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Die Erfindung betrifft einen Aktor und ein Verfahren zur Messung einer Betätigungskraft des Aktors sowie ein Kraftfahrzeug mit einem Aktor. Der Aktor weist zumindest eine Antriebseinheit und ein durch die Antriebseinheit entlang einer axialen Richtung verlagerbares Betätigungselement auf. Der Aktor ist insbesondere einen Hydrostataktor mit einem entlang einer axialen Richtung verlagerbaren Kolben zur Verlagerung eines Fluidvolumens. Der Kolben wird insbesondere über einen elektrischen Motor betätigt. Der Aktor kann in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden, z. B. zur Betätigung einer Kupplung oder eines Getriebes.
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Aus der
WO 2011/050767 A1 ist ein Hydrostataktor bekannt. Dieser weist einen elektrischen Motor, eine Spindel und zwischen Motor und Spindel ein Getriebe auf.
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Bei hydrostatischen und hydraulischen Aktoren kann eine Druckmessung über einen Drucksensor erfolgen, der den Druck des Fluids erfasst. Bei rein mechanischen Aktoren ist dies nicht möglich. Für diese Art von Aktoren existiert derzeit keine Möglichkeit zur direkten Kraftmessung (z. B. über eine Erfassung der Betätigungskraft an der Spindel). Hier wird die Betätigungskraft über den Motorstrom des elektrischen Antriebs der Spindel abgeschätzt.
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Bei hydrostatischen und hydraulischen Aktoren ist die hydraulische Strecke abhängig von verschiedenen Parametern (z. B. Temperatur, Eigenschaften des Fluids, etc.). Wenn als Regelgröße des Aktors die Betätigungskraft verwendet werden soll (z. B. Synchronisierungskraft bei Gangstellern) könnte die Regelung durch eine genauere Messung der Betätigungskraft deutlich verbessert werden (ohne die Ungenauigkeiten aus der hydraulischen Strecke).
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Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die in dem Stand der Technik entdeckten Nachteile zumindest teilweise zu überwinden und insbesondere einen Aktor sowie ein Verfahren zur Messung einer Betätigungskraft bereitzustellen, wobei die Betätigungskraft des Aktors mit einer hohen Genauigkeit bestimmt werden kann.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1, 9 und 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung und Details aus den Figuren ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.
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Die Erfindung betrifft einen Aktor, zumindest umfassend eine Antriebseinheit und ein durch die Antriebseinheit entlang einer axialen Richtung verlagerbares Betätigungselement. Der Aktor weist zumindest eine Messeinrichtung auf, durch die mittels Magnetostriktion oder durch zumindest einen Dehnungsmessstreifen eine bei Betätigung des Betätigungselements auftretende Betätigungskraft messbar ist.
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Magnetostriktion ist die Deformation magnetischer (insbesondere ferromagnetischer) Stoffe infolge eines angelegten magnetischen Feldes. Dabei erfährt der Körper bei konstantem Volumen eine elastische Längenänderung (Joule-Magnetostriktion).
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Dehnungsmessstreifen (DMS) sind bekannte Messeinrichtungen und insbesondere zur Erfassung von dehnenden und stauchenden Verformungen vorgesehen. Sie ändern schon bei geringen Verformungen ihren elektrischen Widerstand und werden als Dehnungssensoren eingesetzt. Dehnungsmesstreifen können z. B. auf Bauteile, die sich unter Belastung minimal verformen, aufgeklebt oder anderweitig darauf angeordnet (z. B. durch Beschichtung des Bauteils) werden. Die Verformung des Bauteils (Dehnung/ Stauchung) führt zur Veränderung des Widerstands des DMS, wobei die Veränderung des Widerstands messtechnisch erfassbar ist.
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Bei der zumindest einen Dehnungsmessstreifen umfassenden Messeinrichtung ist der Dehnungsmessstreifen so an einem Bauteil des Aktors angeordnet, dass das Bauteil und damit der Dehnungsmessstreifen bei Betätigung des Aktors durch die Betätigungskraft (elastisch) verformbar sind. Diese kraftabhängige Verformung kann über den Dehnungsmessstreifen erfasst werden. Aus dem so ermittelten Messsignal ist eine Betätigungskraft ermittelbar.
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Die magnetostriktiv wirkende Messeinrichtung umfasst zumindest einen Sensor sowie ein magnetisierbares Messelement, das magnetisiert wird und bei Betätigung des Aktors durch die Betätigungskraft (elastisch) verformbar ist. Diese kraftabhängige Verformung kann über den Sensor erfasst werden. Aus dem so ermittelten Messsignal ist eine Betätigungskraft ermittelbar.
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Im Gegensatz zur Messung mittels Dehnungsmessstreifen kann das als Messelement verwendete Bauteil hier beliebig steif ausgeführt oder beliebig steif angeordnet sein, weil bei dem Prinzip der Magnetostriktion die Spannungen im Material des Messelements die Messung ermöglichen.
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Das Messelement bzw. das den Dehnungsmessstreifen aufweisende Bauteil ist insbesondere entlang eines Kraftflusses angeordnet, der bei Betätigung des Betätigungselements durch den Aktor hindurch verläuft.
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Die Antriebseinheit kann in einem Gehäuse des Aktors angeordnet sein. Die Antriebseinheit kann sich bei Betätigung des Betätigungselements an dem Gehäuse (an einer Abstützung) abstützen. Zumindest ein magnetisierbares Messelement oder zumindest ein Dehnungsmessstreifen kann zwischen der Antriebseinheit und dem Gehäuse in einem Bereich der Abstützung angeordnet sein oder dort zumindest einen Teil des Gehäuses oder der Antriebseinheit bilden.
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Insbesondere erfasst die Messeinrichtung ausschließlich eine in axialer Richtung wirkende Betätigungskraft. Bei der in axialer Richtung wirkenden Betätigungskraft wirken Biegespannungen in dem Bauteil bzw. in dem Messelement, die durch den zumindest einen Dehnungsmessstreifen bzw. durch den Sensor erfassbar sind. In Umfangsrichtung wirkende Spannungen werden hier gerade nicht erfasst.
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Die Antriebseinheit kann einen elektrischen Motor mit einem Stator und einem Rotor umfassen.
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Die Antriebseinheit kann einen elektrischen Motor und das Betätigungselement eine Spindel umfassen. Die Spindel kann über den elektrischen Motor angetrieben und entlang einer axialen Richtung verlagert werden.
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Die Spindel kann durch den elektrischen Motor über ein Getriebe betätigbar sein, z. B. über ein Planetenwälzgetriebe.
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Der Aktor kann entlang einer Umfangsrichtung eine Mehrzahl von Messeinrichtungen aufweisen.
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Die Anordnung von einer Mehrzahl von Messeinrichtungen kann zur genaueren Ermittlung einer Betätigungskraft vorgenommen werden. Insbesondere sind mehrere Messeinrichtungen entlang einer Umfangsrichtung gleichmäßig voneinander beabstandet angeordnet, insbesondere zwei, drei oder mehr Messeinrichtungen. Insbesondere können so auch Schiefstellungen oder Taumelbewegungen des Betätigungselements erfasst und messtechnisch ausgeglichen werden.
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Insbesondere können entlang der Umfangsrichtung auch mehrere Messeinrichtungen, insbesondere mehrere Dehnungsmessstreifen, an einer Position (also z. B. entlang der radialen Richtung benachbart zueinander) oder (unmittelbar) benachbart entlang der Umfangsrichtung angeordnet werden. Damit können Messsignale der einzelnen Messeinrichtungen plausibilisiert werden.
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Insbesondere ist jede Messeinrichtung der Mehrzahl von Messeinrichtungen in der radialen Richtung beabstandet von einer Drehachse des Aktors bzw. des Betätigungselements angeordnet. Damit können asymmetrische Belastungen des Aktors ermittelt und ausgewertet werden.
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Der Aktor kann einen Kolben umfassen, der in einem Zylinderraum zur Verlagerung eines Fluidvolumens über das Betätigungselement entlang der axialen Richtung verlagerbar angeordnet ist. Der Zylinderraum kann über ein Reservoir befüllbar sein. Das verlagerbare Fluidvolumen kann z. B. zur Betätigung eines Nehmerzylinders eingesetzt werden.
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Das Messelement bzw. das Bauteil, an dem der zumindest eine Dehnungsmessstreifen angeordnet ist, hat insbesondere die Form einer Scheibe. Die Scheibe ist insbesondere ringförmig und erstreckt sich entlang einer Umfangsrichtung, insbesondere um eine Drehachse des Aktors bzw. des Betätigungselements. Die Scheibe kann in einer radialen Richtung beabstandet von einer Drehachse des Aktors bzw. des Betätigungselements angeordnet sein.
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Die Scheibe kann zur Messung der Betätigungskraft in einem Querschnitt, der insbesondere in einer Ebene angeordnet ist, die sich in der axialen Richtung und der radialen Richtung erstreckt, kreisförmig geschlossen magnetisiert werden. Die durch die Betätigungskraft in dem Querschnitt induzierten Spannungen können über den Sensor erfasst werden.
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Es wird weiter ein Verfahren zur Messung einer Betätigungskraft eines Aktors vorgeschlagen, insbesondere des vorstehend beschriebenen Aktors. Der Aktor weist zumindest eine Antriebseinheit und ein durch die Antriebseinheit entlang einer axialen Richtung verlagerbares Betätigungselement sowie zumindest eine Messeinrichtung auf. Mit der Messeinrichtung ist mittels (des Prinzips der) Magnetostriktion oder durch zumindest einen Dehnungsmessstreifen eine bei Betätigung des Betätigungselements auftretende Betätigungskraft messbar. Das Verfahren umfasst zumindest die folgenden Schritte:
- a) Ansteuern der Antriebseinheit und Beaufschlagen des Betätigungselements mit einer Betätigungskraft;
- b) Messen der Betätigungskraft durch die mindestens eine Messeinrichtung.
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Es wird weiter ein Kraftfahrzeug mit einem Aktor, insbesondere mit dem vorstehend beschriebenen Aktor, und zumindest einer Kraftfahrzeugkomponente vorgeschlagen, die durch den Aktor betätigbar ist. Der Aktor umfasst zumindest eine Antriebseinheit und ein durch die Antriebseinheit entlang einer axialen Richtung verlagerbares Betätigungselement. Der Aktor weist zumindest eine Messeinrichtung auf, durch die mittels Magnetostriktion oder durch zumindest einen Dehnungsmessstreifen eine bei Betätigung des Betätigungselements auftretende Betätigungskraft messbar ist. Das Kraftfahrzeug kann zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens eingerichtet und ausgeführt sein.
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Vorsorglich sei angemerkt, dass die hier verwendeten Zahlwörter („erste“, „zweite“,...) vorrangig (nur) zur Unterscheidung von mehreren gleichartigen Gegenständen, Größen oder Prozessen dienen, also insbesondere keine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge dieser Gegenstände, Größen oder Prozesse zueinander zwingend vorgeben. Sollte eine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge erforderlich sein, ist dies hier explizit angegeben oder es ergibt sich offensichtlich für den Fachmann beim Studium der konkret beschriebenen Ausgestaltung.
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Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die gezeigten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung und/oder Figuren zu kombinieren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Gegenstände, so dass ggf. Erläuterungen aus anderen Figuren ergänzend herangezogen werden können. Es zeigen:
- 1: ein Kraftfahrzeug mit einem Aktor und einer durch den Aktor betätigbaren Kraftfahrzeugkomponente;
- 2: ein Detail der 1;
- 3: einen Teil eines Aktors und die Messeinrichtung gemäß einer ersten Ausführungsvariante in einer Seitenansicht;
- 4: einen Teil eines Aktors und die Messeinrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsvariante in einer Seitenansicht;
- 5: einen Teil eines Aktors und die Messeinrichtung gemäß einer dritten Ausführungsvariante in einer Draufsicht;
- 6: einen Teil eines Aktors und die Messeinrichtung gemäß einer vierten Ausführungsvariante in einer Draufsicht;
- 7: einen Teil eines Aktors und die Messeinrichtung gemäß einer fünften Ausführungsvariante in einer Seitenansicht; und
- 8: einen Teil eines Aktors und die Messeinrichtung gemäß einer sechsten Ausführungsvariante in einer Draufsicht.
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1 zeigt ein Kraftfahrzeug 23 mit einem Aktor 1 und einer durch den Aktor 1 betätigbaren Kraftfahrzeugkomponente 24 (hier ein Nehmerzylinder). Der Aktor 1 umfasst eine Antriebseinheit 2 und ein durch die Antriebseinheit 2 entlang einer axialen Richtung 3 verlagerbares Betätigungselement 4. Der Aktor 1 weist zumindest eine Messeinrichtung 5auf, durch die mittels Magnetostriktion eine bei Betätigung des Betätigungselements 4 auftretende Betätigungskraft 6 messbar ist.
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Die Messeinrichtung umfasst einen Sensor 22 (siehe 3 bis 6) sowie ein magnetisierbares Messelement 8, das magnetisiert wird und bei Betätigung des Aktors 1 durch die Betätigungskraft 6 (elastisch) verformbar ist. Diese kraftabhängige Verformung kann über den Sensor 22 erfasst werden. Aus dem so ermittelten Messsignal ist eine Betätigungskraft 6 ermittelbar.
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Das Messelement 8 ist entlang eines Kraftflusses 20 angeordnet, der bei Betätigung des Betätigungselements 4 durch den Aktor 1 hindurch verläuft. Die Antriebseinheit 2 ist in einem Gehäuse 7 des Aktors 1 angeordnet sein. Die Antriebseinheit 2 kann sich bei Betätigung des Betätigungselements 4 an dem Gehäuse 7 an einer Abstützung 9 abstützen. Das magnetisierbare Messelement 8 ist zwischen der Antriebseinheit 2 und dem Gehäuse 7 in einem Bereich der Abstützung 9 angeordnet und bildet dort einen Teil des Gehäuses 7.
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Die Antriebseinheit 2 umfasst einen elektrischen Motor 10 mit einem Stator 11 und einem Rotor 12. Die Antriebseinheit 2 umfasst weiter eine Spindel 13 als Betätigungselement 4. Die Spindel 13 kann durch den elektrischen Motor 10 über ein Getriebe 14 betätigbar sein, z. B. über ein Planetenwälzgetriebe. Die Spindel 13 wird über das Getriebe 14 entlang der axialen Richtung 3 verlagert. Der Aktor 1 umfasst einen Kolben 16, der in einem Zylinderraum 17 zur Verlagerung eines Fluidvolumens 18 über das Betätigungselement 4 entlang der axialen Richtung 3 verlagerbar angeordnet ist. Der Zylinderraum 17 ist über ein Reservoir 25 befüllbar. Das verlagerbare Fluidvolumen 18 kann z. B. zur Betätigung eines Nehmerzylinders eingesetzt werden.
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2 zeigt ein Detail der 1. Auf die Ausführungen zu 1 wird Bezug genommen. Das Gehäuse 7 erstreckt sich mit einem Teil zwischen den Stator 11 und einer Abstützung 9. Die Betätigungskraft 6 stützt sich an der Abstützung 9 ab. Das durch das Gehäuse 7 gebildete Messelement 8 ist damit entlang des Kraftflusses 20 angeordnet und wird durch die Betätigungskraft 6 bzw. durch einen Teil der Betätigungskraft 6 beaufschlagt.
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3 zeigt einen Teil eines Aktors 1 und die Messeinrichtung 5 gemäß einer ersten Ausführungsvariante in einer Seitenansicht. 4 zeigt einen Teil eines Aktors 1 und die Messeinrichtung 5 gemäß einer zweiten Ausführungsvariante in einer Seitenansicht. 5 zeigt einen Teil eines Aktors 1 und die Messeinrichtung 5 gemäß einer dritten Ausführungsvariante in einer Draufsicht. 6 zeigt einen Teil eines Aktors 1 und die Messeinrichtung 5 gemäß einer vierten Ausführungsvariante in einer Draufsicht. Die 3 bis 6 werden im Folgenden gemeinsam beschrieben.
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Gemäß 3 wird das Messelement 8 durch ein separates Bauteil gebildet. Gemäß 4 ist das Messelement 8 Bestandteil des Gehäuses 7. Gemäß 5 und 6 hat das Messelement 8 die Form einer Scheibe. Die Scheibe ist ringförmig und erstreckt sich entlang einer Umfangsrichtung 15 um eine Drehachse 26 des Aktors 1 bzw. des Betätigungselements 4. Die Scheibe ist in einer radialen Richtung 19 gleichmäßig beabstandet von der Drehachse 26 des Aktors 1 bzw. des Betätigungselements 4 angeordnet.
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Die Scheibe ist zur Messung der Betätigungskraft 6 in einem Querschnitt 27, der in einer Ebene angeordnet ist, die sich in der axialen Richtung 3 und der radialen Richtung 19 erstreckt, mit der Magnetisierung 21 kreisförmig geschlossen magnetisiert. Die durch die Betätigungskraft 6 in dem Querschnitt 27 induzierten Spannungen können über den Sensor 22 erfasst werden.
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Gemäß 6 kann der Aktor 1 entlang einer Umfangsrichtung 15 eine Mehrzahl von Messeinrichtungen 5 aufweisen. Die Anordnung von einer Mehrzahl von Messeinrichtungen 5 kann zur genaueren Ermittlung einer Betätigungskraft 6 vorgenommen werden. Hier sind drei Messeinrichtungen 5 entlang einer Umfangsrichtung 15 gleichmäßig voneinander beabstandet angeordnet. Jede Messeinrichtung 5 der Mehrzahl von Messeinrichtungen 5 ist in der radialen Richtung 19 beabstandet von einer Drehachse 26 des Aktors 3 bzw. des Betätigungselements 4 angeordnet. Damit können asymmetrische Belastungen des Aktors 1 ermittelt und ausgewertet werden.
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Das in den 2 bis 6 gezeigte Messelement 8 kann auch das Bauteil bilden, an oder in dem der zumindest eine Dehnungsmessstreifen 28 angeordnet ist. 7 zeigt diese Ausführung am Beispiel der zweiten Ausführungsvariante gemäß 4 und damit einen Teil eines Aktors 1 und die Messeinrichtung 5 gemäß einer fünften Ausführungsvariante in einer Seitenansicht.
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Bei der Anordnung von der Mehrzahl von Messeinrichtungen 5 gemäß 6 kann zumindest eine oder auch jede der Messeinrichtungen 5 eine Mehrzahl von Dehnungsmessstreifen 28 aufweisen. 8 zeigt zeigt einen Teil eines Aktors 1 und die Messeinrichtung 5 gemäß einer sechsten Ausführungsvariante in einer Draufsicht. Hier weist eine Messeinrichtung 5 einen Dehnungsmessstreifen 28, eine andere Messeinrichtung 5 zwei entlang der Umfangsrichtung 15 unmittelbar benachbart angeordnete Dehnungsmessstreifen 28 und eine weitere Messeinrichtung 5 zwei an einer Position der Umfangsrichtung 15 und in radialer Richtung 19 benachbart angeordnete Dehnungsmessstreifen 28 auf.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Aktor
- 2
- Antriebseinheit
- 3
- axiale Richtung
- 4
- Betätigungselement
- 5
- Messeinrichtung
- 6
- Betätigungskraft
- 7
- Gehäuse
- 8
- Messelement
- 9
- Abstützung
- 10
- Motor
- 11
- Stator
- 12
- Rotor
- 13
- Spindel
- 14
- Getriebe
- 15
- Umfangsrichtung
- 16
- Kolben
- 17
- Zylinderraum
- 18
- Fluidvolumen
- 19
- radiale Richtung
- 20
- Kraftfluss
- 21
- Magnetisierung
- 22
- Sensor
- 23
- Kraftfahrzeug
- 24
- Kraftfahrzeugkomponente
- 25
- Reservoir
- 26
- Drehachse
- 27
- Querschnitt
- 28
- Dehnungsmessstreifen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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