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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bremseinrichtung für ein Fahrzeug, welche mittels eines Elektromotors aktivierbar ist sowie ein Verfahren zur Berechnung eines Bremsmoments der Bremseinrichtung.
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In jüngster Zeit werden in Fahrzeugen verstärkt Bremseinrichtungen eingesetzt, welche mit einem Elektromotor betrieben werden. Dies kann sowohl bei einer Parkbremse als auch bei einer Betriebsbremse des Fahrzeugs eingesetzt werden. Die Radbremsen der Bremseinrichtung werden dabei mittels eines oder mehrerer Elektromotore betätigt bzw. freigegeben. Ein dadurch abgegebenes Bremsmoment kann z.B. mittels eines Bremsmomentsensors bzw. eines Kraftsensors an der Radbremse erfasst werden. Derartige Sensoren sind jedoch sehr teuer. Bei einer mittels Elektromotor betriebenen Parkbremse wurde ferner vorgeschlagen, den Bremsaktuator genügend lange zu betätigen, um sicher eine maximale Zuspannkraft an der Radbremse aufzubringen. Somit wird die Radbremse immer mit dem maximal möglichen Bremsmoment beaufschlagt. Dies führt jedoch zu sehr hohen Beanspruchungen der Bauteile und zu einem hohen Verschleiß, wodurch die Lebensdauer reduziert wird. Ferner wurde vorgeschlagen, das Bremsmoment anhand von Messgrößen am Elektromotor zu ermitteln. Diese Ermittlung des Bremsmoments anhand von Messgrößen am Elektromotor hat jedoch den großen Nachteil, dass sich über die Betriebsdauer der Radbremse aufgrund von Verschleißerscheinungen, Temperaturschwankungen, Getriebewirkungsgraden oder dem Reibwert der Bremsbeläge Änderungen auftreten, so dass eine derartige Berechnung sehr ungenau ist.
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Die
DE 103 02 515 A1 offenbart eine elektromechanische Bremseinrichtung für ein Fahrzeug und ein Verfahren zur Berechnung eines Bremsmoments.
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Vorteile der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Bremseinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass sie eine genauere Berechnung eines abgegebenen Bremsmoments ermöglicht. Dabei kann diese genauere Berechnung durch einen vereinfachten und kostengünstigen Aufbau der Bremseinrichtung erreicht werden. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Bremseinrichtung eine Vorrichtung zur Abgabe eines vorbestimmten mechanischen Prüfmoments aufweist. Somit wird durch diese Vorrichtung bei einer Betätigung der Bremseinrichtung sichergestellt, dass ein vorgegebenes mechanisches Prüfmoment überwunden wird. Dadurch kann ein Arbeitspunkt auf einer Drehmoment/Stromkennlinie des Elektromotors vorgegeben werden. Somit kann mit einer wesentlich größeren Genauigkeit ein reales Zuspannmoment einer Radbremse berechnet werden, wobei zur Berechnung wenigstens noch eine Messgröße des Elektromotors verwendet wird. Das Überwinden des Prüfmoments wird vorzugsweise anhand von Änderungen bei einer oder mehreren Motorkenngrößen erfasst.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Vorzugsweise ist die Messgröße des Elektromotors, welche zur Berechnung eines Bremsmoments hinzugezogen wird, ein Motorstrom und/oder eine Motorspannung und/oder ein Motordrehwinkel und/oder eine Motorwinkelgeschwindigkeit und/oder eine Motortemperatur. Derartige Messgrößen können einfach und kostengünstig bereitgestellt werden. Vorzugsweise werden hierbei mehrere bzw. alle oben genannten Messgrößen zur Berechnung des Bremsmoments verwendet, wodurch eine genauere Berechnung ermöglicht wird.
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Weiter bevorzugt umfasst die Vorrichtung zur Vorgabe eines mechanischen Prüfmoments einen gefederten Bolzen und ein an einem Aktuator zwischen dem Elektromotor und der Radbremse angeordneten Nocken. Der gefederte Bolzen ist dabei ortsfest, beispielsweise an einem Gehäusebauteil der Bremse, angeordnet und der Nocken wird bei einer Betätigung des Elektromotors mitsamt dem Aktuator bewegt und läuft gegen den gefederten Bolzen auf. Hierbei muss der Nocken dann den durch die Federkraft am gefederten Bolzen aufgebrachten Widerstand überwinden. Die Überwindung dieses Prüfmoments zeichnet sich in den am Elektromotor messbaren Größen ab. Der Strom ist proportional zum Motormoment und bildet das Prüfmoment ab, der zugehörige Drehwinkel ergibt die Motorposition. Wenn der Nocken den federbelasteten Bolzen überwindet, kann die Vorrichtung zur Vorgabe eines mechanischen Prüfmoments zusätzlich ein Signal an ein Steuergerät abgeben, so dass dem Steuergerät mitgeteilt wird, dass das vorgegebene mechanische Prüfmoment überwunden wurde. Dadurch ist ein Punkt auf der Kennlinie bekannt, so dass eine genauere Berechnung des Bremsmoments ermöglicht wird.
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Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Vorrichtung zur Vorgabe eines mechanischen Prüfmoments einen Biegebalken bzw. Federstab sowie ein am Verbindungselement angeordneten Nocken, welcher gegen den Biegebalken aufläuft. Ebenfalls, nachdem der Nocken den Biegebalken überwunden hat, wird ein Signal an das Steuergerät ausgegeben. Der Biegebalken ist dabei derart aufgebaut, dass er sich selbsttätig wieder in seine Ausgangsstellung zurückstellt.
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Weiter bevorzugt führt der zwischen dem Elektromotor und der Radbremse angeordnete Aktuator eine rotatorische Bewegung oder eine translatorische Bewegung aus. Für eine rotatorische Bewegung ist das Verbindungselement beispielsweise als Spindel ausgelegt und für eine translatorische Bewegung ist das Verbindungselement beispielsweise als Zahnstange oder als Kolbenstange ausgebildet.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst die Vorrichtung zur Vorgabe eines mechanischen Prüfmoments einen Mikroschalter. Der Mikroschalter wird betätigt, wenn der Aktuator das vorgegebene mechanische Prüfmoment überwunden hat.
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Besonders bevorzugt ist die Vorrichtung zur Vorgabe eines mechanischen Prüfmoments derart ausgelegt, dass sie in beide Betätigungsrichtungen des Aktuators, d.h., beim Zuspannen und Lösen, funktioniert.
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Die Bremseinrichtung ist vorzugsweise eine elektromechanische Bremse, welche als Park- und/oder Betriebsbremse ausgelegt sein kann, oder eine sich selbstverstärkende elektrisch betriebene Keilbremse.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Berechnung eines Bremsmoments an einer mittels eines Elektromotor betätigbaren Bremseinrichtung eines Fahrzeugs ermöglicht ein einfaches und genaueres Bestimmen eines Bremsmoments. Das Bremsmoment wird hierzu erfindungsgemäß basierend auf wenigstens einer Messgröße des Elektromotors und einem vorgegebenen mechanischen Prüfmoment geschätzt. Durch das Signal der Vorrichtung zur Vorgabe eines mechanischen Prüfmoments wird für das Steuergerät ein zusätzlicher Indikator zur Verfügung gestellt, wenn die Bremseinrichtung das mechanische Prüfmoment überwindet. Das Steuergerät kann somit noch sicherer und genauer den Prüfzeitpunkt erfassen, was die Genauigkeit der Berechnung von Motorposition, Aktuatorposition und der Lage des Prüfpunktes auf der Drehmoment/Motorstromkennlinie des Elektromotors erhöht. Die Überschreitung der Prüfstelle bildet sich zunächst in den am Motor messbaren Größen ab und kann vom Steuergerät hinsichtlich Moment und Motorposition ausgewertet werden. Somit kann ein realer Punkt auf einer Drehmoment/Motorstromkennlinie des Elektromotors erfasst werden.
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Zusätzlich gibt die Vorrichtung zur Vorgabe eines mechanischen Prüfmotors vorzugsweise noch ein Signal für den Prüfzeitpunkt ab.
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Weiter bevorzugt sind mehrere Vorrichtungen zur Vorgabe eines mechanischen Prüfmoments vorgegeben, so dass durch das erfindungsgemäße Verfahren mehrere Punkte auf der Drehmoment/Motorstromkennlinie des Elektromotors erfasst werden können, wodurch sich eine noch genauere Berechnung ergibt. Als Parameter des Elektromotors werden vorzugsweise mehrere Parameter, wie ein Motorstrom, eine Motorspannung, ein Motorwinkel, eine Motorwinkelgeschwindigkeit und/oder eine Motortemperatur verwendet.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
- 1 ein Blockschaltbild mit einer Bremseinrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 2 ein Diagramm, welches eine Kennlinie des Elektromotors darstellt,
- 3 eine schematische Seitenansicht der Bremseinrichtung von 1,
- 4 eine schematische vergrößerte Ansicht einer Vorrichtung zur Vorgabe eines mechanischen Prüfmoments von 3,
- 5 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Vorgabe eines mechanischen Prüfmoments gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
- 6 eine schematische Schnittansicht einer Bremseinrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 eine Bremseinrichtung 1 gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben. Die Bremseinrichtung 1 des ersten Ausführungsbeispiels ist dabei eine elektrische Parkbremse.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst die Bremseinrichtung 1 eine Radbremse 2, welche mittels eines Elektromotors 3 aktivierbar und deaktivierbar ist. Der Elektromotor 3 ist über ein Getriebe 7 und einen Aktuator 6 mit der Radbremse 2 verbunden. Ferner umfasst die Bremseinrichtung 1 ein Steuergerät 4 sowie eine Vorrichtung 5 zur Vorgabe eines mechanischen Prüfmoments. Das Steuergerät 4 ist mit dem Elektromotor 3 sowie der Vorrichtung 5 zur Vorgabe des mechanischen Prüfmoments verbunden. Die Vorrichtung 5 zur Vorgabe eines mechanischen Prüfmoments umfasst dabei einen am Aktuator 6 angeordneten Nocken 8 sowie einen ortsfesten Federstab 9.
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3 zeigt im Detail den Aufbau der Bremseinrichtung 1. Der Aktuator 6 ist dabei eine Spindel, auf welcher ein Kolben 10 drehbar angeordnet ist. Der Kolben 10 ist in einem Druckraum 14 angeordnet, welchem eine Hydraulikflüssigkeit über eine Leitung 15 zuführbar ist. Der Druckraum 14 wird durch eine topfförmige Buchse 11 begrenzt, an deren Außenseite ein Bremsbelag 12 angeordnet ist. Durch Bewegung des Kolbens 10 in Richtung des Pfeils A wird über die Hydraulikflüssigkeit im Druckraum der Bremsbelag 12 eine Bremsscheibe 13 gedrückt. Dadurch wird ein Bremsvorgang ausgeführt.
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Durch die durch den Elektromotor 3 über das Getriebe 7 bewirkte Bewegung des Kolbens 10 in Richtung des Pfeils A wird auch der fest am Kolben fixierte Nocken 8 mitbewegt. Dadurch kommt der Nocken 8 mit dem Federstab 9 in Kontakt, welcher ortsfest an einem Gehäuse 16 befestigt ist. Der Federstab 9 bietet dem Nocken 8 dabei einen gewissen Widerstand, welcher überwunden werden muss. Dieser Widerstand definiert das mechanische Prüfmoment bzw. eine Prüfkraft der Vorrichtung 5, was zur Berechnung eines eingebrachten Bremsmoments verwendet werden kann. Erfindungsgemäß wird somit wenigstens ein Prüfmoment mechanisch vorgegeben, welches gezielt überwunden werden muss, wodurch ein genauerer Verlauf eines abgegebenen Bremsmoments errechnet werden kann.
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2 zeigt schematisch ein Diagramm eines Bremsmoments M über einem Motorstrom I des Elektromotors. Durch die Vorrichtung 5 kann zumindest einmal pro Bremsvorgang sichergestellt werden, dass ein definiertes Bremsmoment überwunden wird, so dass andere Einflüsse einer Vielzahl von beteiligten Bauteilen mit verschiedenen Temperaturverhalten bzw. Alterungsverhalten, eliminiert werden kann. Somit kann ein Arbeitspunkt auf einer realen Kurve R durch das vorgegebene mechanische Prüfmoment M1 vorgegeben werden. Der Elektromotor 3 dieses Ausführungsbeispiels ist ein Gleichstrommotor, so dass durch Kenntnis des realen Arbeitspunktes der Bremsaktuatorik auch ein Motorstrom I1 bestimmt werden kann. In 2 bezeichnet S eine ideale Kennlinie mit einem angenommenen maximalen Streubereich T und einem angenommenen minimalen Streubereich U. Somit ist durch das Prüfmoment M1 ein zugehöriger Prüfstrom 11 festgelegt. Die Momenten/Motorstromkennlinie ist durch die Motorkonstante des Elektromotors 3 gegeben und ist im Idealfall eine Gerade. Das Steuergerät 4 empfängt vom Motor 3 ferner noch weitere Informationen über den Motorstrom, die Motorspannung, ein Motordrehwinkel, eine Motorwinkelgeschwindigkeit und eine Motortemperatur. Mit Hilfe dieser Größen sowie dem nun bekannten Arbeitspunkt auf der realen Kennlinie kann ein Bremsmoment für die Bremseinrichtung 1 mit einer hohen Genauigkeit berechnet werden. Hierbei sei angemerkt, dass vorzugsweise noch weitere Vorrichtungen zur Vorgabe von mechanischen Prüfmomenten vorgegeben werden können, welche dann nacheinander durchlaufen werden, so dass mehrere Arbeitspunkte auf der realen Kennlinie R bekannt sind.
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Somit kann mit einer wesentlich größeren Genauigkeit ein reales Zuspannmoment der Radbremse 2 berechnet werden.
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Das Steuergerät 4 der Bremseinrichtung 1 erhält von einem nicht gezeigten zentralen Steuergerät als Eingangsgröße ein Rad-Sollbremsmoment M. Das Steuergerät 4 betätigt daraufhin den Elektromotor 3, welcher über das Getriebe 7 und den Aktuator 6 den Bremsbelag 12 an die Bremsscheibe 13 anlegt. Da der Elektromotor ein Gleichspannungsmotor ist, errechnet das Steuergerät 4 eine Spannung und eine Einschaltdauer des Elektromotors. Während der Betätigung kann dann anhand der Motorkenngrößen, wie Motorstrom, Spannung, Motordrehwinkel, Motorwinkelgeschwindigkeit und Motortemperatur, eine Momentenkennlinie berechnet werden. Wenn der Aktuator mit dem Nocken 8 dann den Federstab 9 erreicht und diesen solange verbiegt, bis dieser wieder in seine Ausgangsposition zurückschnellt, kann das Steuergerät aus dem am Motor gemessenen Größen einen Arbeitspunkt auf der realen Motorkennlinie R bestimmen und für die Berechnung der Motorkennlinie verwenden. Zur Erhöhung der Genauigkeit des berechneten Moments und der Aktorposition kann von der Vorrichtung 5 zur Vorgabe des mechanischen Prüfmoments zum Prüfzeitpunkt zusätzlich ein Signal an das Steuergerät 4 übermittelt werden.
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Die erfindungsgemäße Bremseinrichtung wird besonders bevorzugt in Fahrzeugbremsen bei elektromechanischen Parkbremsen oder elektromechanischen Betriebsbremsen verwendet.
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4 zeigt eine Vorrichtung 5 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gleiche Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen wie im ersten Ausführungsbeispiel bezeichnet.
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Wie aus 4 ersichtlich ist, ist wiederum ein Nocken 8 am Aktuator 6 fest angeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Aktuator 6 eine Zahnstange. Der Nocken 8 weist ein abgerundetes Ende auf, welches bei einer Bewegung des Aktuators 6 in Richtung des Pfeils A mit einem Bolzen 18 in Kontakt kommt, welcher mittels einer Feder 17 vorgespannt ist. Der Bolzen 18 ist in einer rohtförmige Buchse 19 geführt, in welcher auch eine Feder 17 zur Vorspannung des Bolzens 18 angeordnet ist. Durch den Kontakt zwischen dem Nocken 8 und dem Bolzen 18 wird der Bolzen 18 gegen die Federkraft der Feder 17 in die Buchse 19 hineingedrückt. Wenn der Nocken 8 über den federbelasteten Bolzen hinausbewegt würde, stellt die Feder 17 den Bolzen 18 wieder in die Ausgangsposition zurück. Der Bolzen 18 bietet somit über die Federkraft 17 einen vorbestimmten Widerstand, welcher einem mechanischen Prüfmoment entspricht, welches vom Aktuator 6 überwunden werden muss. Wenn der Bolzen 8 wieder zurückgestellt wird, berechnet das Steuergerät ein Bremsmoment anhand von ermittelbaren Parametern des Elektromotors sowie aus den zum Prüfzeitpunkt gemessenen Motorgrößen, aus denen ein Arbeitspunkt auf der realen Kennlinie des Elektromotors bestimmt wird. Zusätzlich kann dem Steuergerät 4 von der Vorrichtung 5 zur Vorgabe eines mechanischen Prüfmoments ein Signal zugesandt werden, das den Prüfzeitpunkt markiert.
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Durch die Verwendung des mechanisch erzeugten Prüfmoments sind somit keine aufwendigen und teueren Sensoren notwendig, um ein Bremsmoment zu berechnen. Auch ist es nicht mehr notwendig, dass ein maximales Bremsmoment erzeugt wird, um sicherzugehen, dass eine ausreichende Bremskraft an der Radbremse bereitgestellt wird.
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5 zeigt eine Vorrichtung 5 zur Vorgabe eines mechanischen Prüfmoments gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Im Unterschied zum zweiten Ausführungsbeispiel ist beim dritten Ausführungsbeispiel der Aktuator 6 ein rotatorischer Aktuator, welcher beispielsweise auf einer sich drehenden Welle oder einer Spindel angeordnet ist. Die Vorrichtung 5 umfasst wie im zweiten Ausführungsbeispiel einen mittels einer Feder 17 vorgespannten Bolzen 18. Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel, so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.
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6 zeigt eine Bremseinrichtung 1 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind dabei wieder mit den gleichen Bezugszeichen wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen bezeichnet.
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Wie aus 6 ersichtlich ist, ist die Bremseinrichtung 1 eine elektromechanische Keilbremse nach dem Prinzip der Selbstverstärkung. Eine Ausgangswelle 20 eines Getriebes (Ritzelwelle) betätigt über eine Zahnstange 21 einen beweglichen Teil 22 des Bremsaktuators, welcher auf keilförmigen Rollenlagern 23 geführt ist. Dadurch wird der bewegliche Teil 22 in Richtung der Bremsscheibe bewegt, so dass der Bremsbelag 12 mit der Bremsscheibe 13 in Eingriff kommt und eine Bremsung einleitet. Der Pfeil B kennzeichnet dabei eine Drehrichtung der Bremsscheibe 13. Aufgrund des keilförmigen Lagers ergibt sich eine Selbstverstärkung der Bremswirkung. Am Keil 22a des bewegten Teils 22 der Keilbremse sind wieder feste Nocken 8 befestigt, welche durch die Bewegung des bewegten Teils 22 mit jeweils einem Federstab 9 in Kontakt kommen und diesen verbiegen. Die Federstäbe 9 sind dabei an einem ortsfesten Teil 24 der Keilbremse angeordnet. Die Nocken und die Federstäbe sind dabei an geneigten Flächen des bewegten Teils 22 bzw. des ortsfesten Teils 24 an unterschiedlichen Positionen angeordnet, so dass mehrere Vorrichtungen 5 zur Vorgabe von mechanischen Prüfmomenten vorgesehen sind. Die Vorrichtungen 5 sind dabei wieder mit einem nicht gezeigten Steuergerät verbunden, um ein Bremsmoment zu berechnen.
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Zu allen beschriebenen Ausführungsbeispielen sei angemerkt, dass die mechanischen Momentengeber in eine oder auch in beide Betätigungsrichtungen der Aktuatoren wirksam sein können. Ferner sei angemerkt, dass für einen einfachen Aufbau an der Vorrichtung 5 zur Vorgabe des mechanischen Prüfmoments ein Schalter vorgesehen sein kann, welcher durch einen Federstab bzw. einen gegen eine Feder 17 bewegten Bolzen 18 betätigt wird und ein entsprechendes Signal an das Steuergerät abgegeben wird.
