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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Erfassung eines Drehwinkels
eines drehbaren Teils nach der Gattung des unabhängigen
Anspruchs. Aus der
DE
195 43 562 A1 ist eine gattungsgemäße
Anordnung zur berührungslosen Drehwinkelerfassung eines
drehbaren Elements bekannt. Um auf einfache Weise die absolute Drehlage
des drehbaren Elements zu erfassen, ist die Sensoranordnung aus
wenigstens zwei Sensorelementen aufgebaut und derart gegenüber
dem drehbaren Element angeordnet, dass die vom drehbaren Element
ausgehenden Feldlinien in jeder Drehlage quer zu den von der Richtung
eines Stromes in den Sensorelementen vorgegebenen Sensorstrukturen
verlaufen. Mit verschiedenen elektronischen Auswerteeinrichtungen sind
die Richtungskomponenten der Feldlinien zur Ermittlung der Drehlage
auswertbar, indem die Phasenlage zwischen Eingangs- und Ausgangssignalen der
jeweiligen Sensorelemente ausgewertet wird. Als Eingangssignale
werden entweder sinus- oder rechteckförmige Wechselspannungen
zugeführt oder Gleichspannungen. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
die Vorrichtung zur Erfassung eines Drehwinkels weiter zu vereinfachen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen
Anspruchs.
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Vorteile der Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erfassung eines
Drehwinkels eines drehbaren Teils hat demgegenüber den
Vorteil, dass aufgrund der relativen Erfassung des Drehwinkels keine
internen Auswerteeinheiten wie beispielsweise Mikrocontroller etc.
zur Berechnung eines absoluten Lenkwinkels unmittelbar im Sensor
räumlich integriert sein müssen. So kann auch
eine Bauraumreduzierung erreicht werden. Entsprechende nachfolgende
Schritte wie die Kalibrierung des Sensors während der Fertigung
im Werk entfallen. Dies bringt geringere Herstellungs- und Montagekosten
mit sich. Im Vergleich zu Sensoren mit optischen Messelementen arbeitet die
erfindungsgemäße Vorrichtung sehr robust, da sie
nun nicht mehr durch eventuell eindringende Verschmutzung relativ
schnell ihre Genauigkeit oder Funktion verliert. Besonders zweckmäßig
wird das aus Nabe und Magnet gebildete integrierte Bauteil durch
Umspritzen des Magneten mit Kunststoff gebildet. Damit können
auch noch weitere, komplexere Geometrien in diesem Bauteil auf einfache
Art und Weise realisiert werden.
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Besonders
zweckmäßig weist der Magnet einen im Wesentlichen
L-förmigen Querschnitt auf. So lässt sich die
Nabe mit großer Festigkeit mit dem Magneten zu einem integrierten
Bauteil integrieren.
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In
einer zweckmäßigen Weiterbildung weist die Nabe
zumindest einen Mitnehmer aufweist zur Übertragung einer
Drehbewegung des drehbaren Teils, vorzugsweise einer Lenksäule.
Als Mitnehmer ist ein sich in radialer Richtung in Richtung zur
Drehachse des drehbaren Teils erstreckendes Bauteil oder eine Ausnehmung
vorgesehen. Das integrierte Bauteil könnte je nach Anordnung
des Gehäuses von oben oder von unten eingebaut werden,
ohne das Gehäuse an unterschiedliche Einbauräume
anpassen zu müssen. Dadurch wird die Flexibilität
der Anordnung bei gleichen Komponenten erhöht.
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In
einer zweckmäßigen Weiterbildung weist die Nabe
zumindest eine vorzugsweise senkrecht zur Drehachse orientierte
Lagerfläche auf zur drehbaren Lagerung der Nabe in dem
Gehäuse. Bevorzugt besteht die Nabe zumindest an einer
Lagerfläche aus einem verschleißarmen Werkstoff.
Dadurch können die Lagerflächen unabhängig
von der Geometrie des Magneten so gewählt werden, dass
sich hinsichtlich des Zusammenspiels mit dem Gehäuse (Passungen, Toleranzen,
Montierbarkeit etc.) eine optimierte Lösung ergibt. Außerdem
können an der Nabe weitere komplexere Strukturen realisiert
werden. Zweckmäßiger Weise besteht die Nabe aus
demselben Material wie der Magnet, vorzugsweise aus Kunststoff oder
einem vollständig magnetisierbaren Material. Dadurch kann
die Herstellung der Komponente weiter vereinfacht werden.
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In
einer zweckmäßigen Weiterbildung wirkt die Nabe
und/oder der Magnet mit einem Fixierelement zusammen zur Fixierung
mit dem Gehäuse. Besonders zweckmäßig
ermöglicht das Fixierelement eine Bewegung des Magneten
bzw. der Nabe in Drehrichtung, unterbindet jedoch eine Bewegung
parallel zur Drehachse im montierten Zustand. Das Fixierelement
ist bewegbar oder federnd, vorzugsweise als Schnapphaken, ausgebildet
und/oder mit dem Gehäuse oder der Nabe verbunden ist.
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Als
Fixierelement eignet sich insbesondere ein Schnapphaken, welcher
die Nabe in axialer wie in radialer Richtung fixiert. Die Schnapphaken
sind jedoch nach dem Montagevorgang kräfte- bzw. spannungsfrei,
so dass sie die Beweglichkeit der Nabe bzw. des Magneten gegenüber
dem Gehäuse nicht einschränken. Die Anzahl der
Schnapphaken ist zweckmäßiger Weise so gewählt,
dass die Nabe auch bei Versagen eines Hakens, beispielsweise bei Bruch,
noch zuverlässig fixiert wird. Beispielsweise sind fünf
gleichmäßig um die Umfangsrichtung der Nabe verteilte
Schnapphaken vorgesehen, um diese Funktionalität zu erreichen.
Dadurch lässt sich die Funktionssicherheit der Vorrichtung
weiter erhöhen. Dank der Schnapphaken ist zudem ein Deckel
zur axialen Fixierung der Nabe überflüssig, so
dass sich Bauteile einsparen lassen.
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In
einer zweckmäßigen Weiterbildung ist ein weiterer
Sensor zur Erfassung des Magnetfelds des Magneten vorgesehen ist,
der relativ zu dem ersten Sensor beabstandet angeordnet ist in der
Weise, dass sich ein gegenüber dem Ausgangssignal des anderen
Sensors ein phasenverschobenes Ausgangssignal ergibt. Dadurch lässt
sich neben der relativen Positionsänderung nun auch die
Drehrichtung erfassen. Dadurch, dass weitere Sensoren um den Magneten
herum angeordnet werden, kann auch die Auflösung erhöht
werden, ohne weitreichende Änderungen am Messprinzip oder
Design vornehmen zu müssen. Hierzu ist lediglich ein Verknüpfungsmittel vorzugsweise
auf der Leiterplatte vorzusehen, welches die beiden Ausgangssignale
durch logische Operationen (UND- bzw. ODER-Gatter) zu einem Ausgangssignal
mit höherer Auflösung verknüpft. Der
Aufwand hierfür ist relativ gering. Andererseits muss lediglich
ein Ausgangssignal an die Auswerteeinheit weitergeleitet werden,
wodurch sich der Verkabelungsaufwand reduziert.
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In
einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen,
dass vorzugsweise auf der Leiterplatte eine Vorrichtung zur Verschiebung
des Signalpegels zumindest eines Ausgangssignals eines Sensors vorgesehen
ist. Besonders zweckmäßig sind die Signalpegel
der Sensoren so gewählt, dass sie im Normalfall von den
Spannungspegeln der Versorgungsspannung bzw. Masse abweichen. Dadurch
kann in besonders einfacher Weise lediglich anhand des Signalpegels
auf einen Fehlerfall im Sensor geschlossen werden. Hierzu ist besonders
zweckmäßig in der Auswerteeinheit eine Fehlererkennungseinheit
vorgesehen, die anhand des Signalpegels zumindest eines der Ausgangssignale
erkennt, ob ein Fehler in einem der Sensoren vorliegt.
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In
einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen,
dass zumindest ein Anschlusselement des Sensors zumindest einen
Biegebereich aufweist. Dies dient insbesondere zum Ausgleich von
Spannungen, beispielsweise aus thermischer Beanspruchung. Dadurch
kann die mechanische Stabilität der Anordnung weiter erhöht
werden. In einer zweckmäßigen Weiterbildung weist
ein Anschlusselement des Sensors zumindest einen weiteren Biegebereich
aufweist. Dadurch kann das Anschlusselement in zur elektrischen
Kontaktierung beispielsweise mittels Löten in einer hierfür
geeigneten Weise an die Leiterplatte herangeführt werden.
Dadurch lässt sich die Vorrichtung einfacher fertigen bei
gleichzeitiger Erhöhung der mechanischen Festigkeit.
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In
einer zweckmäßigen Weiterbildung ist zumindest
ein Halteelement vorgesehen ist zur Aufnahme mechanischer Spannungen,
die auf den Sensor wirken. Das Halteelement ist rippenförmig
am Gehäuse oder an einem mit dem Gehäuse verbundenen Teil
ausgebildet ist. Dieses Halteelement nimmt auf den Sensor wirkende
mechanische Kräfte auf, wodurch sich die Robustheit der
Vorrichtung weiter erhöht werden kann. Außerdem
kann eine Fixierung des Sensors bzw. dessen Anschlusselemente mit dem
Gehäuse durch Aufschmelzen der Halterippen beispielsweise
mittels Warmverstemmen oder Lasereinwirkung erfolgen, was die Festigkeit
weiter erhöht.
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In
einer zweckmäßigen Weiterbildung ist in dem Gehäuse
zumindest eine Tasche bzw. Ausnehmung vorgesehen zur Aufnahme des
Sensors. Dadurch lässt sich eine lagegenaue Positionierung
des Sensors erreichen, insbesondere wenn noch weitere Sensoren relativ
zueinander mit hoher Genauigkeit anzuordnen sind, damit eine definierte
Phasenverschiebung deren Ausgangssignale erzielt wird. Bevorzugt
ist der Sensor so angeordnet ist, dass er ein Magnetfeld des Magneten
sensiert, das im Wesentlichen parallel zur Drehachse des drehbaren
Teils verläuft. Dadurch lässt sich die Bauhöhe
der Vorrichtung gering halten. In einer zweckmäßigen
Weiterbildung ist in dem Gehäuse zumindest ein Befestigungsmittel vorgesehen
ist zur Verbindung der Leiterplatte mit dem Gehäuse. Dadurch
kann die Leiterplatte genau positioniert werden. Vorzugsweise ist
zur Befestigung des Gehäuses mit der Leiterplatte das Befestigungsmittel
thermisch verformbar ausgebildet, beispielsweise mittels Warmverstemmung.
Damit könnte der Befestigungsvorgang zusammen mit den Halterippen
in nur einem Arbeitsgang erfolgen. In einer zweckmäßigen
Weiterbildung ist als Befestigungsmittel zumindest eine Nietverbindung
vorgesehen. Diese dient insbesondere zur Aufnahme auf die Leiterplatte
wirkender Kräfte, die beispielsweise über den
Stecker eingebracht werden. Dadurch erhöht sich die Stabilität
und Robustheit der Anordnung noch weiter.
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Weitere
zweckmäßige Weiterbildungen ergeben sich aus weiteren
abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.
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Zeichnung
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Ein
Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur Erfassung eines Drehwinkels ist in der Zeichnung
dargestellt und wird nachfolgend näher erläutert.
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Es
zeigen:
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die 1 eine
perspektivische Ansicht einer Nabe mit integriertem Magneten (ohne
Lagergeometrie),
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die 2 eine
Draufsicht auf einen Multipolmagneten,
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die 3 eine
perspektivische Ansicht der Anordnung von Nabe, Magnet und Sensoren,
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die 4 die
zeitabhängigen Ausgangssignale der beiden Sensoren,
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die 5 eine
perspektivische Ansicht der Vorrichtung zur Erfassung eines Drehwinkels
von oben,
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die 6 die
Anordnung gemäß 5 von unten,
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die 7 eine
perspektivische Seitenansicht der Nabe mit integrierten Mitnehmern,
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die 8 die
Nabe der 7 in der Draufsicht,
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die 9 die
Anordnungen gemäß den 7 und 8 im
Schnitt,
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die 10 eine
perspektivische Ansicht der Vorrichtung zur Erfassung eines Drehwinkels
mit eingesetzter Nabe,
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die 11 die
Vorrichtung gemäß 10 mit
von entgegen gesetzter Richtung eingesetzter Nabe,
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die 12 einen
perspektivischen Halbschnitt der Verbindung der Nabe mit dem Gehäuse über
Fixierelemente,
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die 13 bis 18 Sensorelemente
mit jeweils unterschiedlich geformten Anschlusselementen,
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die 19 eine
perspektivische Ansicht zur Kontaktierung der Anschlusselemente
des Sensors mit der Leiterplatte,
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die 20 eine
perspektivische Ansicht zur Fixierung des Sensors mit Befestigungsrippen
vor dem Aufschmelzen,
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die 21 eine
perspektivische Ansicht des Gehäuses mit Leiterplatte,
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die 22 eine
perspektivische Gesamtansicht der Vorrichtung zur Erfassung eines
Drehwinkels,
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die 23 Ausgangssignale
des ersten und zweiten Sensors sowie das sich nach einer möglichen
logischen Verknüpfung ergebende Ausgangssignal sowie
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die 24 ein
Blockschaltbild der Anordnung zur Signalverarbeitung.
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An
einer ringförmigen bzw. hohlzylinderförmigen Nabe 16 ist
im oberen äußeren Umfangsbereich ein Magnet 10 angeordnet
und bilden so ein integriertes Bauteil 17.
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Der
Magnet 10 ist hierbei als Multipolmagnet ausgeführt,
wie der 2, die den Magneten 10 in der
Draufsicht zeigt, zu entnehmen ist. Zur besseren Verbindung des
Magneten 10 mit der Nabe 16 ist am unteren Ende
des Magneten 10 ein Vorsprung ausgebildet, der sich in
diesem Bereich etwas weiter in Richtung zur Drehachse 18 der
Nabe 16 erstreckt als in seinem oberen Bereich. Nabe 16 und
Magnet 10 sind beispielsweise mit einer Lenksäule
oder mit einem anderen mit dem Lenkrad verbundenen Teil in Eingriff.
Das bei der Lenkbewegung rotierende Teil, beispielsweise die Lenksäule,
wird über einen Mitnehmer 32 mit der in der Vorrichtung 8 zur
Drehwinkelerfassung angeordneten Nabe 16 verbunden. Dadurch überträgt
sich die Drehbewegung des Teils unmittelbar auf die Nabe 16.
Die Nabe 16 enthält den Magneten 10,
der als Mehrpolmagnet ausgeführt ist. Dieser trägt über
den Umfang verteilt abwechselnd Nordpole 12 und Südpole 14.
Bei der Rotation der Lenksäule dreht sich der Mehrpolmagnet 10 also
mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit mit. Dadurch besteht die
Möglichkeit, einen Sensor 20 an einer bestimmten
Stelle im messbaren Bereich des Magnetfelds anzuordnen, welcher
Messwerte liefert, die von der magnetischen Feldrichtung an jener
Stelle abhängig sind bzw. auf diese schließen
lassen. Als Sensor 20 könnte hierfür
ein Hall-Sensor eingesetzt sein, der ein binäres Signal
abhängig davon ausgibt, ob sein sensitiver Bereich mehrheitlich
im Einflussbereich eines Nordpols 12 oder eines Südpols 14 liegt. Wesentlich
ist, dass der Sensor 20 und der Magnet 10 relativ
zueinander beweglich angeordnet sind. Ebenfalls könnte
der Sensor als Reed-Kontakt ausgebildet sein, der sein Ausgangssignal
in Abhängigkeit vom Magnetfeld ändert.
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Bei
der Verwendung von nur einem Sensor 20 könnte
zwar der relative Drehwinkel der Lenksäule, nicht aber
die Richtung der Drehung ermittelt werden. Deshalb ist ein weiterer
Sensor 22 vorgesehen, der in einem definierten Abstand
zu dem ersten Sensor 20 so platziert ist, dass sich ein
bestimmter Versatz β der beiden Ausgangssignale 21, 23 der
beiden Sensoren 20, 22 ergibt. Anhand der zeitlichen
Abfolge der Signalflanken 21, 23 kann darauf geschlossen werden,
ob das Lenkrad bzw. die Lenksäule im oder gegen den Uhrzeigersinn
gedreht wird. Die Sensoren 20, 22 wurden radial
weiter außen liegend relativ zum Magneten 10 angeordnet,
sodass sie dessen Magnetfeld in radialer Orientierung erfassen.
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Um
die Sensoren 20, 22 mit der erforderlichen Betriebsspannung
zu versorgen und ihre Ausgangssignale 21, 23 den
anfragenden Systemen, wie beispielsweise ein Steuergerät 58 eines
elektronischen Stabilitätsprogramms, zur Verfügung
zu stellen, sind elektronische Bauelemente nötig. Diese werden
auf einer Leiterplatte 26 befestigt und elektrisch verbunden.
Falls erforderlich können dort weitere Funktionen, etwa
zum Ändern der Spannungspegel, realisiert werden.
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Nabe 16,
Magnet 10, Sensoren 20, 22 bzw. die Leiterplatte 26 sind
in einem Gehäuse 28 untergebracht, das über
einen integrierten Stecker 30 den Anschluss an das Spannungs-
und Kommunikationsnetz des Kraftfahrzeugs ermöglicht. Weiterhin übernimmt
das Gehäuse 28 weitere Funktionen wie beispielsweise
Lagerung der Nabe 16 mit Magnet 10, axiale Fixierung
mittels Fixierelementen 36 bzw. weitere Befestigungsfunktionen
der Sensoren 20, 22 über später
zu erläuternde Halteelemente 50.
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Prinzipiell
wäre es auch möglich, das Feld des Magneten 10 in
axialer Richtung, bezogen auf die Drehachse 18, zu messen.
Die Sensoren 20, 22 wären dann nicht
seitlich, sondern ober- oder unterhalb des Magneten 10 anzuordnen,
um das Magnetfeld des Sensors in axialer Richtung zu erfassen.
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Ein
Kern der erfindungsgemäßen Vorrichtung 8 zur
Erfassung eines Drehwinkels ist die Integration des Magneten 10 in
der Nabe 16. Dies könnte beispielsweise durch
Umspritzen des Magneten 10 mit Kunststoff erreicht werden.
Durch eine geeignete Wahl des Werkstoffes kann das so entstehende
kombinierte Bauteil aus Magnet 10 und Nabe 16 so
ausgelegt werden, dass eine verschleißfreie bzw. verschleißarme
Lagerung der Nabe 16 im Gehäuse 28 erzielt
wird. Die geeignete Materialwahl der Nabe 16 hängt
auch ab von dem Material des Gehäuses 28, geeignete
Materialien könnten beispielsweise PA12 (Polyamid) und
PBT (Polybutylenterephthalat) sein.
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Wie
in 9 ersichtlich, können Lagerflächen 34,
die mit entsprechenden Gegenlagerflächen des Gehäuses 28 zusammenwirken,
unabhängig von der Geometrie des Magneten 10 so
gewählt werden, so dass hinsichtlich des Zusammenspiels
mit dem Gehäuse 28 (Passungen, Toleranzen, Montierbarkeit)
eine optimierte Lösung gefunden werden kann. Das Lager
zum Gehäuse 28 wird durch zwei im Schnitt zueinander
senkrecht stehende Lagerflächen 34 gebildet, wodurch
die Nabe 16 in axialer und radialer Richtung bezogen auf
die Drehachse 18 ausgerichtet wird. Eine dritte Lagerfläche 34 an
der Oberkante des Außenumfangs der Nabe 16 wirkt
mit dem nachher dargestellten Fixierelement 36 zusammen. Weiterhin
ist vorgesehen, dass zumindest ein Mitnehmer 32 in der
Nabe 16 integriert ist. In den 7 und 8 sind
zwei Arten von Mitnehmern 32 exemplarisch gezeigt. Zum
einen ist an der Innenseite der Nabe 16 eine in radialer
Richtung sich nach Außen orientierende Ausnehmung vorgesehen,
in die ein komplementärer Fortsatz eines drehbaren Teils,
beispielsweise die Lenksäule, eingreifen kann. Weiterhin
ist ein weiterer Mitnehmer 32 vorgesehen, der einen Überstand
aufweist, der von der Innenseite der Nabe 16 in Richtung
zur Drehachse 18 hin orientiert ist und mit einer entsprechenden
Ausnehmung im drehbaren Teil zusammenwirkt.
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Die
kombinierte Baueinheit aus Nabe 16 und Magnet 10 ist
besonders vorteilhaft, da an der Nabe 16 auch komplexere
Geometrien realisiert werden können, wie beispielsweise
elastisch federnde Schnapphaken. Über solche Schnapphaken
kann eine Verbindung mit dem Gehäuse 28 erreicht
werden. Alternativ wäre es auch möglich, dass
für die Nabe 16 dasselbe Material wie für
den Mehrpolmagneten 10 verwendet wird, wodurch sich die
Erstellung der Komponente vereinfacht. Beispielsweise könnte sie
dann als ein Bauteil mit Hilfe eines Spritzgießverfahrens
erzeugt werden. Eine weitere Alternative besteht darin, die Nabe 16 als
Bauteil mit symmetrischen Lagerstellen auszuführen, wobei
der integrierte Magnet 10 mittig angeordnet wäre.
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Bei
Anbindung der Vorrichtung 8 zur Erfassung eines Drehwinkels
an das bewegliche Teil wie beispielsweise die Lenksäule,
sind stets Mitnehmerelemente 32 erforderlich, die auf einer
Seite der Nabe 16 angebracht sind. Ist es nun aus Bauraumgründen nötig,
das Gehäuse 28 gewendet einzubauen, weil beispielsweise
der Stecker 30 in entgegen gesetzter Richtung orientiert
ist, so muss dafür lediglich die Nabe 16 der Vorrichtung 8 ebenso
gewendet eingebaut werden. Damit stehen ohne Änderung von
Nabe 16 bzw. Magnet 10 zwei Varianten der selben
Vorrichtung zur Verfügung. Diese Möglichkeiten
sind in den 10 und 11 gezeigt,
wo beide Male die Nabe 16 in der selben Weise orientiert
ist, unabhängig von der Position des Steckers 30.
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Eine
weitere Besonderheit der Vorrichtung 8 liegt in der Befestigung
der Nabe 16 mit dem Gehäuse 28, was mit
Hilfe der Fixierelemente 36 erfolgt. Damit sich nämlich
die Nabe 16 mit dem Magneten 10 nicht in axialer
Richtung aus dem Gehäuse 28 herausbewegt, muss
sie in axialer Richtung fixiert werden. Hierfür sind die
Fixierelemente 36 vorgesehen, welche bevorzugt als Schnapphaken
bzw. Clips ausgebildet sind. Wesentlich bei diesen Fixierelementen 36 ist,
dass sie einerseits eine Bewegung der Nabe 16 um die Drehachse 18 zulassen,
jedoch einen Versatz in axialer Richtung mit einem definierten Spiel unterbinden.
Die Fixierelemente 36 umgeben die Nabe 16 kreisförmig.
Beim Einlegen der Nabe 16 in das Gehäuse 28 sind
zunächst Gegenkräfte zu überwinden, die
beim Wegbiegen der Fixierelemente 36 auftreten. Hat die
Nabe 16 ihre Endposition erreicht, federn die Fixierelemente 36 über
ihr zurück, wodurch die Fixierelemente 36 vollkommen
kräfte- bzw. spannungsfrei sind. So kann sich die Nabe 16 drehen,
ohne dabei an den Fixierelementen 36 unerwünschte
Reibung zu verursachen. Die Fixierelemente 36 sind hinsichtlich
ihrer Anzahl und Platzierung so gewählt, dass die Nabe 16 auch
bei Versagen eines Fixierelements 36 über mehr
als die Hälfte ihres Umfangs gesichert ist, wodurch die
axiale Fixierung erhalten bleibt. Darüber hinaus wird durch
diese Lösung ein Deckel überflüssig,
welcher die Nabe 16 sonst hätte sichern müssen,
ebenso dafür erforderliche Befestigungsmittel wie z. B.
Schrauben oder Nieten.
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Eine
beispielhafte geometrische Anordnung eines Fixierelements 36 gegenüber
der Nabe 16 ist in der 12 gezeigt.
Das Fixierelement 36 ist unmittelbar oder mittelbar mit
dem Gehäuse 28 verbunden. Die Nabe 16 wird
zur Montage von oben in das Gehäuse 28 eingeführt
und schiebt über die Abschrägung die Spitze des
Schnapphakens 36 nach außen. In der Endposition
sitzt die Nabe 16 dann der Gegenfläche des Gehäuses 28 auf.
Dann federt der Schnapphaken 36 wieder zurück
und wirkt einer axialen Verschiebung der Nabe 16 entgegen.
Das Fixierelement 36 ist radial beabstandet von der Außenseite
von Nabe 16 und Magnet 10 angeordnet. Die Unterseite
des Schnapphakens 36 wirkt mit der außen liegenden
Oberseite der Nabe 16 zusammen, was in 9 als
Lagerfläche 34 rechts oben bezeichnet wurde.
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Anstelle
von Schnapphaken als mögliche Fixierelemente 36 mit
ihrer definierten Geometrie könnten federnd gelagerte Fixierelemente 36 eingesetzt
werden. Die Funktionen „federn” und „sichern” können
auch auf mehr als ein Element verteilt sein.
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Alternativ
könnten die Fixierelemente 36 weder an der Nabe 16 noch
am Gehäuse 28 angebracht sein, sondern an einem
zusätzlichen Bauteil, das zur gegenseitigen Verbindung
von Nabe 16 und Gehäuse 28 eingesetzt
wird. Weiterhin könnten die Fixierelemente 36 auch
an der Außenseite der Nabe 16 angeordnet sein
und in entsprechende Ausnehmungen im Gehäuse 28 federnd
eingreifen.
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Die
Sensoren 20, 22 bestehen aus einem Gehäuse 40 und
mehreren Anschlusselementen 42, über die die Signale
der im Inneren des Gehäuses 40 angeordneten elektronischen
Bauelemente herausgeführt werden. Die Sensoren 20, 22 müssen
in einer fest definierten Lage relativ zueinander und zum Magneten 10 im
Gehäuse 28 angeordnet werden. Hierzu sind in dem
Gehäuse 28 Taschen 41 vorgesehen, die
auf die Außenkontur des Gehäuses 40 abgestimmt
sind und eine lagedefinierte Positionierung zulassen. Solche Taschen 41 sind
in den 18 und 19 gezeigt.
Die Anschlusselemente 42 der Sensoren 20, 22 sind
um ca. 90 Grad gebogen (Bezugszeichen 43), um den radial
orientierten Sensor 20, 22 mit der Leiterplatte 26 elektrisch
zu kontaktieren. Vorzugsweise sind die Sensoren 20, 22 als
sogenannte THT-Bauelemente (Through Hole Technology) ausgeführt
und ähnlich einem SMT-Bauelement (Surface Mounted Technology)
eingesetzt. Dadurch wird es möglich, das Magnetfeld des
Magneten 10 senkrecht zur Ausrichtung der bestückbaren
Flächen der Leiterplatte 26 zu messen. Zusätzlich
sind weitere Biegebereiche 44, 46 der Anschlusselemente 42 vorgesehen.
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Ein
erster Biegebereich 44, wie in 13 gezeigt,
dient dazu, nach Fixierung des Gehäuses 40 und
Verlöten der Anschlusselemente 42 an die Leiterplatte 26 Spannungen
auszugleichen, welche beispielsweise aus thermischer Wechselbeanspruchung
im Betrieb entstehen können. Daran schließt sich
ein zweiter Biegebereich 46 an, durch den die Anschlusselemente 42 so
an die Leiterplatte 26 herangeführt werden, dass
er möglichst effektiv mit Lot benetzt und dadurch mit der
Leiterplatte 26 in einem Kontaktierbereich 48 elektrisch
und mechanisch mit der Leiterplatte verbunden werden kann. Bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß 13 ergibt
sich somit ein im Wesentlichen S-förmiger Verlauf der Anschlusselemente 42.
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Das
Ausführungsbeispiel nach 14 umfasst
nur noch einen ersten Biegebereich 44, um die Anschlusselemente 42 in
den Kontaktierbereichen im Wesentlichen parallel zur Oberfläche
der Leiterplatte 26 zu führen.
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Alternativen
wären denkbar. So könnte die 90-Grad-Biegung 43 in
der Nähe des Gehäuses 40 weggelassen
werden, wenn das Magnetfeld anstelle in radialer Richtung, wie beschrieben,
nun axial erfasst werden müsste. Außerdem könnte
die 90-Grad-Biegung 43 auch durch einen anderen Winkel
ersetzt werden. Alternativ könnte der erste Biegebereich 44 weggelassen
werden, falls dies aus relevanten Gründen, wie beispielsweise
Kosten, Machbarkeit, erforderlich ist, wie in 14 dargestellt.
Alternativ könnte auch der zweite Biegebereich 46 weggelassen
werden und die Kontaktierung zur Leiterplatte 26 auf andere
Weise als Löten realisiert werden, beispielsweise durch
einen mechanischen Schnappstecker, der bereits auf der Leiterplatte 26 angebracht
ist und in welchen die Anschlusselemente 42 eingefügt
werden. Entsprechende Ausgestaltungen sind in den 14 und 16 dargestellt. Der
zweite Biegebereich 46 könnte ebenfalls weggelassen
werden, falls dies wegen des gewählten Lötverfahrens
oder anderen Gründen erforderlich ist, um die Anschlusselemente 42 bis
zum Ende geradlinig weiterzuführen (14, 16).
Gegebenenfalls könnte ein dritter Biegebereich 47 für
die äußeren beiden Anschlusselemente 42 vorgesehen
werden, um den Abstand der Anschlusselemente 42 zueinander
zu erhöhen, falls dies wegen des gewählten Lötverfahrens
oder anderen Gründen erforderlich ist. In einer weiteren
Variante gemäß 18 sind
die beiden äußeren Anschlusselemente 42 in
einem dritten Biegebereich 47 nach außen gebogen,
verlaufen dann nach einem 90-Grad-Knick 43 im Wesentlichen parallel
zur Oberfläche der Leiterplatte 26, erfahren durch
den ersten Biegebereich 44 einen V- bzw. U-förmig
verlaufenden Knick, verlaufen dann wieder parallel zur Oberfläche
der Leiterplatte, bis der stufenförmige zweite Biegebereich 46 die
Kontaktierbereiche 48 wiederum parallel zu der Leiterplatte 26 in deren
unmittelbare Nähe für eine geeignete Kontaktierung
ausrichtet. Prinzipiell könnten auch andere Sensorelemente 20, 22 auf
diese Weise gebogen werden, falls sie im Sensor zum Einsatz kommen
sollen wie beispielsweise Reed-Kontakte/Sensoren.
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Der
Sensor 20, 22 gemäß 14 ist
in der Tasche 41 im Gehäuse 28 angeordnet
und mittels der Kontaktbereiche 48 mit der Leiterplatte 26 elektrisch leitend
verbunden (19, 20). Zur
weiteren verbesserten Befestigung der Sensorelemente 20, 22 mit
dem Gehäuse 28 sind vorzugsweise rippenförmige
Halteelemente 50 am Gehäuse 28 vorgesehen, die
auf die Außengeometrien der Anschlusselemente 42 abgestimmt
sind. Denn während des Einsatzes der Vorrichtung 8 zur
Erfassung eines Drehwinkels treten Kräfte auf, welche an
den Anschlusselementen 42 des Sensors 20, 22 angreifen
können. Dabei müsste entweder die Lötverbindung
diese Kräfte aufnehmen, was sich negativ auf ihre Lebensdauer
auswirken könnte, sofern die Kräfte nicht an anderer Stelle
aufgenommen werden. Alternativ könnte auch das Gehäuse 40 des
Sensors 20, 22 derart beansprucht werden, dass
die Anschlusselemente 42 im oder am Gehäuse 28 Schaden
nehmen könnten, beispielsweise abreißen. Deshalb
sind sogenannte Verstemmrippen 50 auf dem Gehäuse 48 entlang
der Anschlusselemente 42 als Haltelemente vorgesehen. Beim
Einlegen des Sensors 20, 22 in die Tasche 41 im
Gehäuse 28 werden die Anschlusselemente 42 zunächst
zwischen den Rippen 50 durchgeführt, wodurch sie
eine Führung erfahren und so eine bessere Übereinstimmung
zwischen Anschlusselementen 42 und Leiterplatten-Kontaktierbereichen
ermöglicht wird. Beim Warmverstemmen wird nun der Kunststoff an
den Rippen 50 lokal aufgeschmolzen und durch Krafteinwirkung,
wie beispielsweise durch einen Stempel, erreicht, dass die Anschlusselemente 42 durch
den fest werdenden Kunststoff fixiert werden. Somit kann das Material
die oben genannten Kräfte aufnehmen, so dass die Lötverbindung
bzw. das Gehäuse 40 des Sensors 20, 22 wird
nicht bzw. nur gering beansprucht wird. In 20 sind
die entsprechenden Rippen 50 vor dem Aufschmelzen gezeigt. Alternativ
könnte vorgesehen sein, dass das Material der Rippen 50 nicht
durch Warmverstemmen aufgeschmolzen wird, sondern mit Hilfe eines
anderen Verfahrens, wie beispielsweise durch Lasereinwirkung. In
einer weiteren alternativen Ausgestaltung könnte kein Material
aufgeschmolzen werden, sondern die Beinchen auf eine andere Art
am Gehäuse 28 fixiert werden, beispielsweise durch
Kleber oder sonstige mechanische Komponenten. Alternativ könnte
die Fixierfunktion über ein zusätzliches Bauteil
realisiert werden, welches auf dem Gehäuse 28 aufgebracht ist.
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In
der perspektivischen Ansicht gemäß 21 ist
das Gehäuse 28 mit Leiterplatte, 26, jedoch ohne
integriertes Teil 17 dargestellt. Die Leiterplatte 26 ist
mit dem Gehäuse 28 über zwei Stifte 51 befestigbar.
Diese Stifte 51 sind Bestandteil des Gehäuses 28 und
bestehen somit aus demselben Material. Die Leiterplatte 26 wird
zur Befestigung über diese Stifte 51 in das Gehäuse 28 eingepresst.
Dadurch erfährt die Leiterplatte 26 die korrekte
Positionierung. Die Höhe der Stifte 51 ist vorzugsweise
so ausgelegt, dass hinreichend Material zur Verfügung steht,
um dieses zusätzliche Material durch Warmverstemmen zur
Befestigung der Leiterplatte 26 zu nutzen. Die entsprechende
gewölbt dargestellte Form der Stifte nach dem Verformen,
vorzugsweise Warmverstemmen, ist jeweils mit der Bezugsziffer 52 versehen. Weiterhin
ist eine Nietverbindung 53 vorgesehen, die insbesondere
am Stecker 30 auftretende Kräfte und sich auf
die Leiterplatte 26 übertragende Kräfte
aufnimmt. Die Niete 53 besteht vorzugsweise aus Metall.
Weiterhin ist in dieser Ansicht die ringförmige Lagerfläche
des Gehäuses 28 zur Lagerung der Nabe 16 mit
deren unteren Lagerflächen 34 gut zu sehen.
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In
der perspektivischen Ansicht gemäß 22 sind
nun sämtliche, bereits beschriebene Komponenten nochmals
im Zusammenhang gezeigt. Die Nabe 16 mit integriertem Magnet 10,
der in dieser Ansicht nicht sichtbar ist, ist über die
Fixierelemente 36 und entsprechende Lagerflächen 34 in
dem Gehäuse 28 drehbar gelagert. Ein Versatz in
axialer Richtung der Nabe 16 ist nicht möglich,
da die Unterseite der Schnapphaken 36 mit der Oberseite
der Nabe 16 einem Axialversatz entgegenwirkt. Es ist die Ausnehmung 32 an
der Innenseite der Nabe 16 sichtbar, die als Mitnehmer 32 mit
einer nicht gezeigten Lenksäule zusammenwirkt. In Umfangsrichtung
verteilt sind beispielhaft vier Sensoren 20, 22 angeordnet,
welche das Magnetfeld des Magneten 10 in radialer Richtung
erfassen und entsprechende Ausgangssignale über die Anschlusselemente 42 ggf.
an weitere, nicht näher spezifizierte Bauelemente der Leiterplatte 26 weitergeben.
Durch weitere Sensoren könnte bei geeigneter Positionierung
die Auflösung der Vorrichtung 8 noch weiter erhöht
werden. Andererseits könnten ein dritter und vierter Sensor
dafür genutzt werden, deren zwei Ausgangssignale einem unterschiedlichen
System zur Verfügung zu stellen, etwa ein Paar mit angepassten
Spannungspegeln, das andere Paar ohne Anpassung.
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Zur
besseren Verbindung der Sensorelemente 20, 22 mit
der Leiterplatte 26 sind zum einen die entsprechenden Biegebereiche 44, 46, 47 vorgesehen,
um insbesondere thermische Spannungen auszugleichen. Weiterhin sind
Halteelemente 50 vorgesehen, die mechanische Kräfte,
die auf die Sensorelemente 20, 22 bzw. deren Anschlusselemente 42 wirken,
aufnehmen. Diese könnten, wie beschrieben, als Rippen 50 ausgeführt
sein.
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Als
ein weiterer Kern der Vorrichtung 8 zur Erfassung eines
Drehwinkels eines drehbaren Teils ist anstelle einer sonst üblichen
Absolutmessung eine relative Messung der Bewegung einer Lenksäule
vorgesehen. Hierfür ist lediglich ein einziger Sensor notwendig.
Dadurch, dass zwei Sensoren 20, 22 vorgesehen
werden, kann neben dem relativen Drehwinkel der Lenksäule
auch die Richtung dieser Drehung erfasst werden. Bei einer Drehung
des Lenkrads werden pulsförmige Ausgangssignale erzeugt, wie
in den Signalverläufen gemäß der 23 ersichtlich.
Durch entsprechende Und- bzw. Oder-Gatter wie in der Verknüpfung 56 gezeigt,
können die beiden Ausgangssignale 21, 23 zu
einem einzigen pulsierenden Ausgangssignal 54 zusammengefasst werden.
Bei einer Drehung des Lenkrads werden die entsprechenden Signalfolgen
erzeugt, die aufgrund definierter Eigenschaften einem Drehwinkel
zugeordnet werden können. Die Anzahl der Pulse ist somit
direkt proportional zum Winkel, um welchen sich das Lenkrad bewegt.
Mit Hilfe einer nachfolgenden, von der Vorrichtung 8 zur
Erfassung eines Drehwinkels separaten Auswerteeinheit 60 kann
der Absolutwinkel hinreichend genau ermittelt und den anfragenden Systemen,
wie beispielsweise einem Steuergerät 58, mitgeteilt
werden. Weiterhin ist ein Algorithmus erforderlich, über
den die Nullstellung des Lenkrads zu ermitteln ist, um eine Initialisierung
der Relativerfassung zu ermöglichen. Dieser Algorithmus
wird ebenfalls in der Auswerteeinheit 60 ausgeführt.
Dieser Algorithmus ist dem Fachmann geläufig und wird nachfolgend
nicht weiter betrachtet. Bei der vorliegenden Vorrichtung 8 werden
somit lediglich die Ausgangssignale der Sensoren 20, 22,
welche als Binärsignale abhängig von der Art des
Magnetfelds, ausgeführt sind bzw. das daraus verknüpfte
Signal 54, zu dem Steuergerät 58 übertragen.
Erst dort wird dann die Absolutposition des Lenkrads in einem Mikrocontroller 60 als
Beispiel für eine Auswerteeinheit ermittelt.
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Weiterhin
weist das Steuergerät 58 bzw. der Mikrocontroller 60 eine
entsprechende Schnittstelle zur Vorrichtung 8 auf. Gegebenenfalls
kann die im Mikrocontroller 60 ermittelte absolute Lenkwinkelinformation über
ein Bussystem 64 an weitere, nicht näher bezeichnete
Steuergeräte weitergegeben werden. In dem Steuergerät 58 können
noch weitere Sensoren 66 integriert sein, deren Werte der
Mikrocontroller 60 ebenfalls benötigt, beispielsweise
zur Berechnung entsprechender Steuergrößen für
ein elektronisches Stabilitätsprogramm in einem Kraftfahrzeug.
Außerdem werden dem Steuergerät 58 noch
Raddrehzahlsignale von weiteren Raddrehzahlsensoren 66 zugeführt
wie ebenfalls in 24 exemplarisch gezeigt.
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Die
Vorrichtung 8 zur Erfassung eines Drehwinkels stellt eine
sicherheitsrelevante Komponente im Fahrzeug dar, weshalb die ausgegebenen
Signale 21, 23 auf Korrektheit geprüft
werden müssen. Hierzu sind auf der Leiterplatte 26 elektronische
Bauelemente angebracht, welche die binären Ausgangssignale
der Sensoren 20, 22 auf versetzte Pegel verschieben.
Statt beispielsweise 5 V und 0 V (als übliche Pull-up Spannung
bzw. Massepotential) werden die Signale zu 4,5 V und 0,5 V umgewandelt.
Liegt nun im Sensor 20, 22 ein Kurzschluss auf
die Versorgungsspannung oder Masse vor, so werden vom Sensor 20, 22 auch
diese Größen ausgegeben, d. h. im genannten Fehlerfall
5 V bzw. 0 V. Vom nachfolgenden System, beispielsweise dem Mikrocontroller 60,
kann sofort erkannt werden, dass in der Vorrichtung 8 ein
Fehler vorliegt, da die Signalpegel sich von den erwarteten Signalpegeln
unterscheiden. Hierzu vergleicht der Mikrocontroller 60 die
durch die o. g. elektronischen Bauelemente veränderten
Ausgangssignale der Sensoren 21, 23 bzw. ggf.
das verknüpfte Ausgangssignal 54 mit entsprechenden
Grenzwerten und erkennt bei Über- bzw. Unterschreiten auf
einen Fehler eines Sensors 20, 22. Gleiches könnte
auch durch ein Stromsignal werden.
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Weiterhin
ist zur Erreichung einer höheren Auflösung die
in 23 bereits erläuterte Verknüpfung 56 auf
der Leiterplatte 26 vorzusehen. Dadurch wird ein neues
Ausgangssignal 54 erzeugt, welches eine höhere
Auflösung der Drehbewegung des Lenkrads ermöglicht.
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Die
genannte Vorrichtung zur Erfassung eines Drehwinkels kann für
zahlreiche Anwendungsfälle eingesetzt werden. Insbesondere
eignet sie sich zur Erfassung eines Lenkwinkels. Der Lenkwinkel
ist bereits in einer Reihe von Fahrzeugfunktionen notwendig, wie
beispielsweise elektronisches Stabilitätsprogramm, adaptive
Geschwindigkeitssteuerung, Parkpilot, Fahrtüchtigkeitsüberwachung,
aktive Frontlenkung, Vierradlenkung, adaptive Beleuchtungssteuerung
oder elektrohydraulische Lenkung. Die Verwendung ist jedoch hierauf
nicht eingeschränkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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