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Die Erfindung betrifft eine Versuchsanlage, umfassende eine Tragkonstruktion zur Unterstützung eines Straßendeckenabschnitts und ein Gestell zum Positionieren eines Versuchsrads auf der Oberfläche des Straßendeckenabschnitts, sodass während des Betriebs der Anlage das Versuchsrad mit einer Lauffläche eine kreisförmige Bahn über die Oberfläche der Straßendecke beschreibt.
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Eine derartige Versuchsanlage ist beispielsweise aus der amerikanischen Patentveröffentlichung
US 4 938 055 bekannt. Dabei fährt das Messrad auf einem ringförmigen Straßendeckenabschnitt, um Abnutzung eines Straßendeckentyps infolge des Straßenverkehrs zu simulieren. Die Verformung des ringförmigen Straßendeckenabschnitts kann durch Inspektion festgestellt werden, nachdem der Straßendeckenabschnitt eine Zeit lang durch das Versuchsrad belastet wurde.
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Um eine solide Untersuchung der Wechselwirkung zwischen Straßendeckenoberfläche und Reifen von Fahrzeugen, die auf der Oberfläche fahren, zu ermöglichen, entsteht das Bedürfnis, eine Versuchsanlage bereitzustellen, bei der auf systematische Weise Messungen verfügbar werden.
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Die Erfindung bezweckt eine verbesserte Versuchsanlage der oben genannten Art. Insbesondere bezweckt die Erfindung, eine Versuchsanlage wie oben beschrieben zu erhalten, wobei unter Beibehaltung des Basisprinzips der Konstruktion auf systematische Weise Messungen generiert werden können. Dafür ist das Gestell zum Positionieren des Versuchsrads außerdem mit einem Sensor zum Messen einer durch die Straßendeckenoberfläche auf das Versuchsrad ausgeübten Kraft ausgestattet.
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Durch das Ausstatten des Gestells mit einem Sensor zum Messen der Kraft, welche die Straßendeckenoberfläche auf das Versuchsrad ausübt, ist es möglich, auf systematische Weise Messdaten zu erhalten, um die Wechselwirkung zwischen dem Versuchsrad und der Straßendeckenoberfläche zu analysieren. Außerdem können die Messungen gleichzeitig mit dem Belasten der Straßendeckenoberfläche generiert werden. So kann ein Versuch der Straßendeckenoberfläche simultan kombiniert werden mit der Untersuchung an physischen Änderungen, die während des Versuchs am Versuchsrad auftreten. Unerwünschte Unterbrechungen während des Versuchs lassen sich so vermindern oder vollständig vermeiden.
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In diesem Zusammenhang ist unter der ”durch die Straßendeckenoberfläche auf das Versuchsrad ausgeübte Kraft” der Kraftaufbau zu verstehen, dem das Versuchsrad von der Straßendecke ausgesetzt wird. Vorzugsweise werden alle Komponenten von der auf das Versuchsrad ausgeübten Kraft bestimmt.
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Infolgedessen kann eine Messung im Prinzip sofort, kontinuierlich und über die ganze Fahrbahn eines Straßendeckenversuchsabschnitts während des ganzen Versuchszyklus ausgeführt werden.
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Vorzugsweise ist der Sensor in den Tragarm integriert, sodass eine robuste und einfache Konstruktion für das Positionieren des Versuchsrads und die Ausführung von Messungen am Versuchsrad entsteht. Hierbei wird vorteilhaft die Einsicht genutzt, dass die durch die Straßendeckenoberfläche auf das Versuchsrad ausgeübte vollständig durch den Tragarm geleitet wird, sodass Verformungen am Tragarm direkten Bezug zu der zu messenden Kraft am Versuchsrad haben.
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Durch Positionieren des Sensors in einer lokalen Verjüngung des Tragarms können relativ geringe Bewegungen im Tragarm wie Biegen und Verdrehen wahrgenommen werden, während der Tragarm als Ganzes doch eine feste Einheit bildet.
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In einer bevorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung umfasst der Sensor einen Dehnstreifen, sodass mit relativ preiswerten Mitteln eine präzise Messung der auf das Versuchsrad ausgeübten Kraft möglich ist.
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Optional ist der Winkel der Versuchsradachse zu der kreisförmigen Bahn auf der Straßendeckenoberfläche einstellbar. Das Versuchsrad kann so ausgerichtet werden, dass von einem Schräglaufwinkel, auch slip angle genannt, die Rede ist. Dadurch können die verschiedensten praktischen Situationen simuliert werden, beispielsweise das Durchfahren einer Kurve. Auch kann eine künstliche, beschleunigte Abnutzung der Straßendeckenoberfläche erzeugt werden.
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Die Erfindung betrifft auch eine Arbeitsweise.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Folgeansprüchen wiedergegeben.
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Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
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eine schematisch perspektivische Draufsicht einer Versuchsanlage gemäß der Erfindung;
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eine schematisch perspektivische Draufsicht einer Tragkonstruktion der Versuchsanlage aus ;
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eine schematisch perspektivische Draufsicht eines ersten Gestellteils zum Positionieren von Versuchsrädern in der Anlage aus ;
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eine schematisch perspektivische Draufsicht eines zweiten Gestellteils zum Positionieren von Versuchsrädern in der Anlage aus ; und
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eine schematische Draufsicht eines Versuchsrads in der Versuchsanlage von .
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Die Abbildung ist nur eine schematische Wiedergabe einer bevorzugten Ausführung der Erfindung. In den Abbildungen sind gleiche oder entsprechende Teile mit derselben Verweisziffer angegeben.
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zeigt eine Ausführungsform einer Versuchsanlage 1 gemäß der Erfindung. Die Anlage 1 verfügt über eine Tragkonstruktion 2 zur Unterstützung eines Straßendeckenabschnitts 3. Außerdem verfügt die Anlage 1 über ein teilweise gezeigtes Gestell 4 zum Positionieren von Versuchsrädern 5a auf der Oberfläche 6 des Straßendeckenabschnitts 3. Das Gestell umfasst Tragarme 7a–c. An jedem Tragarm 7 ist ein Versuchsrad 5 drehbar befestigt.
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Die Tragkonstruktion 2 umfasst einen Antrieb für das drehbare Antreiben des Straßendeckenabschnitts 3. Während des Betriebs der Anlage 1 dreht sich der Straßendeckenabschnitt 3 in eine Drehrichtung B um eine zentrale Achse A. Die Tragarme 7 platzieren die Versuchsräder 5, auch Messräder genannt, auf der Straßendeckenoberfläche 6, sodass sich die Räder 5 durch den Kontakt mit der Straßendeckenoberfläche um ihre Achsen 8a–c drehen. Dabei beschreiben die Messräder 5 mit ihrer Lauffläche 9a–c kreisförmige Bahnen 10a–c über die Straßendeckenoberfläche 6. Das Umdrehen des Straßendeckenabschnitts simuliert das Passieren eines Fahrzeugs über die Straßendecke. Weil die Messräder 5 jeweils einer eigenen Spur auf der Straßendeckenoberfläche 6 folgen kann ein relativ großer Teil der Oberfläche 6 benutzt werden, um die Straßendecke und/oder das Messrad zu testen. Außerdem können gleichzeitig verschiedene Typen von Messrädern erprobt werden. Ferner hat die Anwendung einer mehrfachen Anzahl von Messrädern 5 den Vorteil, dass die Tragkonstruktion 2 gleichmäßiger belastet wird. In einer bevorzugten Ausführung gemäß der Erfindung sind die Positionen der Versuchsräder hauptsächlich proportional in Drehrichtung B von Straßendeckenabschnitt 3 verteilt.
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Das Gestell 4 zum Positionieren der Messräder 5 ist ferner mit einem Sensor 11 zum Messen einer durch die Straßendeckenoberfläche 6 auf ein Versuchsrad 5 ausgeübten Kraft ausgestattet. In der gezeigten Ausführungsform umfasst die Anlage 1 eine mehrfache Anzahl Sensoren pro Rad 5. Durch Anwendung von zwei oder mehr Sensoren können verschiedene Ausrichtungen der auf das Rad 5 ausgeübten Kraft gemessen werden. Die Sensoren 11 sind in die Tragarme 7 integriert. Dazu weist jeder Tragarm 7 eine oder eine mehrfache Anzahl lokaler Verjüngungen oder Aussparungen 12 auf, in welche der Sensor 11 aufgenommen ist. Die Verjüngungen oder Aussparungen 12 sind so dimensioniert, dass realistische Kräfte, die auf das Messrad 5 ausgeübt werden, zu minimaler Verformung des Tragarms an der Verjüngung oder Aussparung führen, die reproduzierbar mit den Sensoren messbar ist. Selbstverständlich können die Tragarme auch ohne lokale Verjüngungen oder Aussparungen realisiert werden, sodass eine einfacher herzustellende Konstruktion entsteht. Das Ausmaß der Verformung des Tragarms ist ein Maß für die Belastung, der das Versuchsrad ausgesetzt wird. Durch Messen der Verformung des Tragarms kann also die Belastung auf das Versuchsrad bestimmt werden. So kann eine präzise und zuverlässige Messung erfolgen, während trotzdem eine robuste Konstruktion angewendet wird. Im Prinzip können die Sensoren 11 separat angebracht werden, als alternative Ausführungsform einer Integration in den Tragarm. Durch Anbringen mehrerer Sensoren 11a–b in Umfangrichtung R um einen Tragarm 7 an verschiedenen Positionen kann eine Verstellung des Tragarms 7 in verschiedenen Ausrichtungen gemessen werden. In der gezeigten Ausführungsform hat der Tragarm 7 im Querschnitt ein vorwiegend rechteckiges Profil. Auf jedem der vier Profilteile 12a–d ist ein Sensor 11 angebracht. In ist ein Paar Sensoren 11a–b im Tragarm 7a rechts vorne sichtbar.
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Die Sensoren umfassen jeweils einen Dehnstreifen. Natürlich sind auch andere Ausführungsformen von Kraftsensoren anwendbar. Ferner können die Präzision und Zuverlässigkeit der Kraftmessung durch regelmäßiges Kalibrieren der Sensoren erheblich erhöht werden.
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Die Sensoren ermöglichen eine kontinuierliche, durchgehende und zugleich präzise Messung, wobei sowohl für die aufzuzeichnende vertikale Kraftkomponente als auch für die aufzuzeichnende horizontale Kraftkomponente ein gutes Signal-Rauschverhältnis erreicht werden kann.
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Festzustellen ist, dass die Sensoren auch an anderen Positionen auf dem Gestell angebracht werden können, beispielsweise auf einem Anschluss zwischen den Tragarmen und einem zentralen Koppelstück. Ferner können die Sensoren auf eine andere Weise positioniert und/oder ausgerichtet werden, beispielsweise auf demselben Profil 12a–d, aber mit einer zueinander anderen Ausrichtung.
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Die Tragarme 7 sind mit einem Scharnierelement 13a, c zum Verschwenken der Achse 8 des Messrads 5 um eine Achse D versehen, wie am linken Tragarm 7c in zu der kreisförmigen Bahn 10 an Ort und Stelle auf der Straßendeckenoberfläche 6 zu sehen ist. So ist der Winkel der Versuchsradachse 8 einstellbar zu der momentanen Verschiebungsrichtung des Versuchsrads 5.
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Ferner sind die Räder 5 vorzugsweise abmontierbar an den Tragarmen befestigt, sodass ein Auswechseln durch andere Exemplare leicht vorzunehmen ist.
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zeigt eine schematisch perspektivische Draufsicht einer Tragkonstruktion 2 der Versuchsanlage 1. Die Tragkonstruktion 2 umfasst einen um die Mittenachse A drehbaren Drehtisch 20 mit einem hochstehenden Rand für das Aufnehmen eines Straßendeckenabschnitts 3. Durch die Konstruktion mit dem hochstehenden Rand 21 entsteht ein Hohlraum, sodass der aufgenommene Straßendeckenabschnitt 3 in Umfangrichtung eingeschlossen werden kann. Vorzugsweise ist der Straßendeckenabschnitt 3 als separates Modul abmontierbar auf der Tragkonstruktion 2 angebracht. Durch den modularen Aufbau kann der Straßendeckenabschnitt 3 nach einem Versuch leicht durch ein anderes Exemplar ersetzt werden. Auch lässt sich die Versuchsanlage 1 auf diese Weise flexibel für verschiedene Arten von Straßendeckenabschnitten einsetzen.
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Der Straßendeckenabschnitt 3 ist sehr vorzugsweise hauptsächlich scheibenförmig ausgeführt, sodass der Abschnitt leicht auf den Drehtisch 20 aufgenommen werden kann. Die Scheibenform bringt auf vorteilhafte Weise mit sich, dass die Straßendeckenoberfläche 6 während des Drehens der Scheibe optimal genutzt werden kann. Jedoch ist prinzipiell auch eine andere Art von Geometrie anwendbar, beispielsweise ein viereckiger Abschnitt.
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Der Drehtisch 20 ist mit Stützpunkten 22a–d zum Unterstützen des separaten Straßendeckenabschnitts 3 versehen. Ferner umfasst der Drehtisch 20 einen zentralen Befestigungspunkt 23, mit dem der Straßendeckenabschnitt 3 am Tisch 20 gesichert werden kann. zeigt eine zentrale Mutter 14 für das sichernde Aufnehmen des Straßendeckenabschnitts 3. Es wird dem Fachmann klar sein, dass auch andere Befestigungskonstruktion angewendet werden können. Optional ist der Drehtisch 20 mit einer oder einer mehrfachen Anzahl von Öffnungen 24a, b zum Aufdrücken eines zu entfernenden Straßendeckenabschnitts 3 versehen. Ferner ist der Drehtisch 20 an einer zentralen Antriebsachse 25 für das drehende Antreiben des Tischs 20 befestigt.
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zeigt eine schematisch perspektivische Draufsicht eines ersten Gestellteils 4a für das Positionieren der Versuchsräder 5. Die Tragarme 7a–c sind an einem sternförmigen Gestellelement mit drei Armen 27a–c, die sich radial von einem zentralen Teil 27d aus erstrecken, befestigt. Das zentrale Teil bildet ein gemeinsames zentrales Koppelstück, das abmontierbar an einem Druckgestell befestigt werden kann. Vorzugsweise umfasst das Koppelstück 27d einen Drucksensor zum Messen eines statischen Drucks, der über das Druckgestell auf die Räder ausgeübt wird. Auch kann das Koppelstück mit einer homokinetischen Kopplung versehen sein, sodass eine Korrektur der Durchmesserdifferenz der einzelnen Räder möglich ist.
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zeigt eine schematisch perspektivische Draufsicht eines zweiten Gestellteils 4b für das Positionieren der Versuchsräder 5. Das zweite Gestellteil 4b bildet ein Druckgestell für das Andrücken der Räder 5 auf die Straßendeckenoberfläche 6. Das Druckgestell 4b umfasst ein Koppelteil 28 zum Koppeln mit dem Koppelstück 27d des ersten Gestellteils 4a, und eine Gestellstruktur 29, die das Koppelteil 28 mit einer Platte 30 verbindet. Die Platte kann verankert werden, aber vorzugsweise so, dass ein Verstellen in hauptsächlich vertikaler Richtung möglich ist, beispielsweise mit einer vertikalen Führungsschienenkonstruktion. Ferner ist das Koppelteil 28 vorzugsweise in der hauptsächlich horizontalen Ebene verstellbar, sodass das Koppelteil direkt über der Mittenachse A der Tragkonstruktion 2 des Straßendeckenabschnitts 3 positioniert werden kann.
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Durch Anwenden eines modularen, abnehmbaren Aufbaus können separate Teile leicht ausgetauscht werden. Vor allem in Bezug auf Teile, die einer relativ hohen Abnutzung ausgesetzt sind, bietet dies Vorteile, weil die Versuchsanlage so in hohem Maß einsetzbar ist und eine hohe Flexibilität in Bezug auf verschiedene Arten von Straßendeckenabschnitten und Versuchsrädern bietet.
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zeigt eine schematische Draufsicht eines Versuchsrads in Versuchsrichtung 1 von . Das Versuchsrad 5 ist positioniert auf der Straßendecke 6 eines Straßendeckenabschnitts 3 unter einem vorzugsweise stufenlos einstellbaren Winkel zu dem Weg, den das Versuchsrad 5 auf der kreisförmigen Bahn der Straßendeckenoberfläche zurücklegt. Das Rad 5 ist leicht schräg zur örtlichen Bewegungsrichtung des Rads 5 zur Straßendecke 6 platziert. So bildet die Achse 8 des Rads 5 einen kleinen Winkel α von ungefähr 10° zu der lokalen radialen Richtung Rad von der Mittenachse A der Tragkonstruktion 2 aus. Durch die schräge Platzierung des Rads 5 entsteht Schlupf. Die durch die Straßendecke 6 auf das Rad in horizontaler Richtung ausgeübte Kraft Ftot umfasst eine reine Rollkraftkomponente Frol und eine axiale Kraftkomponente Fax. An den Sensoren im Tragarm 7 entsteht dadurch eine zweite axiale Kraft Fax', die aus einer Kompressionskraft Fcomp und einer Biegekraft Fbuig aufgebaut ist. So kann aus den gemessenen Kräften im Tragarm der Kraftaufbau, dem das Rad 5 durch die Straßendecke 6 ausgesetzt ist, abgeleitet werden.
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Die Versuchsanlage kann als eine relativ kompakte und robuste Maschine zum Simulieren der verschiedensten praktischen Bedingungen einer Straßendecke angewendet werden. So kann das Straßendeckensegment trocken oder nass, eventuell bei verschiedenen Wasserfilmniveaus und bei unterschiedlichen Temperaturen getestet werden. Die Anlage kann für die Durchführung von Messungen an den verschiedensten Straßendecken wie beispielsweise Asphalt, Beton und Pflastersteinen sowie an Gummigemischen von PKW- und LKW-Reifen eingesetzt werden. So können verschiedene Parameter untersucht werden, beispielsweise Griffigkeit, Spurrinnenbildung, Spurrinnenbildungsverlauf pro Fahrzeugpassage, Ausfransen und Schnelligkeit der Gummiabnutzung.
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Durch das schräge Platzieren der Räder, wie oben beschrieben, und durch Platzieren der Räder mit einem bestimmten Druck auf die Straßendecke, können zugleich die Griffigkeit und das Kräftespiel in der Kontaktfläche zwischen Rad und Straßendecke gemessen werden. Das Ausmaß der Spurrillenbildung kann anhand einer separaten Messung bestimmt werden, wobei vorzugsweise die Höhe der gesamten testbaren Oberfläche bis an die Straßendeckenverhärtung abgetastet wird, beispielsweise mittels einer Lasermessung. Auch Ausfransen der Straßendeckenoberfläche kann so bestimmt werden. Ferner kann eine Schnelligkeit der Gummiabnutzung bestimmt werden, indem die abgeriebene Gummimenge der auf die Messräder montierten Reifen umgesetzt wird auf die Anzahl Umdrehungen des Straßendeckenabschnitts.
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Die Versuchsanlage kann sicher auf Abstand und einfach bedient werden, wobei man zuverlässige Messungen simultan erhalten kann. Durch die elegante Anwendung der Kräftesensoren ist eine präzise und zuverlässige dreidimensionale Kräftebestimmung in der Kontaktfläche zwischen den Versuchsrädern und der Straßendecke möglich. Dabei können sowohl horizontale als auch vertikale Kräfte gemessen werden. Auch Verdrehungs- und Schiebekräfte können dabei bestimmt werden. Ferner ist die Messung im Prinzip unabhängig vom Ausmaß der Abnutzung im Gummi und/oder in der Verhärtungsoberfläche.
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Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Viele Varianten sind möglich.
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An Stelle eines einfachen Tragarms kann das Gestell ein anderes Teil für das drehbare Befestigen eines Versuchsrads umfassen. So kann das Gestell ein Tafelwerk oder ein Subgestell mit einer mehrfachen Anzahl von Segmenten umfassen, an denen das Versuchsrad befestigt ist.
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Ferner kann die Versuchsanlage 1 eine andere Anzahl von Versuchsrädern 5 umfassen, d. h. mehr als drei Versuchsräder, beispielsweise vier oder mehr Versuchsräder, oder weniger als drei Versuchsräder, beispielsweise zwei Versuchsräder, oder nur ein Versuchsrad.
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Bei Verwendung der Versuchsanlage gemäß der Erfindung rollen die Räder über die Straßendeckenoberfläche des Straßendeckenabschnitts. Für das Verursachen der Rollbewegung dreht sich der Drehtisch um die Mittenachse. In einer alternativen Ausführungsform werden die Räder drehend angetrieben, und der Drehtisch steht still. Die anhand der Abbildungen beschriebene Ausführungsform bietet den Vorteil, dass man nicht nur eine einfachere Konstruktion erhält, sondern auch, dass die bewegenden Teile besser abgeschirmt werden können, was für mehr Sicherheit sorgt. Zu bemerken ist noch, dass auch eine Kombination beider Prinzipien möglich ist, wobei sowohl der Drehtisch als auch das Gestell, das die Räder trägt, sich drehen.
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Auch kann optional die Kraft, die das Versuchsrad auf die Oberfläche des Straßendeckenabschnitts ausübt, zumindest eine Komponente davon, beispielsweise eine vertikale Komponente, eingestellt werden. Dadurch kann ein reeller, einstellbarer Achsendruck simuliert werden. Anhand der vertikalen, auf das Versuchsrad ausgeübten Kraft, die mittels der Sensormessung bestimmt wird, kann für die Kraft, mit der das Versuchsrad auf die Straßendecke gedrückt wird, eine Rückkopplungsschleife realisiert werden. Dabei wird der Wert der gemessenen vertikalen Kraft mit einem vorher eingestellten Wert verglichen. Anhand des Vergleichs kann die über das Versuchsrad auf den Straßendeckenabschnitt ausgeübte Kraft angepasst werden. Dadurch kann unabhängig von Abnutzung und/oder Verformung der Straßendecke und/oder des Versuchsrads ein konstanter Achsendruck simuliert werden.
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Ferner kann die Versuchsanlage mit Einheiten versehen werden, welche die physischen Eigenschaften des Straßendeckenabschnitts beeinflussen. Solche Einheiten können beispielsweise eine Befeuchtungsvorrichtung und/oder eine Gefriervorrichtung umfassen. So können meteorologische Bedingungen imitiert werden.
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Solche Varianten werden dem Fachmann klar sein, und es wird davon ausgegangen, dass sie im Rahmen der Erfindung, wie sie in den folgenden Ansprüchen beschrieben ist, liegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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