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Die Erfindung betrifft einen Aktor für eine Komponente, insbesondere für eine Getriebekomponente eines Kraftfahrzeugs, wie eines Pkws, bspw. eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs, wie eines Lkws oder eines anderen Nutzfahrzeugs, mit einer Recheneinheit (CPU), z. B. als Teil eines Steuergerätes bzw. einer (Leistungs- / Steuerungs-) Elektronik, die mit einem Elektromotor zu dessen Regelung oder Steuerung verbunden ist, und mit einem vom Elektromotor verlagerbaren Stellorgan. Der Elektromotor kann auch als Hauptmotor des Kraftfahrzeugs ausgebildet sein.
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Auf völlig automobilfernen Anwendungsgebieten, wie bspw. Windkraftanlagen und Industrieanwendungen ist der Einsatz von Auswertealgorithmen zur Schwingungsauswertung zwar bekannt, wie etwa aus der
EP 2 824 324 A1 , doch sind diese Algorithmen auf Windkraft- und Industrieanlagen begrenzt.
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In Automotivanwendungsgebieten sind solche Verfahren nicht bekannt, vielmehr werden dort spezielle Aktoren nur gezielt eingesetzt, um Stellbewegungen zu initiieren. Dafür sind zahlreiche Vorrichtungen bekannt, wie etwa Vorrichtungen zum Betätigen einer Parksperre, bspw. aus der
WO 2019/001 642 A1 . Dort wird eine Vorrichtung zum Betätigen einer Parksperre eines Getriebes vorgestellt, mit einer bewegbaren Parksperrenklinke, die zur Darstellung der Parksperre in eine Sperrkontur eines Parksperrenrads eingreift, wenn die Parksperre durch einen Aktor über eine Traverse betätigt wird. Um den Betrieb der Parksperre zu stabilisieren ist der Traverse eine Dämpfungseinrichtung zugeordnet, mit der eine Abweisereaktionsgeschwindigkeit der Traverse bei einem Abweisevorgang der Parksperrenklinke reduziert wird.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei Aktoren von Kraftfahrzeugen, insbesondere bei Aktoren von Getriebekomponenten, Aktoren im Bereich von oder montiert an Getrieben eine kostengünstige Mehrfunktion zu erreichen. Es sollen grundsätzlich die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile abgestellt werden oder zumindest gemildert werden.
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Dies wird bei einem gattungsgemäßen Aktor erfindungsgemäß gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht.
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Wenigstens ein (bevorzugt aktorintegrierter) Schwingungssensor oder mehrere (bevorzugt aktorintegrierte) Schwingungssensoren ist/sind mit der Recheneinheit gekoppelt und die Recheneinheit ist zur Auswertung der von dem Schwingungssensor oder den Schwingungssensoren gelieferten Signale ausgelegt.
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Durch die Erfindung wird eine Antriebs-Geräuschüberwachung bei Fahrzeugen, insbesondere bei solchen ohne individuelle Eigentümer, etwa bei Flotten, Pools oder Elektrotaxis, möglich. Bei der erfindungsgemäßen Aktor-Ausgestaltung erledigt ein Aktor-Steuergerät eine NVH-Signalverarbeitung (Noise-Vibration-Harshness-Signalverarbeitung) mit, nämlich insbesondere in Aktuierungspausen. Gerade in Aktuierungspausen wird eine effiziente Nutzung des Aktors über die Zeit gesehen erreicht. Separate, erkömmliche Sensoren, bspw. Entfernt vom Aktor, werden überflüssig. Das Aktor-Steuergerät kann als Antriebs-Steuergerät einer E-Achse dienen, die dann die NVH-Signalverarbeitung mit erledigt. Der Aktor selbst ist dann als NVH-Diagnosegerät nutzbar. Ein „smart check“ wird möglich.
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Vorteilhafte Ausführungsfomen sind in den Unteransprüchen beansprucht und werden nachfolgend näher erläutert.
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So ist es von Vorteil, wenn die Recheneinheit (CPU) ausgelegt ist, die Auswertung und/oder die Signale zu melden / zu signalisieren und/oder zu speichern / abzulegen. Eine dauerhafter Abruf zur Kontrolle wird dadurch ermöglicht.
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Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel ist auch dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit mit einem Speicher verbunden ist. Dieser Speicher kann intern oder extern vorhanden sein, also entweder in unmittelbarer Nähe des Elektromotors und/oder des Stellorgans, oder aber beabstandet dazu. Dabei kann eine kurze Leitung mit physischen Leitern / Kabeln eingesetzt werden, oder es kann auf eine funkgebundene Übertragung gesetzt werden.
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Wenn der Schwingungssensor zur schwingungsfesten Anbringung an einem Getriebeteil in einem Gehäuse des Aktors bestimmt ist, so kann direkt an der Stelle des Schwingungsauftretens jene zu detektierende Schwingung erfasst werden. Es ist dabei von Vorteil, wenn der Schwingungssensor nicht elastisch / getriebefest / steif am Gehäuse oder jenem das Gehäuse haltenden Bauteil des Getriebes angebunden ist.
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Es ist von Vorteil, wenn die CPU eingerichtet ist, mehr als 20 % bis 50 % der Rechenleistung für die Schwingungsauswertung (aber nicht mehr als 99%) zu nutzen und weniger als 50 %, vorzugsweise im Durchschnitt weniger als 15%, bevorzugt zwischen 1 %und 14 %, der Rechenleistung zur Stellaufgabenbewältigung zu nutzen. Dabei ist es ferner von Vorteil, wenn die Recheneinheit entweder die eine Aufgabe, bspw. die Schallanalyse, oder die andere Aufgabe, nämlich das Hervorrufen der Verlagerung des Stellorgans, bewältigt. Die beiden Aufgaben werden dabei disjunkt in der Recheneinheit abgearbeitet, für die sie auch entsprechend eingerichtet ist. Der Speicher kann dabei als Signalverarbeitungs-Programm- und Wertespeicher ausgebildet sein, ggf. integriert mit einem Aktor-Programm- und Wertespeicher auf einem Elektronik-Board.
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Um ein präzises Ergebnis des Aktors zu erreichen, hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn der Schwingungssensor zur schwingungsfesten Anbringung an einem Getriebeteil oder einem Gehäuse des Aktors bestimmt ist. Besonders bewährt hat es sich, den Schwingungssensor direkt am Gehäuse zu befestigen, vorzugsweise auf der Innenseite des Gehäuses.
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Wenn das Gehäuse den Elektromotor und den Schwingungssensor zumindest teilweise umgibt oder gar einkapselt, so wird Verschmutzung und Feuchtigkeitsbeaufschlagung der Elektronikbauteile wirkungsvoll verhindert.
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Es hat sich bewährt, wenn der Schwingungssensor als Körperschallsensor oder Beschleunigungssensor ausgebildet ist. In Aktuierungspausen, welche bspw. bei Parksperren zeitlich dominieren, erlaubt eine Abarbeitung rechenzeitintensiver Funktionen in den Steuergeräten eine belastbare Schadensvorhersage.
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Eine feste Montage erlaubt dem besagten Aktor mit dem Körperschall- oder Beschleunigungssensor das Getriebe abzuhören und zu diagnostizieren. Beispiele für rechenintensive NVA-Diagnose-Auswertoperationen sind bereits aus der
EP 2 824 324 A1 angedeutet und sollen als hier vollumfänglich integriert gelten. Die in der
EP 2 824 324 A1 beschriebenen Verfahren sollen demnach auf dem völlig anderen Gebiet der Kraftfahrzeugtechnik eingesetzt werden und sollen als hier offenbart gelten.
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Ferner ist es von Vorteil, wenn der Schwingungssensor zur Wahrnehmung und Detektion von Schwingungen zwischen 10 Hz und 40 kHz, insbesondere zwischen 1 kHz und 10 kHz ausgelegt ist.
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Es ist zweckmäßig, wenn der Schwingungssensor zum Erfassen eines ungerichteten oder gerichteten, bspw. triaxialen Signals vorbereitet ist.
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Es ist angestrebt, dass im Gehäuse eine Schnittstelle, etwa nach Art eines Steckers, zur Stromversorgung der Recheneinheit, des Elektromotors (der hier allgemein als Stellaggregat verstanden wird) und des Schwingungssensors vorhanden ist.
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Auch ist es von Vorteil, wenn im Gehäuse der Speicher vorhanden ist, der mit der Recheneinheit und/oder dem Schwingungssensor verbunden ist. Gerade das Anordnen im Gehäuse hat Packaging- und Ausfallsicherheitsvorteile.
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Es ist gerade gewünscht, dass der Aktor zum Durchführen einer NVH-Analyse ausgelegt ist. Hierbei können z.B. fahrzustandsspezifische Grenzwert-Vergleiche der Schwingungsintensitäten herangezogen werden.
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Um einen besonders großen Anwendungsbereich zu ermöglichen, ist es von Vorteil, wenn der Aktor als Parksperrenaktor, Sitzverstellaktor, Pumpenaktor, Kupplungsaktor, Schaltaktor, Gangstellaktor, Wählaktor, oder Stellorgan für eine Schwinge mit Fahrwerkseinwirkung (Wankstabi) oder E-Achsen-Aktor ausgebildet ist.
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Die Erfindung betrifft letztlich auch ein Verfahren zum Auswerten von Schwingungen an einer Getriebekomponente eines Kraftfahrzeugs, bei dem von einem aktorseitigen (d.h. aktorintegrierten) Schwingungssensor jene getriebekomponentenseitig auftretenden Schwingungen erfasst und in einer Recheneinheit eines elektromotorischen Aktors, bspw. der erfindungsgemäßen Art, verarbeitet werden.
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Beispiele für rechenintensive NVH-Diagnose-Auswertoperationen sind, ggf. auch in Kombination:
- - Minimal-/ Maximalwertüberwachungen (Peaks),
- - fahrzustandsspezifische Grenzwert-Vergleiche der Schwingungsintensität,
- - RMS-Bildung (Root-Mean-Square eines oder mehrerer Signale),
- - Digitale Filterungen, z. B. auch feste Frequenzen (Bandpass) oder als Glättung über vorbereitete Signale (z. B. RMS-Vorverarbeitungen),
- - Fourier-Transformationen, die auch als FFT (Fast-Fourier-Transformationen) sehr rechenintensiv sind,
- - Autokorrelationen oder Kreuzkorrelationen zwischen verschiedenen Signalen,
- - Ordnungsanalysen (d. h. Analysen, die eine Synchronität für Drehfrequenzen oder Zahnfrequenzen von Zahnrädern berücksichtigen) und/oder
- - Kumulationen (mit Zählen, bzw. Summieren auffälliger Signalverläufe oder Signalwerte oder kürzester (Zeit-)Abstände zwischen auffälligen Signalverläufen).
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Aufgrund der Nutzung ohnehin vorhandener Elektronik-Hardware (Gehäuse, Stecker, Signalleitungen wie CAN) entsteht ein Kostenvorteil bzw. ein Funktionsvorteil bei nahezu identischen Kosten (einzige Mehrkosten könnten im Programmspeicher und dem Rohsignalsensor für z. B. Körperschall gesehen werden).
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In vielen Überwachungsaufgaben reicht eine nicht-permanente, eher stichprobenartige Überwachung des Geräuschverhaltens aus, bspw. einmal pro Kilometer und nicht über die gesamte Zeit, weswegen der Einsatz des erfindungsgemäßen Aktors große Vorteile mit sich bringt. Es ist gewünscht, dass der Aktor, z. B. für die Parksperre oder für die Gänge, schwingungsrobust und getriebefest montiert ist. Der Aktor kann aus Sicherheitsgründen oftmals „smart“ mit Steuerungselektronik ausgeführt werden, auch um Notlauf oder Diagnose und/oder Eigensicherheit zu gewährleisten.
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Im Zuge der „shared economy“ und von „Flotteneigentümern“, ist die sicherheitsüberwachende Funktion und Verantwortung des Eigentümers nun wesentlich leichter wahrzunehmen. Im Hinblick auf das Geräuschverhalten von Getrieben / E-Antrieben wird somit vorgeschlagen, eine zur Diagnose dienende Information durch Erfassung und Analyse in einem ebenfalls zur Aktuierung vorgesehene Steuergerät zu erzeugen und weiterzuleiten.
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Mit anderen Worten wird nun auf häufig nicht genutzte Steuerungselektronik von Aktoren zugegriffen, insbesondere bei Parksperrenaktoren. Die Erfindung sieht nun vor, diese Elektronik zur Abarbeitung von verschiedenen Aufgaben zu nutzen. Dieses können rechenintensive Aufgaben sein, wie z. B. für die Analyse von Schwingungsverhalten zur NVH-Analyse / NVH-Reduzierung. Hierfür kann der Aktor / die Elektronik auf Zusatzbauteile / Sensoren zur Ermittlung von Werten / Schwingungsverhalten aufweisen. Dies ist besonders bei gehäusefesten / getriebefesten Aktoren wie dem Parksperrenaktor der Fall.
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Im Vordergrund steht somit ein Verfahren, das eine NVH-Analyse im Automotiv-Bereich durchführt. Daneben steht auch ein Aktor mit einer (Leistungs-/ Steuerungs-) Elektronik im Vordergrund, welche ausgestaltet ist, die besagte NVH-Analyse durchzuführen. Von Vorteil ist dabei ein integrierter Körperschallsensor.
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Es können auch die Elektroniken mehrerer Aktoren parallel arbeiten. Relevante Aktoren können auch E-Antriebe der Achsen, Pumpenaktoren, Kupplungsaktoren, Schaltaktoren, Gangstellaktoren, Wählaktoren, oder Stellorgane für eine Schwinge mit Fahrwerkseinwirkung (Wankstabi) oder auch Aktoren zur Sitzverstellung sein. Bevorzugt wird der Parksperrenaktor verwendet. Der Parksperrenaktor der
WO 2019/001642 A1 ist zwar nur ein Beispiel, aber ein bevorzugtes Beispiel für die Adaption zur Umsetzung der erfindungsgemäßen Idee. Im Vordergrund steht aber letztlich auch die Verwendung der Elektronik.
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Die Erfindung wird nachfolgend mit Hilfe einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Querschnittsdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Aktor nach Art eines Parksperrenaktors,
- 2 der Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 3 der Ablauf eines weiteren erfindungsgemäßen Verfahrens, und
- 4 der Ablauf eines weiteren erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Die Figuren sind lediglich schematischer Natur. Sie dienen nur dem Verständnis der Erfindung. Gleiche Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Merkmale der einzelnen Ausführungsbeispiele können untereinander ausgetauscht oder untereinander kombiniert werden.
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In der 1 ist ein erfindungsgemäßer Aktor 1 dargestellt. Er ist zum Anbringen an einer nicht dargestellten Getriebekomponente vorgesehen. Er weist eine Recheneinheit 2 auf. Ferner ist ein Stellaggregat / Elektromotor 3 vorhanden. Die Recheneinheit 2 und der Elektromotor 3 sind miteinander verbunden. Der Elektromotor 3 ist zum Antreiben eines Stellorgans 4 an diesem angebunden. Es gibt zumindest einen Schwingungssensor 5, der mit der Recheneinheit 2 gekoppelt ist. Die Recheneinheit 2 ist ausgelegt, um Informationen, die vom Schwingungssensor zugeführt werden, auszuwerten. Der Aktor 1 ist im vorliegend beschriebenen Ausführungsbeispiel als Parksperrenaktor 6 ausgebildet. Es ist dabei auch ein Speicher 7 vorhanden.
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Die Recheneinheit 2, der Elektromotor 3, das Stellorgan 4, der Schwingungssensor 5 und der Speicher 7 sind innerhalb eines Gehäuses 8 angeordnet. Ferner ist eine Schnittstelle 9, nämlich ein Stecker 10 vorhanden.
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Der Schwingungssensor 5 ist als Körperschallsensor 11 ausgebildet. Der Stecker 10 ist für Bussignale und zur Energieversorgung des elektromechanischen Aktors 1 ausgelegt. Der Körperschallsensor 11 ist in mechanischem Kontakt mit dem Getriebe / (Aktor-) Gehäuse 8 und in elektrischem Kontakt mit einer Steuergeräteelektronik (z. B. über Federkontakte oder ein Kabel).
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Der Speicher 7 ist nach Art einer Signalverarbeitungs-Programm-Wertespeichereinheit ausgebildet und ggf. integriert mit einem Aktor-Programm- und Wertespeicher auf einem Elektronik-Board.
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Das Stellaggregat / der Elektromotor 3 wird grundsätzlich als elektromechanischer Aktorantrieb verstanden, der dann auch als Elektromagnet oder Servo-Ventil ausgebildet sein kann.
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In 2 ist eine Abfolge von Arbeitsschritten mit den Bezugszeichen 12, 13, 14, 15 und 16 symbolisiert. Das Bezugszeichen 12 bezieht sich auf eine Rohsignalerfassung / Körperschallerfassung. Das Bezugszeichen 13 bezieht sich auf eine digitale Bandpass-Filterung mehrerer Frequenzen. Danach erfolgt, symbolisiert durch das Bezugszeichen 14 eine (positiv oder negativ) gewichtete Addition ausgewählter Quadrate, um die spektrale Intensität zu liefern. Das Bezugszeichen 15 bezieht sich auf eine Grenzwertüberwachung der spektralen Intensität, bspw. mittels Erfassung von Intensitätsunterschieden. Abgeschlossen wird die Abfolge durch eine Bereitstellung / Speicherung eines Signals bei einer Grenzwertüberschreitung an der Stelle des Bezugszeichens 16.
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Eine Variante dazu stellt die Abfolge nach 3 dar. Dabei gibt es noch als Rohsignal den Drehwinkel, ggf. die CAN an der Stelle des Bezugszeichens 17. Danach findet an der Stelle des Bezugszeichens 18 die Bildung mehrerer gleitender Mittelwerte zu unterschiedlichen Drehwinkeln statt. Dem folgt eine (positiv oder negativ) gewichtete Addition ausgewählter Mittelwerte zur Lieferung von Ordnungsanalysen an der Stelle des Bezugszeichens 19. Somit erfolgt dann eine Grenzwertüberwachung ausgewählter Ordnung für ein spezielles Bauteil, siehe Bezugszeichen 20 und 21. Das Bezugszeichen 20 bezieht sich auf ein erstes Bauteil, bspw. auf ein Zahnrad, und das Bezugszeichen 21 auf ein zweites, davon separates Bauteil, bspw. ein Lager. Dem folgt dann die Bereitstellung / Speicherung eines Signals bei Grenzwertüberschreitung, wie schon mit dem Bezugszeichen 16 erläutert.
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Das Vorhalten von speziellen Zustandsfenstern, die typisch für eine spezielle Betriebsart des Kraftahrzeugs sind, in welcher vordefinierte Signale, z. B. auch sektorbezogen, mit auftretenden Signalen verglichen werden, ist der Kern des erfindungsgemäßen Verfahrens der 4. Dort findet auch das Erfassen des Rohsignals, also des Körperschalls, an der Stelle des Bezugszeichens 12 statt, gefolgt von der Analyse des Signals (Filters) gemäß des Bezugszeichens 22.
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Es können auch weitere Signale, wie etwa Drehzahl, (Dreh-)Moment / Temperatur, ggf. via CAN nach Bezugszeichen 23 berücksichtigt werden.
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Danach wird geprüft, ob die Signale in den vordefinierten Überwachungsintervallen / Fenstern liegen, gemäß der Bezugszeichen 24 und 25.
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Liegt dies vor, folgt ein Speichern des analysierten Signals im jeweiligen Intervall (siehe Bezugszeichen 26 und 27), dann der Vergleich des gespeicherten Werts mit vorangehenden Speicherungen (siehe Bezugszeichen 28 und 29) sowie das Bereitstellen / Speichern eines Signals des Überschreitens einer Änderungsgrenze (siehe Bezugszeichen 30 und 31).
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Aktor
- 2
- Recheneinheit
- 3
- Elektromotor
- 4
- Stellorgan
- 5
- Schwingungssensor
- 6
- Parksperrenaktor
- 7
- Speicher
- 8
- Gehäuse
- 9
- Schnittstelle
- 10
- Stecker
- 11
- Körperschallsensor
- 12
- Rohsignalerfassung / Körperschallerfassung
- 13
- digitale Bandpass-Filterung
- 14
- Addition
- 15
- Grenzwertüberwachung
- 16
- Bereitstellung / Speicherung
- 17
- Drehwinkel
- 18
- Mittelwert
- 19
- gewichtete Addition
- 20
- Grenzwertüberwachung Bauteil 1
- 21
- Grenzwertüberwachung Bauteil 2
- 22
- Analyse
- 23
- weitere Signale
- 24
- Signalüberwachung
- 25
- Signalüberwachung
- 26
- Speicherung
- 27
- Speicherung
- 28
- Vergleich
- 29
- Vergleich
- 30
- Bereitstellung / Speicher
- 31
- Bereitstellung / Speicher
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2824324 A1 [0002, 0016]
- WO 2019/001642 A1 [0003, 0030]
