DE2832600A1

DE2832600A1 - Miniaturisierter drehspul-winkelgeschwindigkeitssensor

Info

Publication number: DE2832600A1
Application number: DE19782832600
Authority: DE
Inventors: Joseph William Bitson; Jack Henry Crittenden
Original assignee: General Dynamics Corp
Current assignee: Hughes Missile Systems Co (a Delaware Corp) Can
Priority date: 1977-08-11
Filing date: 1978-07-21
Publication date: 1979-03-01
Also published as: NO149443C; IT1106858B; CH629308A5; DK151838B; GB2002521A; DE2832600C2; US4114451A; NL7807499A; DK326978A; NO782517L; SE437882B; NL188546C; DK151838C; FR2400207A1; CA1090627A; AU501118B1; FR2400207B1; GB2002521B; JPS6311604B2; NL188546B

Description

General dynamics Corporation, Pomona, California 91766, Y.St.A.

Miniaturisierter Drehspul-winkelgeschwindigkeitssensor

Die vorliegende Erfindung "betrifft Regel-Mechanismen und insbesondere eine Lenksensoreinrichtung zur Verwendung in drehenden Fl ugkörperz eilen.

Es sind viele Flugkörper konstruiert worden, die während des
Flugs um die Rollachse drehen und eine ihnen erteilte Rollgeschwindigkeit "beibehalten; derartige Flugkörper haben gegenüber rollstabilisierten Zellen wesentliche und praktische Vorteile. Das Konzept der rollenden Zelle ist sowohl auf vom Boden als auch aus der Luft abgeschossene Geschoße angewandt
worden. Diese Geschosse können von der Abschußvorrichtung anfänglich in Drehung versetzt werden und weisen Steuerflächen

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auf, um eine ν orb e stimmte Rollgeschwindigkeit beizubehalten. Bei einer Rollgeschwindigkeit von etxira 5 "bis 15 Umdrehungen pro Sekunde läßt sich dann das Geschoß mit einer einzigen Steuerebene in sämtlichen drei Achsen bezüglich der Erde steuern.

In einer typischen Anwendung dieses Konzeptes verwendet ein Steuersystem nach dem Stand der Technik ein einziges Paar unterschiedlich anstellbarer Steuerflächen, um das Geschoß mit nur einem Steuersignal um die Steuerebene mit einer gewählten augenblicklichen Drehlage zu lenken« Liegt ein solches Geschoß im Plug waagerecht, muß das Steuersignal, wenn das Geschoß steigen soll, seine Amplitude mit einer Frequenz gleich der fiollgeschwindigkeit des Geschosses ändern«. In bspw. der Vertikalebene ist das Steuersignal dann allgemein sinusförmig und bewirkt einen Steigflug, wenn die Steuerebene des Flugkörpers sich der Vertikalen auf der Erdoberfläche nähert$ bzw. den Sinkflug nach der Drehung der Steuerfläche und nahe einer halben Umdrehung vom Steigpunkt, so daß sich eine Aufwärtsänderung des Anstellwinkels ergibt. Der Anstellwinkel erzeugt einen Auftrieb für den Flugkörper und läßt diesen aus der Waagerechten in den Steigflug übergehen. Eine Kursänderung nach rechts erfolgt entsprechend durch ein Sinussignal, das 90° gegenüber dem für eine vertikale Kurzänderung erforderlichen Signal phasenverschoben ist. Auf diese Weise erhält man eine vereinfachte Steuerung, mit der sich die Erstellungskosten verringern und die Zuverlässigkeit rollender gegenüber rollstabilisierten

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- 8 Zellen erhöhen lassen.

Die vorliegende Erfindung wurde zur Verwendung in einer kürzlich entwickelten Autopilot-Steuerung für rollende Flugkörperzellen konzipiert und entwickelt. Bis jetzt waren keine Steuereinrichtungen zur Verwendung in derartigen selbsttätigen Steuerungen für rollende Flugkörperzellen verfügbar.

Es ist also eine geeignete Lenkfühleinrichtung erwünscht, die einfach aufgebaut ist und sich wirkungsvoll in Autopilot-Ste.uerungen für rollende Flugkörperzellen einsetzen läßt.

Die vorliegende Erfindung schafft eine Fühleinrichtung für die Lenkgeschwindigkeit, die mit einem drehenden Körper eingesetzt werden kann. Sie weist ein Basiselement mit einer an diesem angebrachten Schwenklagerung auf, mit der es unmittelbar an einem drehenden Körper angebracht werden und mit diesem um eine Drehachse drehen kann. Die Schwenklagerung spannt eine Schwenkachse auf, die winklig zur Drehachse verläuft. Eine magnetische Einrichtung ist am Basiselement und mit diesem drehbar angebracht, während eine Fühlspule schwenkbar auf der Schwenklagerung auf dem Basiselement und mit diesem drehbar sowie um die Schwenkachse relativ zur magnetischen Einrichtung durch Kreiselpräzession bei einer Hichtungsänderung der Drehachse während der Drehung bewegbar ist, um ein Signal zu erzeugen.

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Die irorliegende Srfinidimg schafft weiterhin eine Wühl einrichtung für Iten]^eschwdndigkeiten für· einen drehenden. Körper· mit einem Basiselement mit eine Schwenkachse abspannenden Zapfenlagern, das in. einer· rollenden Eliogzelle angeorctoet» ist, die eine irarfcesisiiiEffi&ö SolJbewegong toe die Itängsacnse amsfülbarfc, die

eine Brenaolnse definiert. Bas Basiselement ist aaler Seile mit dieser· τίτπτ die Breliacnse dren"bar· .gelagert land die SclHfenk— - acnse scnneidet die Brenaciise der· Seile im recnten Minkel. Eine magiiLetisCÄe Einrielttiing ist am Basiselement mit diesem dreSbar· angelsracfet lomd eine MSilspTale "bestent aas einem leit— fälligen Brant, der- turn einen ringförmigen Spnlenfcörper gewifckelt ist, der- soiMienkliar· araf der* Basis auf den. Zapfenlagern mit diesen dreM&ar¹ angeordnet ist tand sien, wenn die Brenacnse iiire Sicktrang ander-tj relativ ana. der magnetiscnen Sinricntong dBrcli Ereiselpräsession. "bewegen kann, vm. ein Signal zu. erzeugen.

Bie Ei?finduing soll Tainter· Be&mg atif die "beigefügten 2eicitmamgen seuisflünrilLicn "beseiirieiien werden»

Elg-i ist eine Per-spekti^dairstellTimg eines t^piscken ELttgfcör— , mit dem der· Brenspiailsensor nacn der vorliegenden

ng eingesetzt werden Srannj Eig. 2 ist eine seiiaiaifoildliene Barstelliaing der ÄOisricktting des Sensor-s in dem ELmgkorperi

Hg. 5 i-^s"fe eise Torderansicint des Sensors mit teilweise weggesöiiinittener

Wig. Q- lsi; ein teilweise weggebrochener Seitenriß des Sensors

der 11g. 3;
Mg- 5 ist ein Schnitt auf der Linie 5~5 cLer Fig. 4l·;

ELg. 6 ist eine Vorderansicht eines Sensors bei weggeschnittener Abdeckung und. zeigt eine alternative Anordnung der Spule und Magneten.

BIe Hg- 1 der Zeichnung zeigt ein typisches Beispiel für eine rollende !Tugkörperzelle in Form eines Geschosses- Die Zelle "besteht aus einem allgemein langgestreckten zylindrischen Körper 10 mit einer aerodynamisch durchgebildeten Mase 12 und einem Schwänzende 14-, aus dem der durch einen Saketem— oder dergl- Motor entwickelte Schub austritt. Der Körper ist mit einer Ylelza&L iron die Bolldrehung erzeugenden Steuerflossen bzw. -flächen 16 am Schwänzende versehen, die dem Körper eine Sollbewegung um seine Ieangsach.se erteilen und/oder diese aufrechterhalten. Desgl. ist der !Flugkörper mit einem Paar festangestellter Ganardflächen 18 sowie einem Paar variabel anstellliarer Ganardflachen 20 versehen. Die Ganardflachen 20 lassem sich, mit einer geeigneten Steuerung, wie aus dem. Stand der Technik bekannt, auf positive oder negative Anstellwinkel drehen. BIe Camardfläcliem 20 bestimmen die tage des Flugkörpers In eimer durch, die Eangsach.se des Flugkörpers und rechtwinklig zur Drehachse der Steuerflächen, verlaufenden Ebene; diese Ebene wird, als Steuerebeme bezeichnet. Die Wörter "aufwärts¹" bzw. ^m abwärts" gegenüber der Steuerebene bezeichnen. flxigkörperbezogerte Bleitfeungem. BIe Steuerung für die Flugkörperzelle enthält einen IiemkgesciiWliiiiIgkeItsseiisor 22 sowie

ein Akzelerometer 24.

Die die Rollbewegung erzeugenden !"lachen 16 ergeben gemeinsam mit einer Anfangsdrehung, die dem Flugkörper von der Abschußvorrichtung erteilt wird, eine !fallgeschwindigkeit um die Längsachse von etwa 10 Umdrehungen pro Sekunde. Die Lenksteuerung der Zelle erfolgt durch zyklisches Verändern des Anstellwinkels der Steuerflächen 20 entsprechend der Augenblickslage der' Steuerebene. Befindet sich der Flugkörper bspw. auf einer waagerechten Flugbahn und soll er entlang einer gekrümmten Flugbahn nach links gelenkt werden, wird den Steuerflächen 14 ein positiver Anstellwinkel erteilt, der sein MsB.rn.um hat, wenn der Aufwärtsteil der Steuerebene sich innerhalb der linken 180° der Drehung befindet. Vernachläßigt man zunächst die Ansprechverzögerung, erreicht der positive Anstellwinkel ein Maximum, wenn die Steuerebene waagerecht zur Erdoberfläche verläuft bzw. der flugkörperbezogene Aufwärtsteil der Steuerebene links liegt. Während der nächsten 90° der Drehung wird der positive Anstellwinkel der Steuerfläche auf 0° reduziert; in den folgenden 90° der Drehung wird er negativ und erreicht sein Maximum, wenn die Steuerebene wiederum waagerecht verläuft und der flugkörperbezogene Aufwärtsteil links liegt. Die Bewegung der Steuerflächen 20 hat einen Sinusverlauf mit einer Frequenz entsprechend der Hollgeschwindigkeit; die jeweilige Phase wird dabei von der Hichtung der gewünschten Kursänderung bestimmt.

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Die J"ig. 2 der Zeichnung zeigt nun einen Winkelgeschwindigkeitssensor 22 und ein Akzelerometer 24, die auf einer Zelle angebracht sind. Das Akzelerometer 24 ist so an der Zelle angebracht, daß die empfindliche Achse in der Steuerebene, aber gegenüber der Zellvertikalen invertiert liegt, so daß das Akzelerometer ein Signal abgibt, das der Beschleunigung in der Steuerebene entspricht, aber die entgegengesetzte Sichtung hat.

Wie am besten in den Fig. 3 bis 5 zu ersehen, weist der Winkelgeschwindigkeit ssensor 22, der im folgenden als Lenkgeschwindigkeitssensor beschrieben wird, nach der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein Basiselement 25 auf, das aus irgendeinem geeigneten Werkstoff hergestellt sein kann. Das Basiselement weist ein Paar beabstandeter Schwenklagerzapfen 26, 28 auf, die die Lager einer schwenkbar aufgehängten Induktionsspule tragen, die allgemein mit dem Bezugszeichen 30 bezeichnet ist. Das Magnettragelement 32 liegt vorzugsweise in Gestalt eines "H" vor und weist ein Paar allgemein rechteckig ausgebildeter Schlitze auf, die die Lagerzapfen 26, 28 aufnehmen können. Das Magnettragelement 32 ist aus magnetischem Stahl hergestellt und stellt einen Jlußweg geringen magnetischen Widerstands zwischen den Permanentmagneten 34·, 36 her. Die Permanentmagneten 34, 36 sind mit dem Magnetträger verbunden - bspw. verklebt -, wie es die JPig. 3 zeigt. Die Abdekkung 87 besteht aus magnetischem Material; zusätzlich zum Schutz des Sensors erhält man so (1) eine hohe Plußdichte im

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Luftspalt zwischen den Magneten und der Abdeckung und (2) eine magnetische Abschirmung des Sensors. Das Magnettragelement kann auf irgendeine geeignete Weise an der Basis befestigt sein - bspw. mit den dargestellten Schrauben 38.

Die Induktionsspule 30 weist einen allgemein ringförmigen Spulenkörper 40 auf, auf den eine Vielzahl Drahtwindungen 42 aufgewickelt sind. Der Spulenkörper kann dabei aus geeigneten Material - bspw. Aluminium - bestehen.

Der gesamte Lenksensor ist dabei in einer bevorzugten Ausführungsform so konstruiert, daß er sich mit der Zelle so dreht daß die Achse der Lenkanordnung parallel zur Achse der Zelle verläuft. Die schwenkbare Drehspule läßt sich also als Läufer betrachten. Diese Spulenanordnung ist schwenkbar so gelagert, daß sie um eine Achse schwenken kann, die die Steuerachse des drehenden Flugkörpers unter 90° schneidet.

Die Spulenanordnung 30 ist auf einer Schwenklagerung auf den Lagerzapfen 26, 28 mittels zweier Edelsteinlager 44, 46 gelagert, die in den Justierschrauben 48, 50 sitzen, die ihrerseits in die Lagerzapfen 26, 28 eingeschraubt sind. Zwei konisch zugespitzte verstellbare Stifte 56, 58 können in Kegelvertiefungen in den Lagern 44, 46 vorstehen; sie sind mit geeigneten Gewindeelementen bzw. Schrauben 60, 62 im Spulenkörper 40 festgelegt.

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Die Spule umgibt den Magneten; bei einer Bewegung der Spule relativ zum Magneten wird in sie ein elektrischer Strom induziert, der mit den Zuleitungen 64, 66 zu den Spangen 68, 70 geführt wird, die auf die Abstandshalter 72, 74 aufgesetzt sind. Die gewendelten flexiblen Leitungen 76, 78 führen von den Spangen 68, 70 zu den Spangen 80, 82 auf den Abstandshaltern 81, 83; diese letzteren Spangen führen über die Leitungen 84, 86 aus dem Gehäuse heraus. Die Abstandshalter 72, 74, 81 und 83 sind mit einem Innengewinde versehen und wirken als Sperrmuttern auf den entsprechenden Außengewindeelementen. Das statische Gleichgewicht des Läufers wird in drei Ebenen durch Gewichten der Läuferseiten hergestellt; das von den flexiblen Leitungen 76, 78 aufgebrachte Drehmoment wird durch Justieren der Federspangen 68, 80 sowie 70, 82 ausgeglichen. Die Mechanik wird von der Abdeckung 87 aufgenommen, die an der Basis 25 mit einem Gewinde 88 festgelegt werden kann.

Die Schwenkspulenanordnung wirkt als Läufer, der mit der Zelle des Flugkörpers dreht. Bei einer Lageänderung der Längs- bzw. Rollachse des Flugkörpers arbeitet die Schwenkspulenanordnung als Kreisel, wobei die Spule bezüglich des Magneten präzediert bzw. sich bewegt und dabei eine Spannung abgibt, die proportional der Geschwindigkeit, mit der die Spule die magnetischen Kraftlinien schneidet, und phasengleich mit der Drehung des Flugkörpers ist. Die Spulenanordnung schwingt also um ihre Schwenkachse mit einer Frequenz entsprechend der Drehung des Flugkörpers; die Ausgangs-EMK des Sensors ist dabei direkt

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proportional der Lenkgeschwindigkeit der Zelle. Durch Wechselwirkung des elektrisch leitfähigen Werkstoffs des Läufers (Aluminium) und des Magnetfeldes wird der Läufer bzw. die Spule gedämpft. Die Parameter der Anordnung lassen sich auf die erwünschte oder erforderliche Empfindlichkeit für den jeweils vorliegenden Plugkörper bzw. Anwendungsfall einstellen.

Wie nun die Pig. 6 der Zeichnung darstellt, weist eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Basiselement 90 auf, das eine allgemein mit dem Bezugszeichen 92 bezeichnete Spule trägt, die schwenkbar relativ zu einem festen Elektromagneten 94 angeordnet ist. Der Elektromagnet 94 ist an der Basis 90 auf geeignete Weise festgelegt und weist den üblichen Kern auf, auf den die Spulen 96, 98 gewickelt sind. Ein elektrischer Strom in den Spulen 96, 98 erzeugt ein Magnetfeld, durch das sich die Spule 92 bewegt. Die Spule 92 ist allgemein quadratisch bzw. rechteckig gewickelt und weist in dieser Ausführungsform auf einen Rahmen 100 gewickelte Drahtwindungen auf; der Rahmen besteht aus geeigneten Werkstoff wie bspw. Aluminium und ist über Lager, wie sie oben beschrieben sind, auf einem Paar Zapfen 102, 104 angeordnet, die am. Basis 90 befestigt sind und von dieser aus aufwärts vorstehen. Die Spule 100 ist auf den Stiften 106 gelagert, die in Lager in den Schraubelementen 108, 110 in den Zapfen 102, 104 vorstehen. Die Stromführung von der Spule 100 erfolgt über die Leitungen 112, 14 an die Spangen 116, 118, die ihrerseits mit den gewendelten Zuleitungen 120, 122 an die Spangen 124, 126

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führen, die wie in der vorgehend erläuterten Ausfuhrungsform an die Ausgangsanschlüsse führen. Der dem Elektromagnet zugeführte Strom läßt sich zur Fehlerkorrektur bzw. -kompensation abhängig von der Beschleunigung, Geschwindigkeit, Lage, Temperatur, Zeit, Flughöhe (Druck) usw. verändern.

Die Dämpfung läßt sich durch unterschiedliche Abmessungen des leitfähigen Materials des Spulenkörpers oder durch Wahl eines anderen Werkstoffs - bspw. Kupfer - ändern; auf diese Weise

wirkt man auf die Kurzschluß-Wirbelstromdämpfung des Systems ein. Da die gesamte Anordnung von einer Abdeckung 128 umschlossen ist, wie sie für die vorgehende Ausführungsform erläutert wurde, kann man die gesamte Anordnung auch mit einer geeigneten Dämpfungsflüssigkeit füllen, um erwünschtenfalls die Dämpfung zu verstärken.

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L e e r s e ι t e

Claims

1BERMN33 8MÜNCHEN80 Dr. RUSCHKE & PARTNER ±ii PATENTANWÄLTE Tel. (030)8 2638 95/8264481 BERLIN -MÜNCHEN Tel. (089) 98 03 24 / 98 72 Telegramm-Adresse: Telegramm-Adresse: Quadratur Berlin Quadratur München TELEX: 183786 TELEX: 522767 G- 1626 Patentansprüche

1. Lenkgeschwindigkeitssensor zum Einsatz auf einem sich, drehenden Körper, gekennzeichnet durch ein Basiselement mit einer an diesem "befestigten Schwenklagerung, die eine Befestigung unmittelbar an einem drehenden Körper zur Drehung mit diesem um eine Drehachse erlaubt, wobei die Schwenklagerung eine Schwenkachse aufspannt, die winklig zur Drehachse verläuft, durch eine magnetische Einrichtung, die am Basiselement befestigt ist und mit diesem dreht, und durch eine Spule, die schwenkbar auf der Schwenklagerung auf dem Basiselement und mit dieser drehbar sowie um die Schwenkachse relativ zur magnetischen Einrichtung durch Kreiselpräzession bei einer Richtungsänderung der Drehachse bei deren Drehung bewegbar gelagert ist, um ein Signal zu erzeugen.

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2. Lenkgeschwindigkeitssensor nach. Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Einrichtung ein Permanentmagnet ist.

3. Lenkgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Einrichtung ein Elektromagnet ist.

4-. Lenkgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwenkachse quer zur Drehachse verläuft.

5· Lenkgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule die magnetische Einrichtung umgibt.

6. Lenkgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 5₅ dadurch gekennzeichnet, daß die Spule kreisförmig gestaltet ist.

7· Lenkgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet, daß die Spule allgemein rechteckig gestaltet ist.

8. Lenkgeschwindigkeitssensor nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse der Basis in der Drehachse des drehenden Körpers liegt.

9- Lenkgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 3, dadurch gekenn-

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zeichnet, daß die Schwenkachse der Spule die Drehachse unter einem rechten Winkel schneidet.

10. Lenkgeschwindigkeitssensor nach einem der vorgehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel, um die Schwenkbewegung der Spule zu dämpfen.

11. Lenkgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß die Dämpfungsmittel aus einem von der Spule getragenen leitfähigen Werkstoff "bestehen, um deren Kurzschluß-Wirbelstromdämpfung zu verstärken,

12. Lenkgeschwindigkeitssensor nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er in einer rollenden ITugkörperzelle angeordnet ist, der eine vorbestimmte Holldrehung um die die Drehachse bildende Längsachse erteilt wurde, wobei das Basiselement an der Zelle festgelegt und die Spule um die zur Drehachse der Zelle rechtwinklige Schwenkachse schwenkbar gelagert ist.

13· Lenkgeschwindigkeitssensor für einen drehenden Körper, gekennzeichnet durch ein Basiselement mit eine Schwenkachse aufspannenden Lagerzapfen, das in einer rollenden Plugkörperzelle angeordnet ist, der eine vorbestimmte Rolldrehung um die Längsachse erteilt worden ist, die eine Drehachse aufspannt, wobei das Basiselement an der Zelle mit dieser um die Drehachse drehbar befestigt ist und die Schwenk-

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achse die Drehachse der Zelle rechtwinklig schneidet, durch eine magnetische Einrichtung, die am Basiselement mit diesem drehbar "befestigt ist, und durch eine Spule aus einem leitfähigen Draht, der um einen ringförmigen Spulenkörper gewickelt ist, der schwenkbar auf dem Basiselement auf den Schwenklagerzapfen mit diesem drehbar gelagert ist und sich relativ zur magnetischen Einrichtung durch Kreiselpräzession ansprechend auf Sichtungsänderungen der Drehachse bei deren Drehung bewegen kann, um ein Signal zu erzeugen.,

14« Lenkgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet , daß die Spule um die Schwenk- und die Drehachse im Gleichgewicht ist»

15° Lenkgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 13? gekennzeichnet durch elektrische Verbindungsmittel, die den elektrischen Strom von der Spule an den Schwenklagerzapfen vorbeileiten, und ein Paar nichtleitfähiger Abstandselemente beiderseits jedes der Lager, eine an jedem Abstandselement angreifende leitfähige Federspange, eine leitfähige Zuleitung, die von der Spule kommend an eine der Spangen führt, eine externe Zuleitung, die an die andere der Leitungen angeschlossen ist, und eine flexible Leitung zwischen den Spangen.

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16. Lenkgeschwindigkeitssensor nach. Anspruch. 15, dadurch gekennzeichnet, daß daß die Abstandselemente allgemein scheibenförmig und koaxial mit den Lagerzapfen angeordnet sind.

17· Lenkgeschwindigkeitssensor nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor mit einer Abdeckung aus magnetischem Material mit niedrigem magnetischem Widerstand umschlossen ist, die eine Abschirmung bildet, um den Sensor gegen starke externe Felder und umliegende Bereiche gegen die Sensormagneten abzuschirmen und um die ITußdichte im Sensor so hoch wie möglich zu halten.

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