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Die Erfindung betrifft eine Winkelmesseinrichtung für einen rotatorisch angetriebenen Linearaktor sowie einen rotatorisch angetriebenen Linearaktor, insbesondere für einen Kupplungsaktor, einen Kupplungsaktor und eine Reibkupplung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug.
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Aus dem Stand der Technik sind Linearaktoren, insbesondere Spindelaktoren, für hydrostatische Gebereinheiten bekannt, insbesondere für eine Betätigungseinrichtung einer Reibkupplung eines Kraftfahrzeugs. Zum Beispiel sind hydrostatische Gebereinheiten als Kupplungsaktoren zum hydraulischen Betätigen einer Reibkupplung bekannt, welche hierfür den Geberzylinder eines hydrostatischen Betätigungssystems umfassen. Bei einem hydrostatischen Kupplungsaktor ist in der Regel ein Geberzylinder zur Aufnahme einer hydraulischen Flüssigkeit vorgesehen, wobei das Aufnahmevolumen mittels eines Geberkolbens veränderbar ist. Der Geberkolben wird in dem Geberzylinder translatorisch bewegt, sodass das Aufnahmevolumen des Geberzylinders verändert wird. Zum Steuern der Volumenänderung wird bevorzugt ein rotatorischer, bevorzugt elektrischer, Antrieb verwendet und die rotatorische Bewegung mittels eines Spindeltriebs in eine translatorische Bewegung des Geberkolbens übersetzt. In einer Variante wird eine rotatorisch fixierte Spindelmutter mittels einer Antriebsspindel translatorisch bewegt. Hierzu wird beispielsweise auf die
DE 10 2010 047 801 A1 verwiesen. Eine andere Variante ist aus der
WO 2011/050 766 A1 bekannt, bei welcher in einem Geberzylinder ein Geberkolben angeordnet ist, welcher mit einer Antriebsspindel translatorisch fixiert ist, wobei der rotatorische Antrieb, darin mittels eines Planeten-Wälz-Getriebes (PWG), diese Rotation in eine translatorische Bewegung der Antriebsspindel und damit des Geberkolbens übersetzt wird.
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Um die Lage des Linearaktorelements (zum Beispiel einer Spindelmutter oder einer Antriebsspindel) eines Linearaktors, zum Beispiel des Geberkolbens, zu steuern beziehungsweise zu regeln, wird im Stand der Technik beispielsweise ein translatorischer Absolutwegsensor zur Messung der translatorischen Absolutwegposition direkt an des Linearaktorelements eingesetzt. Solch ein Absolutwegsensor kann durch direkte (lineare) Messung im Betrieb zu jedem Zeitpunkt eindeutig feststellen, an welcher Position sich das Linearaktorelement befindet, ohne dass hierzu eine weitere Referenz benötigt wird. Der Absolutwegsensor ist teuer und zudem meist nur räumlich getrennt von der Messelektronik und daher oftmals über bauraumintensive zusätzliche Steckverbindungen und/oder aufwendigere Kapselungen in einen Linearaktor integrierbar.
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Weiterhin ist eine Konfiguration bekannt, bei der lediglich ein Rotorlagesensor (oder Winkelsensor) vorgesehen ist. Hierbei wird auf der Ebene der Ausleseelektronik beziehungsweise der Auswerteelektronik inkrementell durch Zählen jeder vollständigen Umdrehung des rotatorischen Antriebs und indirekt mittels Berechnens des geometrischen Zusammenhangs zwischen der Gewindesteigung und der relativen translatorischen Verschiebung zwischen Spindelmutter und Antriebsspindel auf die Position des Linearaktorelements geschlossen. Bei dieser Konfiguration ist es notwendig, zumindest einen Referenzanschlag oder einen Referenzsensor vorzusehen, bei welchem eine Nullposition definiert wird. Das bedeutet, dass bei einem (Speicher-)Verlust der Steuerung beziehungsweise bei einem Fehler beim Zählen der vollständigen Umdrehungen, und damit Verlust des Relativbezugs zum Referenzanschlag, der Referenzanschlag oder Referenzsensor angefahren werden muss. Dabei wird ein hoher Zeitverbrauch benötigt, insbesondere wegen eines meist notwendigen zusätzlichen Plausibilisierungsvorgangs. Der Plausibilisierungsvorgang ist zum Beispiel notwendig, um eine mögliche Schwergängigkeit oder andere Anschläge von dem Referenzanschlag sicher unterscheiden zu können. Nachteilig ist hierbei auch, dass die mechanischen Anforderungen an einen solchen Aktor besonders hoch sind, weil eine hohe Laufgüte und eine hohe Anschlagfestigkeit für den Referenzanschlag benötigt werden.
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Weiterhin sind indirekt auslesende Systeme bekannt, bei welchen angetriebene Messwellen zum Auslesen genutzt werden. Solche Systeme können derart eingerichtet werden, dass kein Referenzanschlag benötigt wird, weil jeder Winkelstellung, bevorzugt über den gesamten Verfahrweg des Linearaktorelements, ein eindeutiger Messwert zugeordnet ist. Insbesondere bei Linearaktoren, bei welchen ein zentrales Bauteil (zum Beispiel eine translatorisch bewegte Antriebsspindel) es verhindert, dass ein zentraler mit dem Rotor mitlaufender Messmagnet angeordnet wird, wird bisher zumindest eine mechanisch verbundene außerachsige Messwelle eingesetzt. Dadurch werden Ungenauigkeiten der mechanischen Übertragung, zum Beispiel mittels Zahnräder, in Kauf genommen und/oder es sind eine hohe Fertigungspräzision und Montagepräzision erforderlich.
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Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise zu überwinden. Die erfindungsgemäßen Merkmale ergeben sich aus den unabhängigen Ansprüchen, zu denen vorteilhafte Ausgestaltungen in den abhängigen Ansprüchen aufgezeigt werden. Die Merkmale der Ansprüche können in jeglicher technisch sinnvollen Art und Weise kombiniert werden, wobei hierzu auch die Erläuterungen aus der nachfolgenden Beschreibung sowie Merkmale aus den Figuren hinzugezogen werden können, die ergänzende Ausgestaltungen der Erfindung umfassen.
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Die Erfindung betrifft eine Winkelmesseinrichtung für einen rotatorisch angetriebenen Linearaktor, insbesondere für einen Kupplungsaktor, welche zumindest die folgenden Komponenten aufweist:
- – ein Rotorelement mit einer Rotationsachse, welches konzentrisch angeordnet mit einem Rotor eines rotatorischen Antriebs für ein axial bewegliches Linearaktorelement mitdreht;
- – eine erste relativ zum Rotorelement fixierte Messmagnetanordnung mit einer Polarisierung, wobei die Polarisierung derart ausgerichtet ist, dass aus zumindest einer Messposition ermittelbar die magnetischen Feldlinien mit einer Drehung des Rotorelements winkel-eindeutig veränderlich sind;
- – an einer der Messpositionen einen 360°-Sensor zum Erfassen von Winkelstellungen (ausgehend von einer vorbestimmten Nullwinkelstellung) basierend auf der Messmagnetanordnung;
- – an einer der Messpositionen einen Umdrehungszählsensor zum Erfassen von einer absoluten Anzahl von zurückgelegten Umdrehungen (ausgehend von einer vorbestimmten axialen Nullposition) basierend auf der Messmagnetanordnung.
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Die hier vorgeschlagene Winkelmesseinrichtung ist vor allem dazu eingerichtet, die aktuelle Winkelstellung eines rotatorischen Antriebs eines Linearaktors zu erfassen. Hierbei ist vor allem angestrebt, eine absolute Winkelstellung zu erfassen, welche größer als 360° ist.
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Die vorgeschlagene Winkelmesseinrichtung ist insbesondere für solche Linearaktoren geeignet, welche ein Linearaktorelement aufweisen, welches winkeltreu eine lineare Bewegung ausführt. Das heißt, dass jeder Winkelstellung eine aktuelle axiale Position des Linearaktorelements ausreichend genau mechanisch sichergestellt zugeordnet ist. Ein solches Linearaktorelement ist beispielsweise eine Antriebsspindel oder eine Spindelmutter, wobei die Spindelmutter ein Kugelgewindetrieb oder ein steigungstreues Planeten-Wälz-Getriebe umfasst. Bei einem solchen Einsatz der Winkelmesseinrichtung ist auch bei hoher erforderlicher Stellpräzision kein zusätzlicher Messaufwand zur Erfassung der axialen Position des Linearaktorelements notwendig. Vielmehr wird die aktuelle absolute axiale Position des Linearaktorelements indirekt über die Erfassung des vorliegenden absoluten Winkels (bei einem Winkelbereich von größer 360°) mittels der Winkelmesseinrichtung berechnet. Besonders bevorzugt findet ein solcher Linearaktor Einsatz als Kupplungsaktor für eine Reibkupplung, bei welcher sehr präzise die aktuelle axiale Lage des Linearaktorelements, also zum Beispiel des Geberkolbens, insbesondere bei einem hydrostatischen Kupplungsaktor, erforderlich ist, um den Anforderungen an ein Kupplungsverhalten einer Reibkupplung gerecht zu werden.
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Die Winkelmesseinrichtung umfasst hierbei ein Rotorelement, welches mit dem rotatorischen Antrieb konzentrisch mitdreht. Besonders bevorzugt ist das Rotorelement einstückig mit dem Rotor des rotatorischen Antriebs ausgebildet.
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Weiterhin ist eine Messmagnetanordnung vorgesehen, deren magnetische Feldlinien zur Erfassung der Winkelstellung des Rotorelements mittels zumindest eines Sensors eingerichtet sind. Hierzu ist die Messmagnetanordnung mit dem Rotorelement fixiert und die Feldlinien verlaufen derart, dass aus einer Messposition die Winkelstellung des Rotorelements eindeutig erfassbar ist. Beispielsweise verläuft zumindest ein Teil der Feldlinien in einer Ebene, zu welcher die Rotationsachse des Rotorelements normal, also orthogonal, ausgerichtet ist. Beispielsweise sind der Nordpol und der Südpol einander 180° versetzt entlang eines Durchmessers des Rotorelements, also diametral zueinander, angeordnet. Die Winkelmesseinrichtung umfasst hierbei an einer (ersten) Messposition, also an welcher also die magnetischen Feldlinien zur eindeutigen Bestimmung der Winkelstellung des Rotorelements erfassbar ist, einen 360°-Sensor, welcher auch als Single-Turn-Sensor bezeichnet wird. Dieser erfasst innerhalb einer einzigen vollen Umdrehung (360°) die aktuelle Winkelstellung des Rotorelements für die Regelung beziehungsweise Steuerung ausreichend feinteilig. Der 360°-Sensor ist jedoch ohne zusätzliche (zählende) Messelektronik nicht in der Lage zu erkennen, die wievielte Umdrehung ausgehend von einer vorbestimmten axialen Nullposition vorliegt. Der 360°-Sensor erfasst lediglich Werte zwischen 0° und 360°, sodass beispielsweise 361° als 1° erfasst und ausgegeben wird.
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Weiterhin ist ein Umdrehungszählsensor vorgesehen, welcher an einer (zweiten) Messposition, bevorzugt abweichend von der (ersten) Messposition des 360°-Sensors, dazu eingerichtet ist, ausgehend von einer vorbestimmten axialen Nullposition kumulativ die absolute Anzahl der zurückgelegten Umdrehungen zu erfassen. Der Umdrehungszählsensor wird auch als Multi-Turn-Sensor bezeichnet. Der Umdrehungszählsensor ist dabei derart eingerichtet, dass keine zusätzliche Messelektronik notwendig ist, um die absolute Anzahl der zurückgelegten Umdrehungen zu erfassen. Vielmehr ist der Umdrehungszählsensor vergleichbar mit einem Speicher, welcher mittels einer positiven Umdrehungsrichtung aufgeladen und mittels einer negativen Umdrehungsrichtung entladen wird, sodass der aktuelle Beladungszustand des Speichers, also des Umdrehungszählsensors, einen messtechnisch eindeutig auslesbare Umdrehungsanzahl wiedergibt. Bei einem Ausfall einer Stromversorgung und/oder der Ausleseelektronik beziehungsweise Auswerteelektronik ist die absolute Anzahl der anliegenden Umdrehungen nicht verloren und weiterhin auslesbar.
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Eine vorbestimmte axiale Nullposition wird beispielsweise bei der Montage festgelegt. Die vorbestimmte axiale Nullposition ist bevorzugt die vollständig zurückgefahrene oder vollständig ausgefahrene Position entlang des (maximalen) Verfahrwegs eines Linearaktorelements.
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Die Polarisierung beziehungsweise die Ausrichtung der Feldlinien ist bevorzugt derart eingerichtet, dass eine kürzeste Nord-Süd-Verbindungsfeldlinie ausgehend von einer vorbestimmten Nullwinkelstellung parallel zu einer diametralen Linie zur Rotationsachse durch 0° und 180° verläuft. Die vorbestimmte Nullwinkelstellung liegt bevorzugt bei einer vorbestimmten axialen Nullposition gemäß der vorhergehenden Beschreibung vor.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Winkelmesseinrichtung umfasst die Messmagnetanordnung einen Ringmagnet, welcher konzentrisch zu der Rotationsachse des Rotorelements angeordnet ist.
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Insbesondere bei Linearaktoren, bei welchen ein zentrales Bauteil (zum Beispiel eine translatorisch bewegte Antriebsspindel) es verhindert, einen zentralen mit dem Rotor mitlaufenden Messmagnet anzuordnen, wird hier vorgeschlagen, zum Beispiel für die Motorkommutierung für den rotatorischen Antrieb, eine Messmagnetanordnung mit einem Ringmagnet zu verwenden. Damit ist mit geringem Aufwand mittels eines 360°-Sensors, bevorzugt an einer einzigen Messposition, zu jederzeit die aktuelle Winkelstellung erfassbar. Zum Beispiel für eine Anordnung mit besonders geringer Raumforderung ist der Ringmagnet auch für die Erfassung der absoluten Anzahl zurückgelegter Umdrehungen mittels des Umdrehungszählsensors einsetzbar.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Winkelmesseinrichtung umfasst die Messmagnetanordnung ein Messmagnetepaar mit zwei Paarmagneten, welches für den Umdrehungszählsensor vorgesehen ist, wobei die Paarmagnete (des Messmagnetepaars) auf einem zur Rotationsachse konzentrischen Ring, bevorzugt jeweils einander gegenüberliegend, angeordnet sind und deren Polarisierung gleichweisend ausgerichtet ist.
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Der konzentrische Ring muss dabei nicht ein Konstruktionselement sein, sondern kann auch ein gedachter Ring, bevorzugt mit dem die Rotationsachse des Rotorelements schneidenden Durchmesser des Abstands zwischen den jeweiligen Paarmagneten eines Messmagnetepaars, gebildet sein. Aufgrund der gleichweisenden Ausrichtung sind bei einem der Paarmagnete der Südpol nach radial innen und der Nordpol nach radial außen ausgerichtet und beim anderen Paarmagnet umgekehrt der Südpol nach radial außen und der Nordpol nach radial innen ausgerichtet.
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Für viele Anwendungen, insbesondere mit einer axial bewegten Antriebsspindel, ist die Bestimmung der Absolutwinkelstellung mittels Umdrehungszählsensor eine offaxis Bauweise nötig, das heißt, der Umdrehungszählsensor befindet sich parallel und beabstandet zur Zentralachse des Rotors. Das magnetische Feld eines Ringmagneten ist für viele Anwendungen aufgrund des bauraumbedingten Abstands zwischen dem Ringmagneten und dem Umdrehungszählsensor eine sichere Funktion des Umdrehungszählsensors nicht genau genug, weil für einen Ringmagneten nur ein enges Band an magnetischer Feldstärke möglich ist. Infolge der in einer Drehrichtung wechselnden erfassten Polarisierung der abwechselnd den Umdrehungszählsensor passierenden Paarmagnete wird der Umdrehungszählsensor entsprechend aufgeladen beziehungsweise entladen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Winkelmesseinrichtung ist zumindest ein relativ zum Umdrehungszählsensor fixiertes magnetisierbares Leitblechpaar vorgesehen, wobei die Leitbleche des Leitblechpaars relativ zu dem zumindest einen Messmagnet der Messmagnetanordnung derart angeordnet sind, dass sie mittels des zumindest einen Messmagneten jeweils entgegengesetzt polarisierbar sind, bevorzugt mittels jeweils eines der Paarmagnete des Messmagnetepaars gemäß der vorhergehenden Beschreibung.
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Die meisten Umdrehungszählsensoren reagieren empfindlich auf eine Veränderung der magnetischen Flussdichte. Die magnetische Flussdichte nimmt materialabhängig mit dem Abstand ab. Der Rotor, insbesondere ein elektrischer Antrieb, weist häufig axiales Spiel auf. Das mit dem Rotor verbundene Rotorelement weist damit ebenfalls axiales Spiel auf. Damit kann die vom Umdrehungszählsensor erfassbare magnetische Feldstärke schwanken. In vielen Fällen, insbesondere für eine kostengünstige Fertigung ohne teure axiale Verspannung des Rotors, ist die Schwankung so groß, dass der Umdrehungszählsensor zumindest über den gesamten Verfahrweg keine zuverlässigen Daten ausgibt.
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Hier wird nun vorgeschlagen, die magnetische Flussdichte allein mittelbar über ein magnetisierbares Leitblechpaar hin zum Umdrehungszählsensor die Abnahme der magnetischen Flussdichte durch das leitende Material zu verringern. Die Leitbleche sind dabei bevorzugt radial und axial möglichst nah an, und besonders bevorzugt teilweise axial überlappend mit, zumindest einem für diesen Umdrehungszählsensor eingerichteten Messmagneten der Messmagnetanordnung, bevorzugt einem Messmagnetepaar gemäß der obigen Beschreibung, angeordnet. Die magnetische Flussdichte (T: Tesla), die mittels der Leitbelche hin zum Umdrehungszählsensor übertragen wird, ist dabei um zum Beispiel mindestens eine Größenordnung größer als die magnetische Flussdichte ohne das Leitblechpaar, zum Beispiel in Luft, an der betreffenden Messposition wäre. Damit wird der kumulative Effekt am Umdrehungszählsensor von den magnetisierbaren Leitblechen durch (nahezu) umdrehungskonstante magnetische Beaufschlagung stabilisiert und die Auslesung wird messtechnisch verlässlich, ohne dass das axiale Spiel des Rotors reduziert werden muss.
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Besonders bevorzugt sind die Leitbleche derart ausgelegt, dass sie zumindest in einer Winkelstellung bei einem außerzentrisch angeordneten Einzelmagneten mit radialer Überdeckung von dem betreffenden (einzelnen) Messmagneten oder bei einem Ringmagneten bei radialer Überdeckung der Nord-Ausrichtung oder Süd-Ausrichtung magnetisch gesättigt sind. Die axiale Überlappung ist bevorzugt derart ausgelegt, dass eine axiale Positionstoleranz des Rotors und damit der Magnete ausgeglichen wird. Die Materialstärke und die Breite der Leitbleche sind so gewählt, dass diese unabhängig von der axialen Position der Messmagnete, Temperatur und anderer Effekte immer in magnetischer Sättigung befinden, sobald sich ein betreffender Messmagnet innerhalb der Leitbleche befindet. Die Einbautoleranz der Leitbleche zur Platine und damit zum Umdrehungszählsensor lässt sich fertigungstechnisch und montagetechnisch gut einschränken, sodass ein wenig toleranzbehaftetes, stabiles Magnetfeld für den Sensor zur Verfügung stellbar ist.
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Durch zumindest einige der vorhergehend genannten Maßnahmen wird sichergestellt, dass die an den Umdrehungszählsensor übertragene magnetische Flussdichte allein abhängig von der Umdrehung des Rotorelements beeinflusst ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Linearaktor vorgeschlagen, welcher rotatorisch angetrieben ist, insbesondere für einen Kupplungsaktor, wobei der Linearaktor zumindest die folgenden Komponenten aufweist:
- – einen rotatorischen Antrieb mit einem Stator und einem Rotor, wobei der Rotor um eine Rotationsachse rotierbar ist;
- – ein Linearaktorelement, welches mittels eines Drehens des Rotors, bevorzugt winkeltreu, axial parallel zu, bevorzugt entlang, der Rotationsachse bewegbar ist;
- – eine Winkelmesseinrichtung nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung, wobei das Rotorelement relativ zum Rotor fixiert ist und die Sensoren relativ zum Stator fixiert sind.
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Bei dem hier vorgeschlagenen Linearaktor wird eine rotatorische Bewegung des Rotors in eine lineare Bewegung des Linearaktorelements, bevorzugt entlang der Rotationsachse des Rotors, umgesetzt. Bevorzugt ist die Übersetzung dabei winkeltreu beziehungsweise bei einem Spindeltrieb steigungstreu, sodass eine erfasste Drehung in jeder Lage einer vorbekannten Übersetzung folgend exakt einer axialen Position des Linearaktorelements entspricht, und somit diese exakt berechenbar ist. Besonders geeignet sind hierfür ein Kugelgewindetrieb oder ein steigungstreues Planeten-Wälz-Getriebe. Zwischen dem Stator und dem Rotor kann ein axiales Spiel auftreten. Gegebenenfalls kann zwischen dem Stator und dem Rotor auch Schlupf in Umfangsrichtung auftreten, weil hier die Bewegung des Rotors mittels des damit mitdrehenden Rotorelements und der Messmagnetanordnung direkt erfasst wird. Der Stator bildet dabei mittelbar oder unmittelbar das rotatorische Widerlager für das Linearaktorelement. Hiermit ist dann eine Absolutwegmessung ermöglicht, welche von einer Messelektronik sicher auslesbar ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Linearaktors sind die Leitbleche gemäß einer Ausführungsform in der obigen Beschreibung in den Stator integriert, bevorzugt eingespritzt.
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Hiermit ist ein besonders einfacher Aufbau der Winkelmesseinrichtung vorgeschlagen, bei welchem die Leitbelche integraler Bestandteil des Stators ist. Die Sensoren und die Messelektronik sind hierbei bevorzugt separate Bauteile, welche besonders bevorzugt auf einer gemeinsamen Leiterplatte angeordnet. Die Leitbleche sind bevorzugt im Kern metallisch und mit einer Kunststoffummantelung ausgeführt.
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Der Abstand zwischen den Leitblechen und dem Umdrehungszählsensor ist hierbei leicht innerhalb der Toleranzen einstellbar und die Einstellung ist über die Lebensdauer des Linearaktors konstant. Messartefakte oder Alterungseffekte durch thermische Effekte und/oder ein Einfluss einer Vergrößerung des axialen Spiels des Rotors können damit vermieden werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein hydrostatischer Kupplungsaktor für eine Reibkupplung vorgeschlagen, wobei der Kupplungsaktor zumindest die folgenden Komponenten aufweist:
- – einen Linearaktor gemäß einer Ausführungsform nach der obigen Beschreibung,
- – einen Geberkolben, welcher mit dem Linearaktorelement zur translatorischen Bewegung fest verbindbar ist; und
- – einen Geberzylinder zur Aufnahme des Geberkolbens und einer hydraulischen Flüssigkeit, wobei der Geberzylinder mittels der hydraulischen Flüssigkeit kommunizierend mit einem Nehmerzylinder verbindbar ist.
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Der hier vorgeschlagene hydrostatische Kupplungsaktor ist insbesondere zum präzisen und schnellen hydrostatischen Betätigen einer Reibkupplung eingerichtet. Hierzu ist ein rotatorischer Antrieb, bevorzugt ein Elektromotor, vorgesehen, mittels welchem ein Linearaktorelement bewegbar ist. Bevorzugt ist ein Spindeltrieb mit einer rotatorisch fixierten und translatorisch bewegbaren Antriebsspindel vorgesehen, welche translatorisch mit einem Geberkolben verbunden fixiert ist. Hierzu ist eine axial fixierte Spindelmutter, umfassend bevorzugt ein (steigungstreues) Planeten-Wälz-Getriebe, vorgesehen, welche mit dem Rotor des Antriebs mitrotiert und somit die Antriebsspindel axial bewegt. Bevorzugt wird bei einer (einzigen) vollen Umdrehung des Rotors die Antriebsspindel um den Betrag ihrer Gewindesteigung translatorisch bewegt. In einer alternativen Ausführungsform umfasst die Spindelmutter ein übersetzendes oder untersetzendes Getriebe, sodass das Getriebe selbst bei einer vollen Umdrehung des Rotors um den Betrag der Gewindesteigung der Antriebsspindel translatorisch bewegt wird, aber die Antriebsspindel von dieser Bewegung unterschiedlich abhängig vom Übersetzungsverhältnis mehr oder weniger translatorisch bewegt wird.
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Der Geberzylinder bildet ein Zylindervolumen aus und weist einseitig eine Kolbenöffnung auf, in welche der Geberkolben einführbar ist. Der Geberkolben ist in dem Geberzylinder translatorisch bewegbar und die Kolbenöffnung ist von dem Geberkolben zumindest im Druckbetrieb gegenüber einer angrenzenden Umgebung abgedichtet. Weiterhin weist der Geberzylinder eine Leitungsöffnung auf, durch welche eine hydraulische Flüssigkeit hinausströmen und hineinströmen kann und damit in einem hydrostatischen Betätigungssystems der Nehmerkolben im Nehmerzylinder betätigbar ist. Der Geberkolben ist in einer Ausführungsform einstückig mit dem Linearaktorelement gebildet.
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Die Messelektronik, und bevorzugt die Messmagnetanordnung, ist in einer Ausführungsform abgekapselt in einem Trockenraum angeordnet. Alternativ ist zumindest die Schmierung der Antriebsspindel nicht von der Messmagnetanordnung getrennt, bevorzugt auch nicht von den Sensoren.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Reibkupplung mit einer Kupplungsachse zum lösbaren Verbinden einer Abtriebswelle mit einem Antriebsstrang vorgeschlagen, welcher zumindest die folgenden Komponenten aufweist:
- – zumindest ein Reibpaket mit zumindest einer Reibplatte und zumindest einer korrespondierenden Reibscheibe, über welches im verpressten Zustand ein Drehmoment übertragbar ist;
- – zumindest eine Betätigungseinrichtung mit einem Nehmerzylinder zum Verpressen des zumindest einen Reibpakets; und
- – zumindest ein kommunizierend mit dem Nehmerzylinder verbindbarer hydrostatischer Kupplungsaktor nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung.
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Die Reibkupplung ist dazu eingerichtet, ein Drehmoment lösbar von einer Abtriebswelle auf einen Verbraucher und umgekehrt zu übertragen. Dies wird in der Regel über das (zumindest eine) Reibpaket erreicht, welches eine axial verschiebbare, in der Regel mit der Abtriebswelle rotationsfeste, Anpressplatte aufweist, welche gegen zumindest eine korrespondierende Reibscheibe pressbar ist. Infolge der Anpresskraft ergibt sich eine Reibkraft über die Reibfläche, welche multipliziert mit dem mittleren Radius der Reibfläche ein übertragbares Drehmoment ergibt.
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Für viele Anwendungen ist es vorteilhaft das Reibpaket hydraulisch zu betätigen, weil hierdurch höhere Anpressdrücke erreicht werden oder eine automatisierte Betätigung in gut steuerbarer Weise umsetzbar ist. Hierbei ist bei manchen Ausführungsformen weiterhin eine Betätigungsfeder, zum Beispiel eine Tellerfeder, zwischen der Anpressplatte und einem Betätigungskolben, also dem Nehmerkolben, vorgesehen. Der Betätigungskolben ist hydraulisch, also mittels einer Veränderung des Betätigungsvolumens im Nehmerzylinder, translatorisch bewegbar. Wird zum Beispiel das Betätigungsvolumen vergrößert, wird der Betätigungskolben in Anpressrichtung bewegt und somit eine Anpresskraft auf die Anpressplatte und damit auf das Reibpaket ausgeübt. Wird in diesem Beispiel das Betätigungsvolumen verkleinert, wird der Betätigungskolben zurückbewegt und somit die (vollständige) Übertragung eines Drehmoments mittels der Reibkupplung unterbrochen. Das Betätigungsvolumen des Nehmerzylinders wird über den Geberkolben beziehungsweise das Aufnahmevolumen im Geberzylinder gesteuert.
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Hierbei wird nun vorgeschlagen, den hydrostatischen Kupplungsaktor gemäß einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung als Gebereinheit mit dem Geberzylinder, also dem Geberzylinder, und dem Geberkolben, also dem Geberkolben, einzusetzen. Der Vorteil dieses hydrostatischen Kupplungsaktors ist, dass dieser einen besonders einfachen und sehr zuverlässigen Aufbau der Messelektronik aufweist, welche auch bei einem Ausfall der Stromversorgung und/oder einem Systemabsturz weiterhin die Position des Geberkolbens sicher ermittelbar ist.
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Besonders bevorzugt sind viele Komponenten des hydrostatischen Kupplungsaktors mit dem konventionellen hydrostatischen Kupplungsaktor mit einer translatorisch bewegten Antriebsspindel identisch, insbesondere der Elektromotor, die Steuerungselektronik samt Regelungstechnik, die elektrischen und/oder hydraulischen Anschlüsse beziehungsweise Zugänge, das Motorgehäuse, die Wälzkörperlager, gegebenenfalls das Planeten-Wälz-Getriebe.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, welcher ein Antriebsaggregat mit einer Abtriebswelle und eine Reibkupplung gemäß der obigen Beschreibung umfasst, wobei die Abtriebswelle zur Drehmomentübertragung mittels der Reibkupplung lösbar mit zumindest einem Verbraucher verbindbar ist.
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Der Antriebsstrang ist dazu eingerichtet, ein von einem Antriebsaggregat, zum Beispiel einer Energiewandlungsmaschine, bevorzugt einer Verbrennungskraftmaschine oder einer elektrischen Antriebsmaschine, bereitgestelltes und über ihre Abtriebswelle abgegebenes Drehmoment für zumindest einen Verbraucher lösbar, also zuschaltbar und abschaltbar, zu übertragen. Ein beispielhafter Verbraucher ist zumindest ein Antriebsrad eines Kraftfahrzeugs und/oder ein elektrischer Generator zur Bereitstellung von elektrischer Energie. Umgekehrt ist auch eine Aufnahme einer von zum Beispiel einem Antriebsrad eingebrachten Trägheitsenergie umsetzbar. Das zumindest eine Antriebsrad bildet dann das Antriebsaggregat, wobei dessen Trägheitsenergie mittels der Reibkupplung auf einen elektrischen Generator zur Rekuperation, also zur elektrischen Speicherung der Bremsenergie, mit einem entsprechend eingerichteten Antriebsstrang übertragbar ist. Weiterhin sind in einer bevorzugten Ausführungsform eine Mehrzahl von Antriebsaggregaten vorgesehen, welche mittels der Reibkupplung in Reihe oder parallel geschaltet beziehungsweise voneinander entkoppelt betreibbar sind, beziehungsweise deren Drehmoment jeweils lösbar zur Nutzung zur Verfügung stellbar ist. Beispiele sind Hybridantriebe aus elektrischer Antriebsmaschine und Verbrennungskraftmaschine, aber auch Mehrzylindermotoren, bei denen einzelne Zylinder(-gruppen) zuschaltbar sind.
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Um das Drehmoment gezielt und/oder mittels eines Schaltgetriebes mit unterschiedlichen Übersetzungen zu übertragen beziehungsweise eine Übertragung zu trennen, ist die Verwendung der oben beschriebenen Reibkupplung besonders vorteilhaft. Die für die hier vorgeschlagene Reibkupplung eingerichtete Betätigungseinrichtung, insbesondere der Kupplungsaktor, weist ein besonders geringes Bauvolumen auf und ist zugleich jederzeit unabhängig von Versorgungsausfällen in der Messelektronik auslesbar, sodass die absolute Lage des Geberkolbens erfassbar ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, welches zumindest ein Antriebsrad aufweist, welches mittels eines Antriebsstrangs gemäß der obigen Beschreibung antreibbar ist.
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Die meisten Kraftfahrzeuge weisen heutzutage einen Frontantrieb auf und ordnen daher bevorzugt das Antriebsaggregat, beispielsweise eine Verbrennungskraftmaschine oder einer elektrischen Antriebsmaschine, vor der Fahrerkabine und quer zur Hauptfahrrichtung an. Der Bauraum ist gerade bei einer solchen Anordnung besonders gering und es ist daher besonders vorteilhaft, eine Reibkupplung kleiner Baugröße zu verwenden. Ähnlich gestaltet sich der Einsatz einer Reibkupplung in motorisierten Zweirädern, für welche eine deutlich gesteigerte Leistung bei gleichbleibendem Bauraum gefordert wird.
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Verschärft wird diese Problematik bei Personenkraftwagen der Kleinwagenklasse nach europäischer Klassifizierung. Die verwendeten Aggregate in einem Personenkraftwagen der Kleinwagenklasse sind gegenüber Personenkraftwagen größerer Wagenklassen nicht wesentlich verkleinert. Dennoch ist der zur Verfügung stehende Bauraum bei Kleinwagen wesentlich kleiner. Der oben beschriebene Antriebsstrang weist eine Reibkupplung beziehungsweise einen hydrostatischen Kupplungsaktor besonders geringer Baugröße auf. Zugleich ist jederzeit unabhängig von Versorgungsausfällen in der Messelektronik die absolute Lage des Geberkolbens erfassbar.
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Personenkraftwagen werden einer Fahrzeugklasse nach beispielsweise Größe, Preis, Gewicht und Leistung zugeordnet, wobei diese Definition einem steten Wandel nach den Bedürfnissen des Marktes unterliegt. Im US-Markt werden Fahrzeuge der Klasse Kleinwagen und Kleinstwagen nach europäischer Klassifizierung der Klasse der Subcompact Car zugeordnet und im Britischen Markt entsprechen sie der Klasse Supermini beziehungsweise der Klasse City Car. Beispiele der Kleinstwagenklasse sind ein Volkswagen up! oder ein Renault Twingo. Beispiele der Kleinwagenklasse sind ein Alfa Romeo Mito, Volkswagen Polo, Ford Fiesta oder Renault Clio.
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Die oben beschriebene Erfindung wird nachfolgend vor dem betreffenden technischen Hintergrund unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen, welche bevorzugte Ausgestaltungen zeigen, detailliert erläutert. Die Erfindung wird durch die rein schematischen Zeichnungen in keiner Weise beschränkt, wobei anzumerken ist, dass die Zeichnungen nicht maßhaltig sind und zur Definition von Größenverhältnissen nicht geeignet sind. Es wird dargestellt in
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1: eine Schnittansicht eines Linearaktors mit Winkelmesseinrichtung;
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2: eine räumliche Ansicht eines Rotorelements an einem Rotor;
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3: eine räumliche Ansicht eines Stators;
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4: eine Schnittansicht einer trockenen Doppelkupplung; und
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5: eine schematische Ansicht eines Antriebsstrangs in einem Kraftfahrzeug.
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In 1 ist eine Winkelmesseinrichtung 1 in einem Linearaktor 2, welcher hier in einer Schnittansicht gezeigt ist, dargestellt. Hierbei ist eine Antriebsspindel, welche ein Linearaktorelement 6 bildet, entlang der Rotationsachse 4 des Antriebs 5 translatorisch, also in dieser Darstellung von links nach rechts und zurück bewegbar. Der Antrieb 5 weist dabei einen Stator 19 auf, welcher rotatorisch fixiert ist und mittels welchem ein Rotor 20 um die Rotationsachse 4 gesteuert rotierbar ist. Ein Rotorelement 3 ist rotatorisch mit dem Rotor 20, also mitdrehend, fixiert. Diese Rotation des Rotors 20 ist beispielsweise mittels eines Planeten-Wälz-Getriebes in die translatorische Bewegung des Linearaktorelements 6 (hier die Antriebsspindel) umsetzbar. Die Winkelmesseinrichtung 1 umfasst hierbei einen Ringmagnet 12, einen ersten Paarmagnet 13 und einen zweiten Paarmagnet 14, welche gemeinsam die Messmagnetanordnung 7 bilden. Der Ringmagnet 12 weist hier bevorzugt eine Polarisierung, also eine magnetische Nord-Süd-Ausrichtung, auf, welche in einer Ebene liegt, zu der die Rotationsachse 4 normal ist. Die Paarmagnete 13 und 14 sind gleichweisend ausgerichtet, wie nachfolgend in 2 dargestellt. Axial überlappend und radial außerhalb und radial innerhalb befindet sich ein erstes Leitblech 16 beziehungsweise ein zweites Leitblech 17, welche zusammen ein Leitblechpaar 15 bilden. Mit einer Polarisierung des ersten Paarmagnets 13 wie in 2 dargestellt ist das erste Leitblech 16 in Sättigung (zum Beispiel Nordpol) und das zweite Leitblech 17 in Sättigung (zum Beispiel Südpol beziehungsweise umgekehrter Polarisierung). Somit ist die magnetische Flussdichte an der zweiten Messposition 9, an welcher sich der Umdrehungszählsensor 11 befindet, in dieser Stellung des Rotorelements 3 stets gleich und die Auswertung mittels des Umdrehungszählsensors 11 zuverlässig auslesbar. An der ersten Messposition 8 ist mittels des 360°-Sensors 10 mittels des Magnetfelds des Ringmagnets 12 die aktuelle Winkelstellung innerhalb einer mittels des Umdrehungszählsensors 11 erfassten Umdrehungsanzahl ausreichend feinteilig für eine Motorkommutierung erfassbar.
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In 2 ist ein Rotorelement 3 dargestellt, welches hier einstückig mit dem Rotor 20, wie er in 1 beispielhaft dargestellt ist, gebildet ist. Hierbei ist die Messmagnetanordnung 7 ebenfalls mit einem Ringmagnet 12, einem ersten Paarmagnet 13 und einem zweiten Paarmagnet 14 ausgebildet. Der erste Paarmagnet 13 weist dabei eine derart ausgerichtet Polarisierung auf, dass der Nordpol 52 radial außen und der Südpol 53 radial innen liegt. Der zweite Paarmagnet 14 weist eine derart ausgerichtete Polarisierung auf, dass der Nordpol 52 radial innen und der Südpol 53 radial außen liegt. Damit sind der erste Paarmagnet 13 und der zweite Paarmagnet 14 gleichweisend ausgerichtet, und hier zudem diametral, also um 180° versetzt, angeordnet.
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In 3 ist ein Stator 19 gezeigt, wobei hier zu erkennen ist, dass das Leitblechpaar 15, aufweisend ein erstes (ummanteltes) Leitblech 16 und ein zweites (ummanteltes) Leitblech 17, in diesen integriert, zum Beispiel eingespritzt, ist.
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In 4 ist beispielhaft eine Reibkupplung 21 als (trockene) Doppelkupplung mit einem ersten Reibpaket 28 und einem zweiten Reibpaket 29 dargestellt, welche mittels eines Nehmerzylinders 24 mit einem ersten Betätigungskolben 40 beziehungsweise mit einem zweiten Betätigungskolben 41 betätigbar sind. Über die Abtriebswelle 26 ist ein Drehmoment um die Kupplungsachse 25 eingebbar, welches mittels des ersten Reibpakets 28 auf eine erste Ausgangswelle 50 und mittels des zweiten Reibpakets 29 auf eine zweite Ausgangswelle 51 lösbar übertragbar ist. Das erste Reibpaket 28 setzt sich hier aus mehreren Reibplatten, nämlich einer ersten Anpressplatte 30, einer ersten Zwischenplatte 31 und einer ersten Gegenplatte 32, sowie hier aus mehreren Reibscheiben, nämlich einer ersten Anpressreibscheibe 33 und einer ersten Gegenreibscheibe 34, für welche auch Reiblamellen verwendbar sind, zusammen. Das zweite Reibpaket 29 setzt sich hier ebenfalls aus mehreren Reibplatten, nämlich einer zweiten Anpressplatte 35, einer zweiten Zwischenplatte 36 und einer zweiten Gegenplatte 37, sowie hier aus mehreren Reibscheiben, nämlich einer zweiten Anpressreibscheibe 38 und einer zweiten Gegenreibscheibe 39, für welche auch Reiblamellen verwendbar sind, zusammen. Die Reibpakete 28 und 29 sind von einem hydrostatischen Kupplungsaktor 18 (Gebereinheit), welcher hier rein schematisch dargestellt ist, mittels einer hydraulischen Leitung 42, bevorzugt automatisiert, betätigbar. Hierzu ist der Geberkolben 22 im Geberzylinder 23 mittels eines von einem rotatorischen Antrieb 5 angetriebenen Linearaktorelements 6 hin und her bewegbar, sodass eine hydraulische Flüssigkeit in dem Geberzylinder 23 verdrängt und in eine entsprechende Kammer des Nehmerzylinders 24 eingepresst wird. Dadurch wird das erste Reibpakete 28 beziehungsweise das zweite Reibpaket 29 verpresst und ein Drehmoment von der Abtriebswelle 26 ist auf die jeweilige Ausgangswelle 50 beziehungsweise 51 reibschlüssig übertragbar.
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In 5 ist ein Antriebsstrang 27, umfassend ein Antriebsaggregat 44, hier als Verbrennungskraftmaschine dargestellt, eine Abtriebswelle 26, eine Reibkupplung 21 und ein drehmomentübertragend verbundenes linkes Antriebsrad 45 und rechtes Antriebsrad 46, schematisch dargestellt. Der Antriebsstrang 27 ist hier in einem Kraftfahrzeug 43 angeordnet, wobei das Antriebsaggregat 44 mit seiner Motorachse 49 quer zur Längsachse 48 vor der Fahrerkabine 47 angeordnet ist.
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Mit der hier vorgeschlagenen Winkelmesseinrichtung ist bei geringer Bauraumanforderung eine ausfallsichere Auslesung der Absolutwegposition zum Beispiel eines Geberkolbens eines hydrostatischen Kupplungsaktors gewährleistet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Winkelmesseinrichtung
- 2
- Linearaktor
- 3
- Rotorelement
- 4
- Rotationsachse
- 5
- Antrieb
- 6
- Linearaktorelement
- 7
- Messmagnetanordnung
- 8
- erste Messposition
- 9
- zweite Messposition
- 10
- 360°-Sensor
- 11
- Umdrehungszählsensor
- 12
- Ringmagnet
- 13
- erster Paarmagnet
- 14
- zweiter Paarmagnet
- 15
- Leitblechpaar
- 16
- erstes Leitblech
- 17
- zweites Leitblech
- 18
- Kupplungsaktor
- 19
- Stator
- 20
- Rotor
- 21
- Reibkupplung
- 22
- Geberkolben
- 23
- Geberzylinder
- 24
- Nehmerzylinder
- 25
- Kupplungsachse
- 26
- Abtriebswelle
- 27
- Antriebsstrang
- 28
- erstes Reibpaket
- 29
- zweites Reibpaket
- 30
- erste Anpressplatte
- 31
- erste Zwischenplatte
- 32
- erste Gegenplatte
- 33
- erste Anpressreibscheibe
- 34
- erste Gegenreibscheibe
- 35
- zweite Anpressplatte
- 36
- zweite Zwischenplatte
- 37
- zweite Gegenplatte
- 38
- zweite Anpressreibscheibe
- 39
- zweite Gegenreibscheibe
- 40
- erste Betätigungseinrichtung
- 41
- zweite Betätigungseinrichtung
- 42
- hydraulische Leitung
- 43
- Kraftfahrzeug
- 44
- Antriebsaggregat
- 45
- linkes Antriebsrad
- 46
- rechtes Antriebsrad
- 47
- Fahrerkabine
- 48
- Längsachse
- 49
- Motorachse
- 50
- erste Ausgangswelle
- 51
- zweite Ausgangswelle
- 52
- Nordpol
- 53
- Südpol
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010047801 A1 [0002]
- WO 2011/050766 A1 [0002]
