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Technisches Gebiet
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Diese Patentoffenbarung betrifft allgemein einen Sensor und ein Verfahren zum Erfassen der Position eines Arbeitsgeräts an einer Erdbaumaschine und insbesondere ein Erfassen und Steuern der Position einer Schar-Baugruppe, die eine Schar aufweist, bei einem Motorgrader bzw. Straßenhobel.
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Hintergrund
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Motorgrader gehören zu den Maschinen, die dazu dienen, beim Bau einer Fahrbahn, eines Parkplatzes, eines Flughafen-Rollfeldes oder dergleichen Erde und ähnliches Material über eine Baustelle zu bewegen, und sind insbesondere zum Feinplanieren oder finalen Konturieren des Materials über der Baustelle geeignet. Motorgrader weisen typisch einen Fahrgestellrahmen auf, der auf Rädern getragen wird, um über das Gelände der Baustelle zu fahren, und weisen ferner ein Arbeitsgerät in Form einer Schar-Baugruppe mit einer Schar auf, die von dem Rahmen getragen wird, um in den Boden einzugreifen. Damit der Motorgrader Feinplanierarbeiten und finale Oberflächenkonturierungsarbeiten durchführen kann, sind die Schar-Baugruppe und die Schar äußerst manövrierfähig und können in vielen verschiedenen Stellungen bzw. Positionen in Bezug auf den Fahrgestellrahmen und den Boden platziert werden. So können beispielsweise die Schar-Baugruppe und die Schar aus einer Position senkrecht zur Fahrtrichtung über verschiedene andere Winkelausrichtungen in Bezug auf die Fahrtrichtung geschwenkt oder gedreht werden, sodass von der Schar aufgenommenes Material zur Seite des Motorgraders gelenkt oder weggeschoben wird. Zudem kann die Höhe der Schar in Bezug auf den Boden eingestellt werden, um die Tiefe des ausgeführten Schnitts zu ändern. Ferner kann der Winkel der Schar schräg zur Fahrtrichtung eingestellt werden, um die Schräge des Schnitts zu ändern, sodass der Maschinenführer bzw. Bediener das Dachprofil und gleichzeitig einen Seitenstreifen einer Fahrbahn formen kann. Der Fahrgestellrahmen des Motorgraders an sich kann knickgelenkt sein, um Kurvenfahrten zu unterstützen, und andere Systeme, wie beispielsweise die Aufhängung, können beweglich sein, um eine genauere Positionierung der Schar in Bezug auf den Boden zu ermöglichen.
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Um den Maschinenführer bzw. Bediener des Motorgraders bei der genauen Positionierung der Schar-Baugruppe und der Schar zu unterstützen, kann der Motorgrader mit verschiedenen Sensoren und Bedienelementen betrieben werden. Diese Komponenten wirken aufeinander ein und können über eine elektronische Steuereinheit, ein Steuerungssystem oder eine Steuerung miteinander kommunikativ vernetzt sein. Ein Beispiel für eine Steuerung und das zugehörige System für einen Motorgrader ist in dem
US-Patent 10,030,366 beschrieben, das am 24. Juli 2018 erteilt wurde. Das ’366er Patent beschreibt einen Aufbau aus Gestängen, Aktoren und Strukturen zum Manövrieren der Schar-Baugruppe und der Schar in verschiedene Positionen und beschreibt ferner ein Netzwerk oder eine Anordnung von Sensoren zum Bestimmen der Position der Schar-Baugruppe und der Schar während des Betriebs. Die vorliegende Offenbarung zielt ebenfalls auf eine Anordnung von Positionssensoren auf einem Motorgrader ab, um die Bedienung zu erleichtern.
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Kurzdarstellung
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In der Offenbarung ist, unter einem Aspekt, ein Motorgrader beschrieben, welcher einen Hauptrahmen aufweist, der eine Längsachse definiert, und eine Schar, die im Grundsätzlichen quer zum Hauptrahmen ist. Die Schar-Baugruppe kann eine Schar mit einer oberen, freien Kante, einer unteren Schneidkante, einer ersten Scharseite und einer zweiten Scharseite aufweisen. Die Schar-Baugruppe ist mit dem Hauptrahmen beweglich verbunden, um die Schar zu kippen, indem die obere Kante in Bezug auf die Schneidkante bewegt wird, und die Querneigung der Schar einzustellen, indem die erste Scharseite in Bezug auf die zweite Scharseite vertikal bzw. in der Höhe bewegt wird. Des Weiteren kann der Motorgrader einen an der Schar-Baugruppe angeordneten und mit dieser beweglichen Scharsensor aufweisen, der dafür geeignet ist, den Anstellwinkel der Schar und die Querneigung der Schar zu messen.
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Unter einem weiteren Aspekt wird in der Offenbarung ein Motorgrader mit einem Hauptrahmen, der eine Längsachse definiert, und einer Schar-Baugruppe, die mit dem Hauptrahmen beweglich verbunden ist, beschrieben. Die Schar-Baugruppe kann dafür geeignet sein, sich in Bezug auf den Hauptrahmen in einer ersten Dimension zu bewegen, die einer Vertikalachse senkrecht zur Längsachse zugeordnet ist, und sich in Bezug auf den Rahmen in einer zweiten Dimension zu bewegen, die einer Querachse zugeordnet ist, die quer zur Längsachse verläuft. Des Weiteren kann der Motorgrader einen Scharsensor aufweisen, der an der Schar-Baugruppe anmontiert und dafür geeignet ist, die Bewegung der Schar-Baugruppe in der ersten Dimension und in der zweiten Dimension direkt zu messen.
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Unter noch einem weiteren Aspekt wird in der Offenbarung ein Steuerungssystem zum Steuern des Betriebs eines Motorgraders beschrieben. Der Motorgrader kann eine Zugstange-Schar-Drehkranz-Baugruppe aufweisen, die eine Zugstange, die mit einem Rahmen des Motorgraders beweglich verbunden ist, eine Drehkranz-Baugruppe, die mit der Zugstange drehbar verbunden ist, und eine Schar-Baugruppe, die mit der Drehkranz-Baugruppe schwenkbar verbunden ist, aufweist. Ein Scharsensor kann an einer Schar-Baugruppe des Motorgraders angeordnet sein und kann dafür eingerichtet sein, die Kippung und die Querneigung der Schar-Baugruppe zu messen. Mit dem Scharsensor kann eine Steuerung in Kommunikationsverbindung stehen, um vom Scharsensor ein erstes Signal zu empfangen, das die Kippung der Schar-Baugruppe angibt, und ein zweites Signal, das die Querneigung der Schar-Baugruppe angibt. Die Steuerung kann ferner dafür konfiguriert sein, das erste Signal und das zweite Signal zu verarbeiten, um ein oder mehrere Steuersignale zum Steuern der Positionierung der Schar-Baugruppe zu erzeugen.
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Figurenliste
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- 1 ist eine Seitenansicht eines beispielhaften Motorgraders, der mit einem Scharsensor zum Bestimmen der Position der Schar-Baugruppe und der Schar gemäß der Offenbarung ausgestattet ist.
- 2 ist eine isometrische Ansicht der Rückseite einer Zugstange-Schar-Drehkranz-Baugruppe, die mit dem Hauptrahmen des Motorgraders beweglich verbunden ist.
- 3 ist eine repräsentative Darstellung der Zugstange-Schar-Drehkranz-Baugruppe, die mögliche Bewegungen und Orientierungen der Schar-Baugruppe veranschaulicht, die der Scharsensor messen kann.
- 4 ist eine isometrische Ansicht des Scharsensors, der an der Schar-Baugruppe angeordnet und in einer Schutzabdeckung untergebracht ist.
- 5 ist ein Ablaufplan, der einen möglichen Prozess zum Verwerten der vom Scharsensor durchgeführten Messungen zum Einstellen der Position der Schar-Baugruppe darstellt.
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Ausführliche Beschreibung
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Nun zu den Figuren, in denen gleiche Bezugszeichen auf gleiche Elemente verweisen: In 1 ist eine beispielhafte Maschine zum Bewegen oder Verschieben von Erdstoffen oder Bauschutt über eine Baustelle in der beispielhaften Ausbildung als Motorgrader 100 veranschaulicht. Motorgrader 100 werden hauptsächlich als Endbearbeitungswerkzeuge zum Formen feiner Konturen oder Modellieren der endgültigen Oberfläche der Baustelle durch Bewegen relativ kleine Materialmengen zu ihren beiden Seiten eingesetzt. Zum Verschieben des Materials kann der Motorgrader 100 ein Arbeitsgerät in Form einer Schar-Baugruppe 102 aufweisen, das am Motorgrader 100 derart aufgehängt ist, dass es die Oberfläche oder den Boden 104 berührt und in diese(n) eingreift. Die vorliegende Offenbarung wird zwar unter Bezugnahme auf einen Motorgrader 100 beschrieben, doch können Aspekte der Offenbarung auf andere Erdbaumaschinen wie Bulldozer, Lader, Bagger, Scraper und dergleichen anwendbar sein. Zudem können die Maschinen in anderen Ausführungsformen anstelle der Schar-Baugruppe 102 oder zusätzlich andere Arbeitsgeräte aufweisen.
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Der Hauptrahmen 110, den der Motorgrader 100 aufweist, um die Schar-Baugruppe 102 oder ein anderes Arbeitsgerät zu tragen, kann verhältnismäßig langgestreckt und derart orientiert sein, dass er die Längsachse 112 (durch einen Pfeil angegeben) definiert, die der Vorwärts- und/oder Rückwärtsfahrtrichtung entsprechen kann, die normalerweise vom Motorgrader 100 im Betrieb genommen wird, wenn er nicht gerade abbiegt, wendet usw. Um einen Bezug zu schaffen, der Hauptrahmen 110 kann auch die linke und rechte Seite des Motorgraders 100 angeben, die eine Querachse 114 definieren können, die horizontal oder koplanar zum Boden 104 und senkrecht zur Längsachse 112 verläuft. Die Querachse 114 durchquert den Hauptrahmen 110 und ist in der Ebene von 1 als Punkt zu sehen. Als weiterer Bezug kann dem Motorgrader 100 eine Vertikalachse 116 senkrecht zur Längsachse 112 und zur Querachse 114 sowie zum Boden 104 zugeordnet werden. Die Längsachse 112, die Querachse 114 und die Vertikalachse 116 können als kartesisches Koordinatensystem mit den entsprechenden Achsen x, y und z aufgefasst werden. Sämtliche Bezugnahmen auf die Achsen und Dimensionen des Motorgraders 100 dienen jedoch lediglich zu Referenzzwecken und sollten nicht als Einschränkung des Schutzbereiches der Ansprüche angesehen werden.
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Bei der veranschaulichten Ausführungsform kann der Hauptrahmen 110 überdies als zweiteiliger Knickrahmen mit einem hinteren Rahmenabschnitt 120 und einem vorderen Rahmenabschnitt 122 gestaltet sein, die an einem Gelenk 124 ungefähr in der Mitte der Länge des Motorgraders 100 verbunden sind. Der hintere Rahmenabschnitt 120 und der vordere Rahmenabschnitt 122 können aus Profilträgern aus Kohlenstoffstahl oder einem ähnlichen hochfesten Werkstoff hergestellt sein. Das Gelenk 124 ermöglicht, den vorderen Rahmenabschnitt 122 in Bezug auf den hinteren Rahmenabschnitt 120 zu schwenken, um beispielsweise den Motorgrader 100 beim Ändern der Fahrtrichtung, die der Längsachse 112 zugeordnet ist, zu unterstützen oder um spezielle oder einzigartige Aufgaben zu erfüllen, wie etwa den Motorgrader 100 „im Hundegang“ zu betreiben, bei dem der hintere Rahmenabschnitt 120 und der vordere Rahmenabschnitt 122 nicht linear zueinander stehen. Um dem Motorgrader 100 zu ermöglichen, sich in Bezug auf den Boden 104 zu bewegen oder zu fahren, wird der hintere Rahmenabschnitt 120 auf mehreren angetriebenen Traktionsvorrichtungen, wie etwa Antriebsrädern 126, getragen und wird der vordere Rahmenabschnitt 122 auf mehreren lenkbaren Traktionsvorrichtungen, wie etwa lenkbaren Rädern 128 auf beiden Seiten des Motorgraders 100, die verwendet werden können, um den Motorgrader 100 zu lenken, getragen. Bei anderen Ausführungsformen können jedoch andere Ausbildungen von Traktionsvorrichtungen, wie etwa Raupenketten, verwendet werden.
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Um ein Drehen der Antriebsräder 126 zu bewirken, weist der Motorgrader 100 eine Verbrennungskraftmaschine 130 auf, die auf dem hinteren Rahmenabschnitt 120 untergebracht ist und über einen Antriebsstrang mit den Antriebsrädern 126 verbunden ist. Der Antriebsstrang weist ein Getriebe oder andere Komponenten auf, die an der Übertragung von mechanischer Leistung bzw. Kraft beteiligt sind und zum Einstellen dieser dienen. Bei der Verbrennungskraftmaschine 130 kann es sich um jeden geeigneten Typ von Kraftmaschine handeln, darunter beispielsweise ein Dieselmotor, ein Benzinmotor mit Fremdzündung, ein Erdgasmotor oder irgendeine andere allgemein bekannte Kraftmaschine. Bei anderen Ausführungsformen kann die Antriebsquelle eine Energiequelle sein, die nicht auf einer Verbrennung beruht, wie etwa eine Brennstoffzelle, eine Energiespeichervorrichtung oder eine andere elektrische Quelle. Nicht nur, dass sie die Antriebsräder 126 antreibt, die Verbrennungskraftmaschine 130 oder eine andere Antriebsquelle kann mit einem Hydrauliksystem 132 wirkverbunden sein, das unter Druck stehende Hydraulikflüssigkeit an verschiedene hydraulische Aktoren und Komponenten liefern kann, mit denen der Motorgrader 100 zur Unterstützung seines Betriebs und seiner Manövrierfähigkeit ausgestattet ist.
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Für den Maschinenführer bzw. Bediener des Motorgraders 100 ist ein Bedienstand (oder eine Kabine) 134 am hinteren Rahmenabschnitt 120 anmontiert. In der Kabine 134 sind die für den Betrieb des Motorgraders 100 erforderlichen Bedienelemente und Instrumente einschließlich einer oder mehrerer Eingabevorrichtungen 136 untergebracht. Die Eingabevorrichtungen 136 können als Handhebel oder Joystick ausgebildet sein, den der Maschinenführer bzw. Bediener handhaben kann, um den Motorgrader 100 zu lenken und wahlweise die Position und die Orientierung der Schar-Baugruppe 102 in Bezug auf den Boden 104 einzustellen. Andere Eingabevorrichtungen 136 können Lenkräder oder dergleichen umfassen. Zusätzlich zu den Eingabevorrichtungen 136 kann die Kabine 134 eine oder mehrere Anzeigevorrichtungen 138 aufweisen, wie etwa einen digitalen oder Touchscreen-LCD- oder CRT-Bildschirm oder dergleichen, um mit dem Bediener zu kommunizieren. Wie zu erkennen ist, können die Anzeigevorrichtungen 138 mit dem Bediener kommunizieren, um während des Betriebs Informationen über die Teilsysteme des Motorgraders 100 bereitzustellen, darunter beispielsweise die Position der Schar-Baugruppe 102.
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Zudem können die Eingabevorrichtungen 136 und die Anzeigevorrichtungen 138 mit einer an Bord befindlichen elektronischen Steuereinheit, einem Steuerungssystem oder einer Steuerung 139 wirkverbunden sein. Die Steuerung 139 kann dafür geeignet sein, den Betrieb des Motorgraders 100 zu unterstützen, indem sie verschiedene Betriebsparameter überwacht und verschiedene Funktionen, die Auswirkungen auf den Betrieb des Motorgraders 100 haben, reagierend regelt. Die Steuerung 139 kann einen Mikroprozessor, eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) oder andere geeignete Schaltungen umfassen und kann einen Speicher oder andere Datenspeichermöglichkeiten aufweisen. Ferner kann die Steuerung 139 Funktionen, Schritte, Routinen, Datentabellen, Kennfelder, Diagramme und dergleichen enthalten, die in einem Nur-Lese-Speicher oder einem anderen elektronisch lesbaren Speichermedium gespeichert und daraus ladefähig sind, um am Betrieb des Motorgraders 100 mitzuwirken. Obwohl in 1 die Steuerung 139 als eine einzelne, diskrete Einheit veranschaulicht ist, können bei anderen Ausführungsformen die Steuerung 139 und ihre Funktionen über mehrere verschiedene und separate Komponenten verteilt sein. Zum Empfangen von Betriebsparametern und Senden von Steuerbefehlen oder -anweisungen kann die Steuerung 139 mit verschiedenen Sensoren und Bedienelementen am Motorgrader 100 wirkverbunden sein und kommunizieren, darunter mit jenen Sensoren, die hier beschrieben sind. Die Kommunikation zwischen der Steuerung 139 und den Sensoren kann durch Senden und Empfangen digitaler oder analoger Signale über elektronische Verbindungsleitungen oder Kommunikationsbusse erfolgen.
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Mit Bezug auf 1 und 2: Zur Halterung und wahlweisen Positionierung der Schar-Baugruppe 102, wenn verschiedene Planierarbeiten durchgeführt werden, kann die Schar-Baugruppe 102 mit einer Zugstange-Drehkranz-Schar- (DCM: drawbar-circle-moldboard (engl.)) Baugruppe 140 wirkverbunden sein, die in der Regel unter dem vorderen Rahmenabschnitt 122 angeordnet ist. Wie dem Fachmann bekannt ist, kann die DCM-Baugruppe 140 eine Zugstange 142 aufweisen, wobei es sich um eine A-rahmengerippeartige Struktur handeln kann, die über ein Universalgelenk 144, wie etwa ein Kugelgelenk, mit der vordersten Struktur des vorderen Rahmenabschnitts 122 verbunden ist. Die Zugstange 142 erstreckt sich in der Regel vom Universalgelenk 144 nach hinten, bis zum distalen Ende 146 und kann in der Regel horizontal über dem Boden 104 gehalten werden. Zum distalen Ende 146 der Zugstange 142 hin ist eine Drehkranz-Baugruppe 150 angeordnet, die dafür ausgelegt ist, die Schar-Baugruppe 102 in Bezug auf eine Drehachsenlinie 152 zu drehen oder zu schwenken. Die Drehachsenlinie 152 der Drehkranz-Baugruppe 150 kann im Grundsätzlichen parallel zur vertikalen Achse 116 des Motorgraders 100 verlaufen und in Bezug auf den Boden 104 im Grundsätzlichen senkrecht orientiert sein.
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Die Drehkranz-Baugruppe 150 kann einen äußeren Drehkranz 154 aufweisen, der ein Ringprofil aus Schmiedestahl oder dergleichen sein kann, das um eine entsprechend geformte innere Zapfenscheibe 156 angeordnet ist und diese umschreibt. Die Zapfenscheibe 156 kann fest angebracht oder so mit der Unterseite der Zugstange 142 verbunden sein, dass sie auch horizontal über dem Boden 104 gehalten wird. Der Drehkranz 154 und die Zapfenscheibe 156 können an ihren jeweiligen inneren bzw. äußeren Randbereichen über Lager und Führungen so miteinander gekoppelt sein, dass die Zapfenscheibe 156 innerhalb des Drehkranzes 154 gelagert ist, der in Bezug auf die Drehachsenlinie 152 dreh- oder schwenkbar ist, um die Schar-Baugruppe 102 in Bezug auf die Zugstange 142 zu drehen.
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Die Schar-Baugruppe 102 kann von der Drehkranz-Baugruppe 150 abhängig und unterhalb dieser angeordnet sein und kann mittels Verbindungsarmen 158 am Drehkranz 154 befestigt sein. Die Verbindungsarme 158 können an gegenüberliegenden Seiten des Außenumfangs des Drehkranzes 154 befestigt sein und können im Grundsätzlichen bogenförmig sein, um nach unten, zum Boden 104 hin zu verlaufen. Um physisch in den Boden 104 einzugreifen, kann die Schar-Baugruppe 102 eine Schareinheit 160 aufweisen, die eine langgestreckte Schar 162 aufnimmt und stützt. Die Schar 162 ist aus gewalztem und fertigbearbeitetem Stahl oder einem anderen hochfesten Material. Die Schar 162 erstreckt sich zwischen den einander gegenüberliegenden Seiten des Motorgraders 100 und schneidet in der Regel die durch den Hauptrahmen 110 festgelegte Längsachse 112. Um das Verschieben von Material, das vom Boden 104 abgetragen oder entfernt wurde, zu erleichtern, kann die Schar 162 eine gekrümmte Vorderfläche 164 aufweisen, die sich von einer unteren Schneidkante 166 bis zu einer oberen, freien Kante 168 krümmt. Die gekrümmte Vorderfläche 164 kann bei Fahrtrichtung längs der Längsachse 112 im Grundsätzlichen nach vorne gerichtet sein, um auf Material am Boden 104 zu treffen. Überdies kann die langgestreckte Schar 162 eine erste Scharseite 170 und eine im Abstand befindliche zweite Scharseite 172 aufweisen, wodurch eine Scharlänge 176 definiert wird, wobei die erste und die zweite Scharseite 170, 172 typisch zur jeweiligen linken bzw. rechten Seite des Motorgraders 100, durch die Querachse 114 festgelegt, angeordnet sind. Die Schar 162 kann also eine im Großen und Ganzen rechteckige Form aufweisen, wobei ihre Mittelpunktposition 178 auf halber Strecke zwischen der ersten und der zweiten Scharseite 170, 172 und auf halber Höhe zwischen der unteren Schneidkante 166 und der oberen, freien Kante 168 liegt. Aufgrund der gekrümmten Vorderfläche 164 weisen jedoch auch die erste und die zweite Scharseite 170, 172 eine gekrümmte oder Bogen-Form auf. Bei einer Ausführungsform können an der unteren Schneidkante 166 der Schar 162 Zähne oder einzelne Schneiden bzw. Bits angeordnet sein.
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Um eine Wirkverbindung der Schar-Baugruppe 102 mit den von der Drehkranz-Baugruppe 150 nach unten ragenden Verbindungsarmen 158 herzustellen, kann die Schareinheit 160 eine rückseitige Halterung 180 aufweisen, die entlang der Rückseite der Schar 162, gegenüber der gekrümmten Vorderfläche 164, angeordnet ist. Die rückseitige Halterung 180 kann eine langgestreckte Bauform ähnlich der Schar 162 aufweisen und kann dazu dienen, die Schar 162 beim Eingreifen in den Boden 104 zu halten. Die distalen Enden der Verbindungsarme 158 können mit der Unterkante der rückseitigen Halterung 180 nahe der unteren Schneidkante 166 der Schar 162 durch Drehgelenke 182 verbunden sein, um eine Schwenk- oder Kippbewegung der Schar-Baugruppe 102 zu ermöglichen, wie hier noch genauer beschrieben wird. Außerdem kann die rückseitige Halterung 180 eine(n) oder mehrere Kanäle, Führungen oder Schienen 184 aufweisen, die ermöglichen, dass die Schar 162 in Bezug auf die Querachse 114 translatorisch bewegt oder verschoben wird und dadurch die seitliche Reichweite der Schar 162 in Richtung der Seiten des Motorgraders 100 vergrößert wird.
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Weiter unter Bezugnahme auf 1 und 2: Zum Einstellen der Position oder der Orientierung der Schar-Baugruppe 102 während Abtrag- und Planierarbeiten kann der Motorgrader 100 mehrere Aktoren aufweisen, wie etwa Hydraulikzylinder in Fluidverbindung mit dem Hydrauliksystem 132. Die hydraulischen Aktoren sind mit hydraulischen Stell- oder Steuerventilen wirkverbunden, um wahlweise Fluid zu und weg von den hydraulischen Aktoren zu leiten, wodurch eine Betätigung, wie etwa im Beispiel eines Zylinders ein Ein- oder Ausfahren des Zylinderarms, bewirkt wird. Um beispielsweise die Schar-Baugruppe 102 in Bezug auf den Boden 104 anzuheben und abzusenken, kann der Motorgrader 100 hydraulisch aus- und einfahrbare Aktoren aufweisen, wie etwa einen ersten Hubzylinder 190 und einen zweiten Hubzylinder 192. Der erste und der zweite Hubzylinder 190, 192 können als Paar angeordnet sein, wobei an beiden Seiten des vorderen Rahmenabschnitts 122 des Motorgraders 100 jeweils einer angeordnet ist. Die beiden Hubzylinder 190, 192 können vertikal, im Grundsätzlichen parallel zur Vertikalachse 116 und, dementsprechend, zur Drehachsenlinie 152 angeordnet sein. Der erste und der zweite Hubzylinder 190, 192 sind mit der DCM-Baugruppe 140 wirkverbunden, beispielsweise über Universaldrehgelenke 194, die oben auf der Zapfenscheibe 156 der Drehkranz-Baugruppe 150 angeordnet sind. Durch eine gleichzeitige Betätigung des ersten und des zweiten Hubzylinders 190, 192 kann die DCM-Baugruppe 140 in Bezug auf das Universalgelenk 144, das die Zugstange 142 mit dem vorderen Rahmenabschnitt 122 verbindet, vertikal bzw. in der Höhe bewegt werden.
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Zu weiteren Aktoren kann ein Aktor 200 zum Seitwärts-Verschieben zählen, der mit der DCM-Baugruppe 140 in der Nähe der Rückseite der Zapfenscheibe 156 verbunden ist, um die DCM-Baugruppe 140 um das Universalgelenk 144 seitwärts, zu den Seiten des Motorgraders 100, zu schwenken. Um die Schar 162 zu der einen oder der anderen Seite des Motorgraders 100 seitwärts auszufahren, kann ein Schar-Ausfahrzylinder 202 an der rückseitigen Halterung 180 untergebracht sein und mit der Schar 162 wirkverbunden sein, um die Schar 162 mithilfe von Kanälen, Führungen und Schienen 184 zu bewegen. Bei einer Ausführungsform kann der Schar-Ausfahrzylinder 202 seitlich entlang eines Abschnitts der Scharlänge 176 zwischen dem ersten und dem zweiten Verbindungsarm 158 angeordnet sein. Um die Schar-Baugruppe 102 nach vorne und nach hinten in Bezug auf die Drehgelenke 182, welche die rückseitige Halterung 180 mit den Verbindungsarmen 158 verbinden, zu kippen, kann ein Verstellzylinder 204 bereitgestellt sein. Bei der veranschaulichten Ausführungsform kann der Verstellzylinder 204 zwischen einer Drehkranzsäule 206, die vom Drehkranz 154 nach hinten ragt, und der Oberseite der rückseitigen Halterung 180 beispielsweise mit einer Halterungssäule 208, die von der rückseitigen Halterung 180 übersteht, verbunden sein, derart, dass er sich in der Nähe der oberen, freien Kante 168 der Schar 162, befindet. Wie bereits angegeben, kann die Drehkranz-Baugruppe 150 einen Antriebsmechanismus zum Drehen des Drehkranzes 154 um die Zapfenscheibe 156 in Bezug auf die Drehachsenlinie 152 aufweisen.
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Die vorstehende Ausführung ermöglicht das Bewegen und Positionieren der Schar-Baugruppe 102 bei mehreren Freiheitsgraden in Bezug auf die Längsachse 112, die Querachse 114 und die Vertikalachse 116 für unterschiedliche Planierarbeiten. Mit Bezug auf 2 und 3 und wie vorstehend angegeben: Durch gleichzeitiges Aus- oder Einfahren des ersten und des zweiten Hubzylinders 190, 192 wird die Höhe der Schar-Baugruppe 102 bezüglich der Vertikalachse 116 vergrößert oder verringert, um die Schnitttiefe der Schar 162 in den Boden 104 oder die Stärke der zu verteilenden Materialschicht zu steuern. Außerdem können der erste und der zweite Hubzylinder 190, 192 unabhängig voneinander aus- und einfahrbar sein, um die entsprechende erste und zweite Scharseite 170, 172 bezüglich der Vertikalachse 116 und relativ zueinander und zum Boden 104 vertikal bzw. in der Höhe zu bewegen. Durch Vertikalbewegung der ersten und der zweiten Scharseite 170, 172 relativ zueinander wird die Querneigung des von der Schar 162 ausgeführten Schnitts in Bezug auf den Boden 104 eingestellt. Die eingestellte Position der Schar 162 ist in 3 gestrichelt dargestellt, wobei die Querneigung durch CS angegeben ist. Durch Ändern der Querneigung wird die Höhe des Bodens 104 entlang der der Querachse 114 zugeordneten Querrichtung und quer zur Längsachse 112 des Motorgraders 100 geändert, wenn beispielsweise das Dachprofil und/oder der Seitenstreifen der Fahrbahn geformt wird.
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Zum Einstellen des Winkels der Schar 162 in Bezug auf die Längsachse 112 in Fahrtrichtung kann die Drehkranz-Baugruppe 150 in Bezug auf die Drehachsenlinie 152 gedreht werden, wie durch Pfeile R R angegeben; dadurch schwenkt die Schar-Baugruppe 102. Durch das Schwenken wird von einem Nachvorne-Leiten des Materials, wenn die Schar-Baugruppe 102 einen Winkel von 0° aufweist (senkrecht zur Längsachse 112 steht) zu einem Seitwärts-Leiten, zu den Seiten des Motorgraders 100, wenn die Schar-Baugruppe 102 nicht senkrecht zur Längsachse 112 steht, gewechselt. Um die Schar-Baugruppe 102 zu kippen, kann der Verstellzylinder 204 ausgefahren oder eingefahren werden, um die obere, freie Kante 168 der Schar 162 vor oder hinter die Schneidkante 166 zu bewegen, wie durch Pfeile P angegeben. Bei einem Kippen der Schar-Baugruppe 102 dreht sich die gekrümmte Vorderfläche 164 der Schar 162, und dadurch wird der Winkel des Schnitts eingestellt, der mittels der unteren Schneidkante 166 in den Boden 104 erfolgt. Außerdem kann durch das Einstellen der Kippung der Schar-Baugruppe 102 die Materialmenge bestimmt werden, die der Motorgrader 100 vom Boden 104 entfernen kann.
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Zur Unterstützung des Einstellens und Positionierens der Schar-Baugruppe 102 in Bezug auf den Hauptrahmen 110 und den Boden 104 kann der Motorgrader 100 verschiedene Sensoren und Messeinheiten aufweisen. So kann beispielsweise ein Scharsensor 210 an der Schareinheit 160 an einem Ort angeordnet sein, der Messungen der Schar 162 in Bezug auf die Koordinaten mehrerer Dimensionen und Achsen ermöglicht. In der veranschaulichten Ausführungsform kann der Scharsensor 210 an der rückseitigen Halterung 180 an der Rückseite der Schar 162 angeordnet sein, und in einer besonderen Ausführungsform kann er sich an dem seitlich angeordneten Schar-Ausfahrzylinder 202 an einem Ort in der Nähe einer oder mehrerer Schlauchkupplungen 212, die mit Schläuchen vom Hydrauliksystem verbunden sind, befinden. Der Scharsensor 210 kann zu der mit dem Verstellzylinder 204 verbundenen Halterungssäule 208 benachbart sein und kann zwischen dem ersten und dem zweiten Verbindungsarm 158 angeordnet sein, die die Schareinheit 160 mit der Drehkranz-Baugruppe 150 verbinden. Durch die Anordnung des Scharsensors 210 an der Rückseite der Schareinheit 160 und unterhalb der oberen, freien Kante 168 der Schar 162 ist der Scharsensor 210 während des Betriebs des Motorgraders 100 geschützt. Die gekrümmte Vorderfläche 164 der Schar 162 bewegt Material so in Längsrichtung nach vorne und seitwärts, zu den Seiten, dass wenig oder gar kein Material aufragen und über die obere, freie Kante 168 der Schar 162 gelangen und auf den Scharsensor 210 treffen kann.
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In einer Ausführungsform kann der Scharsensor 210 zur Schaffung eines zusätzlichen Schutzes in einer Schutzabdeckung 214 untergebracht sein. Mit Bezug auf 4: Die Schutzabdeckung 214 kann aus jedem geeigneten Werkstoff, wie etwa schlagfestem Kunststoff oder Metall sein und kann als Hohlkasten 216 ausgebildet sein, der eine rechteckige oder andere geeignete Form aufweisen kann und der einen Innenraum 218 zur Aufnahme des Scharsensors 210 umgrenzt. Zwar stellt 4 bildlich dar, dass zum Installieren des Scharsensors 210 der Innenraum 218 durch eine Öffnung zugänglich sein kann, es versteht sich jedoch, dass nach der Installation die Öffnung mit einem anderen Bauteil der Schutzabdeckung 214 verschlossen werden kann. Nicht nur, dass sie den Scharsensor 210 schützt, die Schutzabdeckung 214 kann auch die Befestigung des Scharsensors 210 an der Rückseite der Schar-Baugruppe 102 ermöglichen. So kann beispielsweise die Schutzabdeckung 214 dafür ausgelegt sein, oben am Schar-Ausfahrzylinder 202 in der Nähe der Schlauchkupplungen 212 mithilfe von Befestigungselementen, Befestigungsclips, durch Schweißen oder dergleichen befestigt zu werden. Bei einer Ausführungsform kann wegen des Vorhandenseins der Schlauchkupplungen 212 ein Kanal oder Hohlraum 222 in der Außenseite des Schar-Ausfahrzylinders 202 oder an anderer Stelle an der rückseitigen Halterung 180 angeordnet sein, um die Hydraulikschläuche aufzunehmen und bis zu den Schlauchkupplungen 212 zu führen. Der Hohlraum 222 kann also dem Scharsensor 210 zusätzlichen Schutz bieten.
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Außerdem, mit Bezug auf 2 und 3: Der Ort, an dem der Scharsensor 210 angeordnet ist, kann ungefähr der Mittelpunktposition 178 der Schar 162 entsprechen. Ferner kann der Scharsensor 210 im Abstand über der unteren Schneidkante 166 der Schar 162 und über den Drehgelenken 182, die die Verbindungsarme 158 mit der rückseitigen Halterung 180 verbinden, angeordnet sein. Der Ort, an dem der Scharsensor 210 an der Schar-Baugruppe 102 anmontiert ist, ermöglicht ein direktes Messen von mindestens zwei Variablen oder Koordinaten, die die Position oder räumliche Orientierung des Scharsensors 210 in Bezug auf ein Koordinatensystem angeben, wie etwa eines von denjenigen, die eine Längsachse 112, eine Querachse 114 und eine Vertikalachse 116 aufweisen. So kann beispielsweise der Scharsensor 210 die Neigung oder Ausrichtung der Scharschneide der Schar 162 messen, darunter u. a. den Betrag, um den die obere, freie Kante 168 in Längsrichtung vor oder hinter die untere Schneidkante 166 geschwenkt wurde. Insbesondere kann ein Ausfahren oder Einfahren des Verstellzylinders 204 die Schar-Baugruppe 102 um die Drehgelenke 182 schwenken. Da der Scharsensor 210 direkt an der Schar-Baugruppe 102 anmontiert ist, wird er bei Betätigung des Verstellzylinders 204 mit der Schar-Baugruppe 102 geschwenkt. Und da der Scharsensor 210 vertikal im Abstand über den Drehgelenken 182 angeordnet ist, hat eine Bewegung des Gelenks der Schar-Baugruppe 102 eine messbare krummlinige Bewegung des Scharsensors 210 zum Ergebnis. Durch kinematische Berechnungen und unter Verwendung vorgegebener Abmessungsdaten der Schar-Baugruppe 102 kann aus der gemessenen kurvenförmigen Bewegung des Scharsensors 210 die Position der oberen, freien Kante 168 in Bezug auf die untere Schneidkante 166 bestimmt werden, und somit sind der Anstellwinkel der Schar 162 und der Schnittwinkel bekannt. Da der Scharsensor 210 an der Schar-Baugruppe 102 angeordnet ist, erzielt er eine direkte Messung des Anstellwinkels der Schar 162.
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Außerdem ermöglicht der Ort des Scharsensors 210 ein Messen der Querneigungsorientierung der Schar-Baugruppe 102 in Bezug auf den Boden 104. Da sich der Scharsensor 210 ungefähr an der Mittelpunktposition 178 der Schar 162 befindet, befindet er sich ungefähr im Zentrum der relativen Auslenkung der ersten und der zweiten Scharseite 170, 172. Erfolgt ein Ändern der Querneigung durch eine Relativbewegung der ersten und der zweiten Scharseite 170, 172 in vertikaler Richtung bzw. in der Höhe durch unabhängige Betätigung des ersten bzw. zweiten Hubzylinders 190, 192, wird der Scharsensor 210 in Bezug auf die Querachse 114 schräg gestellt. Der Grad oder Messwert der Schräglage des Scharsensors 210 kann berechnet werden, um die Querneigung der Schar-Baugruppe 102 in Bezug auf den Boden 104 zu bestimmen. Da der Scharsensor 210 direkt an der Schar-Baugruppe 102 anmontiert ist, misst er direkt die vertikale Kippbewegung der Schar-Baugruppe 102 in Bezug auf den Rest der DCM-Baugruppe 140 und bestimmt somit direkt die Querneigung der Schar 162.
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Bei dem Scharsensor 210 kann es sich um jeden geeigneten Typ von dynamischem Sensor zur Messung von Drehung und räumlicher Orientierung in Bezug auf eine oder mehrere Koordinaten handeln. Bei dem Scharsensor 210 handelt es sich um einen dynamischen Sensor. Dynamische Sensoren können die Bewegung des Objekts messen, und die Messungen können unter Verwendung von kinematischen Gleichungen und Algorithmen verarbeitet werden, die messbare Bewegungen in Größen wie Geschwindigkeit, Beschleunigung und Drehung überführen, um die Position und/oder Orientierung zu bestimmen und einzustellen. Die kinematischen Gleichungen können von dem dynamischen Sensor, von einer Steuerung 139 in Kommunikationsverbindung mit dem dynamischen Sensor verarbeitet werden, oder der Rechenprozess kann zwischen den beiden aufgeteilt werden. Beispielsweise kann der Scharsensor 210 eine Trägheitsmesseinheit (IMU: Inertial Measurement Unit (engl.)) sein, die lineare Verschiebungen und/oder Winkelverschiebungen in Bezug auf eine oder mehrere Achsen messen kann. Eine IMU kann Beschleunigungsmesser zur Erfassung der Linearbeschleunigung und Gyroskope zur Erfassung der Drehbewegung oder -geschwindigkeit aufweisen. Eine IMU kann in der Lage sein, Bewegungen in Bezug auf die Achsen x, y, z eines Koordinatensystems zu erfassen, und kann die Drehung um eine bestimmte Achse messen, um Neigung/Gierung/Rollen zu liefern. Die von einer IMU gemessenen Koordinaten x, y, z können der Längsachse 112, der Querachse 114 und der Vertikalachse 116 entsprechen. Beispiele für andere Sensoren, die als Scharsensor 210 benutzt werden können, sind u. a. elektromagnetische Aktoren, Ultraschallsensoren, Laser-Sichtweitensensoren, Potentiometer, Endlagenschalter und dergleichen.
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Zusätzlich zu dem Scharsensor 210 kann der Motorgrader 100 weitere Sensoren aufweisen, die das Bestimmen und Einstellen der Position der Schar-Baugruppe 102 unterstützen. Beispielsweise, mit Bezug auf 1, kann zum Bestimmen der Winkelbewegung des Drehkranzes 154 in Bezug auf die Zapfenscheibe 156, wenn die Schar-Baugruppe 102 in Bezug auf die Drehachsenlinie 152 schwenkt, ein Drehgeber 230 an einem geeigneten Ort an der Drehkranz-Baugruppe 150 angeordnet sein. Zum Bestimmen des Ausfahrens oder Einfahrens des ersten und des zweiten Hubzylinders 190, 192, das der Höhe der Schar-Baugruppe 102 bezüglich der Vertikalachse 116 entsprechen kann, kann mit dem ersten und dem zweiten Hubzylinder 190, 192 ein Hubsensor 232 wirkverbunden sein. Zum Bestimmen der Orientierung des Motorgraders 100 in Bezug auf den Boden 104, beispielsweise, wenn der Motorgrader 100 schräg steht oder auf einer Steigungsstrecke arbeitet, kann ein Fahrgestellrahmensensor 234 an einer geeigneten Stelle des Hauptrahmens 110 angeordnet sein.
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Zum Bestimmen, im weiteren Sinne, des Orts des Motorgraders 100 in Bezug auf eine Baustelle kann der Motorgrader 100 betriebsfähig mit einem Global-Positioning-System- (GPS-) Empfänger 240 ausgestattet sein. In einem GPS-System empfängt der GPS-Empfänger 240 Koordinatensignale von einer Vielzahl von Satelliten auf Erdumlaufbahnen. Der GPS-Empfänger 240 kann die in den Koordinatensignalen codierten Koordinaten- und Zeitinformationen verarbeiten und durch Triangulation der Signale von verschiedenen Satelliten die geographische Position des GPS-Empfängers 240 in Bezug auf verschiedene Orte am Boden, wie etwa eine Baustelle, genau bestimmen. Bei der in 1 veranschaulichten Ausführungsform des Motorgraders 100 kann der GPS-Empfänger 240 mit einem Mast 242 an der Schar-Baugruppe 102 anmontiert sein. Die mittels des GPS-Empfängers 240 empfangenen Koordinateninformationen stehen daher insbesondere mit der Position und der räumlichen Orientierung der Schar-Baugruppe 102 in Zusammenhang, und diese Informationen können zusammen mit Abmessungsdaten der Maschine verarbeitet werden, um die Position und Orientierung der Schar 162 in Bezug auf den Boden 104 genau zu bestimmen.
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Gewerbliche Anwendbarkeit
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Um den Betrieb des Motorgraders 100 zu erleichtern, können der Scharsensor 210 und weitere Sensoren in elektronischer Kommunikation mit der Steuerung 139 stehen, um ihre Messungen betreffende digitale oder analoge Signale zu senden und zu empfangen. Mit Bezug auf 5 in Verbindung mit 1 bis 4: Aufgrund seiner Anordnung an der Schar-Baugruppe 102 in der Nähe der Mittelpunktposition 178 der Schar 162 kann der Scharsensor 210 den Anstellwinkel der Schar 162 registrieren, der die Position der oberen, freien Kante 168 vor oder hinter der unteren Schneidkante 166 angibt. Der Scharsensor 210 kann ein erstes Signal 250 erzeugen, das den Anstellwinkel angibt, und das erste Signal 250 an die Steuerung 139 übermitteln. Außerdem kann der Scharsensor 210 die Querneigung der Schar 162 in Bezug auf den Boden 104 als relative Höhen der ersten Scharseite 170 und der zweiten Scharseite 172 registrieren. Der Scharsensor 210 kann ein zweites Signal 252 erzeugen, das die Querneigung angibt, und an die Steuerung 139 übermitteln.
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Wie bereits erwähnt, kann die Steuerung 139 dafür geeignet sein, verschiedene kinematische Algorithmen und Routinen unter Verwendung der von den Sensoren empfangenen Informationssignale zu verarbeiten, um die Steuerung des Motorgraders 100 zu unterstützen. Ein Beispiel für einen solchen Prozess zum Steuern der Position der Schar-Baugruppe 102 ist in 5 veranschaulicht. Nach dem Empfangen des ersten Signals 250, das den Anstellwinkel der Schar angibt, und des zweiten Signals 252, das die Querneigung angibt, kann die Steuerung 139 in einem Vergleichsschritt 256 diese Informationen mit einer Karte 254 der Baustellen-Solloberfläche, wobei es sich um eine digitale Karte der gewünschten Baustelle nach Abschluss der Planierarbeiten handeln kann, vergleichen. Wenn die Steuerung 139 bestimmt, dass zwischen den Informationen, die durch das erste und das zweite Signal 250, 252 repräsentiert werden, und der Karte 254 der Baustellen-Solloberfläche eine Soll-Ist-Differenz vorliegt, die durch falsche Anstellwinkel oder eine falsche Querneigung der Schar 162 verursacht sein kann, kann die Steuerung 139 ein Korrektursignal 258 erzeugen, das zu ergreifende Korrekturmaßnahmen angibt. Die Steuerung 139 kann das Korrektursignal 258 an den Verstellzylinder 204 und/oder den ersten und den zweiten Hubzylinder 190, 192 senden, um sie entsprechend der bestimmten Korrekturmaßnahme wahlweise zu betätigen.
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Bei einer weiteren Ausführungsform kann die Steuerung 139 die vom Scharsensor 210 bereitgestellten Informationen hinsichtlich Anstellwinkel und Querneigung der Schar 162 verwenden, um die vom GPS-Empfänger 240 bereitgestellten Positionsdaten einzustellen. Da der GPS-Empfänger 240 beispielsweise direkt an der Schar-Baugruppe 102 angeordnet oder mit dieser verbunden ist, laufen Bewegungen der Schar-Baugruppe 102 auf Bewegungen des GPS-Empfängers 240 hinaus. Wenn beispielsweise die Schar 162 nach vorne geneigt wird, ändert sich die Höhe des GPS-Empfängers 240 oben am Mast 242 im Verhältnis zum Hauptrahmen 110 des Motorgraders 100. Unter Verwendung des ersten Signals 250 und des zweiten Signals 252, die vom Scharsensor 210 bereitgestellt werden, und von Abmessungsdaten des Motorgraders 100 kann die Steuerung 139 jedoch die durch die Neupositionierung der Schar-Baugruppe 102 verursachte Bewegung des GPS-Empfängers 240 kompensieren. Somit liefert die Steuerung 139 konsistente Positionsinformationen über den Motorgrader 100 und kann die genaue Orientierung der Schar 162 in Bezug auf den Boden 104 berechnen.
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Es versteht sich, dass die vorangehende Beschreibung Beispiele für das offenbarte System und die offenbarte Technik angibt. Es wird jedoch in Erwägung gezogen, dass andere Implementierungen der Offenbarung im Detail von den vorangehenden Beispielen abweichen können. Sämtliche Bezugnahmen auf die Offenbarung oder Beispiele daraus sollen nur als Verweis auf das spezielle Beispiel, das gerade an dieser Stelle erörtert wird, dienen, wobei nicht beabsichtigt ist, dem Schutzbereich der Offenbarung im Allgemeinen Beschränkungen aufzuerlegen. Alle Sprachverwendungen zur Unterscheidung und Abgrenzung mit Bezug auf bestimmte Merkmale sind vorgesehen, um eine fehlende Präferenz für diese Merkmale anzugeben, jedoch nicht, um solche vollständig aus dem Schutzbereich der Offenbarung auszuschließen, sofern nichts anderes angegeben ist.
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Angaben von Bereichen von Werten sollen hier lediglich als kurzschriftliches Verfahren dienen, um sich jeweils auf jeden einzelnen Wert zu beziehen, der in den Bereich fällt, sofern hier nichts anderes angegeben ist, und jeder einzelne Wert ist Bestandteil der Beschreibung, als wenn er hier einzeln aufgeführt worden wäre. Sämtliche hier beschriebenen Verfahren können in einer beliebigen geeigneten Reihenfolge durchgeführt werden, sofern hier nichts anderes angegeben ist oder klar im Widerspruch zum Kontext steht.
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Dementsprechend umfasst diese Offenbarung sämtliche Modifikationen und Entsprechungen des in den beigefügten Ansprüchen genannten Sachgegenstandes, wie nach geltendem Recht möglich. Außerdem umfasst die Offenbarung jede Kombination der oben beschriebenen Elemente in all ihren möglichen Varianten, sofern hier nichts anderes angegeben ist oder klar im Widerspruch zum Kontext steht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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