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Die Erfindung betrifft einen Lagerkäfig für rollenförmige Wälzkörper, beispielsweise für ein Nadellager zur Lagerung von Fahrzeugantriebsstrangkomponenten, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Die Lebensdauer des Lagerkäfigs eines Nadel- bzw. Rollenlagers wird maßgeblich durch Kerbspannungen und Steifigkeitssprünge in der Käfigstruktur, Lastspitzen durch ungünstige Lastübertragung über die Wälzkörper und einen insbesondere bei hohen Drehzahlen unzureichenden Schmierhaushalt begrenzt.
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Eine Kerbwirkung mit Einfluss auf die Bauteilfestigkeit entsteht unter anderem durch erhöhte Spannungen an Biegungen, Querschnittsänderungen, Absätzen, Nuten und dergleichen des Lagerkäfigs. Besonders hohe Beanspruchungen können an kritischen Stellen des Lagerkäfigs, an denen die Käfigstruktur Steifigkeitssprünge bei minimalen Krümmungen aufweist, und bei der Lagerung der Wälzkörper durch variierende Hebelarme auftreten. Weiterhin sind bei Lagerkäfigen mit einer weitgehenden Kapselung der Lagerstellen der Nadelrollen, bei denen nur minimale Öffnungsspalte und konstruktionsbedingte Staustellen vorhanden sind, ein verminderter Ölaustausch und lokal erhöhte Schmiermitteltemperaturen festzustellen.
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Außerdem werden insbesondere in heutigen Getriebe- und Motorkomponenten von Fahrzeugen zunehmend schnell drehende Nadellager mit hohen dynamischen Tragzahlen, d. h. mit einer vergleichsweise hohen Belastung für eine vorgegebene Gesamtumdrehungszahl, benötigt. Gleichzeitig müssen die Lager häufig aufgrund beengter Einbauverhältnisse möglichst kompakt bauend realisiert werden. Dies hat dazu geführt, dass die üblichen Lagerkäfige solcher Rollenlager bei einer hohen Drehzahlbelastung die gestiegenen Lebensdaueranforderungen nicht mehr ohne weiteres erfüllen.
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Lagerkäfige aus hochlegierten Werkstoffen, die sich grundsätzlich für hohe Belastungen besser eignen als die üblichen Stahlblechkonstruktionen, sind in der Herstellung kostenaufwendig und beseitigen nicht die eingangs genannten konstruktionsbedingten Nachteile.
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Aus der
DE 101 03 168 A1 ist ein Nadelrollenlager für hohe Drehzahlen bekannt. Der Käfig ist aus zwei Seitenringen, die durch taschenbildende, elastisch verformbare Stege verbunden sind, gebildet und ist auf einer Außenlaufbahn geführt. Die Stege des Käfigs weisen mehrere in unterschiedlichen Abständen von der Lagerachse verlaufende Abschnitte auf. Dabei ist jeweils ein zentraler Abschnitt radial nach innen zurückgesetzt. Dadurch wird auch bei hohen Drehzahlen eine zuverlässige Schmierung sichergestellt und gewährleistet, dass die verformbaren Stege nicht an der Außenlaufbahn anlaufen können. Nachteilig daran ist, dass die Konstruktion des Käfigs insbesondere im Bereich der Versetzungskanten der Stege und an den Übergängen zwischen den Stegen und den Seitenringen Kerbspannungen sowie Steifigkeitssprünge aufweisen kann, die zu einer Herabsetzung der Lebensdauer beziehungsweise zu einer Herabsetzung der dynamischen Tragzahl führen können. Zudem sind eine Innenlaufbahn und eine Außenlaufbahn notwendig, damit die Wälzkörper nicht aus dem Käfig entfallen können.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Lagerkäfig für rollenförmige Wälzkörper zu entwickeln, der bei einer möglichst kompakten Bauweise für besonders schnell drehende Anwendungen mit hohen dynamischen Tragzahlen geeignet, möglichst laufbahnunabhängig einsetzbar ist und dennoch kostengünstig in der Herstellung sowie verschleißarm im Betrieb ist.
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Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Hauptanspruchs, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den Unteransprüchen entnehmbar sind.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass in Abkehr von der herkömmlichen, eher unzureichend an die Lasteinleitung angepassten einfachen Steg- und Seitenteilgeometrie, die durch Umformprozesse mit kaum berechenbaren Eigenspannungen belastet ist, eine innovativ ausgebildete Lagerkäfigkonstruktion, welche einerseits Kerbspannungen weitgehend vermeidet und der andererseits adaptive sowie funktionale Eigenschaften immanent sind, wesentlich höhere Drehzahlen bei der geforderten Lebensdauer eines Nadellagers ermöglicht sowie mit modernen computergestützten Konstruktions- und Fertigungstechniken relativ kostengünstig realisierbar ist.
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Demnach geht die Erfindung aus von einem Lagerkäfig für rollenförmige Wälzkörper, beispielsweise für ein Nadellager zur Lagerung von Fahrzeugantriebsstrangkomponenten, mit einem Käfigkörper, welcher durch Stege gebildet ist, die durch zwei Seitenringe miteinander verbunden sind, wobei die Stege Käfigtaschen zur Aufnahme der Wälzkörper bilden. Zur Lösung der gestellten Aufgabe sieht die Erfindung vor, dass der Käfigkörper zumindest in Teilbereichen aus homologisch aufeinander abgestimmten Konstruktionsstücken besteht, wobei eine integrierte multifunktionale geometrische Ausformung berücksichtigt ist.
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Die erfindungsgemäße homologe Käfigstruktur ermöglicht beispielsweise bei einem Nadellager besonders hohe dynamische Tragzahlen bei sehr kleiner Baugröße für die höchsten in heutigen Fahrzeuggetrieben vorkommenden Drehzahlen. Dabei sind unter homologischen Konstruktionsstücken geometrische Flächen, Punkte, Seiten und/oder Winkel in kongruenten oder ähnlichen Hilfsfiguren bzw. Hilfskörpern zu verstehen, die zur Konstruktion des Käfigs herangezogen werden.
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Die Käfigkonstruktion basiert demnach vorteilhaft auf dem Axiom konstanter Spannungen, wonach weiche Übergänge ohne Steifigkeitssprünge mit maximalen Krümmungen, die den Kraftflüssen in einem Drehlager mit rollenförmigen Wälzkörpern Rechnung tragen, in der Gestaltung umgesetzt sind. Dazu sei beispielsweise auf die Veröffentlichungen „C. Mattheck et. al., Mat.-wiss. u. Werkstofftech. 34, 427–429 u. 514–515 (2003)” verwiesen.
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Der Lagerkäfig kann kostengünstig aus einem einstückigen Formteil gefertigt werden, wobei zunächst ein Strangpressprofil hergestellt wird, anschließend die Käfigtaschen ausgestanzt wenden, der ausgestanzte Streifen dann zu einer zylindrischen Käfigstruktur gebogen wird und abschließend die Enden verschweißt werden. Die Fertigung ist somit grundsätzlich ohne die hinsichtlich Eigenspannungen nur schwer beherrschbaren Umformungen, wie beispielsweise Tiefziehen und Kröpfen, möglich. Als Werkstoff sind neben Stahl oder anderen Metalllegierungen auch Kunststoffe sinnvoll.
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Durch die weitgehende Eliminierung bzw. Kompensation von unerwünschten Kerbspannungen sowie der gezielten Verbesserung von Nennspannungen, d. h. des ungestörten Spannungsverlaufs ohne Kerbwirkung, kann beispielsweise ein Nadellager mit wesentlich höheren Drehzahlen als bei herkömmlichen Lagerkäfigen ohne die Gefahr eines Materialbruchs betrieben werden, und somit die geforderte Lebensdauer sicher erreicht werden.
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In den Käfigkörper sind vorteilhaft funktionale Mittel zur Anlage der Wälzkörper, zur Führung von Schmierfluiden, zur Sicherung der Wälzkörper gegen ein Entfallen aus dem Lagerkäfig und/oder zur Montage der Wälzkörper in die Käfigtaschen integriert.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass nahe der Seitenringe, jeweils beidseitig einer Längsachse des jeweiligen Steges, ein in tangentialer Richtung hervorstehender Funktionsbereich mit mindestens einem Funktionselement ausgeformt ist, so dass an jeder Käfigtasche vier dieser Funktionsbereiche, jeweils zwei gegenüberliegend, angeordnet sind. Demnach sind Rollenführungen, Montagehilfen und Entfallsicherungen zum Endbereich der Wälzkörper verlagert angeordnet. Rollenlaufbahnen werden durch den Käfigkörper nicht beeinträchtigt.
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Ein erstes Funktionselement kann als eine Anlauffläche ausgebildet sein, an der jeweils der zugehörige Wälzkörper längsseitig im Bereich ihres axialen Endes anliegt, so dass in jeder Käfigtasche der Wälzkörper an insgesamt vier endseitig der Stege angeordneten Anlaufflächen mittig abwälzt. Durch diese Anordnung der Anlauf- bzw. Abwälzgeometrie wird eine besonders geringe Reibung der Wälzkörper erreicht, da sich bei mittigem Abwälzen keine Differenzgeschwindigkeit zwischen den Wälzkörpern und dem Lagerkäfig einstellt.
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Als ein zweites Funktionselement kann eine rampenartige Sicherungskante, welche jeweils die Anlauffläche nach radial außen abschließt, vorgesehen sein, so dass in jeder Käfigtasche der zugehörige Wälzkörper an insgesamt vier Sicherungskanten gegen ein Entfallen nach außen gesichert ist. Durch die Sicherungskanten ist eine einfache Vierpunkthalterung der Wälzkörper gegeben, so dass gegebenenfalls auf eine zusätzliche Außenführung verzichtet werden kann.
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Weiterhin kann ein drittes Funktionselement als eine Einfädelschräge ausgebildet sein, welche sich jeweils von der Sicherungskante zu einer Oberkante des Steges erstreckt, so dass der jeweilige Wälzkörper über insgesamt vier Einfädelschrägen von außen in die zugehörige Käfigtasche einführbar ist. Durch die Einfädelschrägen wird eine einfache und sichere automatisierte Montage der Wälzkörper von außen in den Lagerkäfig ermöglicht, wodurch Fertigungskosten und Montagezeit verringert werden. Zudem wird, insbesondere bei sehr kleinen Lager, die Gefahr einer Vorschädigung von Laufbahnen bei der Montage vermieden.
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Außerdem kann vorgesehen sein, dass jeweils der Funktionsbereich nach axial außen zu den genannten Funktionselementen hinführend in tangentialer Richtung allmählich ansteigt sowie von den Funktionselementen wegführend über eine Kerbe zu einem Endbereich der Seitenringe hin steil abfällt. Der Endbereich der Seitenringe ist vorteilhaft aus homologischen Flächenstücken mit variablen Krümmungen maximaler Größe konstruiert. Dadurch wird eine Kerbformoptimierung zwischen Steg und Seitenring ohne zusätzlichen Bauraumbedarf erreicht. Durch die Kerbformoptimierung auf der Basis homologischer Flächen bzw. Konstruktionsstücke in diesem Bereich ergibt sich vorteilhaft eine homogene Spannungsverteilung.
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Zudem ist der jeweilige Wälzkörper gegen ein Entfallen nach radial innen über eine linienförmige Kerbkontur, also über eine Zweipunktsicherung, im Endbereich der Seitenringe gesichert, so dass gegebenenfalls auf eine zusätzliche Innenführung verzichtet werden kann.
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Die Stege weisen vorteilhaft eine vergleichsweise hohe Flexibilität auf, durch die sie sich an die von außen aufgezwungenen Verformungen des Wälzlagers im Betrieb elastisch anpassen. Die Verbindung der beiden Seitenringe durch die Stege ist somit als eine adaptive Lastzone gestaltet, wodurch sich eine homogene Lasteinleitung der Wälzkörper im Käfig ergibt und sich die Wälzkörper automatisch ausrichten, welches sich zusätzlich verschleißmindernd auswirkt.
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Der erfindungsgemäße Lagerkäfig weist weiterhin einen sehr effektiven Schmierhaushalt auf, der die Lebensdauer der Wälzkörper verbessert. Dies wird dadurch erreicht, dass die Kontur der Stege, von der axialen Käfigmitte ausgehend, zu den axial endseitigen Funktionsbereichen hin parabelförmig in tangentialer Richtung ansteigt, so dass die Käfigtaschen außerhalb der mit dem jeweiligen Wälzkörper in Kontakt befindlichen Funktionsbereiche eine offene Struktur bilden, durch die Schmieröl leicht hindurch strömen kann. Vorzugsweise verjüngen sich die Stege zur Mitte hin nicht nur in tangentialer Richtung sondern auch nach radial innen. Dadurch wird neben der verbesserten Schmierung auch eine Material- bzw. Gewichtseinsparung erreicht.
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In Abkehr von einer üblichen Kapselung erlaubt die offene Konturierung der Käfigstege eine gezieltere Öl-Zufuhr und Öl-Abfuhr an den schmierungsrelevanten Stellen. Als besonders effektiv hat sich eine Stegkontur herausgestellt, die einer Parabel 2. Ordnung folgt. Diese Kontur gewährleistet einerseits eine ausreichende Zufuhr von Schmieröl an die Funktionsflächen im Kontaktbereich der Wälzkörper an den Käfigenden auch bei sehr hohen Drehzahlen, und weist andererseits im zentralen Käfigbereich relativ weite Spalte zum Ölaustausch auf. Außerdem werden meist nicht gänzlich zu vermeidende, über das Schmieröl selbst und aus der Lagerumgebung eingetragene, feine Schmutzpartikel aus dem Lagerbereich besser abgeführt, und durch die auf diese Weise verbesserte Schmierung der Funktionsflächen wird die mittlere Betriebstemperatur des Lagers gesenkt, welches sich zusätzlich günstig auf die Lebensdauer und Belastungseigenschaften des Wälzlagers auswirkt.
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Schließlich sei erwähnt, dass der Lagerkäfig grundsätzlich nicht nur für Nadelrollen sondern für alle rollenförmigen oder spindelförmigen Wälzkörper geeignet ist.
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Zur Verdeutlichung der Erfindung ist der Beschreibung eine Zeichnung eines Ausführungsbeispiels beigefügt. In dieser zeigt
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1 eine perspektivische Ansicht eines Lagerkäfigs eines Nadellagers,
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2 ein vergrößerter Ausschnitt des Lagerkäfigs mit zwei Käfigstegen,
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3 ein erstes Detail eines Funktionsbereiches des Lagerkäfigs,
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4 ein zweites Detail des Funktionsbereiches,
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5 ein weiteres Detail des Funktionsbereiches,
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6 den Lagerkäfig mit einem Nadelrollenkranz, und
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7 ein Ausschnitt des Lagerkäfigs mit montierten Nadelrollen.
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Demnach zeigt die 1 einen Lagerkäfig eines mit hoher Drehzahl drehbaren Nadellagers, wie es beispielsweise in einem kompakt bauenden Automatgetriebe mit vier Planetensätzen, drei Lamellenkupplungen und zwei Lamellenbremsen verbaut sein kann.
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In den 2 bis 5 sowie in 7 sind verschiedene Ausschnitte und Details des Lagerkäfigs dargestellt, wobei zur Verdeutlichung größere Maßstäbe gewählt sind. Zur Vereinfachung sind darin lediglich die jeweils relevanten Bauteile mit Bezugszeichen versehen.
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Der Lagerkäfig weist einen zylindrischen Käfigkörper 1 auf, der Verbindungsstege 2 aufweist, die an ihren axialen Enden durch zwei Seitenringe 9, 10 miteinander verbunden sind. Der Käfigkörper 1 ist vorteilhaft aus einer entsprechend den Anforderungen ausgewählten Metalllegierung als Formteil durch Press-, Biege-, Stanz- und/oder Schweißverfahren gefertigt und in die gewünschte Käfigform gebracht. Wie 2 verdeutlicht, ist die Struktur aus homologischen Konstruktionsstücken bzw. Konstruktionsflächen mit weichen Übergängen weitgehend ohne Steifigkeitssprünge zusammengesetzt. Die Stege 2 bilden als flexible Verbindungen eine adaptive Lastzone, die sich an die jeweilige aufgezwungene Last anpasst.
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Jeweils zwei der Stege 2 bilden eine Käfigtasche 15 zur Aufnahme von als Nadelrollen ausgebildeten Wälzkörpern 13 (6 und 7). An den axialen Enden der Stege 2 ist jeweils beidseitig ein Funktionsbereich 3 mit Funktionselementen 4, 5, 6 ausgebildet, der über eine Kerbe 14 (3 bis 5) in einen Endbereich 7 der Seitenringe 9, 10 übergeht. Die Funktionsbereiche 3 ragen in tangentialer Richtung in die Käfigtaschen 15 hinein. Die Stege 2 verbreitern sich endseitig sowohl zu den Funktionsbereichen 3 hin als auch nach radial innen und bilden eine zum axialen Zentrum des jeweiligen Käfigs hin geweitete offene Käfigtaschenstruktur 11, wobei die Stege 2 vorteilhaft eine parabelförmige Kontur 8 aufweisen.
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Der axial nach innen weisende Endbereich 7 der Seitenringe 9, 10 besitzt eine Kerbkontur 12, welche die Nadelrolle 13 gegen ein Entfallen nach innen sichert. Jede Käfigtasche 15 verfügt somit über zwei Endbereiche 7 und vier Funktionsbereiche 3, an denen die jeweilige Nadelrolle 13 in Kontakt zum Käfigkörper 1 steht. Der Käfigkörper 1 ist insbesondere zwischen den Stegen 2 und den Endbereichen 7 der Seitenringe 9, 10 auf der Basis homologischer Flächen konstruiert, um eine homogene Spannungsverteilung der Nadelbelastung zu erreichen.
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Die Funktionsbereiche 3 weisen jeweils ein in 3 gezeigtes erstes Funktionselement 4 auf, das als eine zentrale Anlauffläche ausgebildet ist, an der die Nadelrollen 13 mit ihren axialen Enden weitgehend mittig abwälzen.
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Die 4 zeigt ein zweites Funktionselement 5, welches als eine schmale Sicherungskante ausgebildet ist. Die Sicherungskanten 5 halten die Nadelrollen 13 quasi als Punktbefestigung im Lagerkäfig und sichern sie gegen ein Entfallen nach außen.
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In 5 ist ein drittes Funktionselement 6 erkennbar. Das Funktionselement 6 ist als eine zur Stegoberseite verlaufende Schräge ausgebildet, die als Einfädelhilfe für eine leichte und sichere Wälzkörpermontage von außen dient.
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Die 6 zeigt den Käfigkörper 1 umgeben von einem Kranz aus Nadelrollen 13. Die Montage der Nadelrollen 13 kann mit Hilfe eines Montageautomaten von außen erfolgen. In 7 sind die Nadelrollen 13 bereits in den Käfigkörper 1 eingesetzt. Darin ist die offene Käfigtaschenstruktur 11 mit der parabelförmigen Stegkontur 8 erkennbar, welche Ölspalten zum Schmiermittelaustausch freigibt und gleichzeitig eine Führungsbahn für das Schmiermittel zu den Funktionsflächen bzw. Funktionslinien und Funktionspunkten 4, 5, 6, 7 darstellt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Käfigkörper
- 2
- Steg
- 3
- Funktionsbereich
- 4
- Funktionselement
- 5
- Funktionselement
- 6
- Funktionselement
- 7
- Endbereich
- 8
- Stegkontur
- 9
- Seitenring
- 10
- Seitenring
- 11
- Käfigtaschenstruktur
- 12
- Kerbkontur
- 13
- Wälzkörper, Nadelrolle
- 14
- Kerbe
- 15
- Käfigtasche
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- C. Mattheck et. al., Mat.-wiss. u. Werkstofftech. 34, 427–429 u. 514–515 (2003) [0012]
