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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung von Relativbewegungen
von Fahrwerkskomponenten, ein Verfahren zur Erfassung von Relativbewegungen
von Fahrwerkskomponenten, ein Fahrwerk mit einem Fahrwerkssensor
sowie eine Verwendung für einen 3D-Hallsensor. Der erfindungsgemäße
Fahrwerkssensor weist einen Signalgeber, der sich auf einer ersten
Fahrwerkskomponente befindet, und einen Signalempfänger,
der sich auf einer zu der ersten Fahrwerkskomponente relativ bewegbaren zweiten
Fahrwerkskomponente befindet, auf.
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In
modernen Fahrzeugen, z. B. bei Fahrzeugen mit Xenon-Scheinwerfern,
ist eine Leuchtweitenregulierung vorgeschrieben, die das Nicken
des Fahrzeugs kompensiert. Es ist bekannt, den Einfederungswinkel
der Fahrwerkskomponenten mittels Sensoren zu erfassen und die Scheinwerfereinstellung über
Aktuatoren anzupassen.
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Darüber
hinaus sind moderne Fahrzeuge häufig mit Fahrdynamikregelsystemen
ausgestattet, die anhand des Fahrzeugzustandes selektiv in das Brems-
und/oder Lenksystem eingreifen, um das Fahrzeug in Gefahrensituationen
auf dem Kurs zu halten. Für die vorgenannten Anwendungen
ist es erforderlich, den aktuellen statischen sowie dynamischen
Zustand des Fahrwerks zu erfassen und einer Steuerungs- oder Regeleinheit
zuzuführen.
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Weiterhin
sind häufig nicht nur der Einfederungszustand beispielsweise
eines Querlenkers interessant, sondern auch sich durch Fahrkräfte
oder Verschleiß ergebende weitere Bewegungen des Fahrwerks.
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Aus
der
DE 19 733 719
C1 ist ein Fahrzeugniveaugeber und ein Verfahren zur Montage
eines Fahrzeugniveaugebers bekannt. Der Fahrzeugniveaugeber weist
zwei zueinander beweglich angeordnete, miteinander über
ein Kugelgelenk verbundene Bauteile auf, deren Lageänderung
zueinander durch einen magnetoresistiven Sensor bestimmbar ist,
der aus einem magnetempfindlichen Fühler in dem ersten
Bauteil und einem in dem zweiten Bauteil gegenüberliegend
angeordneten Permanentmagneten besteht. Der Permanentmagnet ist
in ein Kunststoffteil eingebettet, wobei das Kunststoffteil in das zweite
Bauteil einsteckbar, drehbar gelagert und in einer ausgewählten
Stellung fixierbar ist.
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EP 0 617 260 B1 offenbart
einen Fahrzeugniveaugeber mit zwei zueinander beweglich angeordneten
und miteinander verbundenen Bauteilen, wobei das eine Bauteil mit
dem Fahrzeugchassis und das andere Bauteil mit der Radaufhängung
verbunden ist, und mit einer Messeinrichtung zur Bestimmung der
Lageänderung zwischen den Bauteilen. Die Messeinrichtung
ist ein magnetoresistiver Sensor, der aus einem magnetfeldempfindlichen
Fühler besteht, und einem Permanentmagneten, wobei der magnetfeldempfindliche
Fühler und der Permanentmagnet sich gegenüberliegend
in dem oberen Scheitelpunkt eines Kugelkopfes des Kugelgelenks und
im Bereich unterhalb des Scheitelpunktes der Öffnung der
Kugelpfanne angeordnet sind.
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EP 1 503 912 B1 offenbart
ein Gummilager mit Einfederungssensor. Mindestens ein Sensor ermittelt
die Verdrehung, Verschwenkung und/oder Verschiebung der durch das
Lager miteinander verbundenen Fahrzeugteile. Der Sensor kann ein
Magnetfeldsensor sein.
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Aus
der
WO 2005/021298 ist
ein elastisches Lager bekannt, das mindestens eine magnetische Messvorrichtung
aufweist. Die magnetische Messvorrichtung besteht aus einem Sensor,
der empfindlich für das magnetische Feld entlang einer
Achse des Sensors ist und einer Magnetquelle, die gegenüber
dem Sensor beweglich angeordnet ist.
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Aus
der
WO 03/052284 ist
ein Kugelgelenk für ein Kraftfahrzeug bekannt, an welchem
wenigstens ein elektronisches Bauelement angeordnet ist. Weiterhin
kann ein Sensor vorgesehen sein, der den Zustand des Kugelgelenks,
also die aktuelle Auslenkung und/oder Verdrehung des Kugelzapfens
gegenüber dem Kugelgelenkgehäuse, erfassen kann.
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Weiterhin
ist in der
WO03/08819
A1 ein Kugelgelenk mit integriertem Winkelsensor offenbart, der
aus wenigstens zwei Feldsensoren besteht.
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Die
aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen haben einerseits
den Nachteil, dass sie meist hoch integriert mit den Fahrwerkskomponenten,
z. B. als Bestandteil von Gelenken oder Lagern, ausgebildet sind.
Die entsprechenden Bauteile sind aufwändiger zu konstruieren
und teurer in der Fertigung und Wartung. Darüber hinaus
muss für jedes Fahrzeug ein eigenständiges Messsystem
entwickelt werden, was die Entwicklungskosten zusätzlich in
die Höhe treibt. Ein weiterer Nachteil der aus dem Stand
der Technik bekannten Vorrichtungen ist, dass pro Sensor lediglich
ein Freiheitsgrad erfassbar ist. Sollen mehr Freiheitsgrade erfasst
werden, ist für jeden weiteren Freiheitsgrad wenigstens
ein weiterer Sensor erforderlich, der die Gesamtkosten der Sensorik
steigen lässt. Die in den Gelenken oder Lagern integrierten
Sensoren sind darüber hinaus hinsichtlich der möglichen
erfassbaren Daten beschränkt. Es können nur solche
Werte erfasst werden, die die Rotation um einen Drehpunkt des Lagers
oder Gelenks betreffen. Oftmals ist der Bauraum ziemlich eingeschränkt
und es ist daher gar nicht möglich, eine entsprechende
Anzahl von Sensoren und Magneten zu verbauen.
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Es
ist daher die Aufgabe der Erfindung, die sich aus dem Stand der
Technik ergebenden Nachteile zu überwinden und einen Fahrwerkssensor
anzugeben, der günstig herstellbar, einfach montierbar und
nachrüstbar ist und der die Erfassung aller erforderlichen
Informationen in einem Element ermöglicht.
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Die
Aufgabe wird gelöst durch einen Fahrwerkssensor gemäß dem
Anspruch 1, ein Verfahren zur Erfassung von Relativbewegungen von
Fahrwerkskomponenten gemäß dem Anspruch 7, eine Fahrwerk
gemäß dem Anspruch 9 sowie eine Verwendung eines
3D-Hallsensors gemäß dem Anspruch 10.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erfassung von
Relativbewegungen von Fahrwerkskomponenten weist einen Signalgeber,
der sich auf einer ersten Fahrwerkskomponente befindet, und einen
Signalempfähnger, der sich auf einer zu der ersten Fahrwerkskomponente
relativ bewegbaren zweiten Fahr-werkskomponente befindet, auf. Der
Signalempfänger ist dabei so ausgebildet, dass die relative dreidimensionale
Lage des Signalgebers zum Signalempfänger erfassbar ist.
Damit wird der Vorteil erreicht, dass mit nur einem Signalempfänger
und einem Signalgeber die vollständige relative dreidimensionale
Lage des Signalgebers zum Signalempfänger und damit die
relative dreidimensionale Lage der Fahrwerkskomponenten zueinander
erfassbar ist. Der Signalgeber und der Signalempfänger
können somit sehr kompakt ausgebildet werden. Dies ermöglicht
sowohl Kosten- als auch Bauraumvorteile.
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Vorteilhafterweise
wird die vollständige relative dreidimensionale Lage mit
einem einzigen Signalempfänger erfasst. Dies ermöglicht
weitere Bauraumvorteile.
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Vorteilhafterweise
umfassen der Signalgeber einen Magneten und der Signalempfänger
einen 3D-Hallsensor. 3D-Hallsensoren haben sich als Signalempfänger
bewährt und sind zuverlässig und kostengünstig
herstellbar.
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Vorteilhafterweise
sind der Signalgeber und der Signalempfänger in je einem
an der jeweiligen Fahrwerkskomponente befestigbaren Gehäuse
angeordnet. Dies ermöglicht, den Signalgeber und den Signalempfänger
von außen an den jeweiligen Fahrwerkskomponenten zu befestigen.
Damit wird die Wartbarkeit verbessert und ein Nachrüsten
der Vorrichtung bei bereits existierenden Fahrwerken ermöglicht.
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Signalempfänger
und Signalgeber werden vorteilhafterweise ausserhalb der Lagerung
der Fahrwerkskomponenten angeordnet. Dies ermöglicht eine
einfachere Wartung der Sensorik und die Lagerung einfacher zu konstruieren
und reduziert die Wartungskosten für die Lagerung.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn der Signalgeber und der Signalempfänger
in einem Ruhezustand des Fahrwerks derart zueinander ausgerichtet sind,
dass eine Mittelachse des Signalgebers und eine Mittelachse des
Signalempfängers zumindest nahezu zusammenfallen, wobei
der Abstand von Signalempfänger zu Signalgeber zwischen
2 mm und 50 mm beträgt. In dieser Anordnung bewirkt eine Auslenkung
des Fahrwerks eine besonders hohe Änderung der Signalstärke
und ein besonders zuverlässiges Messsignal. Außerdem
ist die Auslenkung der Fahrwerkskomponenten in beiden Richtungen gleichberechtigt.
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Vorteilhafterweise
ist der Magnet derart angeordnet, dass die Nord-Süd-Erstreckung
des Magneten senkrecht zu der gemeinsamen Mittelachse von Signalgeber
und Signalempfänger steht. Dies optimiert die Signaländerung
bei Auslenkungen des Fahrwerks weiter.
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Vorteilhafterweise
ist eine mit dem Signalempfänger verbundene Auswerteeinheit
vorgesehen, die die relative dreidimensionale Lage des Signalgebers
zum Signalempfänger und/oder die zeitliche Änderung
und/oder die örtliche Änderung der relativen dreidimensionalen
Lage des Signalgebers zum Signalempfänger erfasst. Es ist
denkbar, dass verschiedene relative Lagen von Signalgeber zu Signalempfänger
dasselbe Signal im Signalempfänger erzeugen. Durch Auswertung
der zeitlichen Änderung kann jedoch in jedem Fall eine
eindeutige Lagebestimmung erreicht werden. Die zeitliche Änderung kann
unter anderem als zeitliche Ableitung des Signals oder als Differenzenquotient
erfasst werden, beispielsweise mittels prozessorgestützter
Auswertung.
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Ein
weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Erfassung
von Relativbewegungen von Fahrwerkskomponenten mittels eines Signalgebers,
der sich auf einer ersten Fahrwerkskomponente befindet, und eines
Signalempfängers, der sich auf einer zu der ersten Fahrwerkskomponente
relativ bewegbaren zweiten Fahrwerkskomponente befindet. Die relative
dreidimensionale Lage des Signalgebers zum Signalempfänger
wird mittels des Signalempfängers erfasst. Damit ist es
möglich, mit nur einem Signalgeber und einem Signalempfänger
die vollständige relative Lage der beiden Bauteile zueinander
zu erfassen und damit eine möglichst vollständige
Aussage über den Fahrwerkszustand des Fahrzeuges zu erhalten.
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Vorteilhafterweise
wird die örtliche und/oder die zeitliche Änderung
der relativen dreidimensionalen Lage des Signalgebers zum Signalempfänger
erfasst. Damit ist es möglich, sowohl die relative dreidimensionale
Lage als auch die örtliche bzw. zeitliche Veränderung
der relativen dreidimensionalen Lage der beiden Bauteile zueinander
festzustellen. Damit können dynamische Fahrwerksvorgänge
erfasst werden.
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Ein
weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Fahrwerk, aufweisend eine
Vorrichtung zur Erfassung von Relativbewegungen von Fahrwerkskomponenten,
die gemäß der vorbeschriebenen Vorrichtung aufgebaut
ist.
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Der
letzte Gegenstand der Erfindung betrifft die Verwendung eines 3D-Hallsensors
zur Erfassung von Relativbewegungen von Fahrwerkskomponenten.
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Anhand
der Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend eingehend erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Ausschnitts aus einem Fahrwerk mit
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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2 eine
schematische Darstellung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung in einer Detailansicht,
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3 eine
schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen
Signalgebers in einer Explosionsdarstellung,
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4 eine
schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen
Signalempfängers in einer Explosionsdarstellung,
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5 einen
Ausschnitt aus einem Fahrwerk mit einer alternativen Ausführungsform
der Erfindung,
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6 eine
schematische Darstellung eines 3D-Hallsensors,
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7 eine
Darstellung des Feldes und Sensorelements in einer ersten räumlichen
Ausrichtung und
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8 eine
Darstellung des Feldes am Sensorelement in einer zweiten räumlichen
Ausrichtung.
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Aus
der Darstellung gemäß 1 ist ein Ausschnitt
aus einem Fahrwerk 1 mit einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung 2 ersichtlich. Das Fahrwerk 1 weist
eine erste Fahrwerkskomponente 3 und eine zweite Fahrwerkskomponente 4 auf.
Die erste Fahrwerkskomponente 3 und die zweite Fahrwerkskomponente 4 sind
mittels eines Lagers 5 miteinander verbunden.
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An
der ersten Fahrwerkskomponente 3 ist ein Signalgeber 6 angebracht.
An der zweiten Fahrwerkskomponente 4 ist ein Signalempfänger 7 angebracht.
Der Signalempfänger 7 ist mittels eines Kabels 8 zur
Stromversorgung und zur Signalübertragung mit einer nicht
dargestellten Auswerteeinheit verbunden.
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Mittels
des Lagers 5 können die beiden Fahrwerkskomponenten 3, 4 um
eine Rotationsachse 9 (gestrichelt dargestellt) rotieren.
Zusätzlich zu der Bewegung um die Rotationsachse 9 kommt
es aufgrund der Elastizität der verwendeten Materialien und
des in dem Lager 5 vorhandenen Spiels auch zu Torsinnen
um eine erste Torsionsachse 10 und um eine zweite Torsionsachse 11.
Derartige Torsinnen treten insbesondere bei Kurvenfahrten und bei
Lastwechseln auf. Zur Erfassung des Zustandes des Fahrwerks ist
es wichtig, auch derartige Torsinnen um die erste Torsionsachse 10 und
um die zweite Torsionsachse 11 festzustellen. So kann eine
fahrzeuginterne Steuerungseinheit zum einen Aussagen über
die Belastung der jeweiligen Fahrwerkskomponenten treffen und darüber
hinaus Aussagen über den Verschleißzustand des
Lagers 5 treffen, wenn im Laufe der Zeit die durchschnittliche
Torsion um die erste Torsionsachse 10 anwächst.
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Der
Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung 2 wird
in den folgenden Figuren eingehender erläutert.
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Die 2 zeigt
den erfindungsgemäßen Signalgeber 6 und
den erfindungsgemäßen Signalempfänger 7 in
einer Detailansicht. Die Ausrichtung von Signalgeber 6 und
Signalempfänger 7 gemäß 2 entspricht
im Wesentlichen der Ausrichtung der beiden Bauteile 6, 7 in
montiertem Zustand. Der Abstand zwischen Signalgeber 6 und
Signalempfänger 7 beträgt ungefähr
20 mm. Der Signalgeber 6 weist einen Magneten 12 auf,
der in einer Halterung 13 befestigt ist. Die Halterung 13 kann
auch als Gehäuse ausgebildet sein.
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Die
gestrichelte Linie 14 stellt die Mittelachse des Signalgebers 6 dar.
Die Mittelachse 14 verläuft durch den Flächenmittelpunkt
der in 2 sichtbaren Oberfläche des Magneten 12.
Die Mittelachse 15 verläuft durch den in 2 nicht
sichtbaren Flächenmittelpunkt eines Sensors des Signalempfängers 7. Die
Mittelachsen 14 und 15 fallen in diesem Ausführungsbeispiel
zusammen. Der Magnet 12 ist relativ zu der Mittelachse 14 derart
angeordnet, dass die Richtung der Nord-Süd-Erstreckung 16 senkrecht
zur Mittelachse 14 verläuft.
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Die
Sensorik des Signalempfängers 7 ist in einem Gehäuse 17 untergebracht.
Der genauere Aufbau des Signalempfängers 7 wird
in 4 eingehender dargestellt.
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Die 3 zeigt
eine vergrößerte Darstellung des Signalgebers 6 in
einer Explosionsdarstellung. Gemäß dem hier dargestellten
Ausführungsbeispiel ist der Signalgeber 6 aus
zwei Bauteilen zusammengesetzt und besteht aus einer Halterung 13,
die beispielsweise im Spritzgießverfahren aus Kunststoff hergestellt
werden kann, und dem Magneten 12, der in eine dafür
vorgesehene Vertiefung 18 eingesetzt wird. Der Magnet 12 kann
in die Vertiefung 18 unter anderem eingeklebt werden oder
formschlüssig eingesetzt sein. Der Signalgeber 6 wird
mittels eines Lochs 19 an der entsprechenden Fahrwerkskomponente 3 montiert.
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4 zeigt
den Aufbau des Signalempfängers 7 in einer Explosionsdarstellung.
In das Gehäuse 17 wird eine mit dem Kabel 8 verbundene
Platine 20 eingesetzt. Das Gehäuse 17 wird
rückwärtig mittels eines Deckels 21 verschlossen.
Alternativ ist es möglich, die Platine 20 zu vergießen.
Auf der Platine 20 sind elektronische Bauteile 22 sowie
ein 3D-Hallsensor 23 untergebracht. Wie bereits in 2 erwähnt,
befindet sich der 3D-Hallsensor 23 im unteren Bereich des
Gehäuses 17, sodass die in 2 dargestellte
Mittelachse 15 des Signalempfängers 7 sich im
unteren Bereich des Gehäuses 17 befindet.
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Der
Signalempfänger 7 wird mittels der Löcher 24 an
der betreffenden Fahrwerkskomponente 4 befestigt. Andere
Befestigungsarten, z. B. Kleben oder Einrasten sind ebenfalls denkbar.
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5 zeigt
ein zu dem zuvor in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel
alternatives Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zu dem
in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind
die Positionen von Signalgeber 24 und Signalempfänger 25 bezüglich
der ersten Fahrwerkskomponente 3 und der zweiten Fahrwerkskomponente 4 getauscht.
Prinzipiell ist die Anordnung von Signalgeber 6 und Signalempfänger 7 an
dem Fahrwerk 1 beliebig. Die Anordnung wird in der Praxis
so gewählt, dass der Signalempfänger 7 leicht
mittels des Kabels 8 kontaktiert werden kann.
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6 zeigt
eine schematische Darstellung des 3D-Hallsensors 23. Der
Einsatz von 3D-Hallsensoren ist für die erfindungsgemäße
Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren
besonders vorteilhaft, da 3D-Hallsensoren auf nur einer Platine
die dreidimensionale Erfassung eines Magnetfeldes ermöglichen.
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Der
3D-Hallsensor 23 umfasst direkt zueinander benachbart angeordnete
Einzelsensorelemente 26, von denen je ein Sensorelement
für die Erfassung eines Magnetfeldes in eine Raumrichtung
zuständig ist. Das anliegende Magnetfeld wird somit mittels
seiner vektoriellen Einzelkomponenten erfasst. Durch vektorielle
Addition kann im Anschluss in einer Auswerteeinheit der Magnetfeldvektor
am Ort des Sensorelements 23 rekonstruiert werden.
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Die 7 und 8 dienen
zur Verdeutlichung des Erfassungsprinzips der relativen dreidimensionalen
Position des Signalgebers 6, 24 zu dem Signalempfänger 7, 25.
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7 zeigt
dabei eine Darstellung des Magnetfeldes 27 am 3D-Hallsensor 23 in
einer ersten relativen Ausrichtung der Bauteile 12, 23 zueinander. Der
Abstand zwischen Magnet 12 und 3D-Hallsensor 23 ist
hierbei relativ groß und damit das Magnetfeld 27 am
3D-Hallsensor 23 relativ klein. Das Magnetfeld wird durch
den Magnetfeldvektor 27 repräsentiert.
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8 zeigt
eine Darstellung des Feldes 27' am 3D-Hallsensor 23 in
einer zweiten räumlichen Ausrichtung der Bauteile zueinander 12, 23.
Der Abstand zwischen Magnet 12 und 3D-Hallsensor 23 ist hierbei
kleiner als in der in 6 dargestellten Anordnung. Die
Feldstärke des Magnetfeldes am 3D-Hallsensor 23 ist
dadurch gestiegen, wie durch den längeren Magnetfeldvektor 27' dargestellt.
Der Zusammenhang von Stärke und Richtung des Magnetfeldes 27, 27' repräsentiert
somit die relative Ausrichtung von Signalgeber 6, 24 zu
Signalempfänger 7, 25.
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Die
Auswertung des Magnetfeldes 27, 27' mittels des
3D-Hallsensors 23 in einer in den Ausführungsbeispielen
nicht dargestellten Auswerteeinheit kann sowohl die statischen Magnetfelder
als auch die dynamischen Magnetfelder erfassen.
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- 1
- Fahrwerk
- 2
- Vorrichtung
- 3
- Erste
Fahrwerkskomponente
- 4
- Zweite
Fahrwerkskomponente
- 5
- Lager
- 6
- Signalgeber
- 7
- Signalempfänger
- 8
- Kabel
- 9
- Rotationsachse
- 10
- Erste
Torsionsachse
- 11
- Zweite
Torsionsachse
- 12
- Magnet
- 13
- Halterung
- 14
- Mittelachse
Signalgeber
- 15
- Mittelachse
Signalempfänger
- 16
- Nord-Süd-Erstreckung
- 17
- Gehäuse
- 18
- Vertiefung
- 19
- Loch
- 20
- Platine
- 21
- Deckel
- 22
- Elektronische
Bauelemente
- 23
- 3D-Hallsensor
- 24
- Signalgeber
- 25
- Signalempfänger
- 26
- Einzelsensorelemente
- 27
- Magnetfeld
am Signalempfänger
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19733719
C1 [0005]
- - EP 0617260 B1 [0006]
- - EP 1503912 B1 [0007]
- - WO 2005/021298 [0008]
- - WO 03/052284 [0009]
- - WO 03/08819 A1 [0010]