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Die Erfindung betrifft eine Stellvorrichtung mit einem Ausgangselement und mit einem Elektromotor zum Antrieb des Ausgangselements mittels einer mechanischen Übersetzung zwischen einem Rotor des Elektromotors und dem Ausgangselement. Zur Ermittlung einer Rotorposition des Rotors ist ein Rotorlagesensor vorgesehen. Die Erfindung betrifft auch eine solche Stellvorrichtung, die als Kraftfahrzeuglenkvorrichtung ausgebildet ist.
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Stellvorrichtungen mit einem Elektromotor zum Antrieb eines Ausgangselements sind weithin bekannt und im Einsatz. Ebenso sind Elektromotoren mit Rotorlagesensor bekannt. Je nach Bauart des Elektromotors ist ein Rotorlagesensor zum Betrieb des Elektromotors sogar erforderlich, beispielsweise bei elektrisch kommutierten Elektromotoren oder bei mittels Raumzeigermodulation betrieben Elektromotoren.
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Beispielsweise ist aus der
DE 10 2010 020 599 A1 ein Drehwinkelsensor mit einer Zähleinrichtung zur Erfassung eines absoluten Drehwinkels für eine Kraftfahrzeuglenkvorrichtung bekannt.
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Aus der
DE 10 2004 054 921 A1 ist eine Vorrichtung zur Lenkunterstützung für Fahrzeuge mit elektromechanischer Lenkung bekannt. Diese Vorrichtung weist einen Servomotor mit einem Motorlagensensor auf. Damit wird zunächst eine Position des Rotors des Servomotors ermittelt, woraus anschließend ein absoluter Lenkwinkel und/oder ein Ritzelwinkel ermittelt wird. Dadurch kann auf einen Lenkwinkelsensor verzichtet werden. Der Motorlagensensor kann als Multiturnsensor aufgeführt sein.
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Aufgabe der Erfindung ist es, den Stand der Technik zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird durch die in den Hauptansprüchen jeweils angegebenen Gegenstände gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen hiervon sind den Unteransprüchen entnehmbar.
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Dementsprechend werden eine Stellvorrichtung und eine Kraftfahrzeuglenkvorrichtung vorgeschlagen.
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Die vorgeschlagene Stellvorrichtung verfügt über ein Ausgangselement und einen Elektromotor zum Antrieb des Ausgangselements mittels einer mechanischen Kraftübertragungseinrichtung. Die mechanische Kraftübertragungseinrichtung ist also antriebstechnisch zwischen den Rotor des Elektromotors und das Ausgangselement angeordnet.
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Außerdem ist bei der vorgeschlagenen Stellvorrichtung ein Rotorlagesensor zur Ermittlung der Rotorposition des Rotors des Elektromotors vorgesehen. Zudem ist ein Multiturnsensor vorgesehen. Der Multiturnsensor ist zum Zählen der Anzahl der (vollen) Umdrehungen des Rotors oder eines drehbaren Elements der mechanischen Kraftübertragungseinrichtung, wie beispielsweise einer Welle oder eines Zahnrads der mechanischen Kraftübertragungseinrichtung, ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich ist der Multiturnsensor zum Zählen der Anzahl von Umdrehungsinkrementen des Rotors oder des drehbaren Elements der mechanischen Kraftübertragungseinrichtung ausgebildet. Beispielsweise dient er dann zum Zählen der Anzahl jeder halben, viertel oder achtel Umdrehung (= Umdrehungsinkremente) bei einer Drehung des jeweiligen Bauteils (Rotor, Element).
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Der Multiturnsensor ist also dazu ausgebildet, bei einer Drehung des jeweiligen Bauteils die davon zurückgelegten vollen Umdrehungen oder die zurückgelegten Inkremente der Umdrehungen oder beides zu registrieren und diese zu zählen. Der Multiturnsensor berücksichtigt beim Zählen insbesondere die Drehrichtung des jeweiligen Bauteils.
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Auf diese Weise kann auf einen Absolutpositionssensor an dem Ausgangselement verzichtet werden. Bevorzugt ist bei der Stellvorrichtung kein weiterer Multiturnsensor oder weiterer Winkelsensor oder weiterer Rotorlagesensor vorgesehen.
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Das drehbare Element der mechanischen Kraftübertragungseinrichtung ist insbesondere mit dem Rotor drehgekoppelt. Wenn sich der Rotor dreht, dreht sich dieses dementsprechend mit. Das drehbare Element ist insbesondere im Kraftfluss zwischen Rotor und Ausgangselement angeordnet.
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Mittels des Multiturnsensors ist die Anzahl der Umdrehungen des jeweiligen Bauteils (Rotor oder drehbares Element der Kraftübertragungseinrichtung) auch über mehrere volle Umdrehungen hinweg ermittelbar. Somit kann mittels des Multiturnsensors und der Rotorlageinformation des Rotorlagesensors und bei bekanntem Übersetzungsverhältnis der mechanischen Kraftübertragungseinrichtung einfach auf die absolute Position des Ausgangselements geschlossen werden. Somit kann auf einen separaten Absolutpositionssensor für das Ausgangselement verzichtet werden.
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Der Multiturnsensor kann auch als Umdrehungszähler bezeichnet werden. Insbesondere ermittelt der Multiturnsensor ausschließlich die Anzahl der Umdrehungen und/oder der Umdrehungsinkremente des jeweiligen Bauteils. Somit ermittelt er im Gegensatz zum Rotorlagesensor keine exakte Winkelinformationen zum vorliegenden Drehwinkel des jeweiligen Bauteils, sondern eine dimensionslose Zahl.
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Der Multiturnsensor behält seinen Zählerstand insbesondere auch bei einem Stromausfall (also stromlos/autark) bei. Der Multiturnsensor ist insbesondere dazu ausgebildet, auch bei einem Stromausfall (also stromlos/autark) ein Drehen des jeweiligen Bauteils zu registrieren und entsprechend zu zählen. Somit wird der Zählerstand auch im stromlosen Zustand des Multiturnsensors aktualisiert. Der Multiturnsensor benötigt in diesem Fall also keine elektrische Energieversorgung von außerhalb. Somit kann nach einem Stromausfall oder absichtlichem Abstellen des elektrischen Stromes weiterhin zuverlässig auf die Absolutposition des Ausgangselements geschlossen werden.
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Das Ausgangselement bildet den Abtrieb der Stellvorrichtung. Hiervon kann also eine Bewegung und/oder eine Kraft und/oder ein Drehmoment abgegriffen werden, um eine Stellaufgabe durchzuführen, beispielsweise um ein Bauteil oder Bauelement gezielt zu bewegen. Das Ausgangselement kann beispielsweise eine Welle oder eine Stange sein.
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Die mechanische Kraftübertragungseinrichtung kann beispielsweise als Zahnradgetriebe oder Hebelmechanismus oder Riementrieb ausgebildet sein. Die damit erzeugte mechanische Übersetzung kann über ein Übersetzungsverhältnis ins Schnelle (i<1) oder ins Langsame (i>1) verfügen. Die mechanische Kraftübertragungseinrichtung ist bevorzugt zur Umwandlung einer Drehbewegung des Rotors in eine translatorische Bewegung des Ausgangselements ausgebildet. Das Ausgangselement kann demnach rein translatorisch durch den Elektromotor bewegbar sein.
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Der Rotorlagesensor ist insbesondere als Singleturn-Sensor ausgebildet sein. Somit ist damit die Rotorlage nur innerhalb einer vollen Umdrehung des Rotors(360°) oder innerhalb eines Umdrehungsinkrements (halbe, viertel, achtel etc. Umdrehungen) ermittelbar, also nicht über mehrere Umdrehungen des Rotors hinweg. Falls der Rotorlagesensor die Rotorlage nur innerhalb eines Umdrehungsinkrements des Rotors ermitteln kann, ist der Multiturnsensor bevorzugt dazu ausgebildet, solche Umdrehungsinkremente zu zählen. Der Rotorlagesensor dient insbesondere zur relativen Winkelerfassung des Rotors. Der Rotorlagesensor dient insbesondere zur Ansteuerung des Elektromotors. Der Elektromotor ist demnach insbesondere zum Betrieb mittels elektrischer Kommutierung oder mittels Raumzeigermodulation ausgebildet, wobei der Rotorlagesensor die hierzu genutzten Positionsinformation des Rotors erzeugt.
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Bevorzugt ist ein gemeinsames Geberelement für den Rotorlagesensor und für den Multiturnsensor vorgesehen. Somit ist kein separates zweites Geberelement für den Rotorlagesensor oder den Multiturnsensor vorgesehen. Hierdurch kann die gesamte Sensoranordnung kompakt gehalten werden. Sie kann somit einfach in den Elektromotor integriert werden.
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Der Rotorlagesensor und der Multiturnsensor können als gemeinsames Sensormodul ausgebildet sein. Insbesondere können der Rotorlagesensor und der Multiturnsensor auf einer gemeinsamen Leiter- oder Grundplatte angeordnet sein, insbesondere nebeneinander. Somit bilden sie ein gemeinsames Bauteil und sind gemeinsam montierbar.
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Bevorzugt sind der Rotorlagesensor und der Multiturnsensor auf einem gemeinsamen Halbleiterchip ausgebildet. Dazu können die beiden Sensoren als Strukturen auf dem gemeinsamen Halbleiterchip ausgebildet sein. Sie bilden dadurch integrierte Bestandteile des Halbleiterchips.
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Bevorzugt ist das Geberelement ein Permanentmagnet. Das Geberelement ist insbesondere ein magnetischer Dipol oder Quadrupol. Somit kann auf an sich bereits bekannte Rotorlagesensoren sowie Multiturnsensoren zurückgegriffen werden.
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Der Multiturnsensor ist bevorzugt ein Wiegand-Sensor (insbesondere ein Wiegand-Draht zum Zählen von Ummagnetisierungspulsen) oder ein GMR-Sensor mit Domain Wall Generator und spiralförmiger Dünnschichtstruktur. Ein solcher GMR-Sensor beruht auf dem Riesenmagnetowiderstand (giant magnetoresistance effect).
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Es ist möglich, dass der Rotorlagesensor als induktiver Sensor ausgebildet ist. Dann ist für den Multiturnsensor, sofern dieser als Wiegand- oder GMR-Sensor ausgebildet ist, insbesondere ein zusätzlicher Gebermagnet als zweites Geberelement vorgesehen. Dann können die beiden Geberelemente, also das Geberelement für den Rotorlagesensor und das Geberelement für den Multiturnsensor, gemeinsam auf der Motorwelle des Elektromotors befestigt sein.
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Wie erläutert, kann auf Grund des Einsatzes des Multiturnsensors auf einen Absolutsensor und -geber für das Ausgangselement verzichtet werden. Dementsprechend ist das Ausgangselement selbst bevorzugt frei von einem Positionssensor. Im Bereich des Ausgangselements ist dann also kein Positionssensor vorgesehen, der unmittelbar Positionsinformationen zur absoluten Position des Ausgangselements bereitstellt. Auf diese Weise können auch die Anzahl an erforderlichen Schnittstellen und die Kosten der Stellvorrichtung reduziert werden.
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Bevorzugt ist es vorgesehen, dass die Absolutposition des Ausgangselements auf Grundlage des vom Multiturnsensors bereitgestellten Zählerstands zusammen mit der aktuellen Rotorlageinformation des Rotorlagesensors und zusammen mit dem bekannten Übersetzungsverhältnis des Übersetzungsverhältnisses der mechanischen Kraftübertragungseinrichtung ermittelt wird.
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Zur Plausibilisierung des Multiturnsensors können die Positionsinformationen des Rotorlagesensors genutzt werden. Hierzu können anhand der vom Rotorlagesensor ausgegebenen Positionsinformationen die vollendeten Umdrehungen des Rotors mitgezählt werden und diese mit dem Zählerstand des Multiturnsensors verglichen werden. Werden hierbei Unterschiede erkannt, kann auf einen Fehler im Multiturnsensor oder Rotorlagesensor geschlossen werden.
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Die eigentliche Ermittlung der Position des Ausgangselements und/oder des Rotors auf Grundlage der von den besagten Sensoren bereitgestellten Informationen kann durch ein Steuergerät erfolgen. Dieses kann auch zur Ansteuerung des Elektromotors ausgebildet sein. Das Steuergerät kann Teil der Stellvorrichtung sein.
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Die vorgeschlagene Kraftfahrzeuglenkvorrichtung verfügt über eine Lenkstange als Ausgangselement. Diese dient zur Erzeugung einer Lenkbewegung zumindest eines lenkbaren Fahrzeugrades. Die Lenkstange ist im eingebauten Zustand der Lenkvorrichtung also mit dem Fahrzeugrad mechanisch gekoppelt, um dieses im Bedarfsfall entsprechend zu bewegen. Die Lenkstange ist dazu insbesondere translatorisch bewegbar. Die Kraftfahrzeuglenkvorrichtung ist dabei als die vorgeschlagene Stellvorrichtung ausgebildet ist. Oder mit anderen Worten weist die Kraftfahrzeuglenkvorrichtung die Lenkstange als Ausgangselement auf, sowie den Elektromotor zum Antrieb der Lenkstange mittels der mechanischen Kraftübertragungseinrichtung zwischen dem Rotor des Elektromotors und der Lenkstange, sowie den Rotorlagesensor und den zusätzlichen Multiturnsensor.
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Es kann hierbei vorgesehen sein, dass die Kraftfahrzeuglenkvorrichtung eine mechanische Verbindung zwischen dem Ausgangselement (Lenkstange) und einem Lenkrad zur Einleitung der Lenkbewegung durch einen Benutzer vorsieht. Hierbei handelt es sich in diesem Fall insbesondere um eine Kraftfahrzeuglenkvorrichtung für eine Vorderachse. Alternativ dazu kann vorgesehen sein, dass die Kraftfahrzeuglenkvorrichtung frei von einer mechanischen Verbindung zwischen dem Ausgangselement (Lenkstange) und einem solchen Lenkrad ist. Hierbei handelt es sich in diesem Fall insbesondere um eine Kraftfahrzeuglenkvorrichtung für eine Hinterachse.
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Es sei angemerkt, dass die vorgeschlagene Stellvorrichtung grundsätzlich nicht nur bei einer Kraftfahrzeuglenkvorrichtung angewendet werden kann. Vorstellbar ist beispielsweise, dass sie zur Durchführung anderweitiger Stellaufgaben bei einem Kraftfahrzeug oder einem anderweitigen Fahrzeugs dient, oder dass sie in gänzlich anderen Anwendungsbereichen eingesetzt wird, wie beispielsweise zur Durchführung von Stellaufgaben in der Fertigung oder Verarbeitung.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Figur (1) näher erläutert, aus der weitere bevorzugte Ausführungsformen und Merkmale der Erfindung entnehmbar sind.
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1 zeigt hierbei in schematischer Darstellung eine Stellvorrichtung mit einem Ausgangselement 1 und einem Elektromotor 2 zum Antrieb des Ausgangselement 1. Zwischen Ausgangselement 1 und Rotor 2A des Elektromotors 2 ist antriebstechnisch eine mechanische Kraftübertragungseinrichtung 3 angeordnet. Diese ist beispielshaft als Zahnstangenübersetzung ausgebildet, d.h. der Rotor 2A ist drehfest mit einem Zahnrad 3A gekoppelt, das in die Zähne eines Zahnstangenabschnitts 3B des Ausgangselements 1 eingreift. Es könnte ebenso eine Gewindespindel oder eine andere geeignete Art einer mechanischen Kraftübertragungseinrichtung eingesetzt werden. Mittels der mechanischen Kraftübertragungseinrichtung 3 wird vorliegend eine Drehbewegung des Rotors 2A in eine translatorische Bewegung des Ausgangselements 1 umgewandelt. In 1 sind diese Bewegungen mittels entsprechender Pfeile angedeutet. Eine Rotationsachse des Rotors 2A ist mit R bezeichnet. In einer alternativen Ausführungsform kann stattdessen auch eine rotatorische Bewegung des Ausgangselements 1 erzeugt werden.
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Um die Rotorposition des Rotors 2A zu ermitteln, insbesondere um damit eine elektrische Kommutierung oder Raumzeigermodulation des Elektromotors 2 durchzuführen, ist ein als Singleturnsensor ausgebildeter Rotorlagesensor 4 vorgesehen. Diesem ist ein drehfest mit dem Rotor 2A gekoppeltes Geberelement 5 zugeordnet. Das Geberelement 5 dreht sich im Gegensatz zum Rotorlagesensor 4 also zusammen mit dem Rotor 2A. Das Geberelement 5 ist vorliegend beispielhaft als Dipol-Permanentmagnet ausgebildet. Der Rotorlagesensors 4 erzeugt eine Positionsinformation für den Rotor 2A auf Basis der jeweils aktuellen Position des Geberelements 5 innerhalb einer vollen Umdrehung des Rotors 2A oder innerhalb eines Umdrehungsinkrements. Diese Positionsinformation gibt der Rotorlagesensor 4 an ein Steuergerät 6 aus. Das Steuergerät 6 ist dazu ausgebildet, hiermit die Rotorposition (insbesondere den Rotorwinkel) innerhalb der vollen oder halben Umdrehung des Rotors 2A zu ermitteln.
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Um die Rotorposition des Rotors 2A auch über mehrere Umdrehungen des Rotors 2A hinweg zu ermitteln, ist zusätzlich zum Rotorlagesensor 4 ein Multiturnsensor 7 vorgesehen. Rotorlagesensor 4 und Multiturnsensor 7 nutzen bevorzugt gemeinsam das Geberelement 5, um die jeweiligen Positionsinformationen zu erzeugen. Alternativ dazu verfügt der Multiturnsensor 7 über ein eigenes (zweites) Geberelement.
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Der Multiturnsensor 7 zählt die Anzahl der zurückgelegten Umdrehungen und/oder Umdrehungsinkremente des Rotors 2A auf der Basis der jeweils aktuellen Position des Geberelements 5. Der Multiturnsensor 7 behält seinen Zählerstand auch bei einem Stromausfall stromlos bei und zählt dann auch weiter die Umdrehungen und/oder Umdrehungsinkremente des Rotors 2A. Seinen Zählerstand gibt der Multiturnsensor 7 an das Steuergerät 6 aus, oder das Steuergerät 6 kann den Zählerstand vom Multiturnsensor 7 abrufen.
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Dem Steuergerät 6 ist es damit möglich, die Rotorposition über die Umdrehungen des Rotors 2A hinweg zu ermitteln. Berücksichtigt werden hierbei beide Drehrichtungen des Rotors 2A. Zudem ist das Übersetzungsverhältnis der mechanischen Übersetzung 3 in dem Steuergerät 6 hinterlegt. Das Steuergerät 6 ist damit in der Lage und auch dazu ausgebildet, mittels dieses Übersetzungsverhältnisses und mittels des vom Multiturnsensor 7 bereitgestellten Zählerstands und mittels der vom Rotorlagesensor 4 erzeugten Positionsinformation die Absolutposition des Ausgangselements 1 zu ermitteln.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, können die Sensoren 4, 7 nebeneinander angeordnet sein, bevorzugt auf einer Leiterplatte 8 oder Grundplatte und bevorzugt unmittelbar nebeneinander. Die Sensoren 4, 7 können somit zu einem Sensormodul zusammengefasst sein. Sie Sensoren 4, 7 können auch auf einem gemeinsamen Halbleiterchip ausgebildet sein. Die Sensoren 4, 7 beziehungsweise das Sensormodul kann in den Elektromotor 2 integriert sein.
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Bisher ist es üblich, die Absolutposition des Ausgangselements 1 mittels eines separaten Positionssensors 9 für das Ausgangselement 1 zu ermitteln. Dazu muss an dem Ausgangselement 1 allerdings ein entsprechendes separates Geberelement 9A angeordnet oder ausgebildet sein. Durch den Multiturnsensor 7 und das gemeinsam mit dem Positionssensor 4 genutzte Geberelement 5 können diese Elemente 9, 9A entfallen. Das Ausgangselement 1 selbst kann also frei von solchen Elementen 9, 9A sein.
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Die in 1 gezeigte Stellvorrichtung kann prinzipiell für eine Vielzahl von Stellaufgaben eingesetzt werden. In einer Ausführungsform der Stellvorrichtung ist diese als Kraftfahrzeuglenkvorrichtung ausgebildet. Diese Ausführungsform ist beispielhaft unten in 1 angedeutet. Hierbei bildet das Ausgangselement 1 eine Lenkstange der Lenkvorrichtung. Das Ausgangselement 1 ist mechanisch mit einem Fahrzeugrad 10 verbunden, um im Bedarfsfall darüber eine Lenkbewegung zu erzeugen. Darüber hinaus kann optional eine mechanische Verbindung zu einem Lenkrad 11 bestehen, mittels dessen ein Benutzer die Lenkbewegung einleiten kann. Diese mechanische Verbindung kann jedoch auch entfallen, beispielsweise wenn die Kraftfahrzeuglenkvorrichtung für eine Hinterachse ausgeführt ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ausgangselement, Lenkstange
- 2
- Elektromotor
- 2A
- Rotor
- 3
- mechanische Kraftübertragungseinrichtung
- 3A
- Zahnrad
- 3B
- Zahnstangenabschnitt
- 4
- Rotorlagesensor
- 5
- Geberelement
- 6
- Steuergerät
- 7
- Multiturnsensor
- 8
- Leiterplatte, Grundplatte
- 9
- Positionssensor
- 9A
- Geberelement
- 10
- Fahrzeugrad
- 11
- Lenkrad
- R
- Rotationsachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010020599 A1 [0003]
- DE 102004054921 A1 [0004]
- DE 102012008888 A1 [0005]