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Die nachfolgend beschriebene Erfindung
liegt allgemein auf dem Fachgebiet der Reifen und betrifft insbesondere
Anordnungen zum Analysieren und/oder Unterdrücken von Reifengeräuschen mit
dem Ziel, Reifen herzustellen, die weniger Geräusche erzeugen, wenn sie über eine
Straßenoberfläche abrollen.
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Die EP-A2-0 329 927 offenbart ein
Verfahren zum Bestimmen des mit dem Betrieb eines Reifens aufgrund
des Kontaktes seiner Lauffläche
mit einer Straßenoberfläche verbundenen
Pegels an unerwünschtem Geräusch, welches
enthält:
Digitalisieren des Laufflächenprofils
als vielfache Matrixelemente in einem Koordinatensystem in der Weise,
daß in
Kontakt mit dem Straßenbelag
stehende, lasttragende Abschnitte der Lauffläche bestimmt werden und diese
in binärer
Form von den Abschnitten der Lauffläche unterschieden werden, die
nicht mit dem Straßenbelag
in Berührung
stehen; Bestimmen eines allgemein gekrümmten Profils einer Vorder-
bzw. Hinterkante einer Aufstandsfläche der Lauffläche durch
Anpassen einer Gleichung an die Kante; sequentielles Durchführen der
Summation über
die gesamte Zeit des von jedem Matrixelement erzeugten Geräusches über jedes
Matrixelement auf der gesamten Umfangsfläche; Konvertieren der Abfolge
der Summationen in ein periodisches Analogsignal; Umwandeln des
Analogsignals in Schall; und Analysieren des Schalls mit dem Gehör. In einem
vereinfachten Fall werden 0'en
und 1'en entlang
wenigstens einer Aufstandsflächenkante
sequentiell entlang des Umfanges des Reifens aufsummiert. Das System
erfordert lediglich ein Mittel zum Digitalisieren des Laufflächenprofils,
einen Computer zum Ausführen
der erforderlichen Verarbeitungen der Daten und ein Mittel zum Umwandeln
eines digitalen Signals in ein analoges Signal. Wenn ein Laufflächenprofil
subjektiv ausgewählt
worden ist, von dem angenommen wird, daß es einen akzeptablen Geräuschpegel
hat, werden dann Rippen relativ zueinander verdreht, um einen verbesserten
Laufflächengeräuschpegel
zu erhalten.
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Dies ist eine hergebrachte Technik,
die gesamte Abschnittabfolge (pitch sequence) eines Reifens zu analysieren.
So ist es eine angegebene Aufgabe dieses Standes der Technik, ein
Laufflächenprofil
mittels eines Verfahrens zu finden, welches den Schritt des wiederholten
Aufsummierens der Geräusch
erzeugenden Funktionen entlang des Aufstandsflächen-Kantenprofils über den Umfang der Lauffläche enthält, um eine Mehrwertigkeit
der Summation zu erhalten. So wird, wenn das vorgeschlagene Laufflächenprofil
mathematisch als eine zweidimensionale Matrix dargestellt wird,
angemerkt, daß „der von
der Kante der Aufstandsfläche
erzeugte Schall nunmehr als die Summation über jedes Matrixelement über die
Gesamtheit der Zeit ausgedrückt werden
kann".
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Die Lauffläche von herkömmlichen
Fahrzeugreifen enthält
typischerweise eine Vielzahl Last tragender Laufflächenblockelemente,
die durch ein Netzwerk von Einschnitten getrennt sind. Die Laufflächenblockelemente
sind entlang des Reifenumfanges in einem Muster angeordnet. Wenn
der Reifen über
eine Straßenoberfläche abrollt,
bewegen sich die Laufflächenblockelemente
in Eingriff mit der Straßenoberfläche und
wieder aus diesem heraus, was Störungen
in den umgebenden Luftmolekülen
verursacht, welche Schall erzeugen. Für jedes vorgegebene Laufflächenprofil
wird eine bestimmte Menge an akustischer Energie erzeugt. Es wurde
gefunden, daß die
Verteilung der akustischen Energie über das Audio-Frequenzspektrum
zumindest teilweise durch die Geometrie der Laufflächenblockelemente
und Einschnitte gesteuert wird. Wo Laufflächenblockelemente von gleichbleibender
Abschnittlänge
(pitch length) verwendet worden sind, die einen Reifen vollständig umgeben,
wurde der erzeugte Schall von einer einzigen Frequenz und deren
Obertönen
dominiert, d. h. ein Hauptanteil des erzeugten Schalls ist in einer
kleinen Frequenzspanne des Audio-Frequenzspektrums konzentriert.
Diese tonale Konzentration kann in hohem Maße störend für die Insassen des Fahrzeuges sein,
an dem der Reifen montiert ist.
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Es wurden viele Bemühungen auf
die Verringerung unerwünschter
Reifengeräusche
gerichtet, wobei ein Schwerpunkt auf der Verteilung der von der
Reifenlauffläche
erzeugten Energie über
das Audio-Frequenzspektrum lag, um so die unerwünschte tonale Konzentration
zu verringern. Eine als „Pitching" bekannte Technik
verwirklicht dies, indem die Länge,
d. h. der Abschnitt, der Profilabfolge der Lauffläche des
Reifens entlang dessen Umfanges, variiert wird, mit dem Ergebnis
eines Reifen-Laufflächenprofils
mit variablen Abschnitten. Die Profilabfolge ist ein repräsentativer
Abschnitt der Lauffläche,
welcher typischerweise in der Umfangsrichtung zumindest ein Laufflächenblockelement
aufweist sowie einen sich im allgemeinen quer erstreckenden Einschnitt.
Zum Zwecke der praktischen Herstellung der Formen für die Reifen
besteht der Umfang des Reifens aus einer ganzzahligen Anzahl von
Profilabfolgen. Die Längen
der Profilabfolgen können
in zufälliger
oder in vorgewählter,
algorithmischer Weise variiert werden, um das hörbare Geräusch über das gesamte Frequenzspektrum
zu verteilen.
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Um die hohen Kosten des Herstellens
und Testens von Reifen mit unterschiedlichen Laufflächenprofilen
zu vermeiden, werden Computersimulationen verwendet, um Analysen
der Laufflächenprofile
durchzuführen.
Eine gängige
Technik in der Reifenindustrie hinsichtlich der Analyse der Abschnittabfolge
besteht darin, das Fourierspektrum der gesamten Abschnittabfolge
zu betrachten. Siehe z. B. SAE Schrift 951352 mit dem Titel „Tire Tread
Pattern Noise Reduction Through the Application of Pitch Sequencing". Eine solche Technik ergibt
aussagekräftige
Informationen über
die akustische Ausgabe einer Abschnittabfolge eines Reifens, welche
bei der Aufgabe, unerwünschte
Reifengeräusche
zu vermindern, helfen. Dies ermöglicht
es, daß verschiedene
Abschnittabfolgen analysiert werden, um eine optimale Abschnittabfolge
zu identifizieren, die dann auf einen Testreifen für eine tatsächliche
physikalische Erprobung angewendet werden kann.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft
eine verfeinerte Technik zum Abschätzen des harmonischen Anteils eines
Laufflächenprofils
und insbesondere einer Abschnittabfolge eines Reifens. Anstatt das
Fourierspektrum der gesamten Abschnittabfolge eines Reifens zu analysieren,
wird der harmonische Anteil der Abschnittabfolge als eine Funktion
von Positionen entlang der Abfolge, d. h. entlang des Umfanges der
Reifenlauffläche,
erhalten und analysiert. Diese Information über den lokalisierten harmonischen
Anteil kann verwendet werden, um das Geräuschverhalten einer bestimmten
Reifenlauffläche
abzuschätzen,
und kann ferner als ein Kriterium zum Auswählen einer optimalen Abschnittabfolge
für die
Reifenlauffläche
im Zusammenhang mit anderen Verhaltenskriterien, wie z. B. Traktion,
Laufflächenverschleiß etc.,
verwendet werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird das Fourierspektrum für eine Anzahl kleiner Abschnitte
der Reifen-Abschnittabfolge
gewonnen, bis die gesamte Reifen-Abschnittabfolge
analysiert ist. Dies führt
zu Vorteilen gegenüber
dem Stand der Technik, welcher lediglich ein gemitteltes Fourierspektrum für die gesamte
Abfolge gewonnen hat. Z. B. ermöglicht
die Erfindung die Analyse des harmonischen Anteils bestimmter Abschnitte
der Reifen-Abschnittabfolge,
was einen Einblick in die Fluktuationen unterschiedlicher harmonischer
Komponenten als eine Funktion der Position der Abfolge bietet.
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Somit wird gemäß einem Aspekt der Erfindung
ein Verfahren zum Abschätzen
des harmonischen Anteils einer Laufflächen- Abschnittabfolge angegeben, wie es in
Anspruch 1 beansprucht wird.
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Gemäß einem anderen Aspekt der
Erfindung wird ein Verfahren zum Gestalten einer Reifenlauffläche, wie
in Anspruch 7 beansprucht, angegeben.
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Die vorhergehenden und andere Merkmale
der Erfindung werden nachfolgend ausführlich beschrieben und insbesondere
in den Ansprüchen,
der nachfolgenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen, die im Detail
eines oder mehrere veranschaulichende Ausführungsbeispiele der Erfindung
darstellen, als solche jedoch lediglich für einen oder einige wenige
der verschiedenen Wege stehen, auf denen die Prinzipien der Erfindung
angewendet werden können,
herausgestellt.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine Aufsicht auf eine Aufstandsfläche eines Reifen.
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2 zeigt
in schwarz und weiß ein
Spektogramm einer Reifen-Abschnittabfolge.
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3 zeigt
eine exemplarisch simulierte Abschnittabfolge, wobei die Darstellung
von Domänen
entlang des Umfanges durch Impulse geschieht, deren Abstände zu den
durch die Abfolge bestimmten Längen des
Abschnittes proportional sind.
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4 zeigt
die Abschnittabfolge aus 3 in
einer räumlichen
(Zeit) Domänen-Darstellung.
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Ausführliche
Beschreibung der Erfindung
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Es wird nun ausführlich auf die Zeichnungen
Bezug genommen, wobei die Darstellungen lediglich der Darstellung
von Beispielen und einer bevorzugen Ausführungsform der Erfindung dienen
und nicht einer Beschränkung
der letzteren. 1 zeigt
eine beispielhafte Aufsicht auf eine Reifenlauffläche mit
in Umfangsrichtung durchgehenden Reifenlaufflächenabschnitten A und B auf
gegenüberliegenden
Seiten der Umfangsmittellinie 10 des Reifen. Die Reifenlaufflächenabschnitte
A und B sind in einer Form mit Formhälften, die entlang einer die
Form teilenden Linie, die der Umfangsmittellinie 10 entspricht,
zusammenpassen, geformt. Die Formhälften sind entlang der die
Form teilenden Linie gegeneinander verdrehbar, so daß die Reifenabschnitte
A und B in Umfangsrichtung gegeneinander verschoben werden können. Eine
solche Rotation ermöglicht
es, unerwünschte
Geräuschereignisse
phasenverschoben zueinander anzuordnen, so daß solche unerwünschten Geräuschereignisse
nicht verstärkt
werden. Diese und andere Vorteile der Formrotation zum Unterdrücken von Reifengeräuschen sind
auf dem Fachgebiet wohl bekannt.
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Die Reifenlauffläche aus 1 hat Laufflächenelemente, die einer Profilabfolge
entsprechen und in einer Abschnittabfolge angeordnet sind, die allgemein
durch Abschnitte a–j
angezeigt wird. Diese haben zumindest zwei verschiedene Längen und
haben vorzugsweise mehr als zwei unterschiedliche Längen. Die
Frequenz, in der die Reifenlaufflächenelemente auf einen Untergrund
auftreffen, wenn der Reifen bei einer vorgegebenen Geschwindigkeit
abrollt, ist durch die Längen
der Abschnitte und durch die Laufflächen-Abschnittabfolge bestimmt.
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Die Laufflächenelemente sind vorzugsweise
um den Umfang des Reifens in einer Abfolge angeordnet, die zum Unterdrücken von
Geräuschen
gestaltet ist. Wie oben aufgezeigt, können die Laufflächenelemente unterschiedliche
Abschnittlängen
haben. Obwohl es vorteilhaft wäre,
wenn jedes Laufflächenelement
eine Abschnittlänge,
d. h. eine Länge
in Umfangsrichtung, hat, welche verschieden ist von jeder anderen
Abschnittlänge,
geben Überlegungen
hinsichtlich der Herstellung und der Kosten für gewöhnlich die Verwendung einer begrenzten
Anzahl unterschiedlicher Längen,
typischerweise 3 bis 7 unterschiedlicher Längen, vor, welche dann in einer
durchmischten Abschnittabfolge angeordnet werden, um Reifengeräusche zu
unterdrücken.
Z. B. kann ein Reifen sieben verschiedene mit 1 bis 7 numerierte
Abschnittlängen
verwenden, und die Abschnittabfolge für Abschnitt A des Reifens kann
sein:
21111262115133363244766236642676552122347734211233454257315151
451267464, während
die Abschnittabfolge für
Abschnitt B dieselbe Abfolge in umgekehrter Reihenfolge sein kann.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
wird der harmonische Anteil bestimmter Teile der Abschnittabfolge abgeschätzt, indem
eine simulierte Darstellung der Abschnittabfolge verwendet wird,
die hier als eine Geräuschabfolge
bezeichnet wird. Der lokalisierte harmonische Anteil kann erhalten
werden, indem bekannte Techniken der Spektralanalyse verwendet werden,
inklusive der Kurzzeit-Fouriertransformation (STFT) und der Wigner-Ville-Verteilung
und Wavelet-Transformationen. Insbesondere kann der harmonische
Anteil bestimmter Abschnitte einer Geräuschabfolge unter Verwendung
der STFT abgeschätzt
werden: STFT(τ,
f) = ∫x(t)g(t – τ)exp(–2 jπft)dt
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Das Fourierspektrum wird für eine Anzahl
kleiner Abschnitte des Abfolgesignals genommen, in einem durch g(t – τ) vorgegebenen
Fenster, bis die gesamte Abfolge analysiert ist. Diese Analyse behandelt
die Geräuschabfolgensignale
als nichtstationäre
Signale, gekennzeichnet durch wechselnde Eigenschaften in dem harmonischen
(bzw. Frequenz-) Anteil abhängig
von der Umfangsposition (bzw. der Zeit). Dies führt zu einer Umfang-Harmonische-Verteilung,
welche in Form eines Spektogramms dargestellt werden kann. Ein beispielhaftes
Spektogramm ist in
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2 dargestellt,
mit der Umfangsposition auf der x-Achse, der Obertonzahl auf der
y-Achse und der durch die Farbe wiedergegebenen Amplitude (in 2 ist das Spektogramm, welches
normalerweise farbig ist, in schwarz-weiß wiedergegeben, wobei unterschiedliche
Farben gemäß der in 2 rechts gezeigten Skala
durch unterschiedliche Graustufen dargestellt sind). Es können auch
Wasserfall-Ausdrucke (waterfall plots) verwendet werden, um eine ähnliche
Ausgabe zu erhalten.
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Unabhängig von der Art und Weise,
in der die Umfang-Harmonische-Verteilung
für eine
visuelle Analyse angezeigt oder für eine Computeranalyse ausgegeben
wird, können
lokalisierte Bereiche starken Geräusches bestimmt und insbesondere
zugehörigen
Orten auf der Reifenabschnittabfolge zugeordnet werden. Lokalisierte
Bereiche starken Geräuschs
können
zu unerwünschten
Reifengeräuschen
führen.
Die lokalisierte Geräuschinformation
kann verwendet werden, um bestimmte Bereiche für eine weitere Geräuschbehandlung zu
identifizieren, um miteinander konkurrierende Abschnittabfolgen
hinsichtlich ihres Geräuschverhaltens
zu beurteilen, etc.
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Ein bevorzugter Ablauf zum Abschätzen des
harmonischen Anteils eines bestimmten Abschnitts einer Abschnittabfolge
wählt ein
für die
Abschnittabfolge repräsentatives
Abfolgesignal. 3 zeigt
eine beispielhafte Darstellung einer simulierten Abschnittabfolge
von in Umfangsrichtung genommenen Domänen, welche aus Impulsen besteht,
deren Abstand proportional zu den durch die Abfolge bestimmten Abschnittlängen ist.
Das heißt,
der Abstand zwischen benachbarten Linien entspricht der Abschnittlänge des
Elementes an der entsprechenden Stelle auf dem Umfang des Reifens,
bezeichnet durch die Anzahl an Graden ausgehend von einem willkürlichen
Bezugspunkt. Dieselbe Abschnittabfolge ist in 4 als eine räumliche (Zeit) Domänendarstellung
gezeigt. Es soll verstanden werden, daß das dargestellten Impuls-Funktionssignal
eine vereinfachte (obgleich nützliche)
Simulation zum Zwecke der Erläuterung
der Methodik der vorliegenden Erfindung ist und daß andere
Darstellungen von Wellenformen, wie bspw. rechteckige, sinusförmige und
Sägezahn-Wellenformen, ebenfalls
verwendet werden können.
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Das Abfolgesignal wird dann unter
Verwendung von STFT verarbeitet, um entlang des Umfanges des Reifens
die Harmonischen und die Amplituden zu erhalten. Dies kann unter
Verwendung der von der MathWorks, Inc., 24 Prime Park Way, Natick,
MA erhältlichen
Software MATLAB durchgeführt
werden.
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Insbesondere wird die MATLAB specgram-Funktion
verwendet, um den umfangsabhängigen
harmonischen Anteil des Abfolgesignals zu erhalten. Die specgram-Funktion
berechnet das Spektogramm für
das zu transformierende Signal und hat als Eingabewerte:
| a | das
zu transformierende Signal |
| nfft | die
FFT-Länge,
z. B. 1024 |
| Fs | die
Abtastfrequenz, z. B. 2048 |
| window | die
Windowing-Funktion und deren Länge,
z. B. hamming(1024) |
| nooverlap | die
Anzahl der Proben, um die die Abschnitte überlappen, z. B. 1000 |
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Ein Beispiel für die Software-Routine ist
wie folgt:
specgram der Abschnittabfolge (pitch sequence) cadseq
sequence = [seg1;seq1;seq1];
[B, F, T] = specgram (sequence,
1024, 2048, hamming (1024) , 1000); imagesc (3*(T/max ()), F(2 :
200), (200000*abs(B(2 : 200,:))), [0 3e4]);
xlabel('revolutions');ylabel('harmonics');title(name);axis
([0 3 0 200]) colormap('hot'); colorbar;
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In dem obigen Beispiel wird das Impulsfunktionssignal
(seg1) zweimal mit sich selbst verbunden, so daß ein Signal erzeugt wird,
welches drei Reifenumdrehungen wiedergibt. Das Drei-Abfolge-Signal wird
dann unter Verwendung des specgram-Programms verarbeitet.
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In 2 sind
die harmonischen Segmente entlang der y-Achse angeordnet, wobei
jedes eine Abschätzung
der lokalisierten Amplitude entlang des Umfanges des Reifens, welcher
auf der x-Achse
dargestellt ist, enthält.
Wie oben aufgezeigt, ist das Spektrogramm normalerweise farbig dargestellt
mit unterschiedlichen Farben, die unterschiedliche Amplituden darstellen.
In 2 sine die Amplituden
unter Verwendung einer in 2 rechts
gezeigten Graustufenskala gezeigt. Wie dargestellt geben in dem
Spektrum die weißeren
(weniger grauen) Bereiche große
Amplituden und damit „hot
Spots" wieder. In
dem dargestellten Spektrogramm treten „hot spots" bei der 78.–80. Oberwelle und bei der
174.–176.
Oberwelle auf.
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Es wird abgeschätzt, daß der harmonische Anteil der
Laufflächen-Abschnittabfolge
die Abschnitte mit hohen Amplituden identifiziert. Dieser Identifizierungsschritt
kann eine Bestimmung der Anzahl an Amplitudenabschnitten beinhalten,
die ein vorbestimmtes Kriterium übersteigen,
und ein anschließendes
Bewerten des gesamten harmonischen Anteils der Laufflächen-Abschnittabfolge
als eine Funktion einer solchen Anzahl. Die lokalisierte Amplitudeninformation
kann, entweder visuell oder mathematisch, mit empirischen Daten
verglichen werden, um Kriterien für die Abschätzung des Geräuschverhaltens
eines Reifens zu entwickeln. Zum Beispiel werden große Bereiche
mit hohen Amplituden und/oder eine Vielzahl von Bereichen mit hoher
Amplitude mit sehr hoher Sicherheit einen geräuschvollen Reifen anzeigen,
insbesondere, im Vergleich zu einem Spektogramm mit sehr wenigen
oder keinen Bereichen mit hoher Amplitude. Auch kann das Spektrogramm
verwendet werden, um einen bestimmten Bereich der Abschnittabfolge
zu lokalisieren, welcher laut ist, woraufhin eine Modifikation der
Abschnittabfolge in diesem Bereich durchgeführt werden kann, um die aus
diesem Bereich herrührenden
Geräusche
zu reduzieren.
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Obwohl die Erfindung im Hinblick
auf ein bestimmtes, bevorzugtes Ausführungsbeispiel bzw. solche Ausführungsbeispiele
beschrieben worden ist, ist klar, daß anderen Fachleuten beim Lesen
und Verstehen dieser Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen äquivalente
Abwandlungen und Modifikationen in den Sinn kommen werden. Unter
besonderer Berücksichtigung
der verschiedenen von den oben beschriebenen Elementen (Komponenten,
Anordnungen, Vorrichtungen, Zusammensetzungen, etc.) erfüllten Funktionen, sollen
die zum Beschreiben derartiger Elemente verwendeten Ausdrücke (inklusive
eine Bezugnahme auf ein „Mittel"), sofern nicht anders
bestimmt, jedwedem Element entsprechen, welches die erläuterte Funktion
des beschriebenen Elementes ausführt
(d. h., welches funktionell äquivalent
ist), auch wenn es zu der offenbarten Struktur nicht strukturell äquivalent
ist, welche die Funktion in der hier beschriebenen, beispielhaften
Ausführungsform
bzw. den Ausführungsformen
der Erfindung ausführt.
Zudem kann, während
ein besonderes Merkmal der Erfindung im Vorstehenden lediglich hinsichtlich
nur eines von mehreren dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben
worden sein kann, ein solches Merkmal mit einem oder mehreren anderen
Merkmalen der anderen Ausführungsformen
kombiniert werden, wie es gerade für eine beliebige vorgegebene
bzw. spezielle Anwendung wünschenswert
und vorteilhaft sein kann.