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Die Erfindung betrifft einen Lenkanschlag gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zur Verwendung in Steer-by-Wire Lenkungen und ein entsprechendes Verfahren.
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Bei Steer-by-Wire-Lenkungen besteht keine direkte mechanische Kopplung zwischen dem Lenkrad und den gelenkten Rädern. Stattdessen wird über Sensoren der Lenkwinkel und/oder die Drehgeschwindigkeit des Lenkrads gemessen und über Aktoren werden die Räder entsprechend eingeschlagen. Derartige Anordnungen sind aus
DE 10102244 A1 oder
DE 10 2008 021 973 A1 bekannt.
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Bei Steer-by-Wire Lenkungen entfällt somit die unmittelbare Rückmeldung zwischen der Lenkwinkeleingabe des Fahrers über das Lenkrad und dem tatsächlich ausgeführten Einschlagwinkel an den Rädern. Entsprechend erhält der Fahrer keine Rückmeldung darüber, ob bei starkem Auslenken das Lenkgetriebe sich bereits im Anschlag befindet oder nicht. Bei einem frei durchdrehbaren Lenkrad lassen sich somit unendlich große Lenkwinkel erzeugen, ohne dass das Lenkgetriebe diese auch einstellen kann.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Lenkanschlag für den Steer-by-Wire-Einsatz bereitzustellen, bei dem der Anwender eine haptische Rückmeldung (Feedback) bei dem Erreichen des maximal möglichen Einschlags der Räder erhält. Insbesondere soll hierbei betrachtet werden, dass unter unterschiedlichen Fahrbedingungen unterschiedliche maximale Einschlagwinkel der Räder und unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse von der Lenkradstellung zu dem Radeinschlag gefordert sein können.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 und das Verfahren gemäß Anspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Ein Lenkanschlag für ein Steer-by-Wire-Lenksystem umfasst eine Lenkwelle zur Verbindung mit einer Lenkhandhabe, insbesondere einem Lenkrad. Dabei ist ein Schneckenrad mit der Lenkwelle gekoppelt und das Schneckenrad steht mit einer Schneckenwelle im Eingriff und die Schneckenwelle ist mit einer Antriebsvorrichtung versehen. Ein Schneckenantrieb hat eine einseitige Hemmung. D. h. Drehmomente werden von dem Schneckenrad praktisch nicht auf die Schneckenwelle übertragen. Dies gilt insbesondere auch für größere Kräfte. So kann mit einfachen Mitteln ein Anschlag für das Lenkrad geschaffen werden. Aufgrund der hohen Aufnahmefähigkeit von Kräften in Folge der Hemmung kann das Schneckenwellengetriebe in einer geringen Größe gefertigt werden, was zum einen Kosten und zum anderen Gewicht spart. Über eine motorische Mitführung der Schneckenwelle entsprechend zu der Drehgeschwindigkeit des Schneckenrads kann der gewünschte Drehwinkelbereich für die Lenkwelle erzielt werden.
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Bei einer Steer-by-Wire Lenkung besteht von der Lenkwelle keine mechanische oder hydraulische Kopplung über Getriebestufen oder dergleichen zu mechanischen Komponenten der Einstellung des Radeinschlagwinkels wie beispielsweise einer Spurstange. Vielmehr wird das Drehen der Lenkwelle in ein elektronisches Signal gewandelt und über dieses Signal wird die Einstellung des Radeinschlags veranlasst.
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Insbesondere kann zwischen der Lenkwelle und dem Schneckenrad eine Getriebestufe vorgesehen sein. Eine Untersetzungsstufe, die die Drehgeschwindigkeit reduziert, kann vorteilhaft sein, damit die Geschwindigkeit der Drehung der Schneckenwelle bei einer schnellen Drehung des Lenkrads nicht zu groß ist. Alternativ kann eine Übersetzungsstufe vorteilhaft sein, da dabei zwar die Drehgeschwindigkeiten erhöht werden, aber dadurch die Kräfte sinken und somit das Schneckengetriebe kleiner dimensioniert werden kann.
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Dabei kann die Getriebestufe bevorzugt ein Riemen- oder ein Zahnriementrieb umfassen. Dieser ist eine kostengünstige Möglichkeit die gewünschte Übersetzung zu erhalten. Zusätzlich weist diese Getriebeform eine gewisse Elastizität auf, bei der Kräfte die von der Schneckenstufe auf die Lenkwelle eingekoppelt werden, gedämpft werden. Auch kann hierfür ein Zahnradgetriebe Verwendung finden. Dies ist beispielsweise bei einem Drehrichtungswechsel der Antriebsvorrichtung ergonomisch und vorteilhaft. Auch können die Kräfte, die von der nachfolgend erläuterten Force-Feedback-Vorrichtung eingeleitet werden, um ein gewisses Maß gedämpft werden, was das Handlinggefühl am Lenkrad angenehmer macht.
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Weiter kann der Lenkanschlag die genannte Force-Feedback-Vorrichtung umfassen, um an einem an der Lenkwelle angebrachtem Lenkrad eine Rückmeldungskraft, insbesondere in Form einer rotierenden Vibration der Lenkwelle, zu bewirken. Die Vibration kann eine schnelle vibrierende Lenkwellendrehung in der Frequenz von bspw. 10 Hz oder 20 Hz sein, um hierüber dem Fahrer Signale oder Hinweise zu geben. Beispielsweise kann ein Spurhalteassistent einen Hinweis auf das Verlassen der gewünschten Spur der Straße geben. Damit das Schneckengetriebe diese Schwingungen nicht absorbiert, kann es mit einem ausreichenden Spiel versehen sein. Das Spiel ist bevorzugt mindestens 20% größer als die Amplitude der vibrierenden Drehung der entsprechenden Achse. Mit der Force-Feedback-Vorrichtung kann auch ein überraschend auftretendes Ende des Lenkbereichs des Lenkrads und des Radeinschlags signalisiert werden, wie bspw. bei einer Begrenzung des Radeinschlags durch Kontakt eines Rades mit einem Bürgersteig.
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Insbesondere kann die Force-Feedback-Vorrichtung an der Welle angeordnet sein, die mit dem Schneckenrad verbunden ist. Durch die Anbindung der Force-Feedback-Vorrichtung, die insbesondere ein Motor sein kann, an die gleiche Welle wie der Schneckentrieb, wird eine Parallelschaltung beider Drehmomentquellen geschaffen, was ermöglicht, jede dieser Quellen konstruktiv kleiner zu konstruieren.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Lenkanschlag einen Drehmomentsensor, um das Drehmoment einer mit der Lenkwelle verbundenen Lenkhandhabe zu messen und an eine Steuerung weiterzuleiten. Die Steuerung bestimmt die Ansteuergeschwindigkeit des Motors der Schneckenwelle, um eine synchrone Drehgeschwindigkeit der Schneckenwelle zu dem Schneckenrad zu bewirken. Der Sensor kann bevorzugt auch ein kombinierter Drehwinkel- und Drehmomentsensor sein. Das Drehmoment an der Lenkwelle ist ein Messwert zur Bestimmung der Absicht des Fahrers den Lenkwinkel zu verändern. Somit stellt es eine unmittelbare Messgröße dar, die für eine schnelle Rückwirkung des Motors an die Schneckenwelle genutzt werden kann.
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Weiter kann für die Schneckenwelle und/oder für die Antriebsvorrichtung der Schneckenwelle eine Kraftmessvorrichtung vorgesehen sein, um Kräfte in Schneckenwellenlängsrichtung zu messen und an eine Steuerung weiterzuleiten. Es ist alternativ auch eine Messung von Kräften am Kontaktpunkt der Schneckenwelle mit dem Schneckenrad in Schneckenradradialrichtung möglich und diese wird als äquivalent zu den genannten Kräften in Schneckenwellenlängsrichtung angesehen, da eine Entsprechung besteht. Diese Kräfte werden dann von dem Schneckenrad auf die Schneckenwelle ausgeübt, wenn die Schneckenwelle sich nicht in der benötigten Geschwindigkeit dreht und das Messsignal kann zu einer benötigten Geschwindigkeitsanpassung verwendet werden.
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Insbesondere weist die Antriebsvorrichtung für die Schneckenwelle eine Leistung von weniger als 30 W auf und insbesondere weniger als 15 W und vorzugsweise weniger als 10 W. Gemeint ist dabei insbesondere die mechanische auf die Schneckenwelle abgegebene Leistung. Herkömmlich bekannte Antriebsvorrichtungen im Bereich der Lenkwelle werden häufig dafür eingesetzt, das Lenkrad unmittelbar zu drehen. Deshalb sind sie ausreichend stark dimensioniert, um die mechanischen Widerstände im System zu überwinden und ferner ggf. auch eine Haltekraft des Fahrers. Vorliegend soll die Schneckenwelle lediglich der Drehung des Schneckenrads folgen, die von dem Fahrer bewirkt wird, so dass es nicht zu der Hemmung kommt. Aus diesem Grund kann die Antriebsvorrichtung klein dimensioniert werden.
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Bei einem Verfahren zur Erzielung eines Lenkanschlags ist eine Lenkwelle mit einem Schneckenrad verbunden und ein Sensor misst die Winkellage der Lenkwelle und/oder der Sensor misst ein an der Lenkwelle durch die Lenkhandhabung aufgebrachtes Drehmoment und/oder ein weiterer Sensor ist vorgesehen, um einen Messwert in Bezug auf das aufgebrachte Drehmoment zu liefern. Dabei wird zumindest einer der Messwerte an eine Steuerung weiterleitet, so dass die Steuerung innerhalb eines vorgegebenen Bereichs der gemessenen Winkellage einen Antrieb aktiviert, der mit einer Schneckenwelle verbunden ist, die seinerseits im Eingriff mit dem Schneckenrad steht, so dass die Schneckenwelle entsprechend zu einer Drehung des Schneckenrads angetrieben wird.
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Dabei können Grenzwerte für die Drehung der Lenkwelle definiert sein. Bei dem Erreichen des Drehwinkels der Lenkwelle eines der Grenzwerte wird der Antrieb gestoppt, so dass sich ein Lenkanschlag gegen eine weitere Drehung der Lenkwelle in die entsprechende Richtung ergibt. Hierdurch kann dem Anwender das Ende des Lenkwinkelbereichs signalisiert werden.
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Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen anhand der Figuren beschrieben.
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1 zeigt einen schematischen Aufbau des Lenkanschlags zusammen mit dem Bereich der angelenkten Räder eines nicht-spurgebundenes Kraftfahrzeugs,
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2 den Schnitt A-A durch das Schneckengetriebe gemäß 1,
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3 eine alternative Ausführungsform mit einem Force-Feedback-Vorrichtung und
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4 eine weitere alternative Ausführungsform ohne ein Zahnriemenantrieb.
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Eine Lenkhandhabe, oder spezieller ein Lenkrad 10, ist mit einer Lenkwelle 11 verbunden und die Lenkwelle 11 ist gegenüber dem Fahrzeug drehbar gelagert, ohne dass ein mechanischer Anschlag von der Lenkwelle 11 oder einem unmittelbar damit verbundenen Teil mit ortsfest am Fahrzeug befindlichen Komponenten besteht. Im unteren Bereich der Lenkwelle 11 ist ein Zahnriementrieb 16, 26, 36 angeordnet, mit einer Zahnriemenscheibe 16, die mit der Lenkwelle 11 verbunden ist. Über einen Zahnriemen 26 ist die Zahnriemenscheibe 16 mit einer zweiten Zahnriemenscheibe 36 verbunden, um so Drehungen der Lenkwelle 11 auf die Koppelwelle 30 zu übertragen.
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Die Koppelwelle 30 weist ein Schneckenrad 32 auf, welches im Eingriff mit einer Schneckenwelle 42 steht. Die Schneckenwelle 42 ist wiederum mit einer Antriebsvorrichtung 50 verbunden (siehe 2), welche insbesondere als ein Elektromotor ausgeführt sein kann. Eine Aktivierung der Antriebsvorrichtung 50 bewirkt über die Schneckenwelle 42 eine Drehmomentübertragung auf das Schneckenrad 32 und somit über den Zahnriementrieb 16, 26, 36 auf die Lenkwelle 11. Ein Drehmoment, welches hingegen an der Lenkwelle 11 aufgebracht wird, wird nur bis zu dem Schneckenrad 32 geleitet und aufgrund der Eigenschaft eines Schneckengetriebes 16, 26, 36 der einseitigen Selbsthemmung wird das Drehmoment nicht auf die Schneckenwelle 42 weitergeleitet.
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Bei der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform der Erfindung beträgt das Lenkeinschlags-/Radeinschlagsverhältnis 2,5 zu 1. Das heißt, bei einem Drehwinkel des Lenkrads 10 von der Mittelstellung ausgehend von +900° in die eine Richtung kann der eine Lenkeinschlag erreicht werden und von –900° in die andere Richtung der andere Lenkeinschlag. Bei einer bevorzugten Ausführungsform findet ein Winkelsensor 20 Verwendung, welcher die jeweilige Stellung des Lenkrads 10 misst und das Ergebnis an die Steuerung 100 leitet. Die Steuerung 100 bestimmt den benötigten Antrieb der Antriebsvorrichtung, um eine Drehung der Schneckenwelle 42 zu bewirken, welche der Winkellage der Lenkwelle 11 entspricht. Ohne diese Bewegung der Schneckenwelle 42 wäre aufgrund der Selbsthemmung des Schneckenwellengetriebes 32, 42 eine Drehung der Lenkwelle 11 nicht möglich. Aufgrund des Antriebs der Schneckenwelle 42 hingegen kann die Lenkwelle 11 über ein damit verbundenes Lenkrad 10 beliebig, also innerhalb definierter Grenzen endanschlagsfrei in beide Richtungen gedreht werden. Alternativ oder zusätzlich zu der Winkellagen-Funktion des Winkelsensors 20, kann der Winkelsensor 20 einen Drehmomentsensor aufweisen. Dieser Drehmomentsensor 20 erkennt ein Drehmoment, welches von dem Fahrer auf die Lenkwelle 11 aufgebracht wird. Abhängig von der Richtung des Moments kann die Steuerung 100 die Drehgeschwindigkeit des Motors 50 erhöhen, erniedrigen oder in seiner Richtung umkehren.
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Als eine weitere Alternative oder zusätzlich zu den genannten Sensorfunktionen des Drehmomentsensors 20 kann der Schneckenwellenantrieb 42, 50 einen Kraftsensor 48 umfassen. In diesem Fall ist die Antriebsvorrichtung 50 ortsfest an dem Fahrzeug befestigt. Dieser Kraftsensor 48 misst Zug- und Druckkräfte in Schneckenwellenaxialrichtung. Wenn das Schneckenrad 32 sich in eine erste Richtung dreht, die gemäß 2 dem Uhrzeigersinn entspricht, und die Antriebsvorrichtung 50 nicht aktiviert ist oder sich langsamer dreht, als es der Drehgeschwindigkeit des Schneckenrads 32 entspricht, so werden im Kraftsensor 48 Druckkräfte aufgebaut. Diese werden an die Steuerung 100 weitergeleitet, wird eine Drehgeschwindigkeitserhöhung in die entsprechende Richtung veranlasst. Alternativ zu dem Kraftsensor 48 kann ein Kraftsensor 47 verwendet werden, welcher mit seinem einen Ende an dem Motor 50 und mit seinem anderen Ende ortsfest am Fahrzeug gelagert ist. Somit ist der Motor 50 in dieser Ausführungsform in der Schneckenwellenlängsrichtung schwimmend gelagert. In der Funktion entspricht dieser Kraftsensor 47 dem in der vorherigen Ausführungsform beschriebenen Kraftsensor 48.
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In einem mittleren Drehwinkelbereich von kleiner als +/–900° wird die Schneckenwelle, wie bereits beschrieben, synchron zu dem Schneckenrad 32 betrieben. Wenn die definierte Begrenzung des Drehwinkels, also +900° oder –900° der Lenkwelle 11 erreicht wurde, so wird dies über den Winkelsensor 20 erkannt und an die Steuerung 100 weitergeleitet. Die Steuerung 100 stoppt den Antrieb des Motors 100 und in dem Schneckengetriebe 32, 42 bauen sich aufgrund dessen Selbsthemmung mechanische Widerstandskräfte auf, die der Fahrer als Widerstand gegen ein weiteres Drehen des Lenkrades 10 in diese Richtung erkennt. Wenn der Fahrer das Lenkrad 10 in die entgegengesetzte Richtung dreht, so wird dies durch den Drehmomentsensor 20 und/oder einen der Kraftsensoren 47 oder 48 erkannt und die Steuerung 100 aktiviert die Antriebsvorrichtung 50, um die Schneckenwelle 42 in die benötigte Richtung drehen zu lassen. Zu beiden Drehrichtungen des Lenkrads 10 ist der Lenkanschlag symmetrisch, bzw. identisch aufgebaut.
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Situationsabhängig kann ein anderes Lenkeinschlags-/Radeinschlagsverhältnis gewünscht sein. Beispielsweise kann das Fahrzeug über ein sportliches Fahrprogramm verfügen. Bei einer sportlichen Fahrweise soll die Lenkung auf Lenkeinschläge empfindlicher reagieren. So kann hierfür ein Lenkeinschlag von jeweils 1,5 Umdrehungen, also +/–540° dem maximalen Radeinschlag entsprechen. Bei einem Fahrprogramm für Geländefahrten kann ein veränderter maximaler Radeinschlag vorgegeben sein. Auch kann bei Rädern mit veränderten Durchmessern, (wie z. B. Sommer- oder Winterreifen) ein veränderter maximaler Radeinschlagwinkel vorgegeben sein. Des Weiteren kann geschwindigkeitsabhängig von der Fahrzeugsteuerung 100 ein maximal zulässiger Radeinschlag vorgegeben werden. Auch in diesen Fällen ist es gewünscht, dass der Fahrer eine veränderte Rückmeldung über den maximalen Lenkeinschlag des Lenkrads 10 erhält. In diesen Fällen kann die Steuerung 100 bereits bei kleineren gemessenen Lenkeinschlägen des Winkelgebers 20 die Antriebsvorrichtung 50 stoppen.
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3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des in 1 gezeigten Lenkanschlags. Hier ist an der Koppelwelle 30 eine Force-Feedback-Vorrichtung 60, also eine Kraft-Rückmeldungsvorrichtung, angeordnet. Diese ist bevorzugt als ein Motor ausgestaltet und ihre Rotorwelle ist Teil der Koppelwelle 30 und ist dabei am einen Ende mit dem Schneckenrad 32 und dem anderen Ende mit dem Zahnrad 36 verbunden. Über die Force-Feedback-Vorrichtung kann man vergleichbar zu einem Motor Drehmomente auf die Koppelwelle 30 ausüben. Diese Kräfte sind bevorzugt schnell alternierend bzw. wechselnd mit einer Frequenz von 5–30 Hz. Diese Kräfte werden auf die Lenkwelle 11 übertragen und sind am Lenkrad 10 als eine Vibration spürbar. Auf diese Weise kann beispielsweise ein Spurhalteassistent dem Fahrer mitteilen, dass er von der (idealen) Spur abgewichen ist. Bevorzugt hat dabei der Schneckenwellenantrieb 32, 42 ein Spiel, welches der Amplitude der Drehbewegung der alternierenden Kräfte und den entsprechenden Vibrationen entspricht oder größer ist. So werden die von der Force-Feedback-Vorrichtung erzeugten Kräfte nicht von dem Schneckenantrieb 32, 42 absorbiert.
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Zur Bewirkung der genannten Vibrationskräfte als Rückmeldung an das Lenkrad 10 kann der Schneckenantrieb 32, 42 unterstützend eingesetzt werden. In diesem Fall werden durch den Motor 50 kurze Drehimpulse bewirkt, die die Schneckewelle drehend vibrieren lassen und diese wechselnde Drehbewegung wird auf das Schneckenrad 32 und in der Folge auf das Lenkrad 10 übertragen. Auch ist eine Ausführungsform möglich, bei der keine Force-Feedback-Vorrichtung Verwendung findet. In diesem Fall kann der Motor 50 von der Steuerung 100 so angetrieben werden, dass am Lenkrad eine Vibration entsteht.
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Die Ausführungsform gemäß 4 unterscheidet sich von der Hauptausführungsform gemäß 1 dahingehend, dass kein Schneckenantrieb vorgesehen ist. Statt dessen ist das Schneckenrad 32 an der Lenkwelle 11 angeordnet. In der Funktion des Schneckenantrieb 32, 42 und der Antriebsvorrichtung 50 bestehen keine Unterschiede.
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Merkmale unterschiedlicher Ausführungsformen sind frei miteinander kombinierbar. Insbesondere kann auch bei der Ausführungsform gemäß 4 eine Force-Feedback-Vorrichtung vorgesehen sein.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Lenkhandhabe, Lenkrad
- 11
- Lenkwelle
- 16
- Zahnriemenscheibe
- 20
- Sensor, Winkelsensor, Drehmomentsensor
- 26
- Zahnriemen
- 30
- Welle, Koppelwelle
- 32
- Schneckenrad
- 36
- Zahnriemenscheibe
- 42
- Schneckenwelle
- 47, 48
- Kraftsensor
- 50
- Antriebsvorrichtung, insbesondere Motor
- 60
- Force-Feedback-Vorrichtung
- 100
- Steuerung
- 110
- Rad
- 111
- Lenkzylinder
- 112
- Spurstange
- 114
- Kolbenstange
- 118
- Lenkkolben
- 130
- Dreiwegesteuerventil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10102244 A1 [0002]
- DE 102008021973 A1 [0002]
