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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Aktoreinrichtung für ein Fahrzeug und auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer Aktoreinrichtung.
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Magnetorheologische Flüssigkeit (MRF) wird in unterschiedlichen Dämpfern, Bremsen und Aktoren eingesetzt. Bremsen auf Basis von MRF basieren in der Regel auf einer oder mehreren Scheiben, die von MRF umgeben und bei Aktivierung der Bremse mit einem magnetischen Feld durchflossen werden. Die MRF wird bei diesem Prinzip auf Scherung belastet und erzeugt ein Haltemoment proportional zum Spulenstrom. Ein entsprechendes mechanisches Konzept mit einem zusätzlichen Permanentmagneten, der ein Grundmoment erzeugt, ist ebenfalls entwickelt. Ein alternatives Wirkprinzip verwendet ein mit MRF geflutetes Tonnenlager.
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Vor diesem Hintergrund schafft die vorliegende Erfindung eine verbesserte Aktoreinrichtung für ein Fahrzeug, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zum Betreiben einer Aktoreinrichtung gemäß den Hauptansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Durch den vorgestellten Ansatz kann eine Möglichkeit geschaffen werden, um beispielsweise Insassen eines Fahrzeugs unter Verwendung eines Aktors zu schützen. Der Aktor kann dazu demnach beispielsweise angesteuert werden, um vorteilhafterweise auf das Schutzelement einwirkende Kräfte zu absorbieren und somit beispielsweise einen Effekt zu bewirken, der dem einer Schutzweste oder einem Gurtaufroller ähneln kann. Es kann dadurch verhindert werden, dass in beispielsweise einer Unfall- oder Gefahrensituation Fahrzeuginsassen durch in den Fahrzeuginnenraum eindringende Gegenstände verletzt werden.
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Es wird eine Aktoreinrichtung für ein Fahrzeug vorgestellt, wobei die Aktoreinrichtung eine drehbare Aktorwelle aufweist, die einen Aufnahmeabschnitt zum Aufnehmen eines Schutzelements zum Schützen eines Fahrzeuginnenraumes vor äußeren Einflüssen oder Einwirkungen und einen axial zum Aufnahmeabschnitt versetzten Einwirkabschnitt aufweist. Weiterhin weist die Aktoreinrichtung ein den Einwirkabschnitt umgebendes Gehäuseelement auf, wobei im Einwirkabschnitt zwischen der Aktorwelle und einer Gehäusewand des Gehäuseelements ein Zwischenraum angeordnet ist, sowie ein magnetorheologisches Medium, das im Zwischenraum angeordnet ist und ausgebildet ist, um in Abhängigkeit eines elektromagnetischen Feldes ein Bremsmoment auf die Aktorwelle auszuüben.
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Das Fahrzeug, das die Aktoreinrichtung aufweisen kann, kann vorteilhafterweise als Personenkraftwagen ausgeformt sein. Die Aktoreinrichtung kann vorteilhafterweise ausgeformt sein, um beispielsweise eine Fahrzeugsicherheit für mindestens einen Fahrzeuginsassen zu verbessern. Die Aktorwelle kann vorteilhafterweise ausgeformt sein, um eine Drehbewegung auf das Schutzelement übertragen zu können. Der Aufnahmeabschnitt kann vorteilhafterweise mehr als die Hälfte der Aktorwelle umfassen, sodass der Einwirkabschnitt entsprechend beispielsweise weniger als die Hälfte umfassen kann. Das Schutzelement kann vorteilhafterweise ausgeformt sein, um Kräfte zu absorbieren, die beispielsweise bei einem Unfall auf das Schutzelement wirken können. Beispielsweise kann das Schutzelement ausgebildet sein, um ein Eindringen von Objekten in das Fahrzeug zu verhindern oder zumindest abzumildern. Das Gehäuseelement kann vorteilhafterweise als ein fixes Bauteil ausgeformt sein. Der Zwischenraum kann demnach als ein Teil des Gehäuseinnenraumes des Gehäuseelements ausgeformt sein, beispielsweise als ein Kanal zum Führen des magnetorheologischen Mediums durch das Gehäuseelement. Das elektrische Feld kann vorteilhafterweise bewirken, dass das magnetorheologische Medium seine Viskosität verändert, also beispielsweise von einem ersten Zustand in einen zweiten Zustand überführt werden kann. Dadurch kann vorteilhafterweise einer Drehbewegung der Aktorwelle entgegengewirkt werden, sodass das Schutzelement beispielsweise seine Schutzwirkung entfalten kann. Vorteilhafterweise kann dadurch ein Crashvorgang gesteuert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Aktoreinrichtung das Schutzelement aufweisen, das im Aufnahmeabschnitt um die Aktorwelle gewickelt sein kann, insbesondere wobei das Schutzelement als eine Fasermatte ausgeformt sein kann.
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Das Schutzelement kann vorteilhafterweise als eine Fasermatte ausgeformt sein, die beispielsweise gespannt werden kann. Das Schutzelement kann demnach in oder an einer Rollowelle angeordnet sein, die beispielsweise wie ein Gehäuse für das Schutzelement fungieren kann.
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Weiterhin kann die Aktoreinrichtung eine Spule zum Erzeugen des elektromagnetischen Feldes aufweisen, das im Einwirkabschnitt auf das magnetorheologische Medium wirken kann. Die Spule kann vorteilhafterweise durch Bestromen aktiviert werden und dadurch das elektromagnetische Feld erzeugen. Die Feldlinien des elektromagnetischen Feldes können demnach eine Reaktion des magnetorheologischen Mediums hervorrufen und dadurch seine Viskosität beeinflussen.
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Ferner kann die Aktoreinrichtung eine Mehrzahl von Innenlamellen aufweisen, die im Einwirkabschnitt an der Aktorwelle angeordnet ist, und zusätzlich oder alternativ eine Mehrzahl von Außenlamellen. Durch die Lamellen kann vorteilhafterweise eine Berührungsfläche zu dem magnetorheologischen Medium vergrößert werden. Das bedeutet, dass vorteilhafterweise bei einem Verändern der Viskosität eine Wirkfläche des magnetorheologischen Mediums vergrößert werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Mehrzahl von Außenlamellen an der Gehäusewand des Gehäuseelements angeordnet sein. Vorteilhafterweise kann durch die Position der Außenlamellen zusätzlich die Wirkfläche für das magnetorheologische Medium vergrößert werden. Vorteilhafterweise können die Außenlamellen dabei parallel zueinander an der Gehäusewand angeordnet sein.
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Die Innenlamellen und die Außenlamellen können axial zueinander versetzt sein und/oder es können die Innenlamellen und Außenlamellen ineinandergreifend angeordnet sein. Durch die ineinandergreifende Position der Lamellen kann vorteilhafterweise ein mäanderförmiger Kanal ausgeformt sein, in dem das magnetorheologische Medium angeordnet ist.
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Ferner kann die Aktoreinrichtung ein Dichtelement aufweisen, das ausgeformt sein kann, um das Gehäuseelement insbesondere gegenüber dem Aufnahmeabschnitt der Aktorwelle fluidisch abdichten zu können. Das Dichtelement kann vorteilhafterweise in einem Übergangsabschnitt angeordnet sein, an dem die Aktorwelle in das Gehäuseelement eintauchen kann.
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Das magnetorheologische Medium kann ein Trägerfluid, ein Stabilisatormedium und eine Mehrzahl von ferromagnetischen Partikeln aufweisen. Die ferromagnetischen Partikel können vorteilhafterweise ein Volumen von bis zu 50% des magnetorheologischen Mediums umfassen.
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Es wird zudem ein Verfahren zum Betreiben einer Aktoreinrichtung in einer zuvor genannten Variante vorgestellt, wobei das Verfahren einen Schritt des Erzeugens eines elektromagnetischen Feldes umfasst, um in Abhängigkeit es elektromagnetischen Feldes ein Bremsmoment auf die Aktorwelle auszuüben.
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Durch das Verfahren kann vorteilhafterweise gezielt gesteuert werden, wann das Bremsmoment auf die Aktorwelle ausgeübt werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform kann im Schritt des Erzeugens eine Spule angesteuert werden, um das elektromagnetische Feld erzeugen zu können. Das bedeutet, dass die Spule beispielsweise unter Verwendung eines Steuersignals aktiviert werden kann.
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Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner eine Vorrichtung, die ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
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Eine Vorrichtung kann ein elektrisches Gerät sein, das elektrische Signale, beispielsweise Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuersignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine oder mehrere geeignete Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein können. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil einer integrierten Schaltung sein, in der Funktionen der Vorrichtung umgesetzt sind. Die Schnittstellen können auch eigene, integrierte Schaltkreise sein oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
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Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
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Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Aktoreinrichtung;
- 3 eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer Aktoreinrichtung;
- 4 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Betreiben einer Aktoreinrichtung; und
- 5 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Fahrzeug 100 ist beispielsweise als ein Kraftfahrzeug realisiert und weist eine Aktoreinrichtung 105 sowie eine Vorrichtung 107 auf, die beispielsweise als eine Steuereinheit oder ein Steuergerät ausgeformt ist, um die Aktoreinrichtung 105 zu betreiben. Alternativ ist die Aktoreinrichtung 105 in Verbindung mit Nutzfahrzeugen einsetzbar. Die Aktoreinrichtung 105 wird in mindestens einer der nachfolgenden Figuren näher beschrieben. Sie weist gemäß diesem Ausführungsbeispiel ein Schutzelement 110 zum Schützen eines Fahrzeuginnenraumes 115 vor äußeren Einflüssen auf. Das bedeutet, dass das Schutzelement 110 beispielsweise einwirkende Kräfte absorbiert, um Insassen des Fahrzeugs 100 zu schützen. Beispielsweise ist die Aktoreinrichtung 105 gemäß diesem Ausführungsbeispiel an einem Seitenbereich des Fahrzeugs 100 angeordnet oder anordenbar. Alternativ ist die Aktoreinrichtung 105 jedoch auch an anderen Positionen des Fahrzeugs realisierbar.
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Im Allgemeinen werden Fahrzeugstrukturen, wie beispielsweise Längsträger, Querträger, Crashbox und/oder Seitenaufprallschutz, auf ein charakteristisches Kraftniveau, Deformations- und Faltungsverhalten hin ausgelegt.
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Vor diesem Hintergrund wird durch den hier beschriebenen Ansatz ein Adaptiver Rheologischer Aktor (ARA) beschrieben, der situationsbedingt anpassbar reagiert.
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Dieser ist beispielsweise als dynamisch steuerbarer Aktor beschrieben, der sich für den Einsatz in der Fahrzeugsicherheit eignet sowie für situationsbedingtes Steuern von Kraftniveaus, der geometrischen und der Steifigkeitsaggressivität, Steuerbarkeit des Deformationsfortschritts sowie der Insassenvorverlagerung über alle Crashvorgänge.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Aktoreinrichtung 105. Die hier dargestellte Aktoreinrichtung 105 entspricht beispielsweise der in 1 beschriebenen Aktoreinrichtung 105. Die Aktoreinrichtung 105 weist eine in 3 näher beschriebene Aktorwelle auf, um die das Schutzelement 110 gewickelt ist. Genauer gesagt ist das Schutzelement 110 gemäß diesem Ausführungsbeispiel in einer Rollowelle 200 angeordnet und um die Aktorwelle gewickelt. Das Schutzelement 110 ist beispielsweise als eine Fasermatte realisiert, die ausgeformt ist, um auf sie einwirkende Kräfte zu absorbieren. Angrenzend an die Rollowelle 200 weist die Aktoreinrichtung 105 einen Aktor mit einem Gehäuseelement 205 auf, insbesondere einen adaptiven rheologischen Aktor (ARA) der Aktoreinrichtung 105, der ein magnetorheologisches Medium aufweist, wie es in der nachfolgenden Figur näher beschrieben ist. Der Aktor ist beispielsweise in Verbindung mit einer regelbaren Rutschkupplung realisierbar. Um die Rollowelle 200 und den Aktor weist die Aktoreinrichtung 105 gemäß diesem Ausführungsbeispiel ein weiteres Gehäuse 210 auf, das beispielsweise zylindrisch ausgeformt ist.
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3 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer Aktoreinrichtung 105, die beispielsweise der in 2 beschriebenen Aktoreinrichtung 105 entspricht oder mindestens ähnelt. Demnach ist die Aktoreinrichtung 105 für ein Fahrzeug einsetzbar, wie es beispielsweise in 1 beschrieben wurde. Die Aktoreinrichtung 105 weist demnach wie auch in 2 erwähnt die Aktorwelle 300 auf, die drehbar ausgeformt ist. Die Aktorwelle 300 weist dabei einen Aufnahmeabschnitt 305 zum Aufnehmen des Schutzelements 110 zum Schützen eines Fahrzeuginnenraumes und einen Einwirkabschnitt 310 auf, wobei der Einwirkabschnitt 310 axial zum Aufnahmeabschnitt 305 versetzt angeordnet ist. Die Aktorwelle 300 ist dabei um eine Drehachse 315 drehbar, die beispielsweise auch einer Haupterstreckungsachse der Aktoreinrichtung 105 entspricht oder parallel dazu verläuft. Die Aktoreinrichtung 105 weist weiterhin das Gehäuseelement 205 auf, das um den Einwirkabschnitt 310 angeordnet ist. Dabei ist zwischen der Aktorwelle 300 und einer Gehäusewand 320 ein Zwischenraum 325 angeordnet, in dem ein magnetorheologisches Medium 330 angeordnet ist. Dieses ist ausgebildet, um in Abhängigkeit eines elektromagnetischen Feldes ein Bremsmoment auf die Aktorwelle 300 auszuüben. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist das magnetorheologische Medium 330 ein Trägerfluid, ein Stabilisatormedium und eine Mehrzahl von ferromagnetischen Partikeln auf, die beispielsweise bis zu 50% des Volumens ausmachen. Das magnetorheologische Medium 330 übt das Bremsmoment auf die Aktorwelle 300 aus, indem seine Viskosität verändert wird.
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Dazu weist die Aktoreinrichtung 105 eine Spule 335 auf, die ausgebildet ist, um das elektromagnetische Feld zu erzeugen, das im Einwirkabschnitt 310 auf das magnetorheologische Medium 330 wirkt. Durch das elektromagnetische Feld werden beispielsweise die im magnetorheologischen Medium 330 enthaltenen Partikel polarisiert, sodass sich Partikelketten parallel zu einer magnetischen Flussrichtung bilden und somit die Viskosität des magnetorheologischen Mediums 330 verändern. Anders ausgedrückt überführt das elektromagnetische Feld das magnetorheologische Medium 330 von einem ersten Zustand in einen zweiten Zustand.
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Weiterhin weist die Aktoreinrichtung 105 optional eine Mehrzahl von Innenlamellen 340 auf, die im Einwirkabschnitt 310 an der Aktorwelle 300 angeordnet ist, und/oder eine Mehrzahl von Außenlamellen 345. Dabei sind die Außenlamellen 345 an der Gehäusewand 320 angeordnet. Das bedeutet, dass die Innenlamellen 340 und die Außenlamellen 345 axial zueinander versetzt und ineinandergreifend angeordnet sind. Dies führt dazu, dass der Zwischenraum 325 als ein mäanderförmiger Kanal ausgeformt ist, in dem das magnetorheologische Medium 330 angeordnet ist. Dieses erhält dadurch eine vergrößerte Kontaktfläche zu der Aktorwelle 300, auf die das Bremsmoment übertragen und eine Drehbewegung der Aktorwelle 300 um die Drehachse 315 eingestellt wird.
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Weiterhin optional weist die Aktoreinrichtung 105 gemäß diesem Ausführungsbeispiel ein Dichtelement 350 auf, das ausgeformt ist, um das Gehäuseelement 205 insbesondere gegenüber dem Aufnahmeabschnitt 305 der Aktorwelle 300 fluidisch abzudichten.
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Zusammengefasst besteht das auch als MR-Fluid bezeichnete magnetorheologische Medium 330 ferromagnetischen Partikel mit bis zu 50% des Volumens, einem Trägerfluid und einem Stabilisierer. Unter Einwirkung des magnetischen Feldes werden die Partikel polarisiert, sodass Partikelketten parallel zu einer magnetischen Flussrichtung ausgebildet werden.
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Das Funktionsprinzip des Aktors ist dabei beispielsweise ähnlich einer Viskokupplung, wobei statt Silikonöl das magnetorheologische Medium 330 zugegeben wird, dessen Viskosität gezielt mittels des elektromagnetischen Feldes verändert wird. Somit ist ein Gegenmoment des Aktors gegen eine Drehbewegung der Aktorwelle 300 gezielt steuerbar und beeinflussbar.
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4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens 400 zum Betreiben einer Aktoreinrichtung, wie sie in mindestens einer der 1 bis 3 beschrieben wurde. Das Verfahren 400 umfasst dazu einen Schritt 405 des Erzeugens eines elektromagnetischen Feldes, um in Abhängigkeit des elektromagnetischen Feldes ein Bremsmoment auf die Aktorwelle auszuüben. Dazu wird im Schritt 405 des Erzeugens beispielsweise eine Spule angesteuert, um das elektromagnetische Feld zu erzeugen. Dieses wiederum bewirkt beispielsweise eine Veränderung einer Viskosität des magnetorheologischen Mediums.
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5 zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung 107 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Vorrichtung 107 entspricht beispielsweise der in 1 beschriebenen Vorrichtung 107 und weist gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine Erzeugeeinheit 500 auf, die ausgebildet ist, um ein Erzeugen eines elektromagnetischen Feldes zu bewirken, indem es beispielsweise eine Spule 335 der Aktoreinrichtung ansteuert.
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Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
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Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“ Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so kann dies so gelesen werden, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
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Bezugszeichen
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- 100
- Fahrzeug
- 105
- Aktoreinrichtung
- 107
- Vorrichtung
- 110
- Schutzelement
- 115
- Fahrzeuginnenraum
- 200
- Rollowelle
- 205
- Gehäuseelement
- 210
- weiteres Gehäuse
- 300
- Aktorwelle
- 305
- Aufnahmeabschnitt
- 310
- Einwirkabschnitt
- 315
- Drehachse
- 320
- Gehäusewand
- 325
- Zwischenraum
- 330
- magnetorheologisches Medium
- 335
- Spule
- 340
- Mehrzahl von Innenlamellen
- 345
- Mehrzahl von Außenlamellen
- 350
- Dichtelement
- 400
- Verfahren zum Betreiben einer Aktoreinrichtung
- 405
- Schritt des Erzeugens
- 500
- Erzeugeeinheit