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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Drehgelenk für Gelenkfahrzeuge, bestehend
aus zwei um eine Drehachse relativ zueinander drehbeweglich verbundenen
Gelenkteilen und einer Sensoreinrichtung zum Erfassen einer relativen
Winkelauslenkung gegenüber
einer Mittelstellung der Gelenkteile.
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Derartige
Drehgelenke dienen zum drehgelenkigen Verbinden von Fahrzeugteilen,
beispielsweise zum Verbinden eines vorderen Gelenkbusteils (Vorderwagen)
mit einem hinteren Busteil (Nachläufer), indem jedes Fahrzeugteil
mit einem der Gelenkteile verbunden wird. Dadurch sind die Fahrzeugteile ausschließlich über das
Drehgelenk miteinander verbunden, wozu das Drehgelenk alle auftretenden Kräfte axial
und radial zur Drehachse aufnimmt. Zur Vermeidung von Schlingerbewegungen
sind solche Drehgelenke üblicherweise
mit einer Dämpfungseinrichtung
ausgestattet, die aus Teilen des Drehgelenkes selbst bestehen oder
als separate Einheit ausgebildet sein kann. Vor allem bei Gelenkbussen
ist es erforderlich, die Winkelauslenkung des Drehgelenkes zu erfassen.
In Abhängigkeit
von der jeweiligen Winkelauslenkung (sogenannter Knickwinkel) sind bestimmte
Funktionen oder Maßnahmen
auszulösen.
Eine solche Funktion ist beispielsweise das Schalten eines optischen
und/oder akustischen Signalelementes (z. B. Warnleuchte), wenn die
Winkelauslenkung des Drehgelenkes und damit auch des Gelenkbusses
zu groß wird.
Eine andere Funktion ist die Beeinflussung der Motorleistung in
Abhängigkeit von
der Winkelauslenkung des Drehgelenkes. Da die Winkelauslenkung (der
Knickwinkel) des Gelenkfahrzeuges der gleiche ist wie diejenige
des Drehgelenkes, ist es ausreichend, den Winkel am Drehgelenk zu
messen. Üblicherweise
wird die Winkelauslenkung bei bekannten Drehgelenken direkt im Drehpunkt
bzw. im zentrischen Bereich der Drehachse mit einem Drehpotentiometer
festgestellt. Der Nachteil dieser bekannten Lösung ist, dass im Zentrum des Drehgelenkes
ein entsprechender Bauraum zur Verfügung stehen muß. Da sich
aber ein Drehgelenk aus Drehlager und zugehörigen Lagergehäusen zusammensetzt,
ist es oftmals schwierig und aufwändig, eine Meßeinrichtung
zur Feststellung der Drehung im Drehmittelpunkt anzuordnen. Dabei
kommt erschwerend hinzu, dass Drehgelenke eine möglichst flache Bauform, d.
h. eine geringe Bauhöhe
aufweisen sollen. Der Grund hierfür ist, dass oberhalb des Drehgelenkes
ein Boden im Fahrgastraum angeordnet ist. Der Boden sollte nicht
höher sein
als der Boden im restlichen Teil des Gelenkbusses. Unterhalb des Drehgelenkes
ist die jeweilige Fahrbahn, wobei zur Fahrbahn jedenfalls ein Mindestabstand
einzuhalten ist. Alles dieses sind Kriterien für eine Beschränkung der
Bauhöhe
des Drehgelenkes.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Drehgelenk
der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, bei dem eine Erfassung
der Winkelauslenkung bei kompakter und insbesondere flacher Bauform
und einfacher Montage- und Demontagemöglichkeit sowie auch unabhängig von
seiner speziellen Ausführungsform
(Konstruktion im zentrischen Bereich der Drehachse) möglich ist.
Dabei soll das Gelenk auch robust, störungsunanfällig und wartungsfreundlich
sein.
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Erfindungsgemäß wird dies
dadurch erreicht, dass die Sensoreinrichtung lösbar – und dadurch auswechselbar – an einem äußeren, von
der Drehachse beabstandeten Peripheriebereich der Gelenkteile angeordnet
ist, wobei an dem einen Gelenkteil mindestens ein Sensor und an
dem anderen Gelenkteil mindestens ein mit dem Sensor zur Erfassung
der Winkelauslenkung zusammenwirkendes Funktionselement lösbar befestigt
sind.
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Die
erfindungsgemäße Anordnung
der Sensoreinrichtung außen
im seitlichen Peripheriebereich der Gelenkteile hat den wesentlichen
Vorteil einer guten Zugänglichkeit
zum Zwecke der Montage und Demontage. Zudem können auch eventuell notwendige Wartungsarbeiten
einfach durchgeführt
werden. Ferner können
auch bestehende Drehgelenke (vorhandene "Alt-Gelenke") noch nachträglich mit einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung
ausgestattet werden, ohne dass dazu das gesamte Gelenk demontiert werden
müßte.
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Es
sei bemerkt, dass die Erfindung nicht nur in einer bloßen Verlagerung
der Sensoreinrichtung vom zentrischen Bereich der Drehachse nach
außen an
die Gelenk-Peripherie
besteht, weil ein bisher als Sensor verwendetes Drehpotentiometer
an der Peripherie nicht ohne Weiteres einsetzbar wäre, da die relativen
Drehbewegungen der Gelenkteile an deren Peripherie zu großen Umfangsbewegungen
führen, die
mit einfachen Drehpotentiometern nicht eindeutig erfaßbar wären.
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Im
Gegensatz dazu ist die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung derart
ausgebildet, dass trotz der Anordnung an der Peripherie eine Winkelauslenkung
zumindest durch qualitative (digitale) Erfassung eines bestimmten
Auslenkbereiches oder aber durch quantitative und dazu vorzugsweise
analoge oder aber digitale Erfassung eines bestimmten Auslenkwinkels
festgestellt werden kann. Dazu werden bevorzugte Ausführungsbeispiele
in der folgenden Beschreibung noch genauer erläutert werden. Im Übrigen sind
vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale der Erfindung auch in den abhängigen Ansprüchen enthalten.
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Anhand
von mehreren in der Zeichnung veranschaulichten, bevorzugten Ausführungsbeispielen soll
die Erfindung genauer erläutert
werden. Dabei zeigen:
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1 eine Perspektivansicht
eines erfindungsgemäßen Drehgelenkes
mit einer Sensoreinrichtung in einer ersten Ausführungsform,
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2 eine Draufsicht eines
Funktionselementes der Sensoreinrichtung gemäß 1,
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3 eine Draufsicht des Drehgelenkes
in Richtung der Drehachse ohne Darstellung des Funktionselementes
der Sensoreinrichtung,
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4 eine Draufsicht des Funktionselementes
in einer gegenüber 2 alternativen Ausgestaltung,
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5 bis 7 das Drehgelenk gemäß 3 und 4 in
unterschiedlichen Drehstellungen zur Erläuterung der Funktion der Sensoreinrichtung,
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8 eine weitere Alternativausführung des Funktionselementes
der Sensoreinrichtung zur Erzeugung eines Bitmusters von Sensor-Ausgangssignalen,
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9 und 10 schematische Darstellungen zur Erläuterung
der Bitmuster,
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11 das Drehgelenk mit einer
weiteren Ausführungsvariante
der Sensoreinrichtung ohne Funktionselement,
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12 das Funktionselement
in einer für
die Sensoreinrichtung gemäß 11 vorgesehenen Ausführung,
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13 bis 15 das Drehgelenk gemäß 11 und 12 in
verschiedenen Drehstellungen,
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16 bis 18 stark schematische Ansichten der Sensoreinrichtung
in verschiedenen Drehstellungen des Gelenkes mit einer Ausführungsvariante
des Funktionselementes,
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19 ein Diagramm zur Veranschaulichung
eines Sensor-Ausgangssignals über den Drehwinkelbereich
des Drehgelenkes und
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20 das Drehgelenk mit einer
weiteren Ausführungsform
der Sensoreinrichtung.
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In
den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind gleiche Teile stets
mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher im Folgenden
auch in der Regel nur jeweils einmal beschrieben.
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Ein
erfindungsgemäßes Drehgelenk 1 besteht
aus zwei um eine Drehachse 2 relativ zueinander drehbeweglich
verbundenen Gelenkteilen 4 und 6. Das Drehgelenk 1 ist
dazu vorgesehen, zwei Fahrzeugteile eines Gelenkfahrzeuges, beispielsweise
eines Gelenkbusses, miteinander zu verbinden, wozu jedes Fahrzeugteil
mit einem der Gelenkteile 4, 6 verbunden wird.
Die Verbindung der Fahrzeugteile erfolgt somit ausschließlich über das
Drehgelenk 1. Dazu ist zwischen den Gelenkteilen 4, 6 eine
in der Zeichnung nicht dargestellte Drehlagerung derart vorgesehen,
dass alle zwischen den Fahrzeugteilen wirkenden Kräfte in zur
Drehachse radialer sowie auch axialer Richtung von dem Drehgelenk 1 aufgenommen
werden.
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In
den dargestellten Ausführungen
ist das Drehgelenk 1 zudem mit einer – hier nicht genauer zu beschreibenden – Dämpfungseinrichtung
ausgestattet, um Schlingerbewegungen der Fahrzeugteile zu vermeiden
bzw. diesen Bewegungen entgegenzuwirken.
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Das
Drehgelenk 1 weist weiterhin eine Sensoreinrichtung 8 auf,
um eine relative Winkelauslenkung β gegenüber einer Mittelstellung der
Gelenkteile 4, 6 zu erfassen. Anhand der erfaßten Winkelauslenkung β können dann über eine
insbesondere elektronische Auswerteinheit bestimmte Anzeige- und/oder
Folgefunktionen ausgelöst
werden, wie eine optische und/oder akustische Signalisierung bei Auftreten
einer nahezu unzulässig
großen
Auslenkung und/oder eine Reduzierung einer Fahrzeug-Antriebsleistung
ab einer bestimmten Winkelauslenkung, um weitergehendes Aufschaukeln
von Schlingerbewegungen zu vermeiden.
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Erfindungsgemäß ist die
Sensoreinrichtung 8 lösbar
und dadurch auswechselbar an einem äußeren, von der Drehachse 2 beabstandeten
seitlichen Peripheriebereich der Gelenkteile 4, 6 angeordnet. Dies
bedeutet, dass die Sensoreinrichtung 8 mit ihren Bestandteilen
im seitlichen Bereich innerhalb des Bereichs der maximalen Höhe des Gelenkes 1 angeordnet
ist, so dass kein Höhenüberstand
besteht. Die Sensoreinrichtung 8 führt daher nicht zu einer vergrößerten Bauhöhe des Drehgelenkes 1.
An dem einen Gelenkteil – in
den dargestellen Ausführungen
an dem Gelenkteil 6 – ist
mindestens ein Sensor 10 (bzw. 10a bzw. 10b)
lösbar
befestigt. An dem anderen Gelenkteil – wie dargestellt dem Gelenkteil 4 – ist mindestens
ein mit dem Sensor 10 (10a, 10b) zur
Erfassung der Winkelauslenkung β zusammenwirkendes
Funktionselement 12 lösbar
befestigt.
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Gemäß 1 bis 10 kann die Sensoreinrichtung 8 zur
digitalen, qualitativen Erfassung mindestens eines Bereiches der
Winkelauslenkung ausgelegt sein. Wie in 2 und 4 jeweils
veranschaulicht ist, kann mittels der Sensoreinrichtung 8 festgestellt werden,
ob die Gelenkteile 4, 6 sich noch innerhalb eines
bestimmten Bereiches β1 der Winkelauslenkung befinden. Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass zwei verschieden große Bereiche erfaßt werden
können.
Dies bedeutet, dass die Sensoreinrichtung 8 feststellt,
ob sich die Gelenkteile 4, 6 noch innerhalb eines
kleineren Bereichs der Winkelauslenkung β1 oder
noch innerhalb eines größeren Bereichs
der Winkelauslenkung β2 befinden. In 2 ist
durch Eintragungen ± x°, – y° und A° angedeutet,
dass die Winkelbereiche β1, β2 je nach Anforderung unterschiedlich groß ausgelegt
sein können.
Die Winkelangaben 15° bzw.
48° sind
lediglich als Beispiele zu verstehen.
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Bevorzugt
weist die Sensoreinrichtung 8 bevorzugt zwei Sensoren 10a und 10b auf,
die zweckmäßig als
Metallsensoren ausgebildet sind. Das Funktionselement 12 ist
hierbei von einem Metallteil 14, insbesondere Metallblechteil,
gebildet, welches sich über
einen bestimmten, zumindest einem maximalen Auslenkwinkelbereich
der Gelenkteile 4, 6 entsprechenden Umfangsbereich
erstreckt und dazu vorzugsweise eine entsprechende Bogenform, insbesondere
Kreisbogenforrn aufweist. Bei Relativdrehung der Gelenkteile 4, 6 ist
das Metallteil 14 relativ zu den Sensoren 10a, 10b in
deren Nähe
bewegbar. Indem die beiden Sensoren 10a, 10b bezogen
auf die Drehachse 2 in unterschiedlichen Radius-Abständen angeordnet
sind, ergeben sich durch die Kreisbogenbewegung des Metallteils 14 auf
diesem zwei Kreisbogenbahnen mit unterschiedlichen Radien R1 und
R2. Das Metallteil 14 besteht auf jeder Kreisbogenbahn
derart aus mindestens einem Materialbereich 16 und mindestens
einer Ausnehmung 18, dass jeder Sensor 10a, 10b bei
Erfassung eines Überganges 20 zwischen
einem Materialbereich 16 und einer Ausnehmung 18 einen
Signalwechsel seines Ausgangssignals erzeugt. Da in der bevorzugten
Ausführung
die Metallsensoren auf das Vorhandensein von Metall in ihrer Nähe ansprechen,
erzeugen sie ein digitales High-Signal (z. B. 24 Volt), wenn sich
in ihrer Nähe
ein Materialbereich 16 befindet, und ein digitales Low-Signal
(0 Volt), wenn sich eine Ausnehmung 18 in ihrer Nähe befindet.
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Bei
der Ausführung
gemäß 1 und 2 ist in einer Mittelstellung der Gelenkteile 4, 6 in
der Nähe jedes
Sensors 10a und 10b eine Ausnehmung 18 angeordnet,
so dass beide Sensoren ein Low-Signal abgeben. Überschreiten die Gelenkteile 4, 6 die
Winkelauslenkung β1, so ändert
sich das Ausgangssignal des Sensors 10a in High. In Abhängigkeit
davon können
dann bestimmte Folgefunktionen ausgelöst werden. Verlassen die Gelenkteile 4, 6 auch
den größeren Bereich
der Winkelauslenkung β2, so wird insbesondere durch ein digitales
High-Signal des zweiten Sensors 10b ein optisches und/oder
akustisches Warnsignal für
den Fahrer des Gelenkfahrzeugs erzeugt.
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Die
Ausführungsform
gemäß 3 bis 7 unterscheidet sich von der Ausführung gemäß 1 und 2 durch eine insofern umgekehrte Signalisierung,
als hierbei der erste Sensor 10a im Bereich der Gelenk-Mittelstellung
und innerhalb des kleineren Bereichs der Winkelauslenkung β1 ein
digitales High-Signal abgibt und in der größeren Winkelauslenkung β2 ein
digitales Low-Signal. Dadurch werden die sicherheitsrelevanten Folgefunktionen
vorteilhafterweise durch ein Low-Signal des Sensor 10a ausgelöst. Dadurch
wird erreicht, dass der sichere, beispielsweise antriebsleistungsreduzierte
Zustand stets auch dann eingestellt wird, wenn Störungen auftreten,
wie beispielsweise ein Kabelbruch im Bereich der Sensorik. Bei der
Ausführung
gemäß 3 bis 7 wird dies durch die besondere Ausgestaltung des
Funktionselementes 12 ohne zusätzliche Maßnahmen gewährleistet. Bei der Ausführung gemäß 1 und 2 könnte
dies durch eine Signal-Invertierung des Ausgangssignals des ersten
Sensors 10a erreicht werden.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann die Sensoreinrichtung 8 auch
zur quantitativen Erfassung der Winkelauslenkung β ausgelegt sein,
wobei dies digital, indirekt oder analog, direkt erfolgen kann.
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Eine
Möglichkeit
zur digitalen Winkelerfassung ist in den 8 bis 10 veranschaulicht.
Hierbei weist das Metallteil 14 eine bestimmte Kombination von Übergängen 20 zwischen
Materialbereichen 16 und Ausnehmungen 18 auf den
beiden Kreisbogenbahnen mit verschiedenen Radien R1 und R2 auf. Dadurch
erzeugen die entspechend zugehörigen Sensoren 10a, 10b mit
ihren Ausgangssignalen gemeinsam ein bestimmtes Bitmuster, welches
als Maß für die Größe der Winkelauslenkung
ausgewertet werden kann. Hierzu wird auf die Beispiele in 9 und 10 verwiesen. Vorzugsweise sind hierbei
zusätzliche
Mittel zum Erfassen der Mittelstellung der Gelenkteile 4, 6 und
zum Bestimmen der Größe der Winkelauslenkung
relativ zur Mittelstellung anhand des jeweils erfaßten Bitmusters
vorgesehen. Hintergrund dieser Maßnahmen ist, dass im Falle
einer Stillsetzung des jeweiligen Gelenkfahrzeugs durch Abschalten
einer Versorgungsspannung die Winkelstellungsinformationen verloren
gehen. Im Falle einer Inbetriebnahme des Fahrzeugs wird nach Fahrtbeginn
eine Kalibrierung durchgeführt,
sobald zum ersten Mal die Mittelstellung erfaßt wird. Danach ist der Auslenkwinkel
jeweils anhand des Bitmusters und/oder durch Zählen von Signalwechseln feststellbar.
Durch eine Erhöhung
der Anzahl von Sensoren kann die Feinheit (Auflösung) des Bitmusters und damit
auch die Genauigkeit der Winkelerfassung noch verbessert werden.
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Die
in den 11 bis 18 veranschaulichten, besonders
vorteilhaften Ausführungen
des Drehgelenkes 1 bzw. der. Sensoreinrichtung 8 zeichnen
sich durch eine direkte analoge Erfassung der Winkelauslenkung,
d. h. eines konkreten Auslenkwinkels aus. Dazu besteht der Sensor 10 gemäß 11 aus zwei Sensorteilen
(in der Zeichnung nicht erkennbar), und zwar aus einem eigentlichen
Sensorelement und einem zu diesem relativbeweglichen Bewegungselement.
Das Bewegungselement wird von dem Funktionselement 12 derart
angetrieben, dass der Sensor 10 über den maximalen Auslenkwinkel β der Gelenkteile 4, 6 hinweg
ein analoges, sich insbesondere linear änderndes Ausgangssignal AS
(siehe hierzu das Diagramm in 19)
als direktes Maß für den Betrag
der Winkelauslenkung β abgibt.
Vorzugsweise ist hierbei der Sensor 10 analoger als Hallsensor mit
einem Permanentmagnet und einem magnetfelderfassenden, ein analoges
Ausgangssignal z. B. im Bereich von 0 bis 5 Volt (19) erzeugendes Hallelement ausgebildet.
Dabei wird bevorzugt das Bewegungselement von dem Permanentmagnet
gebildet, während
das Hallelement als Sensorelement fungiert. Das Bewegungselement 22 wird
von dem Funktionselement 12 über ein geeignetes Getriebe, wie
dargestellt insbesondere über
ein Steuerkurvengetriebe 24, derart angetrieben, dass die
Relativdrehbewegung der Gelenkteile 4, 6 vorzugsweise proportional
zur Relativbewegung zwischen den Sensorteilen des Sensors 10 ist.
Mit Vorteil kann das Getriebe so ausgelegt sein, dass ein Grad Winkeldrehung
des Drehgelenkes 1 auch ein Grad Drehung des Bewegungselementes 22 bewirkt.
Natürlich
kann die Übersetzung
auch anders vorgegeben werden, beispielsweise so, dass ein Grad
Winkeldrehung des Gelenkes 1 0,5 Grad Drehung des Bewegungselementes 22 bewirkt.
Wie dargestellt weist hierzu das Funktionselement 12 eine
Steuerkurve 26 zum Antrieb des Bewegungselementes 22 über ein
Nockenelement 28 und einen Schwenkhebel 30 auf.
Die jeweils gewünschte
Bewegungsübersetzung
kann hierbei durch einen entsprechend ausgelegten Verlauf der Steuerkurve 26 erreicht
werden. Die Funktion dieser bevorzugen Sensoreinrichtung 8 wird
anhand der unterschiedlichen Darstellungen in den 13 bis 15 sowie 16 bis 18 in Verbindung mit dem Diagramm in 19 verständlich.
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Eine
weitere Ausführungsform
ist schließlich in 20 dargestellt. Hierbei
ist der Sensor 10 als Dreh- bzw. Drehschiebepotentiometer 32 ausgebildet
und wird von dem Funktionselement 12 über eine zur Gelenk-Drehachse 2 koaxiale
Antriebsverzahnung 34 und ein auf einer Sensor Antriebswelle
sitzendes Zahnrad 36 angetrieben. Aufgrund der sich ergebenden Übersetzung
zwischen der Antriebsverzahnung 34 (bedingt durch deren
großen
Radius) und dem Zahnrad 36 ist das Drehpotentiometer 32 mit
einem Stellwinkel ausgebildet, der ein Vielfaches von 360° beträgt. Auf
diese Weise kann trotzt der auftretenden mehreren Umdrehungen des
Zahnrades 36 ein konkreter Winkel erfaßt werden. Der Stellwinkel
beträgt
somit n·360°, wobei n
in der Praxis um etwa 20 liegen kann.
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Die
Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele
beschränkt,
sondern umfaßt
auch alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden Ausführungen.