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Die Erfindung betrifft einen Wankstabilisator für ein Kraftfahrzeug, umfassend einen in einem Gehäuse angeordneten, ein Planetengetriebe aufweisenden mechatronischen Aktuator zum Erzeugen eines Torsionsmoments zwischen zwei Drehstabfedern, sowie einen Sensor zum Messen des Torsionsmoments.
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Ein Wankstabilisator ist in der Lage, einen geteilten Drehstab eines Fahrwerks eines Kraftfahrzeugs während einer Kurvenfahrt in Abhängigkeit von der Querbeschleunigung und gegebenenfalls weiteren Parametern zu verdrehen, um die Neigung der Fahrzeugkarosserie während der Kurvenfahrt zu verringern. Üblicherweise umfasst ein Wankstabilisator einen mechatronischen Aktuator, bestehend aus einem Elektromotor und einem Steuergerät sowie einem Getriebe, insbesondere einem ein- oder mehrstufigen Planetengetriebe. Der Wankstabilisator weist den Sensor zum Erfassen des Torsionsmoments auf, durch das das Gehäuse des Aktuators beaufschlagt wird. Mittels des erfassten Torsionsmoments wird der Wankwinkel des Kraftfahrzeugs geregelt, insbesondere verringert.
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Ein herkömmlicher Wankstabilisator umfasst eine erste Drehstabfeder, die in einem Flansch mündet, in dem der Drehmomentsensor angeordnet ist. Dieser Flansch ist mit einem Gehäuse verbunden, in dem der Aktuator zum Erzeugen des Torsionsmoments angeordnet ist. Der Aktuator umfasst einen elektrischen Antriebsmotor, dessen Motorwelle mit einem mehrstufigen Planetengetriebe gekoppelt ist. die Abtriebsseite des Planetengetriebes ist mit einer Elastomerentkopplungseinheit verbunden, die eine Verdrehung des daran angeschlossenen Flansches und einer mit dem Flansch verbundenen Drehstabfeder ermöglicht.
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Die Unterbringung des Sensors zum Messen des Torsionsmoments außerhalb des Gehäuses in einem Flansch weist den Nachteil auf, dass unterschiedliche Belastungen und Störungen auf den Sensor einwirken können. Als Belastungen kommen beispielsweise Biegemomente, sowie Quer- und Axialkräfte in Frage, ebenso wie Steinschlag oder Rost. Störungen der Messung des Torsionsmoments können unter anderem durch ein externes Magnetfeld oder hohe Temperaturgradienten verursacht werden. Da lediglich das durch den Sensor gemessene Torsionsmoment als primäre Regelgröße für den Aktuator berücksichtigt wird, müssen Maßnahmen zur Kompensation von Störgrößen vorgesehen werden. Eine solche Maßnahme kann z. B. die Erfassung eines zusätzlichen Torsionssignals sein. Ebenso können weitere Größen gemessen werden, beispielsweise die Biegung des Gehäuses, eine Querkraft oder eine Axialkraft. Allerdings erhöhen diese Maßnahmen zur Kompensation von Störgrößen bzw. zur Verifikation eines gemessenen Torsionsmoments den baulichen Aufwand und dementsprechend auch die Herstellungskosten. Zudem ist der zur Verfügung stehende Bauraum begrenzt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Wankstabilisator anzugeben, der eine weitestgehend störungsfreie Messung des Torsionsmoments mittels eines Sensors ermöglicht.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Wankstabilisator der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Sensor oder eine Komponente des Sensors an einer Planetenträgerwand des Planetengetriebes angeordnet ist.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass eine Anbringung oder Unterbringung des Sensors im Inneren des Aktuators an einer Planetenträgerwand einen besseren Schutz gegenüber Umwelteinflüssen bietet. Darüber hinaus kann die Qualität der von dem Sensor erfassten Messwerte des Torsionsmoments gesteigert werden, da eine Verschlechterung der Signalqualität durch Belastungen oder Störungen verringert ist. Gegebenenfalls können auch weitere Informationen erfasst werden, die beispielsweise für eine Komfortfunktion im Rahmen der Regelung eines aktiven Fahrwerks genutzt werden können.
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Dabei kann entweder der (einteilige) Sensor oder eine Komponente eines mehrteiligen Sensors an einer Planetenträgerwand angeordnet sein. Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht somit einen einteiligen Sensor vor, der beispielsweise einen Dehnungsmessstreifen (DMS) aufweist beziehungsweise als DMS ausgebildet ist. Dieser DMS kann dementsprechend an oder auf einer Planetenträgerwand angeordnet sein.
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Alternativ kann erfindungsgemäß auch ein mehrere Komponenten aufweisender Sensor verwendet werden. Beispielsweise kann es sich dabei um einen magnetostriktiven Sensor handeln, der auf dem Prinzip der inversen Magnetostriktion beruht und zwei Komponenten aufweist, nämlich einen Primärsensor, der eine gerichtete Magnetisierung aufweist und einen Magnetfeldsensor als Sekundärsensor. Vorzugsweise kann der Primärsensor als Komponente des Sensors an einer Planetenträgerwand angeordnet sein. Ein auf die Planetenträgerwand einwirkendes Torsionsmoment bewirkt eine Änderung des von dem Primärsensor erzeugten Magnetfelds, die von dem Sekundärsensor als zweiter Komponente des Sensors erfasst werden kann.
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In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Wankstabilisators kann es vorgesehen sein, dass der Sensor zum Bestimmen des Torsionsmoments durch Messen einer dazu proportionalen Größe ausgebildet ist. Die Größe kann beispielsweise eine Axialoder Radialkraft sein. Alternativ kann die zu dem Torsionsmoment proportionale Größe eine Dehnung sein, die proportional zu dem Torsionsmoment ist.
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Es wird besonders bevorzugt, dass der Sensor wenigstens einen DMS aufweist. Dehnungsmessstreifen beruhen auf dem Effekt, dass bestimmte Werkstoffe, beispielsweise metallische Legierungen, die zu Folien verarbeitet sind, bei einer Verformung ihren elektrischen Widerstand ändern. Die Verformung kann dabei eine Dehnung oder eine Stauchung sein, anhand der gemessenen Änderung des elektrischen Widerstands kann auf die Größe der Dehnung geschlossen werden. Der Dehnungsmessstreifen wird dazu an dem Messobjekt, in diesem Fall axial-frontal auf der Planetenträgerwand des Planetengetriebes, befestigt, beispielsweise aufgeklebt. Anhand der erfassten Dehnung kann auf das wirkende Torsionsmoment geschlossen werden.
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Erfindungsgemäß wird es bevorzugt, dass der Sensor mehrere einer Planetenträgerwand angeordnete Dehnungsmessstreifen aufweist. Dementsprechend können zum Beispiel zwei, drei oder vier Dehnungsmessstreifen angebracht sein. Anstelle eines einzigen Dehnungsmessstreifens kann auch ein DMS-Element eingesetzt werden, das zwei oder mehr einzelne DMS umfasst. Da ein einziger Dehnungsmessstreifen eine Erfassung der Dehnung in einer festgelegten Richtung ermöglicht, kann durch die Kombination von zwei oder drei DMS eine mehrachsige Dehnungsmessung erfolgen, wodurch ein Dehnungszustand mit höherer Qualität und gegebenenfalls höherer Genauigkeit gemessen werden kann.
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Hinsichtlich der Anbringung des Sensors ist bei dem erfindungsgemäßen Wankstabilisator lediglich ein minimaler Bauraum erforderlich. Da er im Inneren des Gehäuses angeordnet ist, ist er zuverlässig vor Verschmutzung und Beschädigungen geschützt.
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Eine alternative Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Wankstabilisators sieht vor, dass der Sensor auf dem Prinzip der inversen Magnetostriktion beruht und einen Primärsensor mit einer gerichteten Magnetisierung und einen wenigstens einen Magnetfeldsensor aufweisenden Sekundärsensor umfasst. Derartige Sensoren sind an sich bekannt. Um Spannungen in einem Werkstoff mittels inverser Magnetostriktion messen zu können, wird eine gerichtete Magnetisierung, das heißt eine magnetische Polarisation des Werkstoffs, in dem Werkstoff beziehungsweise in einer Planetenträgerwand erzeugt. Durch die lokale Ausrichtung magnetischer Domänen kann eine mechanische Spannung in der Planetenträgerwand detektiert werden. Neben der Größe der Spannung kann auch deren Richtung erfasst werden. Der die aufgebrachte oder erzeugte Magnetisierung aufweisende Bestandteil des Sensors wird als Primärsensor bezeichnet, dieser wirkt mit einem Sekundärsensor zusammen, der als Magnetfeldsensor ausgebildet ist. Vorzugsweise ist der Magnetfeldsensor von dem Primärsensor beabstandet. Die Magnetisierung des Primärsensors kann entweder remanent, das heißt dauerhaft, eingebracht sein oder sie kann extern durch einen Permanentmagneten (statisch) oder durch eine stromdurchflossene Spule (dynamisch) erzeugt werden. Der Magnetfeldsensor, das heißt der Sekundärsensor, ist vorzugsweise als Spule oder als Förstersonde oder als Hall-Sensor ausgebildet.
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Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, dass der Primärsensor als Beschichtung einer Planetenträgerwand ausgebildet ist.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnungen.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Figuren dargestellt. Die Figuren zeigen nicht-skalierte Zeichnungen. Es zeigen:
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1 die wesentlichen Komponenten eines erfindungsgemäßen Wankstabilisators;
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2 eine geschnittene Ansicht eines Aktuators eines erfindungsgemäßen Wankstabilisators gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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3 eine Ansicht eines Teils des Planetengetriebes;
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4 eine Ansicht einer Getriebestufe des Aktuators aus 2; und
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5 eine Ansicht des Teils des Planetengetriebes aus 3 aus einer anderen Perspektive.
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1 bis 5 zeigen ein Ausführungsbeispiel. Wesentliche Komponenten der Figuren entsprechen einander, so dass nicht jede Komponente jeder Figur nochmalig erwähnt wird. Identische Komponenten werden mit denselben Bezugszeichen über 1 bis 5 hinweg bezeichnet. Nicht jede Komponente die mehrfach in dem Ausführungsbeispiel vorkommt, wie beispielsweise Nadel 21, ist aufgrund der Übersichtlichkeit mit Bezugszeichen ausgezeichnet. Dem Fachmann erschließt es sich jedoch, dass beispielsweise bei Nadel 21 auch weitere Nadeln ohne Bezugszeichen verstanden werden können.
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Der in 1 gezeigte Wankstabilisator 1 ist Bestandteil eines Fahrwerks eines Kraftfahrzeugs und umfasst einen in einem Gehäuse 2 angeordneten mechatronischen Aktuator. An der in 1 linken Seite ist eine rohrförmige Drehstabfeder 3 gezeigt, die an einem Flansch 4 befestigt ist, der das Gehäuse 2 an einer Axialseite verschließt. An der entgegengesetzten Seite ist eine Drehstabfeder 5 angeordnet.
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Der in dem Gehäuse 2 aufgenommene Aktuator umfasst eine elektronische Steuerungseinheit 6, mittels der ein Elektromotor 7 gesteuert wird. Eine Abtriebswelle des Motors 7 ist mit einem Planetengetriebe 8 gekoppelt, durch das die Drehzahl untersetzt wird. In Axialrichtung schließt sich an das Planetengetriebe 8 eine Elastomerentkopplungseinheit 9 an, die bewirkt, dass der Wankstabilisator erst ab einem festgelegten Wankwinkel wirkt. Wenn der Elektromotor 7 durch die Steuerungseinrichtung 6 eingeschaltet wird, bewirkt er eine Drehung der Drehstabfeder 5 gegenüber der Drehstabfeder 3, wodurch ein vorhandener Wankwinkel reduziert werden kann. Zur Steuerung oder Regelung des in dem Gehäuse 2 angeordneten Aktuators ist die Messung des Torsionsmoments erforderlich, dazu weist der Aktuator einen entsprechenden Sensor auf.
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2 ist eine geschnittene Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels des in dem Gehäuse 2 aufgenommenen Aktuators. Zur Vereinfachung der Darstellung sind die mechatronischen Komponenten lediglich schematisch dargestellt, einige Bestandteile sind der besseren Übersichtlichkeit wegen weggelassen.
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Der Elektromotor 7 ist als BLDC-Motor ausgebildet, dessen Motorwelle greift in eine erste Getriebestufe 19 ein, die Planeten 10 sowie ein Sonnenrad 11 umfasst. An der Innenseite des Gehäuses 2 ist ein Hohlrad 12 ausgebildet, das mit den Planeten 10 kämmt. Die erste Getriebestufe 9 stützt sich somit an dem Hohlrad 12 ab und treibt über das Sonnenrad 11 eine zweite Getriebestufe 13 an. Die zweite Getriebestufe 13 umfasst Planeten 14 und ein Sonnenrad 15. In Axialrichtung daneben befindet sich eine dritte Getriebestufe 17 mit Planeten 16. Die dritte Getriebestufe 17 ist mit einer Entkopplungseinheit 18 verbunden. Diese Entkopplungseinheit 18 weist außenseitig in axialer Richtung eine umlaufende Hirthverzahnung auf, so dass an dieser Stelle ein Flansch (nicht gezeigt), der eine Gegenverzahnung aufweist, angebracht werden kann, der mit der (rechten) Drehstabfeder 5 (siehe 1) verbunden ist. Bei einer Drehung der Abtriebswelle des Elektromotors 7 wird die erste Getriebestufe gedreht, die wiederum die zweite Getriebestufe in Rotation versetzt, die wiederum die dritte Getriebestufe und die mit dieser gekoppelte Entkopplungseinheit 18 in Drehung versetzt, so dass zwischen den beiden gegenüberliegenden Drehstabfedern 3, 5 (siehe 1) ein Torsionsmoment erzeugt wird. In 2 sind der Motor und die einzelnen Getriebestufen zur Verbesserung der Darstellung separat dargestellt, diese Komponenten sind jedoch selbstverständlich miteinander gekoppelt, das heißt sie kämmen miteinander, wodurch das dreistufige Planetengetriebe gebildet wird.
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Weiter zeigt 2 den freien Bauraum 20 (der Planet ist in 2 nicht dargestellt, wodurch der Bauraum 20 „sichtbar“ ist). Auch führen bzw. lagern die Nadeln 21 (bzw. Nieten oder Bolzen) der Getriebestufe 19 die Planeten 10 in der Getriebestufe 19. Die Nadeln 21 sind fest eingebracht in die Planetenträgerwände 22 (bzw. Außenschalen) der Getriebestufe 19. Die Planetenträgerwände 22 der Getriebestufe 19 bestehen aus zwei schalenartigen Planetenträgerwänden und sind als Korpus der Getriebestufe 19 zu sehen; sie können auch als Außenschalen bezeichnet werden. Die Planetenträgerwände 22 sind mittels mechanischer Verformung axial zusammengeführt und erzeugen so einen freien Bauraum 20, der freie Bauraum 20 kann auch als Einbuchtungen bezeichnet werden. Die Planetenträgerwände 22 sind mechanisch fest miteinander verbunden. Zwischen den Planetenträgerwänden 22 befinden sich Planeten 10 mit Nadeln 21. Die Nadeln 21 dienen der Lagerung der Planeten 10 im Korpus des Getriebes 19.
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Die Planetenträgerwände 22 der Getriebestufe 19 werden beim Torsionsmoment im Getriebe mechanisch beansprucht, so dass mechanische Spannungen in den schalenartigen Planetenträgerwänden eingebracht werden und Kräfte messbar sind. Eine messbare Kraft zur Bestimmung der Torsion kann beispielsweise in folgenden Fällen auftreten:
- • 3 zeigt einen Bereich 23 in dem Materialspannungen erzeugt werden. Eine Torsion der Planetenträgerwände 22 wird also zwischen den in den Planetenträgerwänden 22 eingebrachten Nadeln 21 und dem Sonnenrad 11 der Getriebestufe 19 erzeugt.
- • 5 zeigt einen Bereich 24 in dem Materialspannungen erzeugt werden. Eine Torsion tritt also auf der gegenüberliegenden Planetenträgerwand 22 zwischen den Nadeln 21 und der mechanischen Verbindung der beiden Planetenträgerwände (siehe 4, Bezugszeichen 25) auf.
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Die mechanische Beanspruchung zwischen Nadel 21 und Planetenträgerwand 22 ist eine Flächenpressung zwischen zwei gewölbten Flächen. Eine Spezialform davon ist die so genannte Hertz´sche Pressung. Die Flächenpressung zwischen zwei gewölbten Flächen erzeugt wiederum Materialspannungen in der Planetenträgerwand 22 an den genannten Bereichen 23, 24.
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Weiter werden in den Bereichen 23 und 24 unter anderem Scherungen als Materialspannung der Planetenträgerwand 22 erzeugt. Diese Scherungen sind proportional zur vorliegenden Torsion und können ebenfalls messbar gemacht werden.
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Die verschiedenen Kräfte können über eine inverse Magnetostriktion oder auch mit einer Dehnmessstreifen-Sensorik (DMS-Sensorik) erfasst werden. Die Anwendungen werden im Folgenden weiter beschrieben.
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Die invers-magnetostriktive Sensortechnologie kann angewendet werden, da die Getriebestufe um die eigene Achse rotiert. Hierfür kann im Raum zwischen der Getriebestufe 19 und dem Elektromotor 7 und/oder auch im Raum zwischen den Getriebestufen 19 und 13 sowie 13 und 17 am Gehäuse 2 eine Sekundärsensorik angeordnet werden, die nicht mit rotiert. Die Sekundärsensorik ist also eine Elektronik mit Magnetfeldsensoren, die das invers-magnetostriktive Primärsensorsignal der rotierenden Getriebestufe 19 detektieren kann.
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Eine spezielle Anordnung der Magnetfeldsensorkörper und der dazugehörige spezielle Auswertealgorithmus ermöglicht die Messung der Materialspannungen an den Planetenträgerwänden 22. Hierbei kann ein fortwährendes Messsignal vorliegen. Daher kann die Sekundärsensoren bzw. Magnetfeldsensoren entsprechend vorteilhaft über den Umfang angeordnet werden.
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Die Sekundärsensorik bzw. -elektronik kann mit dem Gehäuse 2 fest verbunden sein und beispielsweise ähnlich einer kreisrunden Scheibe umgesetzt werden. Auch eine andere Geometrie ist möglich. Eine kreisrunde Scheibe benötigt beispielsweise eine Aussparung für das Sonnenrad. Die nicht mit rotierende Elektronik kann sich über den Umfang ≤ 360° erstrecken. Alternativ kann die nicht mit rotierende Elektronik durch mindestens zwei voneinander getrennten und über den Umfang angeordneten Elektroniken dargstellt umgesetzt werden, und zwar mit einem Umfang von je ≤ 180°. Die Elektronik kann eine Leiterplatte mit darauf angeordneten Magnetfeldsensoren sein.
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Die Anordnung von Sensorelementen über den Umfang ≤ 360° und die Verschaltung der Sensorsignale sind abhängig vom gewählten Konzept festzulegen. Es sind mehrere Magnetfeldsensorelemente gegenüber einem Primärsensor denkbar, mindestens aber ein Magnetfeldsensorelement. Pro Messkörper sind mehrere Magnetfeldsensorelemente denkbar. Denkbar ist eine 3D Magnetfelderfassung um die drei räumlichen Magnetfeldvektoren messen zu können. Eine Detektion von kombinierten Belastungen gleichzeitig soll damit ermöglicht werden. Der Magnetfeldsensor kann zum Beispiel eine Spule, eine Förstersonde oder ein Hall-Sensor sein.
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Die Anwendung der DMS-Technologie ist analog zur beschriebenen Applikation der invers-magnetostriktiven Sensortechnologie denkbar. Denn die schalenartigen Planetenträgerwände weisen mit rotierende Einbuchtungen (Bauraum 20) auf, in welchen die Teile der entsprechenden Elektronik eingebracht werden könnten. Dabei können die DMS-Elemente im Bereich 23, 24 platziert werden und zur mit rotierenden Elektronik verbunden werden.
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Demnach kann ein Elektronikteil mit rotierend in der Getriebestufe eingebracht werden und ein zweiter Elektronikteil kann nicht mit rotierend im inneren des Gehäuses 2 fest verbunden zwischen den Getriebestufen positioniert werden. Eine Telemetrieschnittstelle in beiden Elektronikteilen kann den Informationsaustausch und die Energieversorgung sichern. Bewegt sich beispielsweise die mit rotierende Elektronik an der fest angebrachten Elektronik vorbei, so können Informationsdaten ausgetauscht werden und Energie beispielsweise induktiv übertragen werden.
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Die Anordnung von DMS-Elementen über den Umfang ≤ 360° und die Verschaltung der Sensorsignale sind abhängig vom gewählten Konzept festzulegen. Es sind mehrere DMS-Elemente denkbar, mindestens aber ein DMS-Element.
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Die vorbeschriebene Erklärung des Ausführungsbeispiels der 2 bis 5 ist anhand der Getriebestufe 19 beschrieben, sie kann analog auch an der bauähnlichen Getriebestufe 13 angewandt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wankstabilisator
- 2
- Gehäuse
- 3
- Drehstabfeder
- 4
- Flansch
- 5
- Drehstabfeder
- 6
- Steuerungseinheit
- 7
- Elektromotor
- 8
- Planetengetriebe
- 9
- Elastomerentkopplungseinheit
- 10
- Planet
- 11
- Sonnenrad
- 12
- Hohlrad
- 13
- Getriebestufe
- 14
- Planet
- 15
- Sonnenrad
- 16
- Planet
- 17
- Getriebestufe
- 18
- Entkopplungseinheit
- 19
- Getriebestufe
- 20
- Bauraum
- 21
- Nadel
- 22
- Planetenträgerwand
- 23
- Bereich bei dem Materialspannungen erzeugt werden
- 24
- Bereich bei dem Materialspannungen erzeugt werden
