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Die
Erfindung betrifft einen Drehmomentsensor, insbesondere zur Erfassung
eines Lenkmoments in einem Kfz-Lenksystem. Weiterhin betrifft die
Erfindung ein Lenksystem für
ein Kraftfahrzeug.
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Für zahlreiche
erweiterte Lenkfunktionen moderner Servolenkungen wie beispielsweise
Drehmomentüberlagerung
oder Drehmomentanpassung ist es notwendig, das durch den Fahrer
ausgeübte Lenkmoment
zu erfassen. Elektronische Lenksysteme verwenden hierzu einen Drehmomentsensor,
der in das Lenkgetriebe integriert ist. Hydraulische Lenksysteme,
die mit Zusatzfunktionen zur aktiven Kontrolle des Lenkmoments ausgestattet
sind, benötigen ebenfalls
einen Drehmomentsensor zur Erfassung des Lenkmoments. Aufgrund des
begrenzten Bauraums ist es hier schwierig, den Drehmomentsensor im
Lenkgetriebe selbst vorzusehen.
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Die
Erfindung schafft einen Drehmomentsensor, der sich durch einen besonders
geringen Bauraumbedarf, eine einfache Ausgestaltung sowie eine zuverlässige Erfassung
des vom Fahrer ausgeübten
Lenkmoments auszeichnet.
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Erfindungsgemäß wird dies
durch einen Drehmomentsensor erreicht, mit einem ersten und einem
zweiten Bauteil, die relativ zueinander verdrehbar sind, einem Betätigungselement,
das am ersten Bauteil angeordnet ist, zwei Kammern, die auf der
einen und der anderen Seite des Betätigungselements am zweiten
Bauteil angeordnet sind, einem Kolben für jede Kammer, der zwischen
dem Betätigungselement
und der entsprechenden Kammer angeordnet ist, und einem Sensor für jede Kammer,
wobei jede Kammer mit einem Fluid gefüllt ist, so daß eine Verstellung
des Kolbens zu einer Änderung
des Drucks im Inneren der Kammer führt, was vom Sensor erfaßt werden
kann. Dabei kann eine Kammer zur Erfassung einer (relativen) Drehung
des ersten Bauteils im Uhrzeigersinn und die andere Kammer zur Erfassung
einer (relativen) Drehung entgegen dem Uhrzeigersinn dienen, oder
es wird, unabhängig
von der Drehrichtung, die Druckdifferenz zwischen beiden Kammern
erfaßt
und zur Drehmomentbestimmung genutzt. Es ergibt sich eine besonders
einfache und platzsparende Ausgestaltung. Der erfindungsgemäße Drehmomentsensor
ist zudem unempfindlich gegenüber
Temperaturschwankungen und somit besonders zuverlässig, da
temperaturbedingte Änderungen
des Kammerdrucks (bedingt durch die thermische Expansion sowohl
des Fluids als auch der Kammern selbst) durch Ermittlung der Druckdifferenz
zwischen beiden Kammern kompensiert werden können.
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Insbesondere
ist der Drehmomentsensor symmetrisch aufgebaut, umfaßt also
zwei identische Hydraulikkreise.
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Gemäß einer
ersten Ausführungsform
ist der Sensor ein Drucksensor, der die Druckänderung direkt erfaßt. Insbesondere
werden hier Drucksensoren eingesetzt, wie sie aus ESP-Bremssystemen
bekannt sind. Diese zeichnen sich durch einen günstigen Preis sowie hohe Zuverlässigkeit
und Leistung aus.
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Um
die Druckänderung
im Inneren der Kammer sicher erfassen zu können, steht der Sensor vorzugsweise über eine Öffnung mit
der Kammer in Verbindung.
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Gemäß einer
alternativen Ausführungsform ist
der Sensor ein Dehnmeßstreifen,
der die Druckänderung
indirekt erfaßt.
Ein solcher Sensor ist besonders preiswert.
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Der
Sensor ist dann insbesondere auf einer Außenwand der Kammer angeordnet
und erfaßt
so druckbedingte Veränderungen
der Kammer.
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Um
auch kleine Druckänderungen
im Inneren der Kammer erfassen zu können, ist die Außenwand
vorzugsweise als Deckel mit einer gegenüber der restlichen Wandung
verringerten Wandstärke ausgeführt. Bei
Erhöhung
des Drucks im Inneren der Kammer wölbt sich die Außenwand,
was beispielsweise durch einen Dehnmeßstreifen detektiert werden
kann.
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Der
Kolben kann verschiebbar in einer Öffnung der Wandung der Kammer
geführt
sein. Bei einer Relativdrehung zwischen dem ersten und zweiten Bauteil
wird der Kolben verschoben, wodurch sich der Druck im Inneren der
Kammer ändert.
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Um
einen Austritt des Fluids aus der Kammer zu verhindern, ist der
Kolben z.B. mittels eines Balgs abgedichtet.
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Ebenso
kann der Kolben durch eine Membran gebildet sein, die eine Öffnung der
Wandung der Kammer verschließt.
Durch eine Verformung der Membran ändert sich der Druck im Inneren
der Kammer.
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Die
Membran besteht dabei vorzugsweise aus Metall.
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Das
Betätigungselement
weist insbesondere sphärische
Druckflächen
auf, die dem Kolben zugewandt sind. Im Gegensatz zu ebenen Druckflächen vergrößert sich
bei sphärischen
Druckflächen
die wirksame Kontaktfläche
mit dem zurückgelegten
Betätigungsweg.
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Das
Betätigungselement
ist gemäß einer Ausführungsform
als Fortsatz ausgebildet, der mittels einer konischen Schraube einstellbar
ist. Durch Verstellung der Schraube läßt sich ein mögliches Spiel
zwischen dem Betätigungselement
und den Kolben beseitigen. Dadurch wird sichergestellt, daß auch kleinste
Relativdrehungen zwischen den Bauteilen durch den Drehmomentsensor
erfaßt
werden.
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Um
die Relativdrehung zwischen den beiden Bauteilen mit einer geringen
Reibung zu ermöglichen,
ist bevorzugt zwischen dem ersten und dem zweiten Bauteil wenigstens
ein Kugellager vorgesehen.
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Alternativ
kann zwischen dem ersten und dem zweiten Bauteil ein Gummi-Metall-Lager vorgesehen
sein. Dieses weist eine hohe Steifigkeit in radialer und axialer
Richtung auf, jedoch eine geringe Steifigkeit gegenüber Verdrehungen.
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Zur
Erzielung der gewünschten
Steifigkeit des Drehmomentsensors kann ein Federring vorgesehen
sein, der sich sowohl am ersten als auch am zweiten Bauteil abstützt. Alternativ
läßt sich
die Steifigkeit auch ausschließlich über den
Kompressionsmodul der fluidgefüllten
Kammern einstellen.
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Der
erfindungsgemäße Drehmomentsensor wird
vorzugsweise in einem Lenksystem für ein Kraftfahrzeug eingesetzt,
mit einem Lenkrad, das eine Nabe aufweist, sowie einer Lenksäule, wobei
der Drehmomentsensor in die Nabe des Lenkrads integriert ist. Dadurch
ergibt sich eine besonders platzsparende Ausgestaltung, und der
Drehmomentsensor ist im Fahrgastraum weniger rauhen Umgebungsbedingungen
ausgesetzt. Zudem läßt sich
ein solches Lenksystem durch geringfügige Modifikation eines herkömmlichen
Lenksystems erreichen, indem lediglich die Lenkradnabe bzw. das
Lenkrad mit der Nabe ausgetauscht wird. Die übrige Lenkung kann unverändert beibehalten
werden.
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Insbesondere
ist das erste Bauteil mit dem Lenkrad und das zweite Bauteil mit
der Lenksäule drehfest
verbunden, z.B. verschraubt.
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Weiterhin
kann ein Lenkhebelschalter mit einem Gleitkontakt vorgesehen sein,
mit dem der Drehmomentsensor verbunden ist. Bei dieser Ausgestaltung
wird der ohnehin vorhandene Gleitkontakt genutzt, um den Drehmomentsensor
mit der Steuerelektronik des Fahrzeugs zu verbinden.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung mehrerer bevorzugter Ausführungsformen anhand der beigefügten Zeichnung.
In dieser zeigt:
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1 eine
Draufsicht auf einen Drehmomentsensor gemäß einer ersten Ausführungsform der
Erfindung, teilweise im Schnitt;
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2 eine
Schnittansicht des Drehmomentsensors längs der Linie II-II in 1;
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3 eine
Schnittansicht des in ein Lenksystem integrierten Drehmomentsensors
längs der Linie
III-III in 1;
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4 eine
Draufsicht auf einen Drehmomentsensor gemäß einer zweiten Ausführungsform der
Erfindung;
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5 eine
Schnittansicht des Drehmomentsensors längs der Linie V-V in 4;
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6 eine
Schnittansicht eines Drehmomentsensors gemäß einer dritten Ausführungsform der
Erfindung;
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7 eine
Seitenansicht eines Federrings, der beim erfindungsgemäßen Drehmomentsensor eingesetzt
werden kann;
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8 eine
Schnittansicht eines Drehmomentsensors mit Federring; und
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9 ein
Diagramm, das den Zusammenhang zwischen Drehmoment und Verdrehwinkel beim
erfindungsgemäßen Drehmomentsensor
zeigt.
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Die 1 bis 3 zeigen
einen Drehmomentsensor 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der
Erfindung, der zur Erfassung eines Lenkmoments in einem Kfz-Lenksystem 1 (3)
dient. Der Drehmomentsensor 10 umfaßt ein erstes Bauteil 12 sowie
ein zweites Bauteil 14, die als Gehäuseteile ausgeführt und über zwei
Kugellager 16 relativ zueinander verdrehbar angeordnet
sind (siehe insbesondere 1 und 2). Zur
Beschränkung
der Relativdrehung zwischen den Bauteilen weist das erste Bauteil 12 einen
Fortsatz 18 auf, der in einer zugehörigen, mit Übermaß ausgeführten Ausnehmung 20 des
zweiten Bauteils 14 angeordnet ist.
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Dem
durch den Fortsatz 18 und die Ausnehmung 20 gebildeten
Schloß liegt
ein am ersten Bauteil 12 angeordnetes Betätigungselement 22 gegenüber, das
als angeformter radialer Fortsatz ausgeführt ist und auf beiden Seiten
je eine sphärische
Druckfläche 24 aufweist.
Zu beiden Seiten des Betätigungselements 22 ist
am zweiten Bauteil 14 je eine Kammer 26 vorgesehen,
der jeweils ein Kolben 28 zugeordnet ist. Der Kolben 28,
der zwischen der jeweiligen Kammer 26 und der ihr zugewandten
Druckfläche 24 des Betätigungselements 22 angeordnet
ist, ist bei der gezeigten Ausführungsform
durch eine Membran 30 aus Metall gebildet, die eine Öffnung 32 in
der Wandung 33 der Kammer 26 verschließt. Die
Kammern 26 sind mit einem Fluid, insbesondere einer Hydraulikflüssigkeit
wie Öl,
gefüllt.
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Alternativ
zur gezeigten Ausgestaltung kann der Kolben 28 verschiebbar
in einer Öffnung
der Kammerwandung geführt
und z.B. mittels eines Balgs abgedichtet sein.
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An
dem dem Kolben 28 abgewandten Ende jeder Kammer 26 ist
ein Sensor 34 vorgesehen, der hier als Drucksensor ausgebildet
ist und über
eine Öffnung 36 mit
der Kammer 26 in Verbindung steht. Als Drucksensoren kommen
z.B. Sensoren in Frage, wie sie in ESP-Bremssystemen verwendet werden. Dabei
umfaßt
jeder Sensor 34 ein Elektronikmodul zur Signalformung und
Temperaturkompensation. Diese Art von Sensoren ist für verschiedene
Druckbereiche erhältlich.
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Um
in der in 1 gezeigten, relativ zueinander
unverdrehten Ausgangsstellung der Bauteile 12, 14 eine
spielfreie Anlage der Druckflächen 24 an den
Membranen 30 zu gewährleisten,
ist das Betätigungselement 22 geschlitzt
ausgeführt.
Im Inneren des Schlitzes ist eine konische Schraube 38 vorgesehen, über die
die Breite des Betätigungselements 22 und
damit der Abstand der Druckflächen 24 zueinander
variiert werden kann.
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Wie
aus 2 hervorgeht, ist eine Außenwand 40 der Kammer 26 als
Deckel mit einer gegenüber
der restlichen Wandung 33 verringerten Wandstärke ausgeführt. Durch
Variation der Dicke der Außenwand 40 kann
der Kompressionsmodul der Kammer 26 eingestellt werden.
Eine oder mehrere Öffnungen 42 dienen
dazu, die Kammer 26 mit Hydraulikflüssigkeit zu befüllen bzw.
zu leeren. Nach dem Füllen
wird eine Stahlkugel 44 in die Öffnung 42 eingepreßt, um die
Kammer 26 zu verschließen.
Zur Positionierung der Kugellager 16 ist eine Federscheibe 46 vorgesehen,
die ein unerwünschtes
Spiel zwischen den Lagern verhindert.
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Wird
nun auf das erste Bauteil 12 ein Drehmoment ausgeübt, drückt eine
der Druckflächen 24 gegen
die zugeordnete Membran 30 und verlagert so eine bestimmte
Menge der Hydraulikflüssigkeit
in die entsprechende Kammer 26. Daraus resultiert ein Druckanstieg
in der Kammer 26, der mittels des Sensors 34 direkt
gemessen wird. Umgekehrt wirkt dieser Druck auf die Membran 30 und
erzeugt eine federartige Widerstandskraft, die auf die Druckfläche 24 wirkt.
Durch die Federsteifigkeit der Membran 30 wird ebenfalls
eine Widerstandskraft auf die Druckfläche 24 erzeugt. Die
(Gesamt-)Widerstandskraft, die in einem gewissen Abstand von der
Drehachse A an der Druckfläche 24 angreift,
bewirkt ein Widerstandsdrehmoment, das im Gleichgewichtsfall gleich
dem auf das erste Bauteil 12 ausgeübten Drehmoment ist. Folglich
ist das auf das erste Bauteil 12 ausgeübte Drehmoment proportional
zu dem vom Sensor 34 gemessen Druck.
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Wie
aus 1 ersichtlich, ist der Drehmomentsensor 10 bezüglich der
Längsachse
des Betätigungselements 22 symmetrisch
aufgebaut, wobei der in der Figur obere Sensor 34 ein Signal
für ein (auf
das erste Bauteil 12 wirkendes) Drehmoment im Uhrzeigersinn
erzeugt. Der untere Sensor 34 erzeugt ein Signal für ein Drehmoment
gegen den Uhrzeigersinn.
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Bei
erhöhten
Temperaturen steigt aufgrund der Expansion des Fluids und der Kammern 26 der Druck
im Inneren beider Kammern 26. Dieser Effekt läßt sich
kompensieren, indem die Druckdifferenz zwischen beiden Kammern 26 berechnet
wird.
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In
einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung üben beide Druckflächen 24 auch
bei tiefen Temperaturen bereits in der Ausgangsstellung einen gewissen
(gleich großen)
Druck auf die beiden Kammern 26 aus. Bei einem auf das
erste Bauteil 12 wirkenden Drehmoment im Uhrzeigersinn
erhöht
sich folglich der Druck in der oberen Kammer 26, während sich
der Druck in der unteren Kammer 26 entsprechend verringert,
bei einem Drehmoment entgegen dem Uhrzeigersinn ist es umgekehrt.
Für die
Bestimmung des Drehmoments wird grundsätzlich die Druckdifferenz zwischen
beiden Kammern 26 genutzt, die insbesondere temperaturunabhängig ist.
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Wie
bereits erwähnt,
wird der erfindungsgemäße Drehmomentsensor 10 vorzugsweise
in einem Lenksystem 1 für
ein Kraftfahrzeug eingesetzt (siehe 3). Dieses
weist ein Lenkrad 2 mit einer Nabe 3 sowie eine
Lenksäule 4 auf.
Der Drehmomentsensor 10 ist in die Nabe 3 des
Lenkrads 2 integriert und daher besonders platzsparend
untergebracht. Hierzu wird das erste Bauteil 12 an mehreren
Stellen 5 mit dem Lenkrad 2 verschraubt, während das
zweite Bauteil 14 wie eine herkömmliche Lenkradnabe mit der
Lenksäule 4 verbunden
ist. Mit 6 ist ein Lenkhebelschalter bezeichnet, der einen
Gleitkontakt 7 aufweist, mit dem der Drehmomentsensor 10 über einen elektrischen
Kontakt 8 in Verbindung steht. Ein weiterer Kontakt 9 verbindet
die im Lenkrad 2 vorgesehene Elektronik (z.B. Radsteuerung
oder Airbagsteuerung) durch den Drehmomentsensor 10 hindurch
mit dem Gleitkontakt 7 des Lenkhebelschalters 6.
Ein weiterer Vorteil der Position des Drehmomentsensors 10 besteht
in der Verwendung des existierenden Gleitkontakts 7 zur
Verbindung mit der Fahrzeugsteuerelektronik.
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Die 4 und 5 zeigen
einen Drehmomentsensor 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung. Im folgenden tragen gleiche oder funktionsgleiche
Bauteile gleiche Bezugszeichen, und es wird lediglich auf die Unterschiede
zur bisher beschriebenen Ausführungsform
eingegangen.
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Beim
Drehmomentsensor 10 der 4 und 5 wird
als Sensor 34 ein Dehnmeßstreifen verwendet, der auf
der als Deckel ausgebildeten Außenwand 40 der
Kammer 26 angeordnet ist und die Druckänderung in der Kammer 26 indirekt
erfaßt.
Die Außenwand 40 ist
gegenüber
der restlichen Kammerwandung mit verringerter Wandstärke ausgeführt und
wölbt sich
daher bei einer Veränderung
des Kammerdrucks besonders stark. Der Dehnmeßstreifen ist über ein
Kabel 48 mit einer zugeordneten Leiterplatte 50 verbunden.
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6 zeigt
einen Drehmomentsensor 10 gemäß einer dritten Ausführungsform
der Erfindung, bei dem zwischen dem ersten und dem zweiten Bauteil 12, 14 anstelle
der Kugellager 16 ein Gummi-Metall-Lager 52 vorgesehen
ist. Das Gummi-Metall-Lager 52 hat sowohl in radialer als
auch in axialer Richtung eine hohe Steifigkeit, weist jedoch in
Richtung der Drehung eine geringe Steifigkeit auf.
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Falls
es nicht möglich
ist, die gewünschte Steifigkeit
des Drehmomentsensors 10 durch Einstellen des Kompressionsmoduls
der Kammern 26 zu erreichen, kann ein zusätzlicher
Federring 54 eingesetzt werden, der sich sowohl am ersten
als auch am zweiten Bauteil 12, 14 abstützt, wie
in den 7 und 8 dargestellt ist. Zu diesem
Zweck ist sowohl am ersten Bauteil 12 als auch am zweiten
Bauteil 14 ein Stift 56 angeordnet, an dem zugeordnete
Abstützflächen 58 des
Federrings 54 anliegen.
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Weist
das Betätigungselement 22 ebene Druckflächen auf,
die den Kolben 28 zugewandt sind, steigt das auf den Drehmomentsensor 10 aufzubringende
Drehmoment M langsam mit zunehmendem Drehwinkel α, die Steifigkeit des Drehmomentsensors 10 ist
in etwa konstant. Sobald die maximal mögliche relative Verdrehung
erreicht ist, die durch den Fortsatz 18 und die Ausnehmung 20 vorgegeben ist,
steigt die Steifigkeit (und somit auch das für die Verdrehung benötigte Drehmoment
M) sprunghaft an, wie die Kurve 60 in 9 illustriert.
Bei Verwendung sphärisch
ausgebildeter Druckflächen 24 vergrößert sich
der Kontaktbereich zwischen Druckfläche 24 und Membran 30 mit
zunehmender relativer Verdrehung des ersten und des zweiten Bauteils,
wodurch sich eine charakteristische Kurve 62 mit einem weichen Übergang
von geringer zu hoher Steifigkeit ergibt.
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Durch
geeignete Wahl der Einflußgrößen läßt sich
beim erfindungsgemäßen Drehmomentsensor
die Steifigkeit flexibel einstellen. Typische Werte liegen in der
Größenordnung
von 10 bis 20 Nm/deg.