DE4101060C2 - Neigungssensor - Google Patents
NeigungssensorInfo
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Description
Die Erfindung geht aus von einem Neigungssensor nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1. Neigungssensoren dieser Art werden vorzugsweise
eingesetzt um eine außerhalb zulässiger Grenzen liegende Neigung
von Fahrzeugen festzustellen, die insbesondere auch bei unfall
bedingten Krafteinwirkungen auf das Fahrzeug hervorgerufen werden
und die im Extremfall zu einem Überrollvorgang des Fahrzeugs Anlaß
geben. Als Neigungssensoren lassen sich auch beschleunigungsempfind
liche Sensoren einsetzen, die beispielsweise in der Kraftfahrzeug
technik in Gestalt von Quecksilberschaltern auch für die Auslösung
von Sicherheitseinrichtungen für Fahrzeuginsassen Verwendung finden.
Solche Quecksilberschalter sind beispielsweise aus 1141 Ing´nieurs
de l′Automobile (1982) No. 6, S. 76 bekannt. Diese Quecksilber
schalter haben in der Regel ihre Funktion zuverlässig erfüllt. Ins
besondere aus Gründen des Umweltschutzes strebt man jedoch eine
Abkehr von Quecksilber enthaltenden Schaltern an. Es kann nämlich
nicht völlig ausgeschlossen werden, daß bei einem Unfall das das
Quecksilber enthaltende Behältnis in dem Quecksilberschalter zer
stört wird und auf diese Weise Quecksilber in die Umwelt gelangt.
Quecksilber gilt jedoch als starkes Gift. Aus EP-B1-01 79 120 ist
weiterhin eine Trägheitsvorrichtung zur Verwendung in einem Fahr
zeug-Sicherheitssystem bekannt, die einen beweglichen Trägheits
körper aufweist, der zwischen einer neutralen Ausgangsstellung und
wenigstens einer Arbeitsstellung beweglich ist. Der Trägheitskörper
enthält eine Durchgangsöffnung, welche sich längs einer Vertikal
achse des in der neutralen Stellung befindlichen Trägheitskörpers
erstreckt. Durch diese Durchgangsöffnung kann sich Strahlung von
einem eine Strahlung aussendenden Mittel zu einem eine Strahlung
feststellenden Mittel ausbreiten. Bei einer Neigung des Trägheits
körpers wird der Strahlengang unterbrochen. Dieser Vorgang kann für
die Gewinnung eines neigungsabhängigen Schaltkriteriums ausgewertet
werden.
Aus DE-GM 72 15 700 ist weiter ein Klinometer zur Bestimmung der
Richtung eines in die Erde getriebenen oder zu treibenden Körpers
bekannt, mit einem in einem Gehäuse gelagerten Trägheitskörper,
einen in dem Deckel des Gehäuses angeordneten Hall-Element und einem
in dem Trägheitskörper angeordneten, mit dem Hall-Element in
Wirkverbindung stehenden Magnetelement.
Auch aus DE-GM 66 04 381 ist ein Pendelneigungsmesser, vorzugsweise
zum Nachweis geologischer Bodenneigungen unter Gezeiteneinfluß,
bekannt, der einen als astasiertes Stehpendel ausgebildeten
Pendelkörper als Neigungsindikator umfaßt.
Die erfindungsgemäße Lösung mit den kennzeichnenden Merkmalen des
Hauptanspruchs beschreibt einen Neigungssensor, der ohne Quecksilber
auskommt. Im Vergleich zu dem aus EP-B1-01 79 120 bekannten Träg
heitskörper bietet der vorgeschlagene Neigungssensor insbesondere
den Vorteil, daß die bei einer stärkeren Neigung einen Schaltimpuls
auslösenden Mittel lediglich auf einer Seite des Neigungssensors
angeordnet sind. Dadurch werden insbesondere Montage und Justierung
erleichtert und damit die Herstellung vereinfacht und verbilligt. Da
zudem der vorgeschlagene Neigungssensor nicht auf die Mitwirkung
einer verschmutzungsempfindlichen Übertragungsstrecke zwischen einem
Strahlungssender und einem Strahlungsempfänger angewiesen ist,
ergibt sich eine besonders robuste und verschmutzungsunempfindliche
Bauweise, die selbst starken Beanspruchungen in Kraftfahrzeugen
standhält. Dies erleichtert insbesondere auch die Montagemöglich
keiten, da bei dem Einbau des Neigungssensors im Kraftfahrzeug nicht
auf einen besonders geschützten Einbauort Rücksicht genommen werden
muß.
Die bei Überschreitung eines vorgebbaren Neigungswinkels einen
Schaltimpuls auslösenden Komponenten umfassen vorzugsweise einer
seits ein im Deckel des Gehäuses des Neigungssensors angeordnetes
Hall-Element und ein mit diesem Hall-Element in Wirkverbindung
stehendes Magnetelement. Zweckmäßig ist dieses Magnetelement kreis
zylindrisch ausgebildet und zentrisch in der der Standfläche gegen
überliegenden Kopffläche des Trägheitskörpers angeordnet. Dabei ragt
das Magnetelement zumindest abschnittsweise aus der Kopffläche des
Trägheitskörpers hervor, wobei gegebenenfalls die Länge des aus der
Kopffläche des Trägheitskörpers frei hervorragenden Abschnitts des
Magnetelements durch Justiermittel noch beeinflußbar ist. Dadurch
ergibt sich einerseits eine leichte Justierbarkeit zwischen dem in
dem Deckel des Gehäuses angeordneten Hall-Element und dem Magnet
element. Andererseits wird im Zusammenwirken mit einer auf dem
Hall-Element angeordneten und dem Inneren des Gehäuses zugewandten
Erhebung sichergestellt, daß insbesondere in Überkopflage des
Neigungssensors der Trägheitskörper in dem Gehäuse des Neigungs
sensors derart gesperrt ist, daß kein weiterer Schaltimpuls aus
lösbar ist.
Die Innenwand des Gehäuses des Neigungssensors ist im wesentlichen
hohlzylindrisch, zumindest teilweise auch als Kegelmantelfläche,
ausgebildet. Im Zusammenwirken mit dem im wesentlichen zylindrisch
ausgebildeten Trägheitskörper ergibt sich damit eine relativ große
Richtungsunabhängigkeit des Neigungssensors. Wichtig dabei ist auch
eine sehr präzise Fertigung der Kippkanten an dem Trägheitskörper
und an dem Gehäuse des Neigungssensors, da diese Kanten das Schalt
verhalten (insbesondere die Hysterese) stark beeinflussen können.
Insbesondere sind die Kippkanten so ausgestaltet, daß sich eine im
wesentlichen punktförmige Auflage des Trägheitskörpers an der
Wandung des Gehäuses ergibt.
Bevorzugt wird der Neigungssensor derart ausgebildet, daß ein
Schaltimpuls dann ausgelöst wird, wenn der Trägheitskörper in einem
Winkelbereich zwischen etwa 15° und 30°, insbesondere zwischen 18°
und 24° in bezug auf die Gehäuselängsachse aus der Ruhelage ausge
lenkt ist.
Weitere Vorteile des Neigungssensors ergeben sich aus den Zeichnun
gen und der nachfolgenden Beschreibung.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel des Neigungssensors
im Längsschnitt mit dem in Ruhelage befindlichen Trägheitskörper,
Fig. 2 den Neigungssensor gemäß Ausführungsbeispiel
nach Fig. 1 in einer Neigungslage,
Fig. 3 den Neigungssensor in
Überkopflage,
Fig. 4 eine Darstellung
des Winkelbereichs, in dem der Neigungsschalter Schaltimpulse
veranlaßt und
Fig. 5 ein Beschleunigungszeitdiagramm zur
Veranschaulichung des Schaltverhaltens des Neigungssensors.
Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Neigungs
sensors ist in Fig. 1 in einem Längsschnitt dargestellt. Der
Neigungssensor 1 umfaßt ein im wesentlichen hohlzylindrisch ausge
bildetes Gehäuse 2, das von einem Deckel 3 verschließbar ist. Der
Deckel 3 trägt eine ringförmig umlaufende in Radialrichtung nach
außen vorspringende Wulst 3a, die sich in Einbaulage des Deckels 3
eng an die Innenwandung des Gehäuses 2 anlegt und durch den dadurch
hervorgerufenen Preßsitz eine besonders große Sicherheit gegen das
Eindringen von Feuchtigkeit, insbesondere auch von Spritzwasser oder
dergleichen ermöglicht. In Einbaulage wird der Deckel 3 des Gehäuses
2 zweckmäßig noch durch mindestens zwei Sicherungsstifte 14 ge
sichert, die in miteinander fluchtenden Bohrungen innerhalb der
Gehäusewandung und innerhalb des Deckels 3 angeordnet sind. Dabei
bestehen die Sicherungsstifte 14 auf einem antimagnetischen Werk
stoff, wie beispielsweise Messing, Kupfer, nichtmagnetischer Edel
stahl, um die Wechselwirkung zwischen den schaltwirksamen Elementen
des Neigungssensors nicht zu beeinträchtigen. In der Innenfläche des
Deckels 3 ist eine zentrisch angeordnete Ausnehmung eingebracht zur
Aufnahme eines Hall-Elementes 4. Dieses Hall-Element 4 steht in
Wirkverbindung mit einem nachfolgenden noch näher beschriebenen
Magnetelement.
Das Gehäuse 2 des Neigungssensors 1 ist im wesentlichen hohl
zylindrisch ausgebildet, wobei die Innenwandung 10 des Gehäuses 2
jedoch, zumindest teilweise, Kegelmantelflächen 10a, 10b umfaßt, die
sich in dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel beidseits
an einen zylindermantelförmig ausgebildeten Abschnitt 10c der Innen
wandung 10 des Gehäuses 2 anschließen. Der Bodenbereich des Gehäuses
2 ist vorzugsweise wieder hohlzylindrisch ausgebildet und dient zur
Aufnahme eines im wesentlichen zylinderförmig ausgebildeten Träg
heitskörpers 6. Dieser Trägheitskörper 6 liegt mit seiner Grund
fläche 8 in der in Fig. 1 dargestellten Ruhelage auf dem Boden des
Gehäuses 2 auf. Dabei ist der Trägheitskörper 6 jedoch um senkrecht
zur Längsachse 12 des Gehäuses, die mit der Längsachse des in Ruhe
lage befindlichen Trägheitskörpers 6 übereinstimmt, liegende Achsen
kippbar gelagert. Die Kippbarkeit des Trägheitskörpers wird zweck
mäßig dadurch erleichtert und seine Empfindlichkeit, auf Neigungen
zur reagieren, dadurch vergrößert, daß der Schwerpunkt des Träg
heitskörpers möglichst hoch oberhalb seiner Grundfläche 8 angeordnet
ist. Zweckmäßig liegt der Massenschwerpunkt M des Trägheitskörpers 6
oberhalb seiner geometrischen Mitte. Auf einfache Weise läßt sich
die Lage des Massenschwerpunktes M dadurch beeinflussen, daß in dem
im wesentlichen zylinderförmig ausgebildeten Trägheitskörpers 6,
vorzugsweise im Bodenbereich, Hohlräume angeordnet sind, so daß die
Massendichte entsprechend verringert ist. Besonders einfach und
fertigungstechnisch günstig läßt sich ein solcher Hohlraum als Aus
nehmung 7 ausgestalten, die von der Grundfläche 8 des Trägheits
körpers 6 her und diese dabei durchdringend in den Trägheitskörper 6
eingebracht ist. Die Ausnehmung 7 hat zur Folge, daß der Trägheits
körper 6 lediglich noch vermittels einer kreisringförmigen Grund
fläche 8 auf dem Boden des Gehäuses 2 aufliegt. Der Durchmesser der
Ausnehmung 7 wird dabei zweckmäßig derart bemessen; daß die Breite
des die kreisringförmige Grundfläche 8 bildenden Kreisringes nur
noch einen Bruchteil des Gesamtdurchmessers des Trägheitskörpers 6
bildet. Vorzugsweise beträgt die Breite dieses Kreisrings nur noch
etwa 1/5 bis 1/10 des Gesamtdurchmessers des Trägheitskörpers 6. Im
Kopfbereich des Trägheitskörpers 6 ist zentrisch ein Magnetelement 5
angeordnet, das in Wirkverbindung mit dem Hall-Element im Deckel 3
des Gehäuses 2 steht. Das Magnetelement 5 ist zweckmäßig kreis
zylindrisch ausgestaltet und kann in einem Ausführungsbeispiel der
Erfindung auch derart justierbar im Kopfbereich des Trägheitskörpers
6 gelagert sein, so daß der Abstand zwischen der offenliegenden
Stirnfläche des Magnetelements 5 und dem Hall-Element 4 einstellbar
ist. Dies erleichtert die Festlegung eines optimalen Schaltpunktes
des Neigungssensors.
Zweckmäßig wird das Magnetelement 5 aus einem Samarium-Kobalt-Werk
stoff, nämlich SmCo5 oder aber auch aus einem Neodym-Eisen-Bor-
Werkstoff, nämlich NdFeB hergestellt. Diese Werkstoffe haben
besonders günstige magnetische Eigenschaften, die eine zuverlässige
Funktionsweise des Neigungssensors fördern.
Zweckmäßig werden Gehäuse 2, Gehäusedeckel 3 und Trägheitskörper 6
aus einem Kunststoffmaterial hergestellt, das sich fertigungs
technisch günstig bearbeiten läßt. Besonders günstig lassen sich
damit die vergleichsweise komplexen Konturen der Innenwandung des
Gehäuses 2 herstellen. Darüber hinaus ergeben sich jedoch besonders
günstige Reibbeiwerte zwischen dem Trägheitskörper und der Gehäuse
innenwandung, die für eine Reproduzierbarkeit des Schaltverhaltens
besonders wichtig sind. Schließlich ergibt sich durch die Verwendung
von Kunststoff auch ein vergleichsweise geringer Geräuschpegel bei
Kippbewegungen des Trägheitskörpers 6 innerhalb des Gehäuses 2.
Besonders vorteilhaft wird der Trägheitskörper aus Polyacetal her
gestellt, das mit PTFE verstärkt ist. Der PTFE-Anteil liegt zwischen
10% bis 30% und vorzugsweise bei 20% Masseprozent. Das Gehäuse 2
und Gehäusedeckel 3 werden zweckmäßig aus Polyamid 6.6 gefertigt.
Auf der dem Trägheitskörper
6 zugewandten Außenfläche 11 des Hall-Elementes 4, koaxial zur
Längsachse 12 des Gehäuses 2 liegend, ist eine Erhebung 13 angeordnet.
Die Erhebung 13 hat zweckmäßig die Gestalt eines Kreiszylinders, der mit
einer seiner Grundflächen auf der Außenfläche 11 des Hall-Elementes 4
aufliegt. Das mit dem Hall-Element 4 in Wirkverbindung stehende
Magnetelement 5 ragt zweckmäßig mit einem Teil seiner Länge aus der
Kopffläche 9 des Trägheitskörpers 6 hervor. Durch diese konstruktive
Ausgestaltung läßt sich erreichen, daß in Überkopflage des Neigungs
sensors, die in Fig. 3 dargestellt ist, weitere, unerwünschte
Schaltimpulse unterdrückt werden. In dieser Überkopflage des
Neigungssensors kommt nämlich das aus der Kopffläche 9 des Träg
heitskörpers 6 hervorragende Endstück des Magnetelements 5 an der
nach innen ragenden Erhebung 13 zur Anlage, wodurch weitere Bewegun
gen des Trägheitskörpers 6 gesperrt sind. Insbesondere wird dadurch
auch ein einen Schaltimpuls auslösendes Vorbeibewegen des Magnet
elements 5 an dem Hall-Element 4 zuverlässig verhindert. Eine der
artige Überkopflage des Neigungssensors 1 kann beispielsweise bei
einem Überrollvorgang eines Fahrzeugs auftreten. Ein weiterer
Schaltimpuls wird erst wieder ermöglicht, wenn der Neigungssensor 1,
etwa durch Wiederaufrichten des Fahrzeugs, in seine in Fig. 1 dar
gestellte Normal- oder Ruhelage zurückgekehrt ist. Fig. 2 zeigt
eine Betriebslage des Neigungssensors 1, bei der dieser in Folge der
Auslenkung des Trägheitskörpers 6 um einen Winkel α aus seiner in
Fig. 1 dargestellten Ruhelage durch Vorbeibewegen des Magnet
elements 5 an dem Hall-Element 4 einen Schaltimpuls erzeugt hat. Die
maximal mögliche Auslenkung des Trägheitskörpers 6 ist dadurch
begrenzt, daß er, wie in Fig. 2 dargestellt, mit seiner Mantel
fläche an der Innenwandung des Gehäuses 2 zur Anlage kommt. Sobald
das drehfest mit dem Fahrzeugkörper verbundene Gehäuse 2 in die
Ruhelage zurückkehrt, kippt der in dem Gehäuse 2 kippbar gelagerte
Trägheitskörper 6 ebenfalls in seine in Fig. 1 dargestellte Ruhe
lage zurück.
Die Wirkungsweise des zuvor erläuterten Neigungssensors 1 wird im
folgenden beschrieben. Zunächst werde angenommen, daß sich der
Neigungssensor 1, wie in Fig. 1 dargestellt, in einer Ruhelage
befindet. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn ein mit einem
derartigen Neigungssensor 1 ausgestattetes Fahrzeug keinen oder nur
geringen Querkräften ausgesetzt ist. In dieser Ruhelage des Nei
gungssensors 1 ist der in dem Gehäuse 2 des Neigungssensors 1 kipp
bar gelagerte Trägheitskörper 6 koaxial zu der Längsachse 12 des
Gehäuses 2 derart ausgerichtet, daß sich das Magnetelement 5 und das
Hall-Element 4 in Ruhelage gegenüberstehen. Wenn nun das Fahrzeug
eine Kippbewegung ausführt, wird das drehfest mit dem Fahrzeug
verbundene Gehäuse 2 des Neigungssensors ebenfalls ausgelenkt, mit
der Folge, daß eine Relativbewegung zwischen dem Trägheitskörper 6
und dem Gehäuse stattfindet, wobei sich auch Magnetelement 5 und
Hall-Element 4 relativ zueinander bewegen. Dadurch wird ein Schalt
impuls ausgelöst, der mit elektronischen Mitteln, die hier nicht
näher dargestellt sind, weiter verarbeitet werden kann. Andererseits
kann bei ansonsten unveränderter Lage des drehfest am Fahrzeug ange
ordnete Gehäuses 2 des Neigungssensors 1 der Trägheitskörper 6 auch
durch eine Beschleunigung aus seiner Ruhelage gekippt werden und
dadurch ein Schaltsignal erzeugen. Demzufolge ist der Neigungssensor
nicht nur zur Feststellung von Fahrzeugneigungen und/oder Kippbe
wegungen sondern auch zur Erfassung von Beschleunigungsvorgängen,
die nicht mit einer Verlagerung des Gehäuses 2 verbunden sind,
geeignet. Zweckmäßig wird der Schaltbereich des Neigungssensors
derart festgelegt, daß ein Schaltimpuls nur dann ausgelöst wird,
wenn der Trägheitskörper 6 bestimmte, begrenzte Winkellagen ein
nimmt. Bei senkrechter Ruhelage des Trägheitskörpers 6 findet zweck
mäßig ein Schaltvorgang im Winkelbereich zwischen etwa 10° und 30°,
vorzugsweise zwischen 18° und 24° statt, wobei als Winkelbereich die
Auslenkung der Längsachse des Trägheitskörpers 6 in bezug auf die
vertikal liegende Achse 12 des Gehäuses 2 definiert ist. Dies ergibt
sich auch aus der Darstellung in Fig. 4. Im Winkelbereich zwischen
0° und 18° darf kein Schaltimpuls auftreten. Im Winkelbereich
zwischen 18° und 24° muß ein Schaltimpuls auftreten. Im Winkel
bereich größer als 24° darf kein Zurückschalten erfolgen; der
Neigungssensor muß reine Schaltlage, die beispielsweise durch ein
Ausgangssignal von 5 Volt repräsentiert wird, beibehalten.
Das Diagramm in Fig. 5 erläutert das Schaltverhalten des Neigungs
sensors 1 in Abhängigkeit von Beschleunigungswerten.
Bei einer Beschleunigungsänderung von 14 g/s wird unterhalb eines
ersten Beschleunigungsgrenzwertes von 0,32 g (g = Erdbeschleunigung)
noch kein Schaltimpuls ausgelöst. Die Auslösung eines Schaltimpulses
erfolgt erst nach Überschreiten eines zweiten Beschleunigungsgrenz
wertes, der zweckmäßig bei 0,43 g liegt. Der Umschaltvorgang findet
dabei innerhalb eines Zeitintervalls T von ca. 100 Millisekunden
statt.
Claims (10)
1. Neigungssensor (1) umfassend ein mit einem Deckel (3)
verschließbares, topfförmiges Gehäuse (2), einen in dem Gehäuse (2)
kippbar gelagerten Trägheitskörper (6), ein in dem Deckel (3) des
Gehäuses (2) angeordnetes Hall-Element (4), ein in dem
Trägheitskörper (6) angeordnetes, mit dem Hall-Element (4) in
Wirkverbindung stehendes Magnetelement (5), wobei durch eine
Relativbewegung zwischen dem Hall-Element (4) und dem Magnetelement
(5) infolge einer Kippbewegung des kippbar gelagerten
Trägheitskörpers (6) ein Schaltimpuls auslösbar ist, dadurch
gekennzeichnet, daß Sperrmittel vorgesehen sind, die in Überkopflage
des Neigungssensors (1) eine Relativbewegung zwischen dem
Hall-Element (4) und dem Magnetelement (5) verhindern.
2. Neigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Sperrmittel eine auf der dem Trägheitskörper (6) zugewandten
Außenfläche (11) des Hall-Elements (4) koaxial zur Längsachse (12)
des Gehäuses (3) ausgerichtete Erhebung (13) umfassen.
3. Neigungssensor nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Erhebung (13) die Gestalt eines
Kreiszylinders hat, der mit einer seiner Grundflächen auf der
Außenfläche (11) des Hall-Elements (4) aufliegt.
4. Neigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß das Magnetelement (5) in dem Kopfteil des
Trägheitskörpers (6) zentrisch angeordnet ist.
5. Neigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß das Magnetelement (5) kreiszylindrisch
ausgestaltet ist.
6. Neigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß das Magnetelement (5) aus der Kopffläche (9) des
Trägheitskörpers (6) hervorragend ausgebildet ist.
7. Neigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß in der Innenfläche des Deckels (3) eine
zentrisch angeordnete Ausnehmung zur Aufnahme des Hall-Elements (4)
vorgesehen ist.
8. Neigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß durch das Zusammenwirken zwischen Magnetelement
(5) und Hall-Element (4) ein Schaltimpuls dann auslösbar ist, wenn
der Trägheitskörper (6) des Neigungssensors (1) zwischen etwa 10°
und 30°, insbesondere zwischen 18° und 24° in bezug auf die
Gehäuselängsachse (12) des Gehäuses (2) aus der Ruhelage ausgelenkt
ist.
9. Neigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß ein Schaltimpuls dann auslösbar ist, wenn die
auf den Trägheitskörper (6) einwirkende Beschleunigung (a) zwischen
etwa 0,2 und 0,5 g, insbesondere zwischen 0,32 und 0,43 g liegt.
10. Neigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß die Radien der Außenkonturen des Trägheits
körpers (6) und der Innenwandung des Gehäuses (2) derart gewählt
sind, daß sich in Kipplage des Trägheitskörpers (6) ein im
wesentlicher punktförmiger Kontakt zwischen Trägheitskörper (6) und
Gehäuse (2) ergibt.
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