründen der Anschaulichkeit lediglich eine dargestellt ist. Die Kulissenführung 7 ist Teil eines Führungssystems 17, welches ferner auch eine Schiene 16 zur Führung des Simulationsschlittens umfasst.
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1 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer Ausgangsstellung vor der Simulation. In dieser Abbildung ist zu erkennen, dass an der Unterseite des Simulationsschlittens ein Vorsprung 13 ausgebildet ist, der zur Kopplung des Schlittens mit dem Kolben 4 des Aktuators dient. Eine Eingriffsnase 11 des Wagens 10 hintergreift den Vorsprung 13 des Schlittens 3 und sorgt dafür, dass der Schlitten unter Vorspannung an dem Kopf einer Spannschraube 14 am Stirnende 9 des Kolbens 4 anliegt. Durch diese Vorspannung wird verhindert, dass der Simulationsschlitten 3 während der Simulation vom Stirnende 9 des Kolbens abhebt, wenn negative Beschleunigungen auf den Schlitten übertragen werden sollen. Die Vorspannung kann im eingekoppelten Zustand durch Drehen der Spannschraube 14 eingestellt werden.
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Zur Simulation wird der Simulationsschlitten 3 in aller Regel zunächst in positiver Richtung durch den Kolben 4 des Hydraulikzylinders von rechts nach links beschleunigt. Im Laufe der Simulation kann es zu einer Beschleunigungsumkehr kommen. Die Kopplungsvorrichtung 5 trägt dafür Sorge, dass der Simulationsschlitten 3 stets in Kontakt mit dem Kolben 4 bleibt, und somit sowohl positive als auch negative Beschleunigungen auf den Schlitten übertragen werden können.
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3 zeigt eine mögliche Position des Simulationsschlittens 3 während der Simulation. Es ist zu erkennen, dass die Kulissenführung 7, die der Führung des Wagens 10 dient, über einen längeren Bereich parallel zu der in 2 gezeigten Schiene 16 des Simulationsschlittens 3, und damit parallel zu dessen Bewegungsrichtung verläuft. Dadurch bleibt die Eingriffsnase 11 des Wagens 10 während der gesamten Simulation in Eingriff mit dem Vorsprung 13 des Simulationsschlittens. Der Eingriff wird jedoch gelöst, bevor der Kolben 4 maximal ausgefahren ist und in seiner Endposition durch eine nicht dargestellte Vorrichtung relativ abrupt abgebremst wird. Um die Kopplung zwischen Schlitten und Kolben zu lösen, ist die Kulissenführung 7 an der Position 12 nach unten hin abgeknickt, so dass der Wagen 10 an dieser Position gekippt wird und sich vom Simulationsschlitten 3 entfernt. Die Verkippung des Wagens 10 sorgt dafür, dass die Vorspannung aufgehoben wird, und somit der Eingriff zwischen der Eingriffsnase 11 und dem Vorsprung 3 gelöst werden kann. Diese Situation ist in 4 dargestellt. Der Schlitten 3 wird dadurch vom Kolben entkoppelt und kann auf einem nicht dargestellten Teilstück des Schienensystems auslaufen, bzw. wird auf diesem Teilstück sanft abgebremst, so dass das Versuchsobjekt nicht nach der eigentlichen Simulation zusätzlich deformiert wird. 5 zeigt den Schlitten 3 im entkoppelten Zustand.
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Um den Schlitten wieder mit dem Kolben zu koppeln, wird der Schlitten zunächst zur Anlage mit der Stirnseite 9 des Kolbens gebracht. Kolben und Schlitten werden sodann gemeinsam wieder in die Ausgangsstellung gebracht. Der Koppelvorgang erfolgt dabei automatisch an der Position 12.