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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Dichtheitsprüfung
von gasbefüllten Hohlkörpern, insbesondere aus
elastomerem Material.
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Um
bei Luftfedern, die beispielsweise in einer Niveauregulierungsanlage
eines Kraftfahrzeugs eingesetzt werden, eine ausreichende Funktionssicherheit
zu erzielen, ist es erforderlich, die Luftfedern einer Dichtheitsprüfung
zu unterziehen. Luftfedern gelten dann als dicht, wenn ihr Luftverlust
(z. B. durch Permeation) über einen vorbestimmten Prüfzeitraum unter
einem definierten Grenzwert liegt. In der Produktion werden die
Luftfedern mithilfe eines Wasserbades auf Dichtheit geprüft,
wobei sie mit Luft befüllt und in Wasser gehalten werden.
Währenddessen wird beobachtet, ob und ggf. wie viele Luftbläschen aufsteigen.
Bei diesem Verfahren gilt eine Luftfeder dann als dicht, wenn in
10 Sekunden höchstens ein Luftbläschen aufsteigt.
Ein Nachteil dieses bekannten Verfahrens besteht dann, dass durch
die Luft, die außen an der Luftfeder haftet, ebenfalls
Luftbläschen entstehen. Um sicher feststelen zu können,
dass aufsteigende Luftbläschen von einem Leck herrühren, muß eine
gewisse Zeit abgewartet werden, bevor die eigentliche Dichtheitsprüfung
beginnt. Ein derartiges Prüfverfahren ist daher zeitaufwendig.
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Bei
der Überprüfung der Dichtheit von Druckbehältern
mit festem Volumen hat sich die Druckabfall-Methode bewährt.
Hierbei wird der Behälter bis zu einem definierten Druck
befüllt und dann verschlossen. Danach wird der zeitliche
Verlauf des Drucks als Kriterium dafür verwendet, ob der
Luftverlust über einem zulässigen Grenzwert liegt.
Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass vor der Messung
abgewartet werden muß, bis zwischen dem Behälter
und seiner Umgebung ein thermisches Gleichgewicht besteht. Andernfalls
verfälschen Änderungen der Temperatur der eingeschlossenen
Luft das Meßergebnis. Auch dieses bekannte Verfahren ist
damit zeitaufwendig.
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Für
die Überprüfung der Dichtheit von Luftfedern im
eingebauten Zustand, beispielsweise in einem Fahrzeug, existieren
Prüfverfahren, die Ultraschall auswerten, der aufgrund
von Strömungsturbulenzen oder Reibung entsteht. Mit diesem
Verfahren können jedoch nur grobe Lecks detektiert werden, weil
bei relativ geringer Leckrate die Strömung der austretenden
Luft laminar und deshalb geräuschlos ist. Ein Nachteil
dieses bekannten Verfahrens besteht darin, dass es für
eine quantitative Messung des Luftverlustes nicht geeignet ist.
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Durch
DE 10 2007 025 691
A1 ist ein Verfahren zur Dichtheitsprüfung von
Luftfedern bekannt, das sich auf die Druckabfall-Methode stützt.
Hierbei wird in der oben beschriebenen Weise das Volumen der Luftfeder
als konstant angenommen. Damit die Methode auf Luftfedern angewendet
werden kann, muß die Luftfeder gebändigt oder
bei maximaler Ausfederung betrieben werden. Ein Nachteil dieses
bekannten Verfahrens besteht darin, dass es ebenfalls zeitaufwendig
ist und einen Prüfzeitraum von etwa 30 Minuten erfordert.
Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die in die Luftfeder einströmende
Luft Verdichtungsarbeit verrichtet, die dazu führt, dass
sich die Temperatur der Luft in der Luftfeder erheblich erhöht.
Bevor mit diesem Verfahren eine Messung erfolgen kann, müssen
thermodynamische Ausgleichsvorgänge abgeklungen sein. Dies
verlängert die Prüfdauer noch weiter.
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Durch
DE 101 51 539 A1 ist
ein Verfahren zur Messung des Druckes und der Federhöhe
der Luftfedern unter Verwendung von Ultraschall bekannt. Durch
EP 1 342 596 A2 ist
ein Verfahren bekannt, bei dem bei einer Luftfeder die Federhöhe
und der Druck herangezogen werden, um den Luftverlust zu messen.
Auch bei diesem bekannten Verfahren ist es erforderlich, vor dem
Prüfvorgang zunächst durch das Befüllen
verursachte thermische Ausgleichsvorgänge abzuwarten.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Dichtheitsprüfung
von gasbefüllten Hohlkörpern, insbesondere aus
elastomerem Material, anzugeben, das zeitsparend ausführbar
ist und sichere Prüfergebnisse liefert. Diese Aufgabe wird durch
die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Der Grundgedanke
der Erfindung besteht darin, als Maß für die Dichtheit
des Hohlkörpers die Masse des während eines Prüfzeitraumes
aus dem Innenraum des Hohlkörpers entwichenen Gases heranzuziehen.
Mithilfe der ”idealen Gasgleichung”
p·V
= m·R·tkann die zu einem Zeitpunkt am Beginn
des Prüfzeitraumes beispielsweise in einer Luftfeder eingeschlossene
Luftmasse wie folgt berechnet werden:
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Im
weiteren Verlauf des Prüfvorganges wird in regelmäßigen
Zeitabständen die jeweils eingeschlossene Luftmasse nach
der obigen Gleichung ermittelt und auf den Anfangswert bezogen.
Daraus ergibt sich der relative Luftmassenverlust wie folgt:
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Dementsprechend
sieht die Erfindung vor, dass während eines Prüfzeitraumes
zu wenigstens zwei aufeinanderfolgenden Zeitpunkten ein Maß für den
Druck und ein Maß für die Temperatur in einem Innenraum
des Hohlkörpers ermittelt werden und dass ausgehend von
den ermittelten Temperaturen und Drücken die Masse des
während des Prüfzeitraumes aus dem Innenraum entwichenen
Gases errechnet wird.
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Anhand
der errechneten Masseänderung kann dann beurteilt werden,
ob der Hohlkörper, beispielsweise eine Luftfeder, vorbestimmten
Anforderungen an die Dichtheit genügt.
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Ein
besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens
besteht darin, dass es besonders zeitsparend ausführbar
ist. Darüber hinaus liefert das erfindungsgemäße
Verfahren zuverlässige Prüfergebnisse.
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Die
Temperatur im Innenraum des Hohlkörpers kann auf beliebige
geeignete Weise ermittelt werden. Eine außerordentlich
vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Temperatur
im Innenraum des Hohlkörpers anhand der temperaturabhängigen
Laufzeit eines Ultraschallsignales auf einer Referenzstrecke ermittelt
wird. Ein besonderer Vorteil dieser Ausführungsform besteht
darin, dass die Temperatur des Gases im Innenraum des Hohlkörpers
nahezu verzögerungsfrei ermittelt werden kann.
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Grundsätzlich
kann der Druck im Innenraum des Hohlkörpers ebenfalls unter
Heranziehung eines Ultraschallsignales ermittelt werden. Um eine
höhere Auflösung zu erzielen, sieht jedoch eine
andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vor, dass der Druck
durch einen separaten Drucksensor ermittelt wird. Um die Berechnung
des relativen Verlustes an Gasmasse zu vereinfachen, sieht eine
andere Weiterbildung der Erfindung vor, dass das Volumen des Innenraumes
des Hohlkörpers während des Prüfvorganges
konstant gehalten wird. Bei dieser Ausführungsform ist
der relative Gasmassenverlust ausschließlich von der jeweiligen
Temperatur und dem jeweiligen Druck abhängig.
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Eine
andere Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass eine durch ein
Entweichen des Gases aus dem Innenraum des Hohlkörpers
bewirkte Veränderung des Volumens des Innenraumes ermittelt wird.
Bei dieser Ausführungsform kann die Änderung des
Volumens bei der Auswertung berücksichtigt werden.
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Eine
Weiterbildung der vorgenannten Ausführungsform sieht vor,
dass wenigstens eine sich bei Änderung des Volumens des
Innenraumes verändernde Abmessung des Innenraumes vermessen wird.
Bei einer Luftfeder kann als Abmessung beispielsweise die Federhöhe
vermessen werden.
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Bei
der vorgenannten Ausführungsform kann die sich verändernde
Abmessung auf beliebige geeignete Weise vermessen werden. Eine vorteilhafte Weiterbildung
sieht insoweit vor, dass die Abmessung anhand der Laufzeit eines
Ultraschallsignales zwischen zwei ortsfesten Punkten an oder in
dem Hohlkörper vermessen wird. Erfindungsgemäß kann ein
beliebiges geeignetes Maß für den Druck und ein beliebiges
geeignetes Maß für die Temperatur in dem Innenraum
des Hohlkörpers herangezogen werden. Eine vorteilhafte
Weiterbildung der Erfindung sieht insoweit vor, dass der Druck und
die Temperatur in dem Innenraum des Hohlkörpers ermittelt
werden. Bei dieser Ausführungsform werden Druck und Temperatur
unmittelbar im Innenraum des Hohlkörpers gemessen.
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Eine
andere vorteilhafte Weiterbildung sieht insoweit vor, dass als Maß für
den Druck und die Temperatur in dem Innenraum der Druck und die Temperatur
in einem mit dem Innenraum pneumatisch kommunizierenden Prüfraum
gemessen werden. Diese Ausführungsform hat den Vorteil,
dass an dem Hohlkörper selbst, beispielsweise einer Luftfeder,
Anschlüsse für einen Sensor zur Druck- und Temperaturmessung
nicht erforderlich sind, sondern lediglich an dem Prüfraum
vorgesehen sein müssen. Bei dieser Ausführungsform
werden also der Druck und die Temperatur nicht in dem Innenraum
des Hohlkörpers, sondern in dem Prüfraum gemessen.
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Eine
vorteilhafte Weiterbildung der vorgenannten Ausführungsform
sieht vor, dass der Prüfraum zu dem Innenraum des Hohlkörpers
pneumatisch parallelgeschaltet ist.
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Grundsätzlich
können mittels des erfindungsgemäßen
Verfahrens beliebige Hohlkörper auf Dichtheit überprüft
werden, beispielsweise Schläuche, Membranen, Reifen oder
Motorlager. Besonders gut ist das erfindungsgemäße
Verfahren jedoch zur Dichtheitsprüfung an Luftfedern geeignet.
Dementsprechend sieht eine andere vorteilhafte Weiterbildung der
Erfindung vor, dass der Hohlkörper eine Luftfeder ist.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung
näher erläutert, in der stark schematisiert Anordnungen
zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen, in
der Zeichnung dargestellten und in den Patentansprüchen
beanspruchten Merkmale für sich genommen sowie in beliebiger Kombination
miteinander den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von
ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen und deren
Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Beschreibung
bzw. Darstellung in der Zeichung.
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Es
zeigt:
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1 eine
schematische Schnittansicht durch eine Luftfeder, die mittels des
erfindungsgemäßen Verfahrens auf Dichtheit überprüft
werden soll,
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2 ein
Blockschaltbild einer Anordnung zur Durchführung eines
ersten Ausführungsbeispieles eines erfindungsgemäßen
Verfahrens,
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3 die
Luftfeder gemäß 1 zusammen mit
der Anordnung gemäß 2,
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4 in
gleicher Darstellung wie 3 eine Anordnung zur Durchführung
eines zweiten Ausführungsbeispieles eines erfindungsgemäßen
Verfahrens und
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5 ein
Diagramm, das den relativen Luftmassenverlust bei einer dichten
und einer undichten Luftfeder in Abhängigkeit von der Zeit
darstellt.
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In
den Figuren der Zeichnung sind gleiche bzw. sich entsprechende Bauteile
mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist
eine Luftfeder 2 dargestellt, die zur Durchführung
eines ersten Ausführungsbeispieles des erfindungsgemäßen
Verfahrens mit einem Ultraschallsensor 4 versehen wird.
Der Ultraschallsensor 4 arbeitet nach dem Ultraschall-Laufzeit-Prinzip, wobei
aus dem Verhältnis der Laufzeiten eines Ultraschallsignales
der Abstand zwischen dem Deckel 6 und dem Puffer 8 der
Luftfeder 2 berechnet wird. Dieser Abstand ist ein Maß für
die Einbauhöhe 10 der Luftfeder 2. Die
Luftfeder 2 weist einen Innenraum 12 auf, der
mit Luft befüllt und gegen die Umgebung abgedichtet ist.
Die Luftfeder 2 weist ferner einen Federbalg 14 auf.
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2 zeigt
ein Blockschaltbild einer Anordnung zur Durchführung eines
ersten Ausführungsbeispieles eines erfindungsgemäßen
Verfahrens. Der Ultraschallsensor 2 weist einen Mikrocontroller 16 und
einen nichtflüchtigen Datenspeicher 18 auf. Der Mikrocontroller 16 berechnet
in der oben beschriebenen Weise aus dem Verhältnis der
Laufzeiten des Ultraschallsignales den Abstand zwischen dem Deckel 6 und
dem Puffer 8 der Luftfeder. Zusätzlich ermittelt der
Mikrocontroller 16 aus der Laufzeit des Ultraschallsignales über
eine Referenzstrecke innerhalb eines Sensorgehäuses des
Ultraschallsensors 4 die aktuelle Ausbreitungsgeschwindigkeit
des Schalls und damit die thermodynamische Temperatur der Luft im
Innenraum 12 der Luftfeder 2. Die schallbasierte
Messung der Temperatur erfolgt nahezu verzögerungsfrei
und sehr genau.
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Zur
Messung des Druckes in dem Innenraum 12 ist ein separater
Drucksensor 20 vorgesehen, der bei diesem Ausführungsbeispiel
als kapazitiver Drucksensor ausgebildet und in einem Gehäuse
des Ultraschallsensors 4 aufgenommen ist. Der Drucksensor 20 mißt
den aktuellen Absolutdruck im Innenraum 12 der Luftfeder 2.
Weitere Daten, beispielsweise das Kennlinienfeld der Luftfeder,
sind in einem nichtflüchtigen Speicher des Mikrocontrollers 16 abgelegt.
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3 zeigt
eine Anordnung zur Durchführung des ersten Ausführungsbeispieles
des erfindungsgemäßen Verfahrens. Bei diesem Ausführungsbeispiel
wird die Luftfeder 2 mit dem Ultraschallsensor 4 über
ein Magnetventil 22 (Zuluftventil) an eine Luftversorgung 24 angeschlossen,
wobei das Magnetventil 22 von einem externen Steuergerät 26 betätigt
wird, das den Befüllvorgang und die Entlüftung,
die über einen Schalldämpfer 28 erfolgt,
steuert.
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Zu
Beginn eines Prüfvorganges wird die Luftfeder
2 durch
das Öffnen des Magnetventiles
24 auf einen definierten
Absolutdruck befüllt, der über den Drucksensor
20 gemessen
wird. Sobald dieser erreicht ist, wird das Magnetventil
22 geschlossen
und die Luftfeder
2 dadurch gegen ein weiteres Einströmen
von Luft abgesperrt. Unmittelbar nach dem Schließen des
Magnetventiles
22 ermittelt der Mikrocontroller die Temperatur
der Luft im Innenraum
12 der Luftfeder
2, ihren
Absolutdruck sowie die Federhöhe. Aus diesen Meßwerten
und den gespeicherten Luftfederdaten (Volumenkennlinie) berechnet
der Mikrocontroller
16 mit Hilfe der ”idealen
Gasgleichung”
p·V = m·R·tdie
zu diesem Zeitpunkt in dem Innenraum
12 der Luftfeder
2 eingeschlossene
Luftmasse zu
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Im
weiteren Verlauf des Prüfvorganges wird bei diesem Ausführungsbeispiel
in regelmäßigen Zeitabständen, beispielsweise
alle fünf Sekunden, die aktuell eingeschlossene Luftmasse
entsprechend dieser Gleichung ermittelt und auf den Anfangswert bezogen.
Daraus ergibt sich der relative Luftmassenverlust zu:
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Dadurch,
dass die Temperatur im Innenraum 12 der Luftfeder 2 in
der oben beschriebenen Weise auf Basis der Ultraschall-Laufzeitmethode
ermittelt wird, kann die Temperaturmessung nahezu verzögerungsfrei
erfolgen, da die Meßzeit im wesentlichen der Laufzeit des
Ultraschallsignales über die Referenzstrecke entspricht.
Auf diese Weise sind Fehler bei der Ermittlung der Luftmasse und
des relativen Luftmassenverlustes hinreichend klein.
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Da
sich geringe Luftmassenverluste entsprechend gering auf die Federhöhe
auswirken, wird die Messung der Federhöhe bei Folgemessungen
verfeinert, indem aus Einzelwerten, beispielsweise ca. 100 Werte
pro Sekunde, der Mittelwert über das Zeitintervall gebildet
wird. Dadurch sind zufällige Fehler verringert, und die
Empfindlichkeit ist gesteigert.
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Mittels
des erfindungsgemäßen Verfahrens kann somit die
Dichtheitsprüfung auf zeitsparende und zuverlässige
Weise ausgeführt werden.
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4 zeigt
eine Anordnung zur Ausführung eines zweiten Ausführungsbeispieles
des erfindungsgemäßen Verfahrens, das sich von
dem ersten Ausführungsbeispiel dadurch unterscheidet, dass
die Luftfeder
2 so eingespannt wird, dass sich ihr Volumen
während des Prüfvorganges, der beispielsweise ca.
10 Minuten dauern kann, nicht verändert. Eine entsprechende
Vorrichtung zur Einspannung der Luftfeder
2 ist in
4 bei
dem Bezugszeichen
30 angedeutet. Da sich bei diesem Ausführungsbeispiel das
Volumen und damit die Federhöhe der Luftfeder
2 während
des Prüfvorganges nicht verändern, entfällt
die Notwendigkeit, die Federhöhe zu messen und mit den
individuellen Daten der Luftfeder
2 zu verknüpfen,
um das jeweils aktuelle Volumen zu ermitteln. Die Gleichung für
den relativen Luftmassenverlust vereinfacht sich dadurch zu:
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Durch
den Wegfall der Messung der Federhöhe der Luftfeder 2 ist
das zweite Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Verfahrens auch für eine Dichtheitsprüfung an
Luftfedern geeignet, die keinen Anschluß für den
Ultraschallsensor 4 aufweisen. Der Ultraschallsensor 4 wird
bei diesem Ausführungsbeispiel zur Messung des Drucks und
der Temperatur in einem separaten Prüfraum 30 verwendet, der
pneumatisch mit der Luftfeder 2 parallelgeschaltet ist.
Die pneumatische Verbindung zwischen der Luftfeder 2 und
dem Prüfraum 30 ist kurz und mit großem
Querschnitt ausgeführt, um Meßungenauigkeiten
zu vermeiden. Um die Genauigkeit der Temperaturmessung zu erhöhen,
wird bei dem zweiten Ausführungsbeispiel anstelle der sensorinternen
Referenzstrecke des Ultraschallsensors 4 eine bekannte Länge
des Prüfraumes 30 als Schallstrecke zur Messung
der temperaturabhängigen Laufzeit des Ultraschallsignales
verwendet.
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Da
der separate Prüfraum 30 pneumatisch parallel
zu der Luftfeder 2 geschaltet ist, addiert sich sein Volumen
zu dem der Luftfeder 2. Durch den Bezug des Luftmassenverlustes
auf den Anfangswert geht das Zusatzvolumen jedoch nicht in das Meßergebnis
ein. Die Unterschiede in dem Volumen wirken sich ausschließlich
auf den zeitlichen Ablauf der Ausgleichsvorgänge nach dem
Befüllen aus. Da die entsprechenden Ausgleichsvorgänge
jedoch innerhalb einer kurzen Zeitspanne, beispielsweise von ca.
50 Sekunden, nach dem Befüllen der Luftfeder 2 abgeklungen
sind, ist es ohne weiteres möglich, die Temperatur und
den Druck in dem Prüfraum 30 für die
Ermittlung des Luftmassenverlustes heranzuziehen. 5 zeigt
ein Diagramm, in dem der relative Luftmassenverlust in Abhängigkeit
von der Zeit aufgetragen ist. Ein sich bei einer dichten Luftfeder 2 ergebender
Graph ist mit dem Bezugszeichen 34 bezeichnet, während
ein sich bei einer undichten Luftfeder ergebender Graph mit dem
Bezugszeichen 36 bezeichnet ist.
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- 2
- Luftfeder
- 4
- Ultraschallsensor
- 6
- Deckel
- 8
- Puffer
- 10
- Einbauhöhe
- 12
- Innenraum
- 14
- Federbalg
- 16
- Mikrocontroller
- 18
- Speicher
- 20
- Drucksensor
- 22
- Magnetventil
- 24
- Luftzufuhr
- 26
- Steuergerät
- 28
- Schalldämpfer
- 30
- Vorrichtung
- 32
- Prüfraum
- 34
- Graph
- 36
- Graph
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102007025691
A1 [0005]
- - DE 10151539 A1 [0006]
- - EP 1342596 A2 [0006]
