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Die
Erfindung betrifft einen elektromotorischen Scheibenwischerantrieb
mit einem Schneckengetriebe mit einem in einem Getriebegehäuse gelagerten
Schneckenrad und mit einer in das Getriebegehäuse hineinragenden,
mit einer Antriebswelle eines Elektromotors drehfest verbundenen
Schnecke, die mit dem Schneckenrades kämmt, das eine Antriebswelle
antreibt, die eine Pendelbewegung ausführt.
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Eine
Getriebeanordnung, die zum Antrieb einer Wischerwelle dient, die
um eine Wischerwellenachse eine Pendelbewegung ausführt,
ist häufig als so genanntes Umsetzgetriebe oder als Kurbelgetriebe
ausgeführt. Ein beispielsweise aus der
DE 42 19 480 A1 bekanntes
Kurbelgetriebe umfasst hierzu ein in einem Getriebegehäuse
drehbeweglich gelagertes Schneckenrad, dessen Außenverzahnung
mit einer Schnecke kämmt, die auf einer in das Getriebegehäuse
hineinragenden Antriebswelle eines Elektromotors sitzt. An dem Schneckenrad
ist exzentrisch ein Ende eines kniehebelartigen Kurbeltriebs angelenkt,
dessen anderes Ende drehfest mit der Wischerwelle verbunden ist.
Durch wahlweise verwendbare Anlenkstellen für den Kurbeltrieb
können unterschiedliche Wischwinkel und damit der während
der Pendelbewegung vom Wischer überstrichene Kreissektor
eingestellt werden.
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Ein
beispielsweise aus der
DE
100 14 735 A1 bekanntes Umsetzgetriebe weist anstelle des Kniehebels
eine am Schneckenrad wiederum exzentrisch gelagerte Schubstange
auf, die drehgelenkig mit einem Steg verbunden ist und über
ein Zahnsegment mit einem auf einer Wischerwelle sitzenden Ritzel
kämmt. Zwar kann mit dem Umsetzgetriebe gegenüber
dem Kurbelgetriebe ein vergleichsweise großer überstreichbarer
Wischerwinkel bzw. Pendelbewegungssektor erreicht werden. Allerdings
ist aufgrund der Verzahnung zwischen dem Ritzel und dem Zahnsegment
das Umsetzgetriebe vergleichsweise aufwändig.
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Ein
Scheibenwischerantrieb, welcher flexibel einsetzbar ist und getriebeunabhängig,
d. h. sowohl mit einem Kurbelgetriebe als auch mit einem Umsetzgetriebe
in die Heckklappe oder in die Karosserie eines Kraftfahrzeuges bei
geringem konstruktivem Aufwand einsetzbar ist, ist aus der
DE 2006 042 322 A1 bekannt.
Allerdings ist auch dieser bekannte Scheibenwischerantrieb aufgrund
der Vielteiligkeit der Getriebeanordnung unerwünscht aufwändig.
Zudem erzeugen derartige Kurbel- bzw. Umsetzgetriebe schon aufgrund
der exzentrischen Ankopplung an das Schneckenrad unerwünschte
Geräusche.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektromotorischen Scheibenwischerantrieb
anzugeben, der einfach ausgebaut und hinsichtlich des überstrichenen
Winkelbereichs der Pendelbewegung (Pendel- oder Pendelbewegungssektor)
möglichst flexibel einstellbar ist. Der Antrieb soll als
Scheibenwischermotor, insbesondere für einen Heckwischer, eines
Kraftfahrzeuges geeignet sein.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
die Merkmale des Anspruchs 1. Dazu sind die Abtriebswelle über
ein zu dieser koaxiales Wellenritzel und das Schneckenrad über
ein zu diesem zentrisches, d. h. zu deren Drehachse koaxiales Schneckenradritzel
miteinander hebel- und stangenfrei gekoppelt. Zudem ist der Elektromotor – und
damit der elektromotorische Antrieb – reversierend ausgeführt. Dies
bedeutet, dass der Elektromotor in beiden Drehrichtungen ansteuerbar
ist. Dabei erfolgt die Ansteuerung in einem einstellbaren, beispielsweise
werkseitig oder während der Montage vorgegebenen Winkelbereich.
Der Winkelbereich sowie die diesen begrenzende Start- und Wendeposition
eines von der Abtriebswelle angetriebenen Wischers – und
somit dessen Pendelsektor – sind variabel einstellbar.
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Das
vorteilhafterweise eingesetzte Schneckengetriebe ist selbsthemmend.
Die Selbsthemmung tritt bei geringen Gangzahlen infolge der Gleitreibung
zwischen der eingängigen Schnecke auf der elektromotorischen
Antriebswelle und der schrägen Außenverzahnung
des Schneckenrades auf. Der aufgrund der funktionsbedingten Relativbewegung der
Bewegungsflächen der Schnecke und des Schneckenrades relativ
niedrige Wirkungsgrad des Schneckengetriebes wird für die
Selbsthemmung genutzt, um ein abtriebsseitig über die Abtriebswelle
auf das Schneckengetriebe wirkendes Drehmoment zu hemmen. Aufgrund
der Selbsthemmung des Getriebes verharrt der angetriebene Wischer
auch dann zuverlässig in dessen Ausgangs-, Ruhe- und/oder Wendeposition,
wenn auf diesen eine äußere Kraft einwirkt.
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Zur
Einstellung des Winkelbereichs und der Grenzen des Pendelbewegungssektors
sowie zur Bestimmung der Position des Wischers innerhalb dieses
Winkelbereichs bzw. Pendelbewegungssektors ist vorzugsweise eine
Sensor- und Geberanordnung vorgesehen. Diese liefert ein auswertbares Sensorsignal.
Das Sensorsignal wird geeigneterweise zur Ansteuerung des Elektromotors
herangezogen. Die Ansteuerung ermöglicht die Einstellung
unterschiedlicher Wege, insbesondere unterschiedliche Wischwinkel
und deren Umkehrpunkte, bei verschiedenen Motor- und/oder Antriebskonfigurationen.
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Hierzu
kann eine für die Ansteuerung des Elektromotors bereits
vorhandene oder eine separat bereitgestellte Elektronik vorgesehen
sein. Das Sensorsignal enthält dabei geeigneterweise sowohl
Informationen über die Geschwindigkeit als auch über
die Bewegungsrichtung des Wischers bzw. der mit diesem verbundenen
Abtriebswelle und/oder des Schneckenrades.
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Eine
besonders geeignete Sensor- und Geberanordnung arbeitet nach dem
magnetosensitiven Prinzip. Zweckmäßigerweise ist
hierzu ein Hall-Sensor vorgesehen, dem eine zwei- oder mehrpoliger Permanentmagnetanordnung
zugeordnet ist. Der Geber sitzt dabei bevorzugt auf dem Schneckenrad und
dort geeigneterweise im Bereich zwischen dessen Drehachse und dessen
Außenverzahnung. Hierbei können umfangsseitig
sowohl einer oder wenige Dauermagneten als auch ein geschlossener
Ringmagnet auf oder am Schneckenrad positioniert oder in dieses
integriert sein. Die Permanentmagnetanordnung kann auch aus einem
einzelnen oder mehreren Magnetplättchen bestehen, das oder
die auf die Schneckenradoberfläche aufgesetzt oder in das Schneckenrad
eingesetzt ist bzw. sind.
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Infolge
der Relativbewegung zwischen dem geeigneterweise ortsfesten Hall-Sensor
und dem mit dem Getriebe rotierenden Geber sensiert der Hall-Sensor
eine von der Drehrichtung und der Drehgeschwindigkeit des Getriebeelementes,
insbesondere des Schneckenrades, abhängige Änderung
der magnetischen Flussdichte oder des Magnetfeldes. Infolge dessen
liefert der Hall-Sensor ein zur Magnetfeldänderung proportionales
Sensorsignal. Dessen beispielsweise sinusförmiger Zeitverlauf
kann mittels einer Komparatorschaltung mit Hysterese, beispielsweise
mit einem Schmitt-Trigger, digitalisiert und in eine binäre
Impulsfolge umgewandelt werden. Durch Zählen der Impulse
und/oder durch ein Erfassen der Anzahl der Impulse pro Zeiteinheit
können dann – unter Zugrundelegung des bekannten Übersetzungsverhältnisses
des Getriebes – die Position und die Geschwindigkeit sowie
die Drehrichtung des Wischers erfasst werden. Zudem kann die aktuelle
Position des Wischers innerhalb des Winkelbereiches bzw. Pendelbewegungssektors
bestimmt und eine bestimmte Position gezielt angesteuert.
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Besonders
vorteilhaft ermöglichen die magnetosensitive Signalerzeugung
und elektronische Signalauswertung eine besonders hohe Flexibilität
hinsichtlich der Winkel- bzw. Pendelbewegungseinstellung, insbesondere
bezüglich der Vorgabe des Start- und Wendepunktes sowie
des Winkelbereichs des Pendelbewegungssektors für den Wischer.
Die Einstellungen können dabei werksseitigen und/oder auch
zu einem späteren Zeitpunkt bei der Wischermontage vorgenommen
werden.
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Da
die Drehwinkel- und Drehrichtungserfassung auf elektrischen oder
elektronischen Signalen basiert, unterliegt diese über
die Lebensdauer keinen verschleißbedingten Toleranzen.
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In
vorteilhafter Ausgestaltung ist die Außenverzahnung des
Schneckenrades lediglich als Zahnsegment ausgebildet. Auch kann
das Schneckenrad selbst durch entsprechende Materialeinsparung als Schneckenradsegment
ausgeführt sein. Das außenradverzahnte Schneckenradsegment
erstreckt sich dabei geeigneterweise lediglich über einen
tatsächlich benötigten Winkelbereich, beispielsweiseweise über
einen variabel vorgegebenen Winkelbereich von 180° bis
250°, insbesondere 200° bis 225°. Hierdurch
wird eine Kosteneinsparung ermöglicht und eine Gewichtsreduzierung
erzielt.
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Für
eine möglichst spielfreie Fixierung des Zahnsegmentes auf
oder an dem Schneckenrad ist das Zahnsegment bzw. das Schneckenrad
auf dessen Oberfläche mit in Axialrichtung erhabenen Strukturelementen
versehen. Hierzu sind geeigneterweise in der Nähe der Außenverzahnung
eine Vielzahl von zueinander äquidistanten Stiften an das
Schneckenrad angeformt, die geeigneterweise auf der dem Radritzel
abgewandten Radoberfläche in Axialrichtung herausragen.
Geeigneterweise ist die Außenverzahnung als Zahnsegment über
diese Strukturelemente mit dem Schneckenrad verbunden.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Darin zeigen:
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1 in
perspektivischer Darstellung eine Ansicht auf ein transparent erscheinendes
Getriebegehäuse einer erfindungsgemäße
Antriebsvorrichtung mit einem elektromotorisch über eine
Antriebswelle angetriebenen Schneckenrad und einer mit diesem über
Ritzel gekoppelten Abtriebswelle,
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2 die
Antriebsvorrichtung gemäß 1 in einer
Ansicht auf die aus der gegenüberliegenden Gehäuseseite
austretende Abtriebswelle sowie auf eine Geber- und Sensoranordnung,
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3 eine
Seitenansicht der Antriebsvorrichtung mit Blick auf das getriebeseitige
Freiende der Antriebswelle des Elektromotors,
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4 eine
gegenüber 3 um 90° versetzte
Seitenansicht der Antriebsvorrichtung.
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Einander
entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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Die 1 bis 4 zeigen
in unterschiedlichen Ansichten eine elektromotorische Antriebsvorrichtung 1,
die als Scheibenwischerantrieb dient und insbesondere für einen
Heckwischer eines Kraftfahrzeugs besonders vorteilhaft ist. Die
Antriebsvorrichtung 1 umfasst im Wesentlichen ein Motormodul 2 und
Getriebemodul 3 sowie ein Elektronikmodul 4. Das
Motormodul 2 kann einen bürstenlosen Gleichstrommotor
als Motorkonzept umfassen.
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Das
Motormodul 2 besteht im Wesentlichen aus einem Elektromotor
in Form eines Kommutator- oder Gleichstrommotors mit in nicht näher
dargestellter Art und Weise einem bewickelten und in einem als Poltopf
ausgeführten Motorgehäuse 5 gelagerten Rotor
mit statorseitigem Permanentmagneten. Eine nachfolgend als Antriebswelle
bezeichnete Motorwelle (Rotorwelle) 6 des Elektromotors 2 ist
aus dem Motorgehäuse 5 heraus und in ein Getriebegehäuse 7 hineingeführt.
Das vorzugsweise geteilte, d h. aus zwei Gehäuseteilen
oder -schalen bestehende Getriebegehäuse 7 ist
transparent dargestellt, um darin enthaltene Getriebeelemente sichtbar
zu machen. Das Motorgehäuse 5 und das Getriebegehäuse 7 sind
im Bereich der Motor-Getriebe-Schnittstelle 8 miteinander
verbunden.
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Das
Getriebemodul 3 umfasst ein Schneckenrad 9, das
um eine Drehachse 10 innerhalb des Getriebegehäuses 7 drehbeweglich
gelagert ist. Das Schneckenrad 9 weist am Außenumfang
eine schräg verlaufende Außenverzahnung 11 auf,
die mit einer Schnecke 12 kämmt. Die Schnecke 12 sitzt
auf der Motorwelle 6 oder ist als entsprechender Gewindegang
in diese eingebracht.
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Koaxial
zur Drehachse 10 des Schneckenrades 9 sitzt ein
geeigneterweise schräg verzahntes Ritzel (Schneckenradritzel) 13.
Dieses Schneckenradritzel 13 kann auf die gemeinsame Welle
oder Drehachse 10 des Schneckenrades aufgesetzt oder an das
Schneckenrad 9 einstückig angeformt sein.
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Mit
dem Schneckenradritzel 13 kämmt ein weiteres Ritzel
(Wellenradritzel) 14 eine Abtriebswelle 15. Die
Abtriebswelle 15 ist um eine zur Drehachse 10 des
Schneckenrades 9 parallele Wellenachse (Wischerwellenachse) 16 drehbar
gelagert, zu der auch das Abtriebsritzel 14 koaxial ist.
Das Abtriebsritzel 14 befindet sich dabei im Getriebegehäuse 7 und ist
dort in geeigneter Weise auf die Abtriebswelle 15 aufgesetzt,
beispielsweise nach Art eines Presssitzes, oder ebenfalls an diese
angeformt.
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Entsprechend
dem in den Figuren dargestellten kartesischen Koordinatensystem
liegt das Schneckenrad 9 in der yz-Ebene, während
die hierzu senkrechte x-Richtung üblicherweise der Fahrzeuglängsrichtung
entspricht. die y-Richtung ist dann die Fahrzeugquerrichtung, während
die z-Richtung vom Fahrzeugboden zum Fahrzeugdach weist. Dementsprechend
verlaufen die Drehachse 10 des Schneckenrades 9 und
die hierzu parallele Wischerwellenachse 16 der Abtriebswelle 15 orthogonal
zur yz-Ebene in x-Richtung. Die Motorwelle 6 erstreckt sich
demnach in y-Richtung.
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Die
Abtriebswelle 15 ist aus dem Getriebegehäuse 7 herausgeführt
und dort mit einer Schutzmanschette 17 ummantelt. Dies
ist aus den 2 und 4 vergleichsweise
deutlich ersichtlich. Die Dichtmanschette 17 dient dabei
insbesondere zur Abdichtung gegenüber von außen
wirkende Feuchtigkeit, beispielsweise Regen- oder Spritzwasser.
Auf dem Wellenfreiende 19 der Abtriebswelle 15 sitzt
ein Wischer oder Wischerarm. Dieser ist in 1 durch
den Pfeil 20 symbolisiert.
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Wie
aus den 1 und 2 ersichtlich
ist, bildet die Außenverzahnung 11 des Schneckenrades 9 keine
geschlossene Kreisverzahnung, sondern lediglich ein Zahnsegment.
Der Winkelbereich des Zahnsegments ist dabei im Ausführungsbeispiel
größer als 180°, jedoch wesentlich kleiner
als 360°. Der Winkelbereich des Zahnsegments der Außenverzahnung 11 ist
dabei abgestimmt auf einen Winkelbereich 21. Der Winkelbereich
definiert ein entsprechendes Pendelbewegungssegment (Pendelsektor) 22 für
den Wischer 20 zwischen einer Startposition 23 und
einer Wendeposition 24 zur Drehrichtungsumkehr. Dieser
Winkelbereich 21 kann bedarfsweise je nach Ausgestaltung
des Heckbereichs des Kraftfahrzeugs gewählt werden.
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Zur
Erfassung der Drehposition bzw. der aktuellen Lage des Wischers 20 innerhalb
des Pendelsektors 22 dient eine Sensor-Gebervorrichtung
mit im Ausführungsbeispiel einer in das Schneckenrad 9 eingelassenen
Magnetpille 25 als permanentmagnetischem Geber und mit
einem Hall-Sensor 26. Dieser ist vorzugsweise ein 3D-Sensor.
Der Sensor 25, der ortsfest und beispielsweise auf einem
Sockel oder einer Platine des Elektronikmoduls 4 angeordnet
ist, wertet mit Hilfe der Elektronik die Positionsdaten der Magnetpille 25 zur
Positionsbestimmung aus.
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Der
Hall-Sensor 26 erfasst bei drehendem Schneckenrad 9 ein
sich änderndes Magnetfeld, das von der Magnetpille 25 erzeugt
wird. Die entsprechende zeitliche Änderung des Magnetfeldes
bzw. der magnetischen Flussdichte resultiert nach dem Hall-Effekt
in einer zu diesem Verlauf proportionalen Änderung der
Hall-Spannung. Diese Änderungen können wiederum
mittels einer Komparatorschaltung mit Hysterese in ein digitales
Sensorsignal mit einer entsprechenden Impulsfolge von High- und
Low-Pegeln umgesetzt werden. Hierzu werden häufig so genannte
Hall-ICs eingesetzt, die bereits mit einer entsprechenden elektronischen
Komparatorschaltung ausgerüstet sind.
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Das
digitale Sensorsignal wird dem Elektronikmodul 4 zugeführt
und dort ausgewertet. Das Elektronikmodul 4 generiert aus
dem Sensorsignal anhand der darin enthaltenen Impulse und Kodierungen
für die Drehgeschwindigkeit und für die Drehrichtung
ein Steuersignal für den Elektromotor 2. Hierzu ist
das Elektronikmodul 4 beispielsweise über eine Signalleitung
oder auch mittels einer direkten Kontaktierung mit zumindest einem
der Motorkontakte des Elektromotors 2 verbunden.
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Mittels
der Sensor-Geber-Vorrichtung 25, 26 und des Elektronikmoduls 4 bzw.
eines geeigneten, in der Elektronik des Elektronikmoduls 4 hinterlegten Algorithmus
kann durch Auswertung des Sensorsignals sowohl die aktuelle Position
des Wischers 20 innerhalb des Pendelbewegungssektors 22 bestimmt als
auch der Winkelbereich 21 der Pendelbewegung festgelegt
werden. Dies erfolgt durch Bestimmung oder Vorgabe der Startposition 23 sowie
der Wendeposition 24, die den Pendelbewegungssektor 22 zu der
einen bzw. der anderen Seite begrenzen.
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Dadurch,
dass das Schneckenrad 9 – und gemäß 2 vorzugsweise
auch das Schneckenritzel 13 – lediglich als Zahnsegment
ausgeführt ist (sind), ist eine erhebliche Materialeinsparung
sowie insbesondere eine Gewichtseinsparung erzielt. Zudem wird durch
die direkte Kopplung des Schneckenrades 9 mit der Abtriebsachse 15 über
lediglich die wellenfesten Ritzel 13 bzw. 14 eine
erhebliche Geräuschreduzierung erreicht.
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Um
ein axiales Spiel des in dem Getriebegehäuse 7 um
die Drehachse 10 gelagerten Schneckenrades 9 in
x-Richtung und somit entlang der Drehachse 10 möglichst
gering zu halten, sind auf der in 1 sichtbaren
Schneckenradoberseite (Schneckenradoberfläche) 30 an
das Schneckenrad 9 zylinderförmige Stifte 31 als
angeformt, die sich in Axialrichtung (x-Richtung) erstrecken. Die
Stifte 31 dienen auch als Halteelemente zur Befestigung
des die Außenverzahnung 11 tragenden Zahnsegmentes mit
dem Schneckenrad 9.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Antriebsvorrichtung
- 2
- Motormodul/Elektromotor
- 3
- Getriebemodul
- 4
- Elektronikmodul
- 5
- Motorgehäuse/Poltopf
- 6
- Antriebswelle
- 7
- Getriebegehäuse
(geteilt)
- 8
- Motor-Getriebe-Schnittstelle
- 9
- Schneckenrad
- 10
- Drehachse
- 11
- Außenverzahnung
- 12
- Schnecke
- 13
- Schneckenradritzel
- 14
- Wellensritzel
- 15
- Abtriebswelle
- 16
- Wischer-/Wellenachse
- 17
- Dichtmanschette
- 19
- Wellenfreiende
- 20
- Pfeil/Wischer
- 21
- Winkelbereich
- 22
- Pendelbewegungssektor
- 23
- Startposition
- 24
- Wendeposition
- 25
- Geber-/Permanentmagnet
- 26
- Hall-/Sensor
- 27
- Signalleitung
- 30
- Schneckenradoberfläche/-seite
- 31
- Stift
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 4219480
A1 [0002]
- - DE 10014735 A1 [0003]
- - DE 2006042322 A1 [0004]
