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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung der Schwerpunktlage
eines Prüflings
mit einem Aufnahmeteil zur Aufnahme des Prüflings, das mittels Federgelenken
in zwei Richtungen drehbeweglich mit einem Gehäuse verbunden ist.
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Vorrichtungen
dieser Art sind z.B. bekannt aus
DE 33 30 974 A1 . Das Aufnahmeteil ist dort
auf seiner Unterseite durch zwei horizontale Federgelenke, die zusammen
eine erste waagerechte Drehachse bilden, mit einem Zwischenstück verbunden;
das Zwischenstück
ist dann durch zwei weitere horizontale Federgelenke, die eine zweite
waagerechte Drehachse bilden, mit dem Gehäuse verbunden. Die beiden waagerechten
Drehachsen stehen senkrecht zueinander und bilden zusammen ein Kardangelenk. Der
kinematische Drehpunkt dieses Kardangelenkes liegt damit unterhalb
des Aufnahmeteiles in Höhe
der Federgelenke, während
der Prüfling
auf dem Aufnahmeteil aufliegt. Der Schwerpunkt des Prüflings liegt also
deutlich oberhalb des Drehpunktes des Kardangelenkes.
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Diese
Lage des Schwerpunktes des Prüflings
oberhalb des Drehpunktes hat zur Folge, dass bei etwas schräg stehender
Vorrichtung der Schwerpunkt eines richtig ausgewuchteten Prüflings nicht mehr
genau senkrecht über
dem Drehpunkt liegt, damit fälschlicherweise
ein Drehmoment um den Drehpunkt erzeugt und so eine Schwerpunktabweichung vortäuscht. Dieser
Effekt ist besonders groß,
wenn der Schwerpunkt des Prüflings
weit oberhalb der Aufnahmefläche
liegt, wie es beispielsweise bei einer Kugel als Prüfling der
Fall ist. – Eine
Schrägstellung der
Vorrichtung kann auch dann eintreten, wenn die Vorrichtung ohne
Last richtig in die Horizontale einjustiert wurde, wenn nämlich die
Aufstellfläche – beispielsweise
ein Tisch – unter
der Belastung des Prüflings
asymmetrisch nachgibt.
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Aus
DE 18 10 667 A1 ist
außerdem
für eine ähnliche
Kardangelenk-Anordnung die Benutzung von Dehnungsmessstreifen zur
Bestimmung des Drehmomentes bei ausmittiger Lage des Massenmittelpunktes
bekannt.
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Weiterhin
ist es aus
DE 27 17
454 A1 (
5) bekannt, bei einer
Vorrichtung zur Bestimmung der Schwerpunktlage eines Prüflings zwei
Pendellenker so anzuordnen, dass der sich ergebende virtuelle Drehpunkt
oberhalb des Schwerpunktes des Prüflings und damit oberhalb des
Aufnahmeteils für
den Prüfling
liegt.
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Außerdem ist
es aus
DE 21 41 502
A1 bekannt, bei einer Auswuchtmaschine das Rotorlager durch
Stützstäbe, die
unter 45°C
zur Vertikalen verlaufen, gegenüber
dem Maschinenfundament erhöht zu
lagern.
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Weiterhin
ist es aus
US 5 367
129 A bekannt, das Aufnahmeteil für eine Bowling-Kugel als Prüfling über Federgelenke,
die zwei parallele waagerechte Achsen bilden, auf zwei Wägezellen
abzustützen
und aus der Differenz der Abstützkräfte die
Ausmittigkeit des Schwerpunktes der Kugel in einer Richtung zu ermitteln.
Aus der Summe der Abstützkräfte kann
dabei gleichzeitig die Masse der Kugel ermittelt werden. Auch diese
Anordnung ist stark schrägstellungsempfindlich,
weshalb in der genannten
US 5
367 129 auch eine Libelle zum exakten Nivellieren der Anordnung
vorgesehen ist. In einer Variante zeigt die
US 5 367 129 eine Bauart, bei der
das Aufnahmeteil für
die Kugel nicht oberhalb des Messsystems angeordnet ist, sondern
seitlich vorkragend und nach unten gekröpft ausgebildet ist, sodass
die Kugel neben dem Messsystem zu liegen kommt. Diese Bauart verringert
die Schrägstellungsempfindlichkeit,
baut jedoch sehr breit und lässt
sich nicht auf Vorrichtungen übertragen,
die die Schwerpunktlage in zwei Koordinatenrichtungen ermitteln,
wie es bei der Vorrichtung gemäß der eingangs
zitierten
DE 33 30
974 A1 der Fall ist.
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Aus
DE 298 17 159 U1 ist
eine ähnliche
Vorrichtung zur Ermittlung der Schwerpunktlage eines Prüfkörpers mit
Hilfe von mindestens zwei Wägesystemen
bekannt, bei der das Aufnahmeteil für den Prüfkörper über vertikale Koppelelemente
mit den Wägesystemen
verbunden ist, wobei die Koppelelemente zwei Dünnstellen aufweisen, die je
eine horizontale Drehachse definieren.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung der eingangs genannten
Art so zu verbessern, dass die geschilderten Schrägstellungsfehler ganz
vermieden bzw. zumindest wesentlich verringert werden, und gleichzeitig
die kompakte Bauart der Vorrichtung beibehalten wird.
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Erfindungsgemäß wird dies
dadurch erreicht, dass bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art
die Federgelenke zwei gegenüber
der Horizontalen geneigte Drehachsen definieren und dass diese beiden
Drehachsen sich wenigstens näherungsweise
in einem Punkt oberhalb des Aufnahmeteiles schneiden.
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Die
Erfindung geht also von den waagerechten Drehachsen ab und führt gegenüber der
Horizontalen geneigte Drehachsen ein. Dadurch kann der Schnittpunkt
der beiden Drehachsen so hoch gelegt werden, dass er etwa in der
Höhe des
Schwerpunktes üblicher
Prüflinge
liegt. Wird die Vorrichtung zur Messung und zum Abgleich des Schwerpunktes
in der Serienproduktion eingesetzt und damit immer mit gleichen
Prüflingen
benutzt, so kann diese Anpassung hundertprozentig erfolgen, sodass
die Vorrichtung ganz unabhängig
von einer eventuellen Schrägstellung
ist. Aber auch bei verschiedenen Prüflingen wird die Schrägstellungsempfindlichkeit
deutlich reduziert. In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann aber
durch ein höhenverstellbares
Aufnahmeteil dafür
gesorgt werden, dass der Schwerpunkt des Prüflings in seiner Solllage mit
dem Schnittpunkt der beiden geneigten Drehachsen übereinstimmt,
so dass auch bei verschiedenen Prüflingen eine vollständige Schrägstellungsunempfindlichkeit
erreicht wird.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung, die sich durch geringe Herstellkosten
auszeichnet, ergibt sich, wenn die Federgelenke Dehnungsmessstreifen zur
Messung des Drehmomentes um die Drehachsen tragen. Dadurch erübrigen sich
getrennte Drehmomentmesssysteme und die Drehmomentmessung ist mit
einfachen Mitteln in die Vorrichtung zur Lagerung des Prüflings integriert.
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Eine
besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ergibt sich,
wenn in die Vorrichtung zur Bestimmung der Schwerpunktlage ein Kraftmesssystem
bzw. ein Wägesystem
zur Bestimmung der Masse des Prüflings
integriert ist. Damit lassen sich die Masse und die Lage des Schwerpunktes
in einer Vorrichtung bestimmen und gegebenenfalls abgleichen.
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In
einer vorteilhaften konstruktiven Ausgestaltung der Vorrichtung
werden die Federgelenke durch Dünnstellen
in einem Messkörper
gebildet, wobei dieser Messkörper
im Wesentlichen die Form eines liegenden rechten Winkels mit etwa
gleich langen Schenkeln aufweist. In diesen Messkörper kann auch
das Kraftmesssystem/Wägesystem
integriert sein.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der schematischen Figuren beschrieben.
Dabei zeigt:
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1 eine perspektivische Ansicht
einer beispielhaften Ausgestaltung der Vorrichtung,
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2 eine perspektivische Ansicht
des Messkörpers
der Vorrichtung aus 1,
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3 eine Seitenansicht des
Messkörpers aus 2 und
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4 eine perspektivische Ansicht
der Vorrichtung aus 1 zusammen
mit einer Kugel als Prüfling
und mit einer Positionierhilfe.
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In
den 1 und 4 erkennt man das Äußere der
Vorrichtung: Ein Gehäuse 1,
das im Wesentlichen aus einem nach unten offenen U-Profil gebildet
ist und von zwei Quertraversen 2 und 3 gestützt wird, und
ein ringförmiges
Aufnahmeteil 4 zur Aufnahme des Prüflings 5, der nur
in 4 in Form einer Kugel eingezeichnet
ist. Der Prüfling 5 liegt
auf drei Schrauben 7 am Aufnahmeteil auf. Durch diese Schrauben 7 kann
der Prüfling 5 bei
der erstmaligen Inbetriebnahme so justiert werden, dass bei richtiger
Lage des Schwerpunktes des Prüflings
die Vorrichtung das Ausgangssignal null für die Schwerpunktabweichung ausgibt.
Das Aufnahmeteil 4 ist durch Befestigungsschrauben 8 mit
einer Abdeckung 6 verbunden, die über weitere Befestigungsschrauben 9 mit
der einen Seite eines Messkörpers 11 verbunden
ist. Die andere Seite des Messkörpers
ist durch Befestigungsschrauben 10 mit dem Gehäuse 1 verbunden.
Der Messkörper 11 ist
in 1 nur teilweise erkennbar und
zwar dort, wo das Gehäuse 1 bzw.
die Abdeckung 6 jeweils aufgebrochen dargestellt ist (Ausbruch 13),
um das Innere zu zeigen. Aus dem gleichen Grund ist in 1 auch die vordere Hälfte der Quertraverse 2 gebrochen
dargestellt. Zwischen der Abdeckung 6 und dem Gehäuse 1 sorgt
ein Schlitz 12 dafür,
dass die über
das Aufnahmeteil 4 einwirkenden Kräfte nur über den Messkörper 11 zum
Gehäuse
geleitet werden. Aus demselben Grund hat das Aufnahmeteil 4 auf
seiner Unterseite keinen Kontakt zum darunter liegenden Gehäuse 1.
(In 1 und 4 durch den Absatz 14 erkennbar.)
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Der
gesamte Messkörper 11 ist
in 2 dargestellt. Er
hat in seinem äußeren Umriss
die Form eines liegenden rechten Winkels mit etwa gleich langen
Schenkeln. An seinem gehäuseseitigen
Ende 21 weist er zwei Gewindebohrungen 23 auf,
in die die Befestigungsschrauben 10 zur Befestigung am
Gehäuse 1 eingeschraubt
sind (1). Das Gehäuse 1 weist
dabei einen Absatz 15 auf, sodass der Messkörper 11 nur
mit seinem Ende 21 am Gehäuse fixiert ist und ansonsten
innerhalb des Gehäuses 1 frei
beweglich ist. In gleicher Weise weist das aufnahmeseitige Ende 22 des
Messkörpers 11 Gewindebohrungen 23' auf zur Befestigung
an der Abdeckung 6 und damit am Aufnahmeteil 4 (Schrauben 9 bzw. 8).
Auch hier ist durch einen Absatz 16 an der Abdeckung 6 dafür gesorgt,
dass die Verbindung nur am Endteil 22 erfolgt, der Messkörper 11 aber
ansonsten die Abdeckung nicht berührt. – Auf diese Weise ist auch
hier dafür
gesorgt, dass alle auf das Aufnahmeteil 4 einwirkenden
Kräfte
nur über
den Messkörper 11 zum Gehäuse 1 abgeleitet
werden.
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Weiter
sind am Messkörper 11 durch
Einfräsungen
zwei Federgelenke 24 und 25 erzeugt, die im gezeichneten
Beispiel einen Winkel von 45° zur
Horizontalen bilden. Diese Federgelenke definieren je eine Drehachse
im Messkörper 11,
wodurch das Aufnahmeteil 4 in zwei zueinander orthogonalen
Richtungen drehbeweglich gehalten ist. Die beiden Drehachsen sind
so ausgerichtet, dass sie sich im geometrischen Mittelpunkt des
kugelförmigen
Prüflings schneiden.
Liegt der Schwerpunkt des Prüfling
genau im Kugelmittelpunkt (Solllage), so ergeben sich keine Drehmomente
um die durch die Federgelenke 24 und 25 definierten
Drehachsen. Weicht der wirkliche Schwerpunkt des Prüflings von
der Solllage ab, so erzeugt die Schwerkraft ein Drehmoment um eine oder
beide Drehachsen und verbiegt die Federgelenke 24 und/oder 25 geringfügig. Diese
Verbiegung wird durch Dehnungsmessstreifen 26 in ein elektrisches
Signal umgewandelt. Dabei sind in 2 nur die
Dehnungsmessstreifen 26 am Federgelenk 24 erkennbar,
die gleichartig angebrachten Dehnungsmessstreifen am Federgelenk 25 sind
in 2 verdeckt. Die Größe des Signals
der Dehnungsmessstreifen 26 am Federgelenk 24 ist
also proportional zur Abweichung des Schwerpunktes von der Solllage in
x-Richtung (siehe
Achsenkreuz in 1), die
Größe des Signals
der Dehnungsmessstreifen am Federgelenk 25 ist in entsprechender
Weise proportional zur Abweichung in y-Richtung.
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Durch
die schräge
Ausrichtung der Drehachsen in der Weise, dass sich die Drehachsen
in der Solllage des Schwerpunktes schneiden, erzeugt eine Schrägstellung
der Vorrichtung kein Abweichungssignal bei richtiger Schwerpunktslage.
Ist die Vorrichtung also für
eine bestimmte Prüflingsart
konstruiert, so ist sie für
diese Prüflingsart
vollkommen schrägstellungsunempfindlich.
Je nach Größe des Messkörpers im
Verhältnis
zur Höhe
des Prüflings
ergibt sich für
den optimalen Winkel ein Wert von 45° ± 20°.
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Zur
Messung der Verbiegung des Federgelenkes 24 sind Dehnungsmessstreifen 26 sowohl
auf der Vorderseite des Federgelenkes als auch auf der in 2 nicht erkennbaren Rückseite
angebracht. Dadurch lassen sich in bekannter Weise Fehler durch thermische
Ausdehnung vermeiden, da eine thermische Ausdehnung zu gleichartigen
Widerstandsänderungen
der beiden Dehnungsmessstreifen führt, während eine Verbiegung des Federgelenkes
zu entgegengesetzten Widerstandsänderungen
führt. Durch
Auswertung in einer Brückenschaltung
lässt sich
dadurch in bekannter Weise das Verbiegungssignal allein ermitteln. – Weiter
sind in 1 und 2 Entkopplungsschlitze 27 erkennbar,
deren Form und Lage sich noch deutlicher aus 3 ergibt. 3 ist eine
Seitenansicht auf den Messkörper 11.
Die Entkopplungsschlitze 27 entkoppeln den mittleren Teil 24' des Federgelenkes 24 vom
restlichen Federgelenk. Dadurch wird der Spannungsgradient im Federgelenk 24 vom
mittleren Teil 24' ferngehalten.
Durch das Eigengewicht des Prüflings
(und des Aufnahmeteils) wird nämlich
im Federgelenk 24 ein Spannungsgradient mit Zugspannungen
im oberen Teil des Federgelenkes und Druckspannungen im unteren
Teil des Federgelenkes erzeugt. Toleranzen in der Lage der Dehnungsmessstreifen 26 auf
der Vorder- und der Rückseite
des Federgelenkes 24 würden
dann zu Fehlersignalen der Dehnungsmessstreifen-Brücke führen. Dies
wird durch die Entkopplungsschlitze 27 verhindert, die
für eine
gleichmäßige und
nur von der Verbiegung des Federgelenkes abhängige Spannungsverteilung im
Teil 24' des
Federgelenkes 24 sorgen. – In gleicher Weise sind beim Federgelenk 25 Entkopplungsschlitze 28 vorgesehen.
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Die
Benutzung von Dehnungsmessstreifen zur Bestimmung der Verbiegung
der Federgelenke 24 und 25 sorgt für geringen
Aufwand: Die Federgelenke sind für
die mechanische Führung
des Prüflings
sowieso notwendig, sodass für
die Drehmomentmessung nur der Aufwand für die Dehnungsmessstreifen
und ihre Applikation zusätzlich
notwendig sind.
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Weiter
erkennt man in 2 und 3 eine Ausfräsung 29,
die einen oberen Lenker 30 und einen unteren Lenker 31,
sowie Dünnstellen 32,
die mit Dehnungsmessstreifen 33 bestückt sind, erzeugt. Diese Lenkerparallelführung mit
Dehnungsmessstreifen stellt in bekannter Weise ein Kraftmess-/Wägesystem 34 dar,
mit dem die Masse des Prüflings
bestimmt werden kann. Da das Kraftmess- /Wägesystem
fast weglos arbeitet, verändert
sich die Geometrie der Federgelenke 24 und 25 dadurch
praktisch nicht, sodass die Messung der Lage des Schwerpunktes durch
das integrierte Kraftmess-/Wägesystem
nicht verfälscht
wird. Auch umgekehrt ist die Schrägstellung des Schenkels 35 des
Messkörpers 11 bei
ausmittiger Lage des Schwerpunktes des Prüflings so gering, dass das
Messergebnis des Kraftmess-/Wägesystems
dadurch praktisch nicht verfälscht
wird. – Durch
diese Integration des Kraftmess-/Wägssystems 34 in den
Messkörper
sind für die
Massebestimmung des Prüflings
keine zusätzlichen
mechanischen Bauteile nötig,
sodass die Zusatzkosten sehr gering sind.
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Die
in 1 und 4 erkennbaren verstellbaren Füße 17 dienen
dazu, ein Kippeln der Vorrichtung zu verhindern. – In 4 ist weiterhin eine Positionierhilfe 18 erkennbar,
die es gestattet, bei Prüflingen in
Form einer Kugel diese anhand von vorgegebenen Markierungen, Linien
oder dergleichen in reproduzierbarer Winkellage auf dem Aufnahmeteil
zu platzieren. Diese Positionierhilfe ist am Gehäuse drehbar gelagert und wird
für die
Messung weggeklappt. – Für anders
geformte Prüflinge
sind selbstverständlich entsprechende,
an die jeweilige Form angepasste Positionierhilfen erforderlich.
In entsprechender Weise muss ggf. auch das Aufnahmeteil an die spezielle Form
des Prüflings
angepasst werden.
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Wird
die Vorrichtung nur für
eine Art von Prüflingen
benutzt, so kann die Richtung der Federgelenke 24 und 25 so
gewählt
werden, dass sich die durch die Federgelenke definierten Drehachsen
genau in der Solllage des Schwerpunktes des Prüflings schneiden. Diese Anpassung
erfolgt nur durch die Wahl des Winkels der Einfräsungen zur Erzeugung der Federgelenke
am Messkörper 11,
während
die restlichen Teile der Vorrichtung unverändert bleiben. – Wird die
Vorrichtung für
verschiedene Arten von Prüflingen
benutzt, so kann die Richtung der Federgelenke 24 und 25 einen
mittleren Wert aufweisen und durch ein in der Höhe verstellbares Aufnahmeteil erfolgt
die genaue Anpassung der Solllage des Schwerpunktes an den Schnittpunkt
der Federgelenkdrehachsen. Die Höhenverstellung
kann z. B. durch verschiedene Unterlegstücke zwischen dem Aufnahmeteil 4 und
der Abdeckung 6 erfolgen oder durch eine Verstellmöglichkeit
zwischen dem oberen Kragen 4' und
dem unteren Kragen 4'' des Aufnahmeteiles 4 (siehe 1) oder einfach durch verschieden
lange Schrauben 7. Einzelheiten dieser Verstellmöglichkeit
kann jeder Fachmann leicht entwerfen, sodass auf eine detaillierte
Beschreibung und zeichnerische Darstellung hier verzichtet werden
kann.
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Die
Vorrichtung ist kompakt und platzsparend aufgebaut, da ihre wesentlichen
Teile unterhalb des Prüflings
angeordnet sind.
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Die
für die
Auswertung der Dehnungsmessstreifen-Signale notwendige Elektronik
sowie die Anzeigeeinheit zur Anzeige der Ergebnisse sind in den Figuren
nicht gezeichnet, da sie konventioneller Art sind und allgemein
bekannt sind.
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- 1
- Gehäuse
- 2,
3
- Quertraversen
- 4
- Aufnahmeteil
- 4', 4''
- oberer
bzw. unterer Kragen am Aufnahmeteil 4
- 5
- Prüfling, im
gezeichneten Beispiel eine Kugel
- 6
- Abdeckung
am Aufnahmeteil
- 7
- Schrauben
- 8,
9, 10
- Befestigungsschrauben
- 11
- Messkörper
- 12
- Schlitz
- 13
- Ausbruch
- 14,
15, 16
- Absatz
- 17
- verstellbare
Füße
- 18
- Positionierhilfe
- 21
- gehäuseseitiges
Ende des Messkörpers
- 22
- aufnahmeseitiges
Ende des Messkörpers
- 23,
23'
- Gewindebohrungen
- 24,
25
- Federgelenke
- 24'
- mittlerer
Teil des Federgelenkes 24
- 26
- Dehnungsmessstreifen
- 27,
28
- Entkopplungsschlitze
- 29
- Ausfräsung
- 30,
31
- oberer
bzw. unterer Lenker
- 32
- Dünnstellen
- 33
- Dehnungsmessstreifen
- 34
- Kraftmess-/Wägssystem
- 35
- Schenkel
des Messkörpers