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Die Erfindung betrifft eine Verstelleinrichtung mit einem linear bewegbaren Verstellkolben, der mit einer Schwenkeinrichtung gekoppelt ist, die um eine Schwenkachse schwenkbar ist. Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Axialkolbenmaschine mit einer derartigen Verstelleinrichtung.
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Stand der Technik
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2010 052 067 A1 ist eine Kolbenmaschine mit mehreren Zylinder-Kolben-Einheiten und mit einer Verteilerplatte bekannt.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Verstelleinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere eine Axialkolbenmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9, im Hinblick auf die Funktion und/oder die Herstellkosten zu optimieren.
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Die Aufgabe ist bei einer Verstelleinrichtung mit einem linear bewegbaren Verstellkolben, der mit einer Schwenkeinrichtung gekoppelt ist, die um eine Schwenkachse schwenkbar ist, dadurch gelöst, dass der Verstellkolben über ein Anlenkelement und ein Kopplungselement mit der Schwenkeinrichtung gekoppelt ist. Der Verstellkolben ist vorzugsweise linear bewegbar und drehbar in einer Gehäuseausnehmung geführt. Linear bedeutet in Längsrichtung des Verstellkolbens hin und her bewegbar. Der Verstellkolben hat im Wesentlichen die Gestalt eines geraden Kreiszylinders. Die erfindungsgemäße Verstelleinrichtung umfasst im Unterschied zu herkömmlichen Verstelleinrichtungen, die neben einem Verstellkolben noch einen Gegenkolben umfassen, nur einen einzigen Kolben. Durch Beaufschlagung des Verstellkolbens an entgegengesetzten Stirnflächen mit unterschiedlichen Betätigungskräften kann die Schwenkeinrichtung in entgegengesetzte Schwenkrichtungen verschwenkt werden. Die erfindungsgemäße Verstelleinrichtung ermöglicht besonders vorteilhaft die Verwendung von einfachen Bauteilgeometrien, die mit standardmäßigen Bearbeitungsverfahren bearbeitet werden können. Durch die Kombination des Verstellkolbens mit dem Kopplungselement und dem Anlenkelement kann darüber hinaus die Belastung der Kontaktstellen reduziert werden. Dadurch kann auf eine ansonsten erforderliche Druckschmierung verzichtet werden. Sofern an den Stirnseiten des Verstellkolbens hydraulische Kräfte wirken sollen, kann die Führung vorteilhaft so gestaltet sein, dass eine ausreichende Druckdifferenz möglich ist. Das kann zum Beispiel durch ein enges Führungsspiel oder durch zusätzliche Dichtelemente am Umfang des Verstellkolbens realisiert werden.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Verstelleinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Anlenkelement und das Kopplungselement jeweils eine zylindrische Grundgestalt aufweisen. Das Anlenkelement und das Kopplungselement haben vorzugsweise im Wesentlichen jeweils die Gestalt eines geraden Kreiszylinders. Die zylindrischen Elemente sind in Ausnehmungen aufgenommen, die ebenfalls zylindrisch ausgeführt sind. Somit kann die Bearbeitung von Außen- und Innendurchmessern kostengünstig mit konventionellen Bearbeitungsverfahren in hoher Qualität und mit engen Spielen ausgeführt werden. Das führt zu günstigen Leibungen und geringen Flächenpressungen in den Kontaktbereichen. Die Ausnehmungen sind vorteilhaft als Bohrungen ausgeführt. Die Elemente mit der zylindrischen Grundgestaltung sind vorteilhaft als Drehteile ausgeführt. Das Anlenkelement mit der zylindrischen Grundgestaltung wird auch als Anlenkbolzen bezeichnet. Das Kopplungselement mit der zylindrischen Grundgestalt umfasst vorteilhaft einen Kopplungsbolzen, der auch als Verstellbolzen bezeichnet wird. Die Elemente mit der zylindrischen Grundgestalt sind jeweils entlang ihrer Zylinderachse oder Längsachse axial verschiebbar. Darüber hinaus sind die Elemente mit der zylindrischen Grundgestalt jeweils um ihre Zylinderachse oder Längsachse drehbar. Der Begriff quer bezieht sich in der Regel auf die Zylinderachse oder Längsachse des jeweiligen Elements mit der zylindrischen Grundgestalt. Quer bedeutet senkrecht zu der Zylinderachse oder Längsachse des jeweiligen Elements.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Verstelleinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Anlenkelement in einer Querausnehmung des Verstellkolbens drehbar und axial verschiebbar gelagert ist. Die Querausnehmung ist vorteilhaft als Querbohrung in dem Verstellkolben ausgeführt. Dabei kann die Querausnehmung als Sackloch oder als Durchgangsloch ausgeführt sein. Die Längsachsen des Anlenkelements und des Verstellkolbens schneiden sich. Das Anlenkelement hat einen deutlich kleineren Außendurchmesser als der Verstellkolben.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Verstelleinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Kopplungselement mit einem Kopplungsende drehbar und quer zur Schwenkachse der Schwenkeinrichtung linear bewegbar in dem Anlenkelement geführt ist. Dadurch kann zum einen eine lineare Verstellbewegung des Verstellkolbens auf einfache Art und Weise in eine Schwenkbewegung der Schwenkrichtung umgewandelt werden. Darüber hinaus ermöglicht die erfindungsgemäße Verstelleinrichtung durch die vielen Freiheitsgrade besonders vorteilhaft den Ausgleich von herstellungsbedingten Form- und/oder Lagetoleranzen.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Verstelleinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Kopplungsende des Kopplungselements in einer Querausnehmung des Anlenkelements aufgenommen ist. Die Abmessungen des Kopplungselements, des Anlenkelements, der Querausnehmung des Verstellkolbens und der Querausnehmung des Anlenkelements sind vorzugsweise so aufeinander abgestimmt, dass ausreichend Freiheitsgrade für eine Verstellbewegung vorhanden sind.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Verstelleinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Kopplungselement fest mit der Schwenkeinrichtung verbunden ist. Das Kopplungselement kann zum Beispiel als Kopplungsbolzen oder Verstellbolzen ausgeführt sein, der an seinem dem Kopplungsende abgewandten Ende einstückig mit einem Grundkörper der Schwenkwiege verbunden ist.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Verstelleinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Verstellkolben an entgegengesetzten Enden mit Stellkräften beaufschlagbar ist. Die Beaufschlagung des Verstellkolbens mit den Stellkräften beziehungsweise mit einer Stellkraft und einer Gegenkraft kann auf beliebige Art und Weise dargestellt werden. So kann die Stellkraft und die Gegenkraft zum Beispiel hydraulisch, elektromagnetisch oder mechanisch, zum Beispiel durch Federeinrichtungen, erzeugt werden. Die genannten Anwendungen zum Erzeugen der Stellkraft beziehungsweise der Gegenkraft können auch miteinander kombiniert werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Verstelleinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkeinrichtung als Schwenkwiege für eine Axialkolbenmaschine ausgeführt ist. Durch die erfindungsgemäße Verstelleinrichtung wird ein Verstellen der Schwenkwiege im Betrieb der Axialkolbenmaschine erheblich vereinfacht.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Axialkolbenmaschine mit einer vorab beschriebenen Verstelleinrichtung. Durch die erfindungsgemäße Verstelleinrichtung werden die Herstellung und/oder die Funktion der Axialkolbenmaschine erheblich vereinfacht.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren einen Verstellkolben, ein Kopplungselement, ein Anlenkelement und/oder eine Schwenkeinrichtung für eine vorab beschriebene Verstelleinrichtung. Die genannten Elemente beziehungsweise Einrichtungen sind separat handelbar.
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Die auch als Hydrostat bezeichnete Axialkolbenmaschine ist vorteilhaft in einem mobilen Hydraulikantrieb angeordnet. Der mobile Hydraulikantrieb ist vorzugsweise Teil eines Hydraulikhybridantriebsstrangs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs. Der Hydrostat kann auch in stationären Anlagen verwendet werden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Es zeigen:
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1 einen Hydrostaten in Axialkolbenbauart mit einer Verteilerplatte und einer Anschlussplatte im Längsschnitt und die
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2A bis 2C ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Ver stelleinrichtung in verschiedenen Schnittansichten.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist ein Hydrostat 1 in Axialkolbenbauart im Längsschnitt dargestellt. Der Hydrostat 1 kann auch als Axialkolbenmaschine bezeichnet werden. Die Axialkolbenmaschine 1 umfasst ein Gehäuse 2 mit einem Zylinder 3 und einer Antriebswelle 4.
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Die Axialkolbenmaschine 1 kann in einem offenen Kreislauf oder in einem geschlossenen Kreislauf betrieben werden. Beim offenen Kreislauf fließt ein Hydraulikmedium, wie Hydrauliköl, das auch als Druckflüssigkeit bezeichnet wird, von einem Tank zur Axialkolbenmaschine 1 und wird von dort über eine Ventileinrichtung zu einem Verbraucher gefördert. Vom Verbraucher fließt das Hydraulikmedium über die Ventileinrichtung zum Tank zurück. In einem geschlossenen Kreislauf fließt das Hydraulikmedium von der Axialkolbenmaschine zum Verbraucher und von dort direkt zurück zur Axialkolbenmaschine 1. Dabei gibt es eine Hochdruckseite und eine Niederdruckseite, die je nach Belastung wechselt.
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Wenn die Axialkolbenmaschine über die Antriebswelle 4 mechanisch angetrieben wird, dann arbeitet die Axialkolbenmaschine als Axialkolbenpumpe. Wenn die Axialkolbenmaschine hydraulisch über den Zylinder 3 angetrieben wird, dann arbeitet die Axialkolbenmaschine als Axialkolbenmotor. Die Axialkolbenmaschine 1 kann nur als Motor oder nur als Pumpe betrieben werden. Die Axialkolbenmaschine 1 kann prinzipiell aber auch im Wechsel sowohl als Pumpe als auch als Motor betrieben werden.
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Der Hydrostat 1 umfasst mehrere Kolben 5, die axial zu der Antriebswelle 4 angeordnet sind. Axial bedeutet in Richtung oder parallel zu einer Drehachse der Antriebswelle 4. Durch eine Schwenkwiege 8, die auch als Schrägscheibe bezeichnet wird, kann ein von der Axialkolbenmaschine geförderter Volumenstrom stufenlos verstellt werden. Daher wird der Hydrostat 1 mit der Schwenkwiege 8 auch als Verstellpumpe bezeichnet.
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Im Pumpenbetrieb wird die Antriebswelle 4 durch einen (nicht dargestellten) Antriebsmotor mit Drehmoment und Drehzahl angetrieben. Über die Antriebswelle 4, die auch als Triebwelle bezeichnet wird, wird der Zylinder 3, zum Beispiel über eine Verzahnung, mitgenommen und in Drehung versetzt. Bei jeder Umdrehung führen die Kolben 5 in Zylinderbohrungen des Zylinders 3 einen Hub aus, dessen Größe von der Schrägstellung der Schwenkwiege 8 abhängig ist.
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Zwischen der Schwenkwiege 8 und den Kolben 5 sind Kolbenschuhe oder Gleitschuhe 10 angeordnet. Die Gleitschuhe oder Kolbenschuhe 10 werden mit den Kolben 5 durch eine Rückzugplatte 12 auf einer Gleitfläche der Schwenkwiege 8 gehalten und geführt.
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Durch die Schrägstellung der Schwenkwiege 8 bewegt sich jeder Kolben 5 während einer Umdrehung über einen unteren und einen oberen Totpunkt zurück in seine Ausgangslage. Dabei wird durch Steuerschlitze in einer Steuerplatte oder Verteilerplatte 13 eine dem Hubvolumen entsprechende Druckflüssigkeit zu- und abgeführt.
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Auf einer Saugseite strömt Druckflüssigkeit in einen sich vergrößernden Kolbenraum. Gleichzeitig wird auf einer Hochdruckseite die Druckflüssigkeit durch die Kolben 5 aus dem Zylinderraum in ein angeschlossenes Hydrauliksystem gedrückt.
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Der Schwenkwinkel der Schwenkwiege 8 ist stufenlos verstellbar. Durch die Verstellung des Schwenkwinkels der Schwenkwiege 8 verändert sich der Kolbenhub und damit das Verdrängungsvolumen der Axialkolbenmaschine 1. Die Verstellung des Schwenkwinkels erfolgt hydraulisch über einen Stellkolben 15. Die Schwenkwiege 8 ist leicht gängig in Schwenklagern gelagert und wird von einem Gegenkolben 16 im Gleichgewicht gehalten. Bei einer Vergrößerung des Schwenkwinkels steigt das Verdrängungsvolumen der Axialkolbenmaschine 1, bei einer Verkleinerung verringert sich dieses entsprechend.
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In den 2A, 2B, 2C ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Verstelleinrichtung 20 in verschiedenen Ansichten dargestellt. Die Verstelleinrichtung 20 ersetzt in einer Axialkolbenmaschine, wie sie in 1 dargestellt ist, eine herkömmliche Verstelleinrichtung mit dem Stellkolben 15 und dem Gegenkolben 16. Die erfindungsgemäße Verstelleinrichtung 20 dient, wie die herkömmliche Verstelleinrichtung, dazu, eine als Schwenkwiege 8 ausgeführte Schwenkeinrichtung der Axialkolbenmaschine 1, die auch als Hydrostat bezeichnet wird, zu verstellen.
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In 2A ist die Verstelleinrichtung 20 in einem teilweise aufgebrochenen Längsschnitt durch die Verstelleinrichtung dargestellt. In 2B ist ein Schnitt durch ein Kopplungselement der Verstelleinrichtung 20 dargestellt, wobei die Blickrichtung durch Pfeile angedeutet ist. In 2C ist ein gegenüber 2A um neunzig Grad versetzter Längsschnitt durch die Verstelleinrichtung 20 angedeutet.
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Die in 2 dargestellte Verstelleinrichtung 20 umfasst einen Verstellkolben 21, der im Wesentlichen die Gestalt eines geraden Kreiszylinders aufweist. Der Verstellkolben 21 ist in einer im Wesentlichen kreiszylindermantelförmigen Ausnehmung in dem Gehäuse 2 hin und her bewegbar geführt, wie durch einen Doppelpfeil 24 angedeutet ist. Dabei ist der Verstellkolben 21 nicht nur in axialer Richtung verschiebbar, sondern auch um seine Längsachse drehbar in der Ausnehmung 22 geführt, die auch als Führungsausnehmung bezeichnet wird.
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Sofern an den entgegengesetzten Stirnseiten des Verstellkolbens 21 hydraulische Kräfte wirken, ist die Führung in der Führungsausnehmung 22 vorzugsweise so gestaltet, dass die Darstellung einer ausreichenden Druckdifferenz zum Betätigen des Verstellkolbens 21 ermöglicht wird. Zu diesem Zweck kann vorteilhaft ein enges Führungsspiel für den Verstellkolben 21 in der Ausnehmung 22 vorgesehen werden. Alternativ oder zusätzlich können Dichtelemente am Umfang des Verstellkolbens 21 vorgesehen werden.
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Der Verstellkolben 21 ist durch ein Kopplungselement 25 so mit der Schwenkwiege 8 gekoppelt, dass eine Hin- und Herbewegung des Verstellkolbens 21, die durch den Doppelpfeil 24 angedeutet ist, in eine Schwenkbewegung der Schwenkwiege 8 umgewandelt wird. Eine entsprechende Schwenkbewegung der Schwenkwiege 8 ist durch einen Doppelpfeil 32 angedeutet. Dabei ist die Schwenkwiege 8 um eine Schwenkachse 30 schwenkbar, die sich durch einen Punkt 30 senkrecht zur Zeichenebene erstreckt.
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Das Kopplungselement 25 umfasst einen Verstellbolzen 26, der an einem dem Verstellkolben 21 abgewandten Ende einstückig mit einem Grundkörper 28 der Schwenkwiege 8 verbunden ist. Mit einem der Schwenkwiege 8 abgewandten Kopplungsende 29 ist der Verstellbolzen 26 ist in einer Querausnehmung 34 eines Anlenkelements 40 drehbar und axial verschiebbar mit kleinem Spiel geführt. Das Kopplungsende 29 des Kopplungselements 25 hat die Gestalt eines geraden Kreiszylinders. Die Querausnehmung 34 in dem Anlenkelement 40 hat die Gestalt eines geraden Kreiszylindermantels und ist als Durchgangsbohrung ausgeführt.
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Das Anlenkelement 40 wiederum ist in einer Querausnehmung 44 des Verstellkolbens 21 mit kleinem Spiel drehbar und axial verschiebbar gelagert. Die Querausnehmung 44 hat ebenfalls die Gestalt eines geraden Kreiszylindermantels und ist als Durchgangsbohrung ausgeführt.
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In 2A ist durch einen Doppelpfeil 45 angedeutet, dass das Anlenkelement 40 mit dem in dem Anlenkelement 40 geführten Kopplungsende 29 des Kopplungselements 25 relativ zu dem Verstellkolben 21 schwenkbar ist. In 2B ist durch einen Doppelpfeil 46 angedeutet, dass das Anlenkelement 40 in der Querausnehmung 44 des Verstellkolbens 21 in axialer Richtung hin und her bewegbar ist.
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Die Verstelleinrichtung 20 funktioniert wie folgt. Durch Pfeile an den entgegengesetzten Stirnflächen des Verstellkolbens 21 sind Kräfte F1 und F2 angedeutet, durch die der Verstellkolben 21 entlang seiner Längsachse 33 verstellt werden kann. Sobald die Kraft F1 ungleich der Kraft F2 ist, bewegt sich der Verstellkolben 21 in Richtung der kleineren Kraft, bis wieder ein Kräftegleichgewicht hergestellt ist. Bei einer linearen Bewegung des Verstellkolbens 21 wird der Verstellbolzen 26 geneigt und dadurch eine Schrägstellung der Schwenkwiege 8 erzeugt. Bei dieser Bewegung dreht sich das Anlenkelement 40, das auch als Anlenkbolzen bezeichnet wird, in dem Verstellkolben 21 und der Verstellbolzen 26 verschiebt sich relativ zu dem Anlenkelement 40 in der Querausnehmung 34.
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Die Verstell- beziehungsweise Gegenkraft F1, F2 kann auf beliebige Art und Weise erzeugt werden, zum Beispiel hydraulisch, elektromagnetisch und/oder mechanisch, zum Beispiel mit Hilfe einer Federeinrichtung. Dabei können die Kräfte jeweils nur durch eine der genannten technischen Möglichkeiten oder durch Kombinationen von mehreren der genannten technischen Möglichkeiten erzeugt werden.
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Im bevorzugten Anwendungsfall in einer Axialkolbenmaschine, wie sie in 1 dargestellt ist, ist in der Bilanz der Verstell- und Haltekräfte zusätzlich die Wirkung der Kräfte aus dem Triebwerk FTr beziehungsweise das daraus resultierende Drehmoment MTr zu berücksichtigen. In einer derartigen Axialkolbenmaschine ist die Längsachse 33 des Ventilkolbens 21 vorzugsweise achsparallel zu der Antriebswelle 4 der Axialkolbenmaschine 1 angeordnet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010052067 A1 [0002]
