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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der relativen Winkellage
von Bauteilen eines Fahrzeugs oder gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
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Bei
Fahrzeugen, z. B. Land-, Wasser- und Luftfahrzeugen, ist es für einen
vorschriftsmäßigen Betrieb
notwendig, daß wesentliche
Bauteile des Fahrzeugs in einer vorgeschriebenen relativen Winkellage
zueinander angeordnet sind. Bei Landfahrzeugen sind solche Bauteile
beispielsweise das Fahrwerk, die Lenkung, der Triebstrang bestehend aus
Motor, Getriebe, Lenkwelle, Hinterachsmittelstück und Radaufhängung, sowie
die Karosserie mit Lenkrad, Verkleidungen, Fenstern, Türen, Sitzen
Motor- und Kofferraumabdeckung. Eine Messung dieser Winkelzuordnungen
ist wichtig z. B. bei der Montage des Fahrzeugs, bei der Endabnahme
als Qualitätssicherung
und ebenso bei der Unfallvermessung und -reparatur und bei der Alterungs-
und Verschleißkontrolle.
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Aus
der
DE 196 34 506
A1 ist es bekannt, die relative Winkellage von Bauteilen
eines Fahrzeugs mittels einer Sensormeßeinrichtung zu bestimmen. Die
Sensormeßeinrichtung
wird in eine definierte Lage bezüglich
des zu messenden Bauteils gebracht. Die Sensormeßeinrichtung mißt ihren
Neigungswinkel gegenüber
der Horizontalen und aufgrund der definierten Lagezuordnung somit
auch den Neigungswinkel des Bauteils bezüglich der Horizontalen. Da
die Sensormeßeinrichtung
jeweils nur den Neigungswinkel gegenüber der Horizontalen mißt, erhält man ein
verwertbares Meßergebnis
nur dadurch, daß bei
der Messung das Fahrzeug insgesamt gegenüber der Horizontalen ausgerichtet
ist. Dies wird dadurch bewirkt, daß das Fahrzeug auf einen Meßstand gebracht
wird, in welchem das Fahrzeug eine exakt definierte Lage in Bezug
auf die Horizontale (Horizont) einnimmt.
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Dieses
bekannte Verfahren ist in mehrfacher Hinsicht in seiner Einsatzmöglichkeit
beschränkt. Zum
einen kann das Verfahren nur bei solchen Fahrzeugen angewendet werden,
die in einem Meßstand in
eine definierte Lage in Bezug auf die Horizontale gebracht werden
können,
die dann als Nulllage für die
Messung der Neigungswinkel dient. Bei Landfahrzeugen sind solche
Meßstände üblich, bei
Wasser- und Luftfahrzeugen stehen solche Meßstände in der Regel nicht zur
Verfügung.
Zum anderen sind die Meßstände aufwendig,
insbesondere wenn unterschiedliche Meßstände für verschiedene Fahrzeugtypen
zur Verfügung
stehen müssen.
Schließlich
ist es notwendig, das Fahrzeug zu dem jeweiligen Meßstand zu
bringen, was unter Umständen
einen erheblichen Zeit- und Transportaufwand bedeutet.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Messung
der relativen Winkellage von Bauteilen eines Fahrzeugs und eine
Vorrichtung zur Durchführung
dieses Verfahrens zu schaffen, die von einem Meßstand unabhängig sind und
eine Messung der relativen Winkellage von Bauteilen eines Fahrzeugs
in jeder Lage des Fahrzeugs ermöglichen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. durch eine
Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9.
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Vorteilhafte
Ausführungen
der Erfindung sind in den rückbezogenen
Unteransprüchen
angegeben.
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Erfindungsgemäß wird eine
Sensormeßeinrichtung
verwendet, die ihre räumliche
Neigung gegenüber
einer horizontalen Ebene mes sen kann. Die Sensormeßeinrichtung
mißt ihren
Neigungswinkel in zwei Achsen, so daß nicht nur – wie bei
der herkömmlichen
Sensormeßeinrichtung – der Neigungswinkel
in einer vorgegebenen vertikalen Ebene bestimmt werden kann, sondern
die räumliche
Lage der Sensormeßeinrichtung.
Mittels dieser Sensormeßeinrichtung
wird die räumliche
Neigung einer Bezugsebene des Fahrzeugs gemessen und als Offset-Wert
gespeichert. Anschließend
können
die einzelnen Bauteile des Fahrzeugs in ihrer jeweiligen räumlichen
Neigung gemessen werden, wobei die Meßwerte auf die Offset-Werte
der Bezugsebene umgerechnet werden. Obwohl die Sensormeßeinrichtung
die räumliche
Neigung der jeweiligen Bauteile in Bezug auf die horizontale Ebene
mißt,
muß das Fahrzeug
für die
Messung nicht auf diese horizontale Ebene (z. B. in einem Meßstand)
ausgerichtet werden. Die beliebige Lage des Fahrzeugs im Raum während des
Meßvorgangs
wird durch die Offset-Korrektur berücksichtigt.
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Wird
die Sensormesseinrichtung zusammen mit einem 90°-Adapterwinkel verwendet, so kann in entsprechender
Weise die räumliche
Neigung in Bezug auf eine vertikale Ebene bestimmt werden.
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Für eine zuverlässige Messung
ist es zweckmäßig, wenn
die Sensormeßeinrichtung
die Neigung gegenüber
der horizontalen Ebene in zwei Achsen mißt, die zueinander senkrecht
verlaufen. Die Sensormeßeinrichtung
ist räumlich
fest in einem Gehäuse
angeordnet, wobei das Gehäuse
dazu dient, die Sensormeßeinrichtung
in die definierte Lage bezüglich
des Fahrzeugs bzw. bezüglich
der jeweiligen Bauteile zu bringen. Die Sensormeßeinrichtung kann zwei getrennte
Sensoren aufweisen, die jeweils den Neigungswinkel in einer Achse
messen, wobei die Winkelzuordnung der beiden Achsen dadurch gegeben
ist, daß beide
Sensoren fest in dem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
wird eine Sensormeßeinrichtung
verwendet, die einen zweidimensional messenden Sensor aufweist.
Ein solcher zweidimensional messender Sensor beruht z. B. auf dem
Prinzip, eine elektrisch leitende Flüssigkeit in eine flächige waagerechte
Kammer zu bringen, die an gegenüberliegenden
Seiten jeweils Elektrodenpaare aufweist. Bei waagerechter Lage der Kammer
stellt sich eine konstante Höhe
des Flüssigkeitsspiegels
zwischen den Elektroden ein, die eine maximale Leitfähigkeit
zur Folge hat. Bei einer Neigung der Kammer um eine zu dem Elektrodenpaar parallele
Kippachse verringert sich die Höhe
des Flüssigkeitsspiegels
auf einer Seite, so daß der
Leitungsquerschnitt der Flüssigkeit
sich reduziert und der elektrische Widerstand zunimmt. Durch mehrere Elektro denpaare
kann die Neigung der Kammer in verschiedenen Achsrichtungen gemessen
werden.
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Am
einfachsten ist die Messung, wenn das die Sensormeßeinrichtung
aufnehmende Gehäuse unmittelbar
an dem zu messenden Bauteil angelegt werden kann. Die formschlüssige Anlage
des Gehäuses
an dem Bauteil gibt dann die definierte Lage der Sensormeßeinrichtung
in Bezug auf dieses Bauteil vor.
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Ist
ein solches unmittelbares Anliegen des Gehäuses an das zu messende Bauteil
nicht möglich,
so können
geeignete Adapter verwendet werden, die die definierte Lagebeziehung
zwischen der Sensormeßeinrichtung
und dem Bauteil vermitteln. Solche Adapter sind so gestaltet, daß sie einerseits an
dem zu messenden Bauteil zur Anlage gebracht werden können und
andererseits eine vorgegebene Anlagefläche für das Gehäuse der Sensormeßeinrichtung
aufweisen. Zur Anpassung an das zu messende Bauteil sind unterschiedliche
Adapterformen möglich.
Der Adapter kann insbesondere so ausgebildet sein, daß er auch
an schwer zugänglichen
Bauteilen zur Anlage gebracht werden kann. Weiter kann der Adapter
so gestaltet werden, daß er
einer bestimmten Kontur des Bauteils entsprechend geformt ist, um
den definierten Formschluß zu
gewährleisten.
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In
der Regel wird die erfindungsgemäße Vorrichtung
dazu verwendet, die räumliche
Neigung eines Bauteils zu bestimmen. Falls nur die Neigung eines
Bauteils in einer bestimmten Richtung gemessen werden muß, kann
die Messung der Neigung in der anderen Achse dazu genutzt werden,
die richtige Anlage der Sensormeßeinrichtung in der zu messenden Achsrichtung
zu überprüfen. In
dieser Anwendung wird die Messung in der zur eigentlichen Meßachse quer
verlaufenden zweiten Achse beispielsweise dazu ausgenützt, um
die Anzeige der Meßeinrichtung
auf Fehlermeldung zu schalten, wenn der Neigungswinkel in der Querachse
einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.
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Die
Auswertung der Meßwerte
der Sensormeßeinrichtung
erfolgt elektronisch und rechnerisch. Für die Verwendung der Vorrichtung
ist es vorteilhaft, die elektronische und rechnerische Auswertung
in einem von der Sensormeßeinrichtung
und deren Gehäuse
getrennten Gerät
unterzubringen und die Sensormeßeinrichtung
mit diesem Gerät
vorzugsweise über
ein Kabel zu verbinden. Dadurch ist es möglich, die Sensormeßeinrichtung
mit ihrem Gehäuse
optimal dem Einsatz anzupassen. Andererseits kann das Gerät, welches
in der Regel auch eine Anzeige aufweist, unabhängig von dem Einsatz der Sensormeßeinrichtung
an einem Ort positioniert werden, an welchem die Bedienung und das
Ablesen des Gerätes bequem
möglich
ist. Vorzugsweise ist eine Übertragung
der in dem Gerät
gespeicherten Daten zu einem Rechner beipielsweise über eine
serielle Schnittstelle möglich.
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Es
ist offensichtlich, daß das
erfindungsgemäße Verfahren
und die erfindungsgemäße Vorrichtung
sich dazu eignet, die gegenseitige räumliche Lage beliebiger Bauteile
zu bestimmen. Dies können auch
Bauteile einer ortsfesten Anlage oder einer ortsfesten Maschine
sein. Besonders vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren
und die erfindungsgemäße Vorrichtung
jedoch bei dem Vermessen von Fahrzeugen, da deren Mobilität eine ständige Änderung
der Lage des gesamten Fahrzeugs in Bezug auf die horizontale Ebene
zuläßt.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispieles
näher erläutert. Es
zeigen
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1 eine
Vorrichtung zur Messung der Winkellage von Bauteilen eines Kraftfahrzeuges,
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2 verschiedene
Adapter zu dieser Vorrichtung und
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3 als
Anwendungsbeispiel die Knickwinkelmessung für die Gelenkwelle eines PKW.
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In 1 ist
eine Vorrichtung zur Messung der relativen Winkellage von Bauteilen
eines Fahrzeugs dargestellt. Die Vorrichtung weist eine Sensormeßeinrichtung 10 auf,
die in einem Gehäuse
eingeschlossen ist. Das Gehäuse
hat die Form eines flachen Quaders. Die Sensormeßeinrichtung 10 weist einen
Sen sor auf, der die Neigung der Flachseitenebene des Gehäuses in
zwei Achsen mißt.
Diese beiden Achsen stehen zueinander senkrecht und verlaufen parallel
zu den jeweiligen Seiten des quaderförmigen Gehäuses.
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Die
Sensormeßeinrichtung 10 ist über ein
flexibles Kabel 12 oder drahtlos mit einem Gerät 14 verbunden,
welches als Handgerät
ausgebildet ist. Das Gerät 14 enthält die Elektronik
zur Speisung und Ansteuerung der Sensormeßeinrichtung und zum Empfang
und zur Auswertung der Meßsignale
der Sensormeßeinrichtung 10.
Weiter weist das Gerät 14 Bedienungstasten 16 und
einen Display 18 auf. Weiter kann das Gerät 14 über eine
serielle Schnittstelle an einen PC angeschlossen werden, um die
gemessenen und in dem Gerät 14 zwischengespeicherten Meßwerte weiterzuverarbeiten
und zu dokumentieren.
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Das
Gehäuse
der Sensormeßeinrichtung 10 weist
an den vier Ecken einer Flachseite jeweils einen Kegel 20 auf.
Die vier Kegel 20 sind in Form und Höhe gleich und so angeordnet,
daß ihre
Spitzen bzw. Mittelachsen in den Ecken eines zu den Seiten des Gehäuses parallelen
Rechteckes liegen.
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Falls
die Neigung in Bezug auf die Vertikale gemessen werden soll, sitzt
der Sensor an einem Schenkel eines rechtwinkligen Adapters, dessen
anderer Schenkel die Flachseite mit den Kegeln 20 bildet.
Der rechtwinklige Adapter kann auch ein selbständiges Teil sein. In diesem
Falle wird die in 1 dargestellte Sensormesseinrichtung
an einen Schenkel des Adapters angelegt und dieser wiederum mit seinem
anderen Schenkel an das zumessende Bauteil.
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Das
Gehäuse
kann mit den Spitzen der Kegel 20 auf eine ebene Fläche eines
Bauteils aufgesetzt werden, wodurch das Gehäuse und damit die Sensormeßeinrichtung 10 eine
exakt planparallele Lage zu der ebenen Fläche des Bauteils und damit zu
dem Bauteil selbst einnimmt. Die von der Sensormeßeinrichtung 10 gemessene
räumliche
Neigung in Bezug auf eine horizontale Ebene entspricht somit exakt
der Neigung des Bauteils.
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Weiter
kann die Sensormeßeinrichtung 10 mit
ihrem Gehäuse
und den Kegeln 20 auf eine zylindrische Fläche eines
Bauteils aufgesetzt werden, wobei die paarweise Anordnung der Kegel 20 und
deren Kegelform gewährleisten,
daß ein
präzises
Aufsetzen über
einen großen
Bereich der Radien der Zylinderfläche möglich ist und daß die Achse
der Zylinderfläche
exakt parallel zu einer der zwei Achsen der Sensormeßeinrichtung 10 verläuft.
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Mit
dem in 1 gezeigten Gehäuse und den Kegeln 20 kann
die Sensormeßeinrichtung 10 in eine
exakt definierte Lage in Bezug auf Bauteile gebracht werden, die
eine ebene oder eine zylindrische Anlagefläche aufweisen. Die formschlüssige Anlage des
Gehäuses
der Sensormeßeinrichtung 10 mit
den Kegeln 20 gewährleistet,
daß die
mittels der Sensormeßeinrichtung 10 gemessene
räumliche
Neigung exakt die räumliche
Neigung des gemessenen Bauteils wiedergibt.
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Falls
das zu messende Bauteil keine solche Anlageflächen aufweist oder falls das
zu messende Bauteil so schlecht zugänglich ist, daß das Gehäuse der
Sensormeßeinrichtung 10 nicht
unmittelbar zur Anlage an dem Bauteil gebracht werden kann, können Adapter
verwendet werden, wie sie beispielsweise in 2 gezeigt
sind.
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2a zeigt einen Adapterfuß 22,
der die Form einer geraden Schiene hat. Die Schiene des Adapterfußes 22 kann
an der Flachseite des Gehäuses
der Sensormeßeinrichtung 10 formschlüssig anliegend
befestigt werden, wozu zwei Schrauben 24 dienen, die den
Adapterfuß 22 durchsetzen
und in Gewindebohrungen 26 des Gehäuses der Sensormeßeinrichtung 10 eingedreht
werden. Der Adapterfuß 22 weist
an seiner von dem Gehäuse
abgewandten Seite eine Adapteraufnahme 28 auf, in welche unterschiedliche
Adapter eingesetzt werden können, von
denen in den 2b und 2c Beispiele
gezeigt sind.
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Der
in 2b gezeigte Adapter 30 ist
im Wesentlichen stabförmig
ausgebildet. An seinem einen Ende weist der Adapter 30 einen
Kupplungsansatz 32 auf, der formschlüssig in die Adapteraufnahme 28 des
Adapterfußes 22 einsetzbar
ist. Dadurch nimmt der Adapter 30 eine exakt definierte
Lage in Bezug auf den Adapterfuß 22 und
damit in Bezug auf das Gehäuse
und die Sensormeßeinrichtung 10 ein.
An dem anderen Ende des Adapters 30 ist eine zapfenförmige Anlagekontur 34 ausgebildet,
die in eine entsprechend geformte Bohrung des zu messenden Bauteils
formschlüssig
eingesetzt wird. Dadurch ergibt sich über den Adapter 30 eine
formschlüssige Verbindung
und damit eine definierte Lagebeziehung zwischen dem Bauteil und
der Sensormeßeinrichtung 10.
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2c zeigt einen anderen Adapter 36.
Dieser Adapter 36 weist einen geraden Bügel 38 mit einem Kupplungsansatz 32 auf,
der in der Längsmitte des
Bügels 38 angeordnet
ist. Der Kupplungsansatz 32 dient zur formschlüssigen Anbringung
des Bügels 38 in
der Adapteraufnahme 28 des Adapterfußes 22. Ist der Kupplungsansatz 32 in
die Adapteraufnahme 28 eingesetzt, so verläuft der
Bügel 38 parallel
zu dem Adapterfuß 22.
Der Bügel 38 weist
an seinen beiden Enden Längsschlitze 40 auf,
in welchen Anlagearme 42 verschiebbar und schwenkbar sowie
in ihrer jeweiligen Verschiebungs- und Schwenkstellung feststellbar
sind. Die Anlagearme 42 weisen an ihren einander zugewandten
Längskanten
Anlagekonturen 44 auf, mit welchen sie in formschlüssige Anlage
an ein entsprechend geformtes Bauteil gebracht werden können. Über die
formschlüssig
an dem Bauteil anliegenden Anlagearme 42 ergibt sich über den
Adapter 36 eine definierte räumliche Lagebeziehung zwischen
dem Bauteil und der Sensormeßeinrichung 10.
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Zur
Messung der Winkellage eines Bauteils wird zunächst die Sensormeßeinrichtung 10 an
eine an dem Fahrzeug vorgesehene Bezugsfläche zur Anlage gebracht. Die
Sensormeßeinrichtung 10 mißt in den
zwei Achsen die Neigung der Ebene dieser Bezugsfläche und
damit deren räumliche
Neigung in Bezug auf die horizontale Ebene. Diese räumliche Neigung
der Bezugsebene wird in dem Gerät 14 als Offset-Wert
gespeichert. Dann wird die Sensormeßeinrichtung 10 unmittelbar
oder mittels eines Adapters in formschlüssige Anlage an einem zu messenden
Bauteil gebracht. Mittels der Sensormeßeinrichtung 10 werden
dann die Neigungswinkel in den zwei Achsen und damit die räumliche
Nei gung des Bauteils gegenüber
der horizontalen Ebene ermittelt. Diese gemessenen Neigungswerte
werden in dem Gerät 14 rechnerisch
auf die gespeicherten Offset-Werte bezogen, so daß in dem
Display 18 die relative Winkellage des Bauteils in Bezug
auf die gespeicherte Bezugsebene angezeigt und ggf. gespeichert
werden kann.
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3 zeigt
ein Anwendungsbeispiel der Erfindung. Bei einem PKW sollen die Knickwinkel
der Gelenkwelle gemessen werden. Hierzu wird zunächst die Sensormeßeinrichtung 10 mittels
des Adapters 30 der 2b an
dem Getriebegehäuse 46 des
Fahrzeugs angesetzt, um dessen Winkellage zu messen. Dann wird die
Sensormeßeinrichtung 10 mittels
der Kegel 20 auf die vordere Gelenkwelle 48 aufgesetzt,
um deren Winkellage zu bestimmen. Aus diesen Meßwerten kann der Knickwinkel φ1 zwischen
der Getriebeachse und der vorderen Gelenkwelle 48 bestimmt
werden. Dann wird die Sensormeßeinrichtung 10 mit
den Kegeln 20 auf die hintere Gelenkwelle 50 aufgesetzt,
um deren Neigungswinkel zu messen. Aus den Neigungswinkeln der vorderen
Gelenkwelle 48 und der hinteren Gelenkwelle 50 ergibt
sich der Knickwinkel φ2.
Dann wird die Sensormeßeinrichtung 10 mittels
des Adapters 36 der 2c an
das Hinterachsmittelstück 52 angesetzt, um
dessen räumliche
Neigung zu ermitteln. Aus den gemessenen Neigungswerten der hinteren
Gelenkwelle 50 und des Hinterachsmittelstücks 52 wird
der Knickwinkel φ3
berechnet.
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Da
die Sensormeßeinrichtung 10 mit
dem Gerät 14 über das
flexible Kabel 12 oder drahtlos verbunden ist, ist die
Bedienung des Gerätes 14 und
das Ablesen des Displays 18 einfach. Die ermittelten Werte
können
von dem Display 18 abgelesen und protokolliert werden.
Vorzugsweise werden die gemessenen und in dem Gerät 14 gespeicherten
Werte über
die Schnittstelle ausgelesen und automatisch dokumentiert.
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Ein
weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, dass die Sensormesseinheit
in einem Selbsttest justiert werden kann, wodurch die Anforderungen
des Qualitätsmanagements
(ISO 9001) erfüllt
werden. Hierzu wird die Sensormesseinrichtung 10 in einem
Ju stierprogramm des Gerätes 14 auf
eine vorzugsweise leicht geneigte Ebene (1° bis 10° Neigung gegen die Horizontale)
gelegt und die Neigung gemessen und gespeichert. Dann wird die Sensormesseinrichtung 10 auf
dieser Ebene liegend um 180° gedreht
und erneut die Neigung gemessen und gespeichert. Aus den beiden
gemessenen und gespeicherten Winkelwerten wird rechnerisch eine ”Nullpunktjustage” der Sensormesseinrichtung 10 durchgeführt, die
bei nachfolgenden Messungen berücksichtigt
wird.
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- 10
- Sensormesseinrichtung
- 12
- Kabel
- 14
- Gerät
- 16
- Bedienungstasten
- 18
- Display
- 20
- Kegel
- 22
- Adapterfuß
- 24
- Schrauben
- 26
- Gewindebohrungen
- 28
- Adapteraufnahme
- 30
- Adapter
(2b)
- 32
- Kupplungsansatz
- 34
- Anlagekontur
- 36
- Adapter
(2c)
- 38
- Bügel
- 40
- Längsschlitz
- 42
- Anlagearme
- 44
- Anlagekontur
- 46
- Getriebegehäuse
- 48
- vordere
Gelenkwelle
- 50
- hintere
Gelenkwelle
- 52
- Hinterachsmittelstück