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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Luftfeder gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Zur Dämpfung von Schwingungen können je nach Anwendung verschiedene Arten von Federungssystemen eingesetzt werden. Hierzu gehören auch die Luftfederungen, welche die Kompressibilität von Gasen und insbesondere von Luft ausnutzen.
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Eine weit verbreitete Bauart einer Luftfederung sind Luftfedern mit konstantem Volumen in Regellage. In diesem Fall wird die Luft üblicherweise in einem Rollbalg, kurz Balg, eingeschlossen, welcher mit weiteren Beschlagteilen wie bei Straßenfahrzeugen mit einem Deckel oder einer Bördelplatte und einem Abrollkolben luftdicht verbunden ist. Dabei ist der Kolben sowohl mit dem unteren Ende des Rollbalgs als auch üblicherweise mit einer Achse bei Straßenfahrzeugen bzw. mit einem Fahrgestell bei Schienenfahrzeugen verbunden. Das obere Ende des Rollbalgs ist mit einem Deckel oder einer Bördelplatte verbunden, welche mit der Karosserie bzw. mit dem Chassis des Fahrzeugs verbunden ist. Bei Schienenfahrzeugen wird der Balg zwischen einer Gleitplatte oben und dem Kolben unten angeordnet.
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Der Rollbalg ist über den Kolben gestülpt und rollt unter Druck auf diesem ab. Alternativ kann auch ein Faltenbalg verwendet werden, dessen Bewegung aus der Stauchung der Falten resultiert. Die Luftfeder kann durch einen Kompressor mit Druckluft versorgt werden, so dass in Abhängigkeit von der Beladung Luft zu- oder abgepumpt werden kann, um das Füllvolumen und somit die Niveaulage des Fahrzeugs konstant zu halten. Derartige Luftfedern werden bei verschiedenen Arten von Fahrzeugen wie insbesondere bei Straßenfahrzeugen wie insbesondere Personenkraftwagen (Pkw), Lastkraftwagen (Lkw), Anhänger und Omnibussen sowie insbesondere bei Schienenfahrzeugen eingesetzt.
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Mit anderen Worten erzeugen die an Nutzfahrzeugachsen verwendeten Luftfedern durch Beaufschlagung mit Druckluft eine Tragkraft und ermöglichen hierdurch eine gefederte Relativbewegung zwischen den Achsen bzw. dem Fahrgestell und dem Aufbau. Dies gilt sowohl für Straßen- als auch für Schienenfahrzeuge. Derartige Luftfedern können aber auch in der Schwingungsisolation von Industrieanlagen oder Gebäuden sowie als pneumatisch aktives Element in Industrieanlagen eingesetzt werden.
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Zum Betrieb einer Luftfeder kann es vorteilhaft oder sogar erforderlich sein, eine Positionsbestimmung vorzunehmen, d.h. einen Abstand z.B. zwischen dem Kolben und dem Deckel bzw. der Bördelplatte messtechnisch zu bestimmen. Hieraus kann das Maß der Einfederung der Luftfeder bestimmt und hierauf basierend der Luftdruck im Innenvolumen der Luftfeder eingestellt bzw. geregelt werden.
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Zur Bestimmung des Abstands zwischen dem Kolben und dem Deckel bzw. der Bördelplatte ist es bisher bekannt, zusätzliche externe Sensoren zu verwenden, welche außen an der Luftfeder und am Rollbalg vorbei mittels akustischer oder optischen Sensoren die Abstandserfassung durchführen. Auch sind mechanische Systeme bekannt, welche über ein Gestänge die Höhe messen und damit teilweise direkt ein Ventil betätigen.
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Nachteilig ist hierbei, dass bei akustisch messenden Sensoren der hohe Einfluss der Temperatur kompensiert werden muss. Auch ist der Sensor den Störgeräuschen der Luftströmung durch die Luftzu- und -ableitung ausgesetzt. Optisch messenden Sensoren sind auf sehr saubere und trockene Luft angewiesen, da Kondensat und Schmutz zu Problemen in der Messstrecke führen können. Sind diese Voraussetzungen nicht erfüllt bzw. liegen diese Störeinflüsse in einem gewissen Maße vor, so kann das Messergebnis zu ungenau werden, um es sinnvoll verwenden zu können.
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Aus der
DE 10 2013 108 593 A1 ist eine Luftfeder bekannt, insbesondere für eine Luftfederanlage eines Fahrzeugs, mit einem Luftfederbalg, mit einem relativ zu wenigstens einem Teilbereich des Luftfederbalgs bewegbaren Kolben, und mit wenigstens einer optischen Erfassungseinrichtung zum Erfassen einer Position des Kolbens relativ zum Luftfederbalg, wobei die optische Erfassungseinrichtung als 3D-Kamera ausgebildet ist. Eine 3D-Kamera kann eine besonders präzise Erfassung des Abstands bzw. der Position ermöglichen, sodass die Gefahr von Fehlaussagen über die Position des Kolbens geringgehalten werden kann. Ferner kann die Erfassung mittels der 3D-Kamera besonders robust gegenüber etwaiger Verschmutzung innerhalb des Luftfederbalgs sein. Darüber hinaus kann der Abstand bzw. die Position des Kolbens mittels der 3D-Kamera ohne ein am Kolben vorgesehenes Reflektorelement präzise erfasst werden. Die 3D-Kamera ist beispielsweise als Stereo-Kamera oder aber als PMD-Kamera ausgebildet (PMD - photonic mixing device). Eine solche PMD-Kamera umfasst wenigstens einen PMD-Sensor.
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Nachteilig ist hierbei jedoch, dass die Verwendung einer 3D-Kamera selbst sowie die entsprechende Auswertung der 3D-Bilddaten einen vergleichsweise hohen Aufwand verursachen kann. Dies kann die Umsetzung dieser Art der Positionserfassung aufgrund der Kosten in der Praxis unattraktiv machen. Auch können die optisch erfassten Bilder durch Verschmutzungen und dergleichen in der Qualität derart beeinträchtigt werden, dass das Messergebnis verfälscht werden kann.
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Die
DE 10 2016 118 576 A1 beschreibt eine Schaltventileinheit für eine Luftfedereinheit einer Luftfederanlage, mit einem Gehäuse, in welchem ein Anschlusskanal mit einem Ventilanschluss vorgesehenen ist, welcher mit einem Luftfederanschluss in einer Abdeckung einer Luftfeder der Luftfedereinheit fluidisch verbindbar ist, wobei im Bereich des Anschlusskanals eine Aufnahme für eine Sensoreinheit vorgesehen ist, mittels welcher wenigstens ein Parameterwert über den Ventilanschluss ermittelbar ist. Die Sensoreinheit ist ein Höhensensor, welcher auf einer Abstandserfassung mittels Laser gegenüber einem Reflektorelement basiert.
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Nachteilig ist hierbei, dass die Höhenmessung mittels Laserstrahls ein entsprechendes Reflektorelement erfordert, was einen zusätzlichen Aufwand darstellt. Auch kann eine ungenaue Positionierung und bzw. oder Ausrichtung des Reflektorelements, insbesondere im Laufe des Betriebs z.B. aufgrund von Schwingungen, zu einer Verschlechterung des Messergebnisses führen.
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Dies gilt vergleichbar für die Luftfeder der
EP 1 624 278 A1 , welche ebenfalls mit einem Sender als Laserstrahlquelle arbeitet, dessen kontinuierliches moduliertes Lichtsignal von einem Reflektor reflektiert und von einem Empfänger erfasst wird.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Luftfeder der eingangs beschriebenen Art bereit zu stellen, so dass eine Positionsbestimmung einfacher, kostengünstiger, robuster und bzw. oder genauer als bisher bekannt durchgeführt werden kann. Im Rahmen der Positionsbestimmung soll vorzugsweise eine Bestimmung eines Abstands und bzw. oder eines Winkels erfolgen können. Zumindest soll eine Alternative zu bekannten Luftfedern geschaffen werden.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Luftfeder mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Somit betrifft die vorliegende Erfindung eine Luftfeder mit einem Balg, welcher ausgebildet ist, ein Innenvolumen der Luftfeder zumindest abschnittsweise einzuschließen. Die Luftfeder ist gekennzeichnet durch wenigstens einen Radarsensor, welcher angeordnet und ausgebildet ist, einen Abstand und bzw. oder eine Neigung gegenüber einem Kolben oder gegenüber einer Gleitplatte oder Bördelplatte im Innenvolumen der Luftfeder mittels wenigstens eines Strahls sowie dessen Reflektion zu erfassen und ein Signal auszugeben, welches den erfassten Abstand und bzw. oder die erfasste Neigung repräsentiert. Unter einem Radarsensor wird ein Sensor verstanden, welcher ausgebildet ist, wenigstens einen Radarstrahl gerichtet auszusenden und dessen Reflektion zu erfassen. Ein derartiger Radarsensor kann vorzugsweise als Chip ausgebildet sein. Eine gerichtetes Aussenden eines Radarstrahls kann mittels eines sog. Beamformings erreicht werden.
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Mit anderen Worten ist ein Radarsensor innerhalb des Innenvolumens der Luftfeder z.B. auf einer der beiden Endplatten angeordnet, welche in der Höhe auf der einen Seite durch den Kolben und auf der gegenüberliegenden Seite durch die Gleitplatte bzw. durch die Bördelplatte gebildet werden. Der Radarsensor ist dabei auf die Gegenplatte, d.h. auf die gegenüberliegende Endplatte, ausgerichtet. Alternativ kann der Radarsensor auch an einer anderen Stelle innerhalb des Innenvolumens der Luftfeder angeordnet sein. In jedem Fall kann der Radarsensor vollständig in die Luftfeder integriert werden. Die Bestimmung des Abstands zwischen dem Radarsensor und einer reflektierenden Fläche wie z.B. einer reflektierenden Endplatte kann mittels der Berechnung der Laufzeit des ausgesendeten sowie des erfassten reflektierten Signals erfolgen. Hierdurch kann wenigstens der Abstand bestimmt werden.
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Die Verwendung eines Radarsensors zu diesem Zweck kann die eingangs beschriebenen Nachteile überwinden oder zumindest reduzieren, da auf akustische und optische Messprinzipien verzichtet werden kann. Gleichzeitig kann die Umsetzung der Messung sowie deren Auswertung vergleichsweise kostengünstig, energiesparend, platzsparend und bzw. oder gewichtsreduziert erfolgen.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist der Radarsensor an dem Kolben derart angeordnet ist, dass der ausgesendete Strahl von der Gleitplatte oder Bördelplatte reflektiert und von dem Radarsensor erfasst werden kann, oder umgekehrt. Hierdurch kann eine Bestimmung des Abstands und bzw. oder der Neigung zwischen den beiden Endplatten erfolgen. Dabei kann der Radarsensor an jeder der beiden Endplatten angeordnet werden und den Abstand und bzw. oder die Neigung gegenüber der anderen Endplatte erfassen, wie zuvor beschrieben.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der Radarsensor ausgebildet, eine Mehrzahl von Strahlen auszusenden sowie deren Reflektionen von dem Kolben oder von der Gleitplatte oder Bördelplatte zu erfassen. Hierdurch können mehrere Abstände zwischen dem Radarsensor und der reflektierenden Endplatte erfasst und durch deren Vergleich miteinander auch rechnerisch die Neigung bzw. die Verwinkelung der reflektierenden Endplatte gegenüber dem Radarsensor bestimmt werden. Hierdurch kann eine Bestimmung der Neigung zusätzlich oder alternativ zur Bestimmung des Abstands ermöglicht werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der Radarsensor ausgebildet, wenigstens zwei Strahlen in unterschiedlichen Ausrichtungen gegenüber dem Kolben oder gegenüber der Gleitplatte oder Bördelplatte auszusenden. Dies kann die zuvor beschriebene Bestimmung der Neigung begünstigen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der Radarsensor ausgebildet, wenigstens vier Strahlen in unterschiedlichen Ausrichtungen in der Längsrichtung und in der Querrichtung gegenüber dem Kolben oder gegenüber der Gleitplatte oder Bördelplatte auszusenden. Mit anderen Worten kann wenigstens eine 2x2-Matrix von Strahlen ausgesendet sowie deren Reflektionen jeweils erfasst werden, so dass die Neigung zweidimensional erfasst werden kann. Somit erfolgen vier Distanzmessungen in der Längsrichtung und in der Querrichtung in unterschiedliche Richtungen. Aus der Kombination der vier bestimmten Abstände zum Kolben bzw. zur Gleitplatte oder Bördelplatte kann dann unter Berücksichtigung der bekannten Geometrie das Maß der Neigung bestimmt werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die Luftfeder eine Auswerteeinheit auf, welche ausgebildet ist, das Signal des Radarsensors zu erhalten und hinsichtlich des Abstands und bzw. oder der Neigung auszuwerten. Die Auswerteeinheit kann auch als Rechnereinheit, als Recheneinheit, als Rechner, als Steuerungseinheit und dergleichen bezeichnet werden. Hierdurch kann das von Radarsensor erfasste reflektierte Signal derart ausgewertet werden, dass das erfasste reflektierte Signal in eine physikalische Größe wie z.B. einen Abstand in Millimetern, in Centimetern und dergleichen umgewandelt werden kann, welche für einen Benutzer verständlich und eindeutig sein kann. Auch kann die Auswertung in eine prozentuale Angabe erfolgen, um z.B. Abweichungen gegenüber einem Soll-Abstand einfach verständlich darzustellen. Dies gilt entsprechend für die Neigung.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung sind der Radarsensor und die Auswerteeinheit ausgebildet, das Signal des Radarsensors drahtgebunden zur Auswerteeinheit zu übertragen. Unter einer drahtgebundenen Signalübertragung ist eine Signalübertragung über eine Leitung, über einen Draht, über ein Kabel und dergleichen zu verstehen. Dies kann eine einfache, direkte und vergleichsweise störungsunanfällige Signalübertragung ermöglichen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung sind der Radarsensor und die Auswerteeinheit ausgebildet, das Signal des Radarsensors drahtlos zur Auswerteeinheit zu übertragen. Unter einer drahtlosen Signalübertragung ist eine Signalübertragung über elektromagnetischen Wellen und dergleichen zu verstehen. Dies kann beispielsweise über WLAN, über Bluetooth und dergleichen erfolgen. Dies kann vorteilhaft sein, um den Radarsensor innerhalb der Luftfeder anzuordnen und durch den Balg der Luftfeder hindurch nach außen übertragen zu können, ohne dass eine Leitung und dergleichen durch den Balg oder anderen Komponenten der Luftfeder hindurch geführt werden muss, was zu konstruktiven Einschränkungen sowie zu Dichtigkeitsproblemen führen könnte.
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Ein Ausführungsbeispiel und weitere Vorteile der Erfindung werden nachstehend im Zusammenhang mit den folgenden Figuren erläutert. Darin zeigt:
- 1 eine schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Luftfeder;
- 2 eine schematische perspektivische Darstellung mehrerer Strahlen des Radarsensors; und
- 3 eine schematische seitliche Darstellung eines geneigten Radarsensors.
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Die Beschreibung der o.g. Figur erfolgt in kartesischen Koordinaten mit einer Längsrichtung X, einer zur Längsrichtung X senkrecht ausgerichteten Querrichtung Y sowie einer sowohl zur Längsrichtung X als auch zur Querrichtung Y senkrecht ausgerichteten vertikalen Richtung Z. Die Längsrichtung X kann auch als Länge X oder Tiefe X, die Querrichtung Y auch als Breite Y und die vertikale Richtung Z auch als Höhe Z bezeichnet werden.
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1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Luftfeder 1. Die Luftfeder 1 weist einen Kolben 10 auf, welcher bei der Nutzung der Luftfeder 1 feststehend auf einem ersten Bauteil (nicht dargestellt) wie z.B. auf einem Fahrgestell eines Straßenfahrzeugs oder eines Schienenfahrzeuges (nicht dargestellt) angeordnet ist. In der vertikalen Richtung Z gegenüberliegend oberhalb des Kolbens 10 weist die Luftfeder 1 eine Gleitplatte 14 bzw. eine Bördelplatte 14 auf, welche an einem zweiten Bauteil (nicht dargestellt) in Form einer Karosserie des Fahrzeugs (nicht dargestellt) feststehend angeordnet ist. Handelt es sich bei dem Fahrzeug um ein Schienenfahrzeug, so ist eine Gleitplatte 14 vorhanden. Wird ein Straßenfahrzeug betrachtet, so ist eine Bördelplatte 14 vorhanden.
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Zwischen dem Kolben 10 und der Gleitplatte 14 bzw. der Bördelplatte 14 ist ein Balg 11 angeordnet, welcher mit seinem unteren Balgende 12 mittels einer Befestigung 12a radial außen anliegend am Kolben 10 befestigt ist. Der Balg 11 ist ferner mit seinem oberen Balgende 13 mittels einer Befestigung 13a radial außen anliegend an der Gleitplatte 14 bzw. an der Bördelplatte 14 befestigt. Der Balg 11 wird dabei von zwei ringförmig geschlossenen Einschnürungselementen 15, welche durch Metallringe 15 und die Befestigungen 12a, 13a gebildet werden und in der vertikalen Richtung Z versetzt zueinander angeordnet sind, in der Form gehalten. Die Luftfeder 1 weist somit einen Faltenbalg 11 auf, dessen Bewegung aus der Stauchung der Falten resultiert, welche durch die Metallringe 15 gebildet werden. Das innerhalb des Balgs 11 eingeschlossene Luftvolumen A, welches konstant oder veränderlich sein kann, bewirkt die federnde Wirkung des Luftfeder 1 zwischen dem Fahrgestell und der Karosserie.
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Erfindungsgemäß ist ferner ein Sensorsystem 2 vorhanden, welches einen Radarsensor 20 aufweist, welcher innerhalb des Innenvolumens A in der vertikalen Richtung Z von unten an der Gleitplatte 14 bzw. an der Bördelplatte 14 angeordnet ist. Der Radarsensor 20 ist über ein Kabel 21 durch die Gleitplatte 14 bzw. durch die Bördelplatte 14 hindurch mit einer Auswerteeinheit 22 verbunden.
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Von dem Radarsensor 20 können nun im Betrieb der Luftfeder 1 mehrere Strahlen B zur oberen Oberseite des Kolbens 10 ausgesendet und deren Reflektionen von dem Radarsensor 20 erfasst werden. Über die Ermittlung der Laufzeitunterschiede jedes Strahls B kann der jeweilige Abstand zwischen dem Radarsensor 20 und der reflektierenden Oberseite des Kolbens 10 ermittelt werden.
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Die Strahlen B werden dabei als 4x4-Matrix in der Längsrichtung X und in der Querrichtung Y ausgesendet, siehe 2. Ist die Oberseite des Kolbens 10 dabei gegenüber der Unterseite der Gleitplatte 14 bzw. der Bördelplatte 14 geneigt, siehe 3, so ergeben sich für die unterschiedlichen Strahlen B, in der Querrichtung Y betrachtet, unterschiedliche Abstände d1-d4, aus denen der Neigungswinkel α zwischen der Oberseite des Kolbens 10 und der Unterseite der Gleitplatte 14 bzw. der Bördelplatte 14 ermittelt werden kann.
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Besonders vorteilhaft ist bei der erfindungsgemäßen Luftfeder 1, dass die messenden Elemente in Form des Radarsensors 20 komplett in das Innenvolumen A der Luftfeder 1 integriert werden können. Auch kann auf eine besondere reflektierende Fläche, wie sie für Laserstrahlen und dergleichen erforderlich ist, verzichtet werden, da die Strahlen B des Radarsensors 20 von der Oberseite des Kolbens 10 selbst reflektiert werden können. Ferner können eine Abstandsmessung und eine Winkelmessung in einem Sensorbauteil in Form des Radarsensors 20 kombiniert werden. Des Weiteren können die bekannten Probleme der Abstandsmessung durch akustische oder optische Sensoren vermieden werden.
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Bezugszeichenliste
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- α
- Neigungswinkel zwischen Kolben 10 und Gleitplatte 14 oder Bördelplatte 14
- A
- Innenvolumen der Luftfeder 1
- B
- Strahlen; Radarstrahlen
- d1
- erster Abstand zwischen Positionssensor 20 und Kolben 10
- d2
- zweiter Abstand zwischen Positionssensor 20 und Kolben 10
- d3
- dritter Abstand zwischen Positionssensor 20 und Kolben 10
- d4
- vierter Abstand zwischen Positionssensor 20 und Kolben 10
- X
- Längsrichtung; Länge; Tiefe
- Y
- Querrichtung; Breite
- Z
- vertikale Richtung; Höhe
- 1
- Luftfeder
- 10
- Kolben
- 11
- Balg; Faltenbalg
- 12
- unteres Balgende
- 12a
- Befestigung des unteren Balgendes 12
- 13
- oberes Balgende
- 13a
- Befestigung des oberen Balgendes 13
- 14
- Gleitplatte; Bördelplatte
- 15
- Einschnürungselemente; Metallringe
- 2
- Sensorsystem
- 20
- Radarsensor
- 21
- Kabel
- 22
- Auswerteeinheit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013108593 A1 [0009]
- DE 102016118576 A1 [0011]
- EP 1624278 A1 [0013]
