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Die
Erfindung betrifft einen Kraftmessbolzen gemäß dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Kraftmessbolzen
dienen beispielsweise in landwirtschaftlichen Maschinen, wie Ackerschleppern
und Heuballenpressen, aber auch bei Industriemaschinen, wie Gabelstaplern,
zur Messung mechanischer Spannungen. Die Kraftmessbolzen werden dabei
anstelle einfacher, massiver Befestigungsbolzen in Gelenkverbindung
verwendet und sind mit einer Messanordnung versehen, mit der die
Verformung der Kraftmessbolzen und somit der mechanische Spannungszustand
von diesen erfassbar sind.
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Aus
der
DE 3004592 A1 ist
eine Messanordnung in einem Innenraum des Kraftmessbolzens bekannt,
die im Wesentlichen aus zwei Sekundärspulen und einer mittig
angeordneten Primärspule besteht, die sich auf einem gemeinsamen
Magnetkern befinden und über einen Spulenträger
im Innenraum des Kraftmessbolzens in einer solchen Weise gehalten sind,
dass diese in Wirkverbindung mit der Innenumfangswandung des Kraftmessbolzens
stehen. Nachteilig bei einem derartigen Kraftmessbolzen ist, dass dieser
aufgrund der Spulenanordnung aufwändig und teuer in der
Herstellung ist und die Festigkeit des Kraftmessbolzens aufgrund
der Aufnahme der Spurenanordnung im Innenraum verringert ist.
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Aus
der nachveröffentlichten Anmeldung
DE 10 2006 007 385 ist ein Kraftsensor
bekannt, bei dem Dehnungsmessstreifen auf einem Träger
angeordnet sind.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen einfach aufgebauten
und kostengünstig herstellbaren Kraftmessbolzen vorzusehen,
der insbesondere als Gelenkbolzen einsetzbar ist, und mit dem eine
Winkelmessung möglich ist.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Kraftmessbolzen mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
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Es
wird ein Kraftmessbolzen zum Messen von Kräften vorgesehen,
die durch mechanische Spannungen erzeugt werden, die ein Signal
in der Messanordnung hervorrufen, und der eine erste Messanordnung
aufweist, mit der die Verformung des Kraftmessbolzens erfassbar
ist. Ferner ist eine zweite Messanordnung vorgesehen, deren Messachse
in Bezug auf die Messachse der ersten Messanordnung in einem Winkel
von kleiner als 180° angestellt ist, so dass über
die Ausgangssignale der ersten und zweiten Messanordnung der Angriffswinkel der
auf den Kraftmessbolzen einwirkenden Kraft bestimmbar ist. Auf diese
Weise kann auf einen separaten Winkelsensor verzichtet werden und
somit der vorrichtungstechnische Aufwand zum Vorsehen der Messanordnung
bei einem Kraftmessbolzen verringert werden.
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Es
wird bevorzugt, wenn die erste und zweite Messanordnung Signale
ausgibt, die von der eingeleiteten Kraft abhängen, die
zwei zueinander angestellte Kraftkomponenten aufweist. Dadurch besteht eine
Richtungssensitivität, ist der Kraftmessbolzen beispielsweise
beim Hubwerk eines Ackerschleppers einsetzbar und ist die Winkelposition
des Hubwerkes zusätzlich zu den wirkenden Kräften
ermittelbar.
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Es
ist vorteilhaft, wenn die erste und zweite Messanordnung jeweils
auf eine im Wesentlichen streifenförmige Trägereinrichtung
aufgebracht ist und die Trägereinrichtungen auf einen von
0° verschiedenen Winkel zueinander angestellt sind. Die
Sensitivität der jeweiligen Messanordnung liegt in Richtung der
Trägerplatte, so dass die Winkelmessung mit hoher Messgenauigkeit
erfolgen kann.
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Ein
erfindungsgemäßer Kraftmessbolzen kann ein hülsenförmiges
Gehäuse aufweisen, das durch eine senkrecht zur Mittelachse
des Gehäuses einwirkende Kraft vorzugsweise elastisch verformbar ist.
Der Kraftmessbolzen ist somit als Gelenkbolzen verwendbar.
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Es
wird ferner bevorzugt, wenn die Trägereinrichtungen in
das hülsenförmige Gehäuse eingebracht
sind. Durch eine derartige streifenförmige Gestaltung der
Trägereinrichtung lässt sich die Messanordnung
in einfacher Weise im Kraftmessbolzen vorsehen.
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Die
Trägereinrichtung ist bevorzugt in einem Hohlraum in einem
hülsenförmigen Gehäuse befestigt, sodass
sich eine Verformung des Gehäuses auf die Trägereinrichtung überträgt,
wobei die Trägereinrichtungen in der Trägerebene richtungssensitiv
sind. Auf diese Weise kann auf eine zusätzliche mechanische
Einrichtung zur Übertragung der Kraft zur Trägereinrichtung
verzichtet werden.
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In
einer Ausführungsform weist die Trägereinrichtung
in einem Bereich, in dem ein Dehnungsmessstreifen angeordnet ist,
eine Einbuchtung auf und ist in dem Bereich der Einbuchtung zwischen
der Außenkante der Trägereinrichtung und der Innenwand
des Hohlraums ein Spalt vorhanden, sodass an den beiden entgegengesetzt
liegenden Kraft einleitenden Abschnitten der jeweiligen Messanordnung eine
definierte Kraftübertragung vom Außenumfang des
Kraftmessbolzens her möglich ist.
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Es
wird ferner bevorzugt, dass der Winkel aus einer Vektoraddition
der in die Messebene projizierten Kraftkomponenten berechnet wird,
wobei diese Berechnung bei einer 90°-Verdrehung über
trigonometrische Funktionen ermöglicht wird, so dass mit geringem
vorrichtungstechnischen Aufwand eine zuverlässige Kraftbestimmung
und eine zuverlässige Bestimmung des Winkels mittels des
erfindungsgemäßen Kraftmessbolzens möglich
ist.
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In
einer Weiterbildung sind die erste und zweite Messanordnung an einem
Stopfen zum Einsetzen in den Hohlraum in dem Gehäuse des
Kraftmessbolzens befestigt und ist in den Stopfen eine Steuerungseinrichtung
zum Auswerten der ersten und zweiten Messanordnung integriert. Auf
diese Weise kann bei geringem Außenumfang des Kraftmessbolzens
ein Signal an diesem vorgesehen werden, das zu einem räumlichen
entfernten Steuergerät mit geringem Verlust übertragbar
ist.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen
angegeben.
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Im
Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung
anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
Seitenansicht eines Ackerschleppers mit einem erfindungsgemäßen
Kraftmessbolzen,
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2 einen
Schnitt entlang der Linie A-A in 1 eines
erfindungsgemäßen Kraftmessbolzens,
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3 eine
Perspektivansicht eines erfindungsgemäßen Kraftmessbolzens,
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4 einen
Schnitt durch den erfindungsgemäßen Kraftmessbolzen
in der Ebene von 2 entsprechend einem ersten
Ausführungsbeispiel,
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5 einen
Schnitt durch den erfindungsgemäßen Kraftmessbolzen
senkrecht zur Ebene von 2 entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel,
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6 ein
Trägerelement für einen Kraftmessbolzen entsprechend
dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines Kraftmessbolzens an der
Gelenkverbindung eines Ackerschleppers entsprechend einem ersten und
zweiten Ausführungsbeispiel erläutert. Der erfindungsgemäße
Kraftmessbolzen ist jedoch keinesfalls auf derartige Verbindungen
beschränkt.
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In 1 ist
eine schematische Darstellung eines auf einem Untergrund befindlichen
Ackerschleppers 1 gezeigt, an dessen in 1 rechts
angeordneten Rückseite ein Hubwerk 2 mit einem
Pflug 4 als Anbaugerät befestigt ist. Das Hubwerk
stützt sich über eine Lenkeranordnung 6 an
der Rückseite des Ackerschleppers 1 ab. Die Lenkeranordnung 6 weist
entsprechend 1 einen Unterlenker 8 auf, der
mittels eines als Kraftmessbolzen 10 ausgebildeten Gelenkbolzens
an zwei in Bezug auf den Kraftmessbolzen 12 entgegengesetzten
Seiten angeordneten Befestigungsschenkeln 12, 14 des
Ackerschleppers befestigt ist. Der Kraftmessbolzen 12,
der in 2 detaillierter in der Draufsicht dargestellt
und in 3 in der Perspektivansicht dargestellt ist, ist mit
einer Kraftmessanordnung versehen, mittels der die Verformung des
Kraftmessbolzens aufgrund der mit unterschiedlichem Winkel von Unterlenker 8 eingeleiteten
Druck- und Zugkräfte erfasst wird. Ein der gemessenen Verformung
des Kraftmessbolzens 10 entsprechendes Signal wird über
eine Signalleitung 18 einem Steuergerät 20 zugeführt, über
das das Hubwerk 2 beispielsweise zur Regelung der Einsenktiefe
des Pfluges 4 gesteuert wird.
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Der
Bereich, in dem der Unterlenker 8 mittels des Kraftmessbolzens 10 an
den Befestigungsschenkeln 12, 14 befestigt ist,
wird unter Bezugnahme auf 2 in einem
Teilschnitt entlang der Linie A-A in 1 näher
erläutert.
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In
den Befestigungsschenkeln 12, 14 ist eine jeweilige
Aufnahmebohrung 22, 24 vorgesehen, in die der
Kraftmessbolzen 10 eingesetzt ist. Der Kraftmessbolzen 10 wird über
eine Halterung 26 mit Befestigungsmitteln 28, 30,
wobei in 2 Schrauben verwendet werden,
an den Befestigungsschenkeln 12, 14 verdrehsicher
und in vorgegebener Einsatztiefe in den Aufnahmebohrungen 22, 24 gehalten. Zwischen
den Befestigungsschenkeln 12, 14 ist der Unterlenker 8 auf
einer Kugelbuchse 32 drehbar in Bezug auf die Befestigungsschenkel 12, 14 gehalten.
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Der
Kraftmessbolzen 10 hat, wie es in 3 gezeigt
ist, ein im Wesentlichen hülsenförmiges Gehäuse 11,
an dessen einem Endabschnitt eine Aufnahmebohrung 34 zur
Aufnahme eines in 3 nicht dargestellten Stopfens
mit der Kraftmessanordnung 16 und an dessen anderen Endabschnitt
eine konische Verjüngung 36 zum Erleichtern des
Einführens des Kraftmessbolzens in die Aufnahmebohrung 22, 24 ausgebildet
ist. Am Außenumfang hat der Kraftmessbolzen 10 zwei
Ringnuten 38, 40, deren Seitenflächen
bei in die Aufnahmebohrung 22, 24 eingebrachten
Kraftmessbolzen 10 jeweils zu dem Innenumfang der Aufnahmebohrung 22, 24 bzw.
der Kugelbuchse 32 benachbart sind. Auf diese Weise wird am
Kraftmessbolzen in dem Bereich, in dem dieser die vom Unterlenker 8 aufgebrachte
Kraft aufnimmt, eine definierte Krafteinleitung in die Messanordnung im
Kraftmessbolzen 10 vorgesehen.
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Nachfolgend
wird unter Bezugnahme auf die 4 und 5 ein
Kraftmessbolzen entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung beschrieben. Sowohl der Kraftmessbolzen entsprechend
dem ersten Ausführungsbeispiel als auch der Kraftmessbolzen
entsprechend einem zweiten Ausführungsbeispiel ist in der
Außenansicht wie in den 2 und 3 gezeigt
gestaltet.
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In
der Schnittdarstellung von 4 sind Einzelheiten
zur Aufnahmebohrung 34 und der eingebrachten Kraftmessanordnung 16 dargestellt.
In der Aufnahmebohrung 34 ist ein Messwandlereinsatz 42 befestigt,
der einen Stopfen 44 und einen ersten Messwandler 46 aufweist.
Ein ebenfalls in die Aufnahmebohrung 34 eingebrachter zweiter
Messwandler 48 ist mit dem Stopfen 44 elektrisch
verbunden und leitet einer im Stopfen vorgesehenen, nicht dargestellten
Verstärkereinheit ein Messsignal zu, das zusammen mit dem
Messsignal vom ersten Messwandler 46 über die
Signalleitung 18 dem in 1 gezeigten
Steuergerät 20 zugeführt wird.
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Der
Stopfen 44 stützt sich an einen gestuften Abschnitt 50 ab,
der in eine Längsausnehmung 52 der Aufnahmebohrung 34 übergeht.
Die Längsausnehmung 52 weist radial innerhalb
der Ringnuten 38, 40 radiale Einschnürungen 54, 56 zum
Befestigen von zwei die Messwandler 46, 48 aufnehmenden Trägerplatten 58, 60 auf.
Die Trägerplatten 58, 60 sind streifenartig
ausgebildet und nehmen benachbart zur Mittelachse den ersten Messwandler 46 bzw. den
zweiten Messwandler 48 auf. Die Messwandler 46, 48 sind
bevorzugt Dehnungsmessstreifen, durch die ein zur Verformung des
Kraftmessbolzens 10 entsprechendes Messsignal in der im
Stopfen 44 untergebrachten Verstärkereinheit erzeugbar
ist. Die Messwandler 46, 48 sind auf die Trägerplatten 58, 60 auf
der Höhe der Mittelachse aufgebracht. An Bereichen der
Trägerplatte 58, 60, die in Bezug auf
die Messwandler 46, 48 radial außen liegen,
weisen die Trägerplatten 58, 60 Einbuchtungen 62, 64 auf,
wodurch zwischen der Innenwand der Längsausnehmung 52 und
der jeweiligen Trägerplatte 58, 60 ein Spalt
gebildet wird. Aufgrund dieser Einbuchtungen 62, 64 ergibt
sich eine verbesserte Einkopplung von Scherkräften in die
jeweilige Trägerplatte 58, 60 in den
Bereichen der Ringnuten 38, 40, die sich zwischen
den Befestigungsschenkeln und dem Unterlenker 8 befinden.
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Die
Ausrichtung der Trägerplatten 58, 60 ist bei
Betrachtung im radialen Schnitt um 90 Grad zueinander angestellt,
sodass durch die Messwandler 46, 48 ein Signal
erzeugbar ist, das zur eingeleiteten Kraft proportional ist, die
Komponenten in zwei zueinander senkrechten Ebenen aufweist. Aus
den durch den Messwandler 46, 48 gelieferten Signalen
kann unter Verwendung trigonometrischer Funktionen auf den Winkel
der in den Kraftmessbolzen eingeleiteten Kraft und somit auf die
Stellung des Hubwerks 2 in 1 geschlossen
werden. Durch die Messanordnung kann somit ein dem Winkel der eingeleiteten Kraft
proportionales Signal, das mit der Hubwerksstellung identisch ist,
zum Steuergerät 20 in 1 geliefert
werden. Neben den Kräften in die zwei Kraftrichtungen kann
somit auf den Winkel der eingeleiteten Kraft geschlossen werden.
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Der
in 5 gezeigten Schnittansicht des Kraftmessbolzens,
bei der die Schnittebene senkrecht zur Darstellung in 4 verläuft,
entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel kann entnommen werden,
dass die Einschnürung 54 an der ersten Trägerplatte
zwischen erstem Messwandler 46 und der Ringnut 40 in
gleicher Weise angeordnet ist wie die Einschnürung 56 in 4 zwischen
dem zweiten Messwandler 48 und der Ringnut 38.
In 5 ist der Kontaktierungsabschnitt 66, über
den zumindest der erster Messwandler 46 mit der Verstärkereinheit
im Stopfen in Verbindung steht, lediglich beispielhaft wiedergegeben.
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Um
einen Kraftmessbolzen 10 mit geringerem Herstellungsaufwand
fertigen zu können, kann es günstiger sein, die
erste Trägerplatte 58 und die zweite Trägerplatte 60 einstückig
vorzusehen, sodass die Messwandleranordnung 16 am Stopfen 44 einstückig
in die Aufnahmebohrung 34 einbringbar ist. Eine Möglichkeit
des einstückigen Vorsehens der Trägerplatten 58 und 60 ist
in 6, die sich auf ein zweites Ausführungsbeispiel
bezieht, dargestellt.
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Die
Trägerplatte 70 des Kraftmessbolzens entsprechend
dem zweiten Ausführungsbeispiels weist einen tordierten
Bereich 72 auf, der sich zwischen Trägerplattenabschnitten 74, 76 befinden,
die in ihrer Funktion der ersten Trägerplatte 58 und
der zweiten Trägerplatte 60 des ersten Ausführungsbeispiels,
entsprechen. Wie beim Kraftmessbolzen beim ersten Ausführungsbeispiel
befindet sich zwischen den Einbuchtungen 62, 64 an
den Trägerplattenabschnitten 74, 76 ein
jeweiliger Messwandler 46, 48. Da somit auch beim
zweiten Ausführungsbeispiel sowohl die Messwandler 46, 48 als
auch die Einbuchtungen 62, 64 im Bereich der Ringnuten 38, 40 an
der Außenfläche des Kraftmessbolzens zwischen
dem Unterlenker 8 und einem jeweiligen Befestigungsschenkel
vorgesehen sind, können die Kräfte gleichermaßen
auf beide Messzonen verteilt werden. Wenn zum Beispiel das Hubwerk 2 waagrecht
steht, beispielsweise in 4 senkrecht zur Betrachtungsebene,
so wird durch den Messwandler 48 ein Signal von 100 Prozent
und durch den Messwandler 46 ein Signal von 0 Prozent erzeugt.
Bei einer Auslenkung des Hubwerkes um 90 Grad, sodass die Kraftrichtung in
der Betrachtungsebene in 4 liegt, wird durch den Messwandler 48 ein
Signal von 0 Prozent erzeugt und durch den Messwandler 46 ein
Signal von 100 Prozent. Auf diese Weise können zwei Sensoren für
unterschiedliche Messaufgaben in einem Sensor des Kraftmessbolzens
integriert werden und lediglich ein Messsystem vorgesehen werden,
wodurch im Vergleich zum Stand der Technik auf einen separat angebauten
Winkelsensor zum Erfassen der Stellung des Hubwerks verzichtet werden
kann.
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Bei
der vorliegenden Erfindung ist das Anbringen des Messwandlers 46, 48 nicht
auf das Vorsehen von diesem an einer der Seiten der Trägerplatten 58, 60 beschränkt,
sondern kann ein jeweiliger Messwandler an jeder der zwei entgegengesetzten Stirnflächen 58, 60 vorgesehen
sein.
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Darüber
hinaus sind die Messwandler 46, 48 nicht auf Dehnungsmessstreifen
beschränkt, sondern es kann eine beliebige Messanordnung,
die eine mechanische Spannung misst, verwendet werden. Für
die Messung kann beispielsweise Ultraschall eingesetzt werden oder
können Spannseiten zur Anwendung kommen.
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Es
wird somit ein Kraftmessbolzen zum Messen von mechanischen Spannungen
vorgesehen, der durch eine einwirkende Kraft verformbar ist und der eine
erste Messanordnung aufweist, mit der die Verformung des Kraftmessbolzens
erfassbar ist. Ferner ist eine zweite Messanordnung vorgesehen,
die in Bezug auf die erste Messanordnung in einem Winkel von kleiner
als 180° angestellt ist, sodass über die Ausgangssignale
der ersten und zweiten Messanordnung der Winkel der eingeleiteten
Kraft bestimmbar ist. Auf diese Weise kann auf einen separaten Winkelsensor
verzichtet werden und somit der vorrichtungstechnische Aufwand zum
Vorsehen der Messanordnung bei einem Kraftmessbolzen verringert
werden.
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- 1
- Ackerschlepper
- 2
- Hubwerk
- 4
- Pflug
- 6
- Lenkeranordnung
- 8
- Unterlenker
- 10
- Kraftmessbolzen
- 11
- Gehäuse
- 12
- Befestigungsschenkel
- 14
- Befestigungsschenkel
- 16
- Kraftmessanordnung
- 18
- Signalleitung
- 20
- Steuergerät
- 22
- Aufnahmebohrung
- 24
- Aufnahmebohrung
- 26
- Halterung
- 28
- Befestigungsmittel
- 30
- Befestigungsmittel
- 32
- Kugelbuchse
- 34
- Aufnahmebohrung
- 36
- konische
Verjüngung
- 38
- Ringnut
- 40
- Ringnut
- 42
- Messwandlereinsatz
- 44
- Stopfen
- 46
- erster
Messwandler
- 48
- zweiter
Messwandler
- 50
- gestufter
Abschnitt
- 52
- Längsausnehmung
- 54
- Einschnürung
- 56
- Einschnürung
- 58
- erste
Trägerplatte
- 60
- zweite
Trägerplatte
- 62
- Einbuchtung
- 64
- Einbuchtung
- 66
- Kontaktierungsabschnitt
- 70
- Trägerplatte
- 72
- tordierter
Bereich
- 74
- Trägerplattenabschnitt
- 76
- Trägerplattenabschnitt
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 3004592
A1 [0003]
- - DE 102006007385 [0004]