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Die Erfindung betrifft einen Kraftsensor.
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Bei bekannten Kraftsensoren ist es
schwierig, über
einen sehr großen
Messbereich eine ausreichende Messgenauigkeit zu gewährleisten.
Ein Sensor, welcher bei großen
Kräften
eine ausreichende Messgenauigkeit liefert, wird üblicherweise für sehr kleine
zu bestimmende Kräfte
keine ausreichende Messgenauigkeit aufweisen. Umgekehrt wäre ein Sensor,
welcher bei sehr kleinen Kräften
eine ausreichende Messgenauigkeit bietet und darüber hinaus gleichzeitig sehr
große
Kräfte
erfassen kann, aufgrund der erforderlichen Präzision der Einzelteile sehr
teuer.
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Es ist daher Aufgabe, einen im Aufbau
einfachen Kraftsensor bereitzustellen, welcher bei ausreichender
Genauigkeit die Bestimmung sehr kleiner und großer Kräfte ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch einen Kraftsensor mit
den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Der erfindungsgemäße Kraftsensor weist zumindest
zwei Federelemente sowie einen Wegsensor zum Erfassen der Verformung
der Federelemente bei Krafteinwirkung auf. Bei bekannter Federkonstante
kann über
die Erfassung des Verformungsweges die Größe der aufgebrachten Kraft
bestimmt werden. Der Wegsensor kann ein herkömmlicher Wegsensor, beispielsweise
ein induktiver oder anderer geeigneter Wegsensor sein. Die Federelemente sind
erfindungsgemäß derart
zusammen- bzw. hintereinander geschaltet, dass bei einer Beaufschlagung
mit einer zu messenden Kraft zunächst
nur ein erstes Federelement mit der zu messenden Kraft beaufschlagt
wird und ein zweites Federelement erst nach einer vorbestimmten
Verformung des ersten Federelementes mit der zu messenden Kraft
beaufschlagt wird. Das Hintereinanderschalten der Federelemente
bedeutet somit erfindungsgemäß, dass
die Federelemente so angeordnet sind, dass sie nicht gleichzeitig
sondern nacheinander mit der zu messenden Kraft beaufschlagt werden.
Dies bewirkt, dass bei einer kleinen zu messenden Kraft nur das erste
Federelement verformt wird, während
das zweite Federelement erst bei einer größeren zu messenden Kraft mit
in Einsatz kommt, so dass beide Federelemente parallel geschaltet
sind. Dadurch wirken bei großen
zu messenden Kräften
mehrere, das heißt beide
Federelemente, während
bei kleinen zu messenden Kräften
nur ein Federelement wirkt. Auf diese Weise wird sehr einfach ein
Kraftsensor geschaffen, welcher mehrere, vorzugsweise zwei Messbereiche zur
genauen Bestimmung kleinerer und erheblich größerer Kräfte aufweist. Die gleichzeitige
Wirkung mehrerer Federelemente führt
zu einer Abflachung der Gesamt-Federkernlinie
bzw. der Kennlinie des Kraftsensors in diesem Messbereich, das heißt bei größeren Kräften ist
der zu messende proportionale Verformungsweg kleiner, während bei
kleineren zu messenden Kräften,
bei welchen nur ein Federelement wirkt, der proportionale Verformungsweg
größer ist,
so dass bei kleineren Kräften
eine feinere Auflösung
des Kraftsensors gegeben ist. Bei den größeren Kräften, bei welchen beide Federelemente
wirken, ist die Auflösung
entsprechend grober. Bezogen auf den jeweiligen Maximalwert der
Messbereiche liegt bei dem erfindungsgemäßen Sensor für jeden Messbereich
der gleiche prozentuale Fehler vor, so dass für alle Messbereiche eine ausreichende
Genauigkeit garantiert werden kann. Bei den Federelementen handelt
es sich vorzugsweise um Schraubenfedern, welche als Zug- oder Druckfedern
ausgestaltet sind. Es können
jedoch auch andere geeignete Federtypen eingesetzt werden. Der Kraftsensor kann
zur Messung von Zug- und/oder Druckkräften ausgebildet sein.
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Bevorzug weist das erste Federelement
eine geringere Federkonstante als das zweite Federelement auf. Dadurch
kann in dem ersten Messbereich für
kleine Kräfte
eine noch feinere Auflösung
erreicht werden, so dass durch den Kraftsensor ein noch größerer Messbereich
abgedeckt werden kann.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird
das erste Federelement über
ein erstes Betätigungselement
und wird das zweite Federelement über ein zweites Betätigungselement
mit einer Kraft beaufschlagt, wobei eine zu messende Kraft auf das Betätigungselement
des ersten Federelementes wirkt und das erste Betätigungselement
bei einer vorbestimmten Verformung des ersten Federelementes mit
dem zweiten Betätigungselement
in Kraft übertragenden
Eingriff kommt. Dieser Anordnung bewirkt, dass das zweite Betätigungselement
und damit das zweite Federelement zunächst nicht mit einer zu messenden
Kraft beaufschlagt werden, da diese zunächst nur über das erste Betätigungselement
auf das erste Federelement überfragen
wird. So wird der erste Messbereich für kleine Kräfte geschaffen, in welchen
nur das erste Federelement im Kraftfluss liegt. Durch Verformung
des ersten Federelementes bewegt sich das erste Betätigungselement,
bis es bei einer vorbestimmten Verformung bzw. vorbestimmten Kraft
mit dem zweiten Betätigungselement
in Kontakt bzw. Eingriff kommt, so dass die zu messende Kraft über das
erste Betätigungselement
und das sich mit diesem in Kontakt bzw. im Eingriff befindenden
zweite Betätigungselement
zusätzlich
auf das zweite Federelement übertragen
wird. In diesem zweiten Messbereich wirkt somit die zu messende Kraft
auf beide Federelemente, so dass deren Federkonstanten zusammenwirken
und zusammen eine neue Federkonstante bilden, sodass bei Verformung beider
Federelemente eine flachere Kennlinie des Kraftsensors erreicht
wird.
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Weiter bevorzugt ist ein Anschlagelement vorgesehen,
mit welchem das zweite Betätigungselement
nach einer vorbestimmten Verformung des zweiten Federelementes in
Kontakt kommt. Sobald das zweite Betätigungselement durch Kontakt
mit dem ersten Betätigungselement
ebenfalls mit Kraft beaufschlagt wird, werden beide Federelemente
verformt und das erste und das zweite Betätigungselement bewegen sich
weiter. Nach einer vorbestimmten Wegstrecke, das heißt bei einer
vorbestimmten Verformung auch des zweiten Federelementes, tritt dann
das zweite Betätigungselement
mit dem Anschlagelement in Kontakt, so dass der Kraftfluss über das
Anschlagelement geschlossen wird und die Federelemente nicht weiter
belastet werden. Auf diese Weise wird eine Kraftbegrenzung geschaffen,
welche eine Beschädigung
oder Zerstörung
des Sensors bei übergroßen Kräften, welche
außerhalb
des Messbereichs des Sensors liegen, verhindert.
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Die Federelemente stützten sich
bevorzugt jeweils mit einem Ende an einem gemeinsamen Lagerelement
ab. Über
dieses gemeinsame Lagerelement wird eine Kraft gleichzeitig auf
beide Federelemente bzw. von beiden Federelementen gleichzeitig auf
das Lagerelement übertragen.
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Vorzugsweise ist ein Gehäuseteil
vorgesehen, an dem die Federelemente in Längsrichtung hintereinander
liegend angeordnet sind, wobei jedes Federelement sich mit einem
Ende an jeweils einer zugehörigen
Lagerschulter an dem Gehäuseteil
und mit seinem entgegengesetzten Ende an einem jeweils zugehörigen und
relativ zu dem Gehäuseteil
beweglichen Betätigungselement
abstützt.
Die hintereinander liegende Anordnung der Federelemente ermöglicht einen
langen Messweg, welcher wiederum eine feine bzw. genaue Auflösung durch
den Wegsensor ermöglicht.
Der Wegsensor wird dabei zwischen dem feststehenden Gehäuseteil
und dem beweglichen ersten Betätigungselement
angeordnet, auf welches die zu messende Kraft eingeleitet wird.
Im ers ten Messbereich bewirkt das erste Betätigungselement zunächst nur
eine Verformung eines ersten Federelementes, welche durch den Wegsensor
erfasst wird. Wenn das erste Betätigungselement
mit dem zweiten Betätigungselement
in Kontakt kommt, wird neben einer weiteren Verformung des ersten
Federelementes auch das zweite Federelement durch Bewegung des zweiten
Betätigungselementes
verformt, wobei die dabei auftretende weitere Verlagerung des ersten Betätigungselementes
durch den Wegsensor erfasst wird.
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Gemäß weiterer bevorzugte Ausführungsformen
können
mehr als zwei Federelemente vorgesehen sein, welche jeweils so zusammen
geschaltet sind, dass jeweils ein nachfolgendes zweites Federelement
erst bei einer vorbestimmten Ausdenkung bzw. Verformung eines vorangehenden
ersten Federelementes mit der zu messenden Kraft beaufschlagt wird.
Somit kann ein Kraftmesser mit drei oder mehr Messbereichen geschaffen
werden. Durch entsprechende Anpassung der Federkonstanten der einzelnen
Federelemente, kann der Kraftsensor auf bestimmte, zu messende Kraftbereiche
abgestimmt werden, welche weit auseinander liegen können, wodurch
ein großer
Messbereich bei gleichzeitig genauer Auflösung in bestimmten Kraftbereichen
geschafft wird. Bei einem Kraftsensor mit drei Federelementen wird
beispielsweise zunächst
das erste Federelement belastet und nach einer vorbestimmten Verformung
des ersten Federelementes ebenfalls das zweite Federelement belastet.
Das dritte Federelement wiederum wird dann zusätzlich nach einer vorbestimmten
Verformung des zweiten Federelementes belastet. Die stufenweise
Kraftbeaufschlagung mehrerer Federelemente erfolgt dabei in der
oben anhand von zwei Federelementen beschriebenen Weise, wobei die
Kennlinie des Kraftsensors mit jedem weiteren Federelement flacher
wird.
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Weiter bevorzugt kann zumindest eines
der Federelemente vorgespannt sein. Durch eine Vorspannung des entsprechenden
Federele mentes, können
bestimmte Messbereiche ausgeblendet werden. Das geschieht dadurch,
dass bis zum Erreichen der Vorspannkraft durch die zu messende Kraft
zunächst
keine von dem Wegsensor messbare weitere Verformung des Federelementes
auftritt. Erst wenn die Vorspannkraft überschritten wird, verformt
sich das Federelement weiter und von dem Kraftsensor kann die entsprechende
Kraft gemessen werden.
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Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand
der beigefügten
Figuren beschrieben. In diesem zeigt:
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1 eine
schematische Schnittansicht des erfindungsgemäßen Kraftsensors mit zwei Federelementen,
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2 eine
schematische Schnittansicht des Sensors gemäß 1 im Ruhezustand, ohne das Wegmesssystem
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3 eine
schematische Schnittansicht des Sensors gemäß 2 bei Belastung in einem ersten Messbereich,
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4 eine
schematische Schnittansicht des Sensors gemäß 2 und 3 bei
Belastung in einem zweiten Messbereich und
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5 eine
beispielhafte Weg-Kraft-Kennlinie für die Gesamtanordnung.
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1 zeigt
beispielhaft in einer Schnittansicht einen erfindungsgemäßen Kraftsensor
mit zwei Messbereichen. Der Kraftsensor weist ein Gehäuse 2 auf,
in dessem Inneren zwei Federelemente 4 und 6 angeordnet
sind. Die Federelemente 4 und 6 sind im gezeigten
Beispiel als Druckfedern in Form von Schraubenfedern ausgebildet.
Die Federelemente 4 und 6 stützen sich jeweils mit einem
Ende an einer Lagerschul ter 8 bzw. einer Lagerschulter 10 im
Inneren des Gehäuses 2 ab.
Mit ihrem entgegengesetzten Enden liegen die Federn 4 und 6 jeweils
an einem Betätigungselement 12 bzw. 14 an.
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Die Betätigungselemente 12 und 14 sind rohrförmig ausgebildet
und jeweils im Inneren der zugehörigen
Federn 4 und 6 angeordnet. An ihrem einen Ende
weisen die Betätigungselemente 12 und 14 radial
nach außen
gerichtete Auskragungen auf, an denen sich die Federelemente 4, 6 abstützen. Die Federelemente 4 und 6 liegen
somit zwischen den ringförmigen
Wandungen der Betätigungselemente 12 bzw. 14 und
der Innenwandung des Gehäuses 2. Auf
diese Weise werden die Federelemente 4, 6 sowie
die Betätigungselemente 12, 14 im
Inneren des Gehäuses 2 geführt. Zur
Führung
der Betätigungselemente 12 und 14 im
Inneren des Gehäuses 2 weisen
die Betätigungselemente 12 und 14,
das heißt deren
radiale Auskragungen, einen Außendurchmesser
auf, welcher gleich oder geringfügig
kleiner als der Innendurchmesser des Gehäuses 2 ist, so dass eine
möglichst
spielfreie Führung
gegeben ist.
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Das erste Betätigungselement 12 ist
mit einer Betätigungsstange 16 verbunden,
welche sich in der Längs-
bzw. Wirkungsrichtung X des Kraftsensors erstreckt. Ferner ist das
Betätigungselement 12 mit
einem Anker 18 eines induktiven Wegaufnehmers 19 verbunden.
Der Anker 18 greift in eine Spule 20 ein. Auf
diese Weise kann der Wegaufnehmer 19 eine Verlagerung der
Betätigungsstange 16 und
des fest mit dieser verbundenen Betätigungselementes 12 in
Richtung der Wirkungsrichtung X erfassen. Die Spule 20 bzw.
das Gehäuse
des Messaufnehmers 19 ist fest mit dem Gehäuse 2 über eine
Bodenplatte 22 verbunden.
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Das Zusammenwirken der Betätigungselemente 12, 14 und
der Federelemente 4 und 6 wird näher anhand
der 2 bis 3 beschrieben, welche eine
schematische Schnittansicht des Sensors gemäß 1 zeigen, wobei in 2 bis 4 die
Betätigungsstange 16 und
der Weg aufnehmer 19 nicht dargestellt sind. Wenn die Betätigungsstange 16 in
der Richtung X mit einer Zugkraft F belastet wird, wobei die Zugkraft
F relativ zu dem Gehäuse 2 wirkt,
wirkt die Kraft in der Richtung X ebenfalls auf das erste Betätigungselement 12.
Das Betätigungselement 12 drückt auf
die erste Druckfeder 4, welche zwischen dem Betätigungselement 12 und
der Lagerschulter 8 gelagert ist. Dadurch wird die Druckfeder 4 in
Abhängigkeit
von der auf die Betätigungsstange 16 bzw. das
Betätigungselement 12 aufgebrachten
Kraft F gestaucht. Dabei verlagert sich das Betätigungselement 12 in
der Richtung X, was von dem Wegaufnehmer 19 erfasst wird.
Der von dem Wegaufnehmer 19 erfasste Weg ist proportional
zur aufgebrachten Kraft F.
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Wenn die Druckfeder 4 soweit
gestaucht ist, dass die vordere Stirnkante 24 des Betätigungselementes 12 an
der hinteren Stirnkante 26 des zweiten Betätigungselementes 14 zur
Anlage kommt, ist der in 3 gezeigte
Zustand erreicht. In diesem Zustand wird die über die Betätigungsstange 16 auf
das Betätigungselement 12 aufgebrachte
Kraft F zu einem Teil weiter auf die erste Druckfeder 4 und
zum anderen auf das zweite Betätigungselement 14 übertragen.
Das zweite Betätigungselement 14 drückt auf die
zweite Druckfeder 6, so dass diese in diesem Zustand ebenfalls
im Kraftfluss liegt. Dieser Zustand bildet einen zweiten Messbereich,
in welchem die beiden Druckfedern 4 und 6 im Kraftfluss
parallel geschaltet sind, so dass sich deren Federkonstanten addieren.
Dies führt
zu einer flacheren Kennlinie des Kraftsensors, so dass auch größere Kräfte mit
diesem bestimmt werden können.
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Bei weiterer Belastung, das heißt Erhöhung der
zu messenden Kraft F, werden die Betätigungselemente 12 und 14 gemeinsam
gegen die Federkräfte
der Federn 4 und 6 ausgelenkt, bis die fordere Stirnkante 28 des
zweiten Betätigungselementes 14 an
der Lagerschulter 10 zur Anlage kommt. Die Anlage des Bestätigungselementes 14 an
der Lagerschulter 10 stellt einen Überlastschutz dar, welche eine
weitere Bewe gung der Betätigungselemente 12 und 14 und
damit eine weitere Stauchung der Federn 4 und 6 verhindert.
Auf diese Weise wird der Sensor vor Überlastung geschützt. Dieser
Zustand ist in 4 gezeigt.
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5 zeigt
die Weg-Kraft-Kennlinie eines Kraftsensors gemäß der vorangehenden Beschreibung.
Die beiden Druckfedern 4 und 6 sind vorgespannt.
Die Vorspannung der Druckfeder 4 mit etwa 5 N bewirkt,
das Kräfte
bis zu 5 N nicht zu einer Auslenkung des Betätigungselementes 12 führen und somit
nicht erfasst werden, wie aus 5 zu
entnehmen ist. In dem ersten Messbereich, in welchem nur die erste
Druckfeder 4 über
das erste Betätigungselement 12 mit
der zu messenden Kraft belastet wird, wirkt nur die Federkonstante
der ersten Feder 4. Dieser Teil 30 der Kennlinie
in 5 verläuft sehr
steil, so dass im Bereich kleiner Kräfte, im gezeigten Beispiel
bis etwa 15 N eine vergleichsweise große Auslenkung des Betätigungselementes 12 und
damit des Wegaufnehmers 19 erreicht wird. Dies führt zu einer sehr
feinen bzw. hohen Auflösung
des Kraftsensors in diesem Messbereich. Wie in 5 zu erkennen ist, entspricht in diesem
Messbereich 30 eine Kraft von etwa 15 N einer Auslenkung
von 2 mm.
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Die zweite Druckfeder 6 ist
ebenfalls vorgespannt, im betrachteten Beispiel auf 200 N. Dies
führt dazu,
dass der Messbereich zwischen 15 und 200 N ausgeblendet wird, das
heißt
in diesem Bereich tritt keine weitere Auslenkung der Betätigungselemente 12, 14 und
damit des Wegaufnehmers 19 auf, wie in 5 anhand des horizontalen Verlaufs des
Teils 32 der Kennlinie zu entnehmen ist. Im sich anschließenden Messbereich
oberhalb 200 N wirken beide Druckfedern 4 und 6 parallel,
wobei sich ihre Federkonstanten addieren, was zu einem flacheren
Verlauf des Teils 34 der Kennlinie führt. Dies führt dazu, dass in dem Bereich 34 der
Kennlinie Kräfte
zwischen 200 und 900 N bei einer Auslenkung von 3 mm erfasst werden
können
und somit in diesem Bereich ein großer Messbereich bei geringerer
Auflösung
gegeben ist. Somit wird ein Kraftsensor geschaffen, welcher zum
einen sehr kleine Kräfte
sehr genau messen kann und ferner auch große Kräfte mit einer geringeren absoluten,
aber gleichen prozentualen Genauigkeit bestimmen kann.
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Im gezeigten Beispiel weist die zweite
Druckfeder 6 eine größere Federkonstante
als die erste Druckfeder 4 auf, was zu einer sehr steilen
Kennlinie im Bereich 30 und einer im Verhältnis sehr
flachen Kennlinie im Teil 34 führt. Die beiden Federn 4 und 6 können jedoch
auch die gleiche Federkonstante aufweisen, wobei ebenfalls durch
Addition der beiden Federkonstanten in dem zweiten Messbereich,
in welchem beide Federn 4 und 6 wirken, ein flacherer Verlauf
der Kennlinie erreicht wird. Bei der maximal erfassbaren Kraft (900
N in 5) liegt das zweite Betätigungselement 14 an
der Lagerschulter 10 an und bewirkt somit einen Überlastschutz
für den
Kraftsensor.
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In alternativen Ausführungsformen
kann auf die Vorspannung einer oder beider Federn 2 und 4 verzichtet
werden, so dass keine Kraftbereiche bei der Messung ausgeblendet
werden. Alternativ können
größere oder
kleinere Vorspannungen vorgesehen werden, je nach dem welcher Kraftbereich
gemessen werden soll. Wenn ein weiteres Federelement vorgesehen
wird, welches nach einer bestimmten Auslenkung des zweiten Federelementes 6 zugeschaltet
wird, kann im Bereich hoher Kräfte
eine weitere Abflachung der Kennlinie erreicht werden. Ferner kann
der Sensor ebenfalls als Sensor zur Bestimmung von Druckkräften ausgebildet
werden. Dazu könnte
der Sensor gemäß 1 beispielsweise so ausgestaltet
sein, dass auf das Betätigungselement 12 von
der Seite der Bodenplatte 20 her eine Druckkraft aufgebracht
wird. Dabei könnte
der Wegaufnehmer 19 in dem Bereich des Gehäuses 2 angeordnet werden,
durch den sich bei dem in 1 gezeigten Zugkraftsensor
die Betätigungsstange 10 erstreckt. Alternativ
könnten
Zugfedern vorgesehen werden, wobei die zu messende Kraft auf das
zweite Betä tigungselement 14 entgegen
der Richtung der Kraft F aufgebracht werden müsste.
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- 2
- Gehäuse
- 4,
6
- Federelemente
- 8,
10
- Lagerschultern
- 12,
14
- Betätigungselemente
- 16
- Betätigungsstange
- 18
- Anker
- 19
- Wegaufnehmer
- 20
- Spule
- 22
- Bodenplatte
- 24,
26, 28
- Stirnkanten
- 30,
32, 34
- Teile
der Kennlinie
- X
- Wirkungsrichtung
- F
- Kraft