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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Positionierung mehrerer eine Ausnehmung für eine Welle aufweisender Funktionselemente, insbesondere Nocken, Ausgleichsmassen, Zahnräder und/oder Lager gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum thermischen Fügen einer Welle mit mehreren Funktionselementen.
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Aus der
DE 10 2008 064 194 A1 ist eine gattungsgemäße Vorrichtung zur Positionierung mehrerer eine Ausnehmung für eine Welle aufweisender Funktionselemente, insbesondere Nocken, in einer vorbestimmten Winkelposition auf der Welle bekannt, wobei die Vorrichtung mehrere für jeweils ein Funktionselement bestimmte Aufnahmen aufweist, die jeweils mit einer die Winkelposition des jeweiligen Funktionselements entsprechend der Winkelposition auf der Welle festgelegten Ausformung ausgestattet sind. Die Aufnahmen sind dabei derart positionierbar, dass die Ausnehmungen der Funktionselemente auf einer gemeinsamen Geraden liegen. Zumindest einzelne Ausformungen weisen dabei eine einstellbare Winkelposition auf, wodurch ein lagerichtiges Positionieren der Funktionselemente vereinfacht werden kann.
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Aus der
DE 10 2007 056 638 A1 ist eine weitere Vorrichtung zur Montage von einem Verbund, bestehend aus mindestens einer Funktionselemente tragenden Welle und einem diese in ungeteilten Lager abstützenden Gehäuse bekannt, wobei das Gehäuse Positioniereinrichtungen besitzt, die vor dem Fügen die Funktionselemente so in vorbestimmter Phasenlage im Gehäuse halten, dass die mindestens eine Welle durch die Lager des Gehäuses und Öffnungen in den Funktionselementen einschiebbar ist. Die Positioniereinrichtung ist dabei mit Ausnehmungen für die Funktionselemente versehen, die einen Anschlag besitzen, der das Funktionselement entgegen der Fügerichtung der Welle abstützt, wobei die Ausnehmung der Positioniereinrichtungen eine Teilkontur der Kontur der Funktionselemente als Negativprofil besitzen, so dass die Funktionselemente in einer Phasenlage gemäß ihrer späteren Fügeposition gehalten werden können. Die Teilkontur der Ausnehmungen umgreift dabei die Funktionselemente zumindest auf einem Teil von deren Außenkontur. Hierdurch soll eine besonders phasengenaue Positionierung erzielt werden können. Nachteilig bei den erfindungsgemäßen Vorrichtungen ist jedoch ein vergleichsweise aufwändiges Führen der Welle beim thermischen Fügevorgang.
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Aus der
DE 10 2009 060 350 A1 ist eine Vorrichtung zur Montage einer Funktionselemente tragenden Welle bekannt, wobei die Vorrichtung eine Maschinenplattform umfasst, auf der eine Mehrzahl von Positionierscheiben zur fluchtenden, lagerichtigen Positionierung der Funktionselemente derart angeordnet sind, dass eine Welle einschiebbar ist. Die Positionierscheiben sind reversibel auf einem Rahmen fixiert, der seinerseits reversibel auf der Maschinenplattform fixiert ist. Dadurch soll durch vorhalten mehrerer Rahmen ein schneller Wechsel eines Produktionsprozesses ermöglicht werden.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Vorrichtung der gattungsgemäßen Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die insbesondere einen thermischen Fügevorgang verbessert.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einer Vorrichtung zur Positionierung mehrerer eine Ausnehmung für eine Welle aufweisender Funktionselemente, beispielsweise Nocken, Ausgleichsmassen, Zahnräder und/oder Lager, in einer vorbestimmten Winkelposition auf der Welle axial verstellbare Haltebalkone an der Vorrichtung vorzusehen, mittels welchen beispielsweise fertigungsbedingte Axialtoleranzen ausgleichbar und dadurch eine Nockenwelle bzw. generell eine Funktionselemente tragende Welle höchster Qualität herstellbar ist. Die Vorrichtung weist somit mehrere für jeweils ein Funktionselement bestimmte Haltebalkone auf, die derart positionierbar bzw. positioniert sind, dass die Ausnehmung der Funktionselemente auf einer gemeinsamen Geraden liegen. Diese gemeinsame Gerade kann insbesondere vertikal verlaufen. Jeder der Haltebalkone ist zur winkelgerichteten Aufnahme eines Funktionselements ausgebildet und zwar insbesondere zur gleichgerichteten Aufnahme, wobei zumindest einige dieser Haltebalkone zusätzlich in Axialrichtung der Welle verstellbar sind, wodurch die Axialposition des mit der Welle zu fügenden Funktionsbauteils exakt festlegbar ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist zudem eine Haltevorrichtung für ein Gehäuse, insbesondere für einen Lagerrahmen oder eine Zylinderkopfhaube, auf, wobei die Haltevorrichtung das Gehäuse derart hält, dass die daran angeordneten Lageröffnungen fluchtend zu den Ausnehmungen der Funktionselemente angeordnet und dadurch die Welle in einfacher Weise durchgeschoben werden kann. Zum Einschieben bzw. Durchschieben der Welle ist ein verfahrbarer und zugleich verdrehbarer Führungsschlitten vorgesehen, so dass die Welle durch die Lageröffnungen des Gehäuses und die Ausnehmung des Funktionselementes durchschiebbar und zugleich drehbar ist, wobei die einzelnen Funktionselemente nacheinander in der exakt winkelausgerichteten Lage auf der Welle gefügt werden können. Selbstverständlich ist auch ein lediglich verstellbarer Führungsschlitten denkbar, der jedoch ein verdrehen der Welle ermöglicht.
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Die Haltebalkone können in einer weiteren Ausführungsform mit mindestens drei Stiftelementen versehen sein, die so angeordnet sind, dass ein Funktionselement winkelgenau darin aufgenommen wird. Es ist ebenso denkbar die Ausformungen mit einer um das Funktionselement umlaufenden Kontur zu versehen, die an mindestens drei Stellen so geformt ist, das eine Kontaktstelle mit dem Funktionselement gebildet wird und das Funktionselement winkelgenau aufgenommen wird. Dies hat den Vorteil entweder nur mindestens drei Stifte mit großer Präzision positionieren zu müssen oder eine Kontur herzustellen, die nur an mindestens drei Stellen mit hoher Präzision bearbeitet sein muss. Dies bringt erhebliche Vorteile bei der Fertigung der Aufnahmen und senkt die Kosten deutlich.
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Zweckmäßig ist eine Heizeinrichtung vorgesehen, mittels welcher zumindest zwei Funktionselemente in den Haltebalkonen, insbesondere induktiv, erhitzbar sind. Die Heizeinrichtungen besitzen dabei Induktionsspulen, die gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung zudem individuell ansteuerbar sind. Mittels derartiger Heizeinrichtungen kann ein individuelles Beheizen der Funktionselemente erreicht werden, so dass beispielsweise unterschiedliche Funktionselemente mit individuellem Heizbedarf in ein und derselben Vorrichtung gefügt werden können.
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Zweckmäßig sind die Haltebalkone zumindest teilweise aus einem induktiv nicht erhitzbaren Werkstoff, beispielsweise aus Keramik, ausgebildet, so dass bei einem Erhitzen der Funktionselemente in den Haltebalkonen nicht gleichzeitig auch ein Erhitzen und damit ein Ausdehnen der Haltebalkone verbunden ist. Dies bietet wiederum den großen Vorteil, dass die Funktionselemente bei Raumtemperatur beispielsweise mit geringem Spiel in die zugehörige Ausformung der Haltebalkone einlegbar sind und sich erst beim Erhitzen aufgrund ihrer Wärmeausdehnungen in den Ausformungen verspannen. Wären die Haltebalkone und damit auch die Ausformungen ebenfalls aus einem induktiv erhitzbaren Werkstoff ausgebildet, so würden sich diese beim Erhitzen der Funktionselemente ebenfalls ausdehnen, wodurch unter Umständen die exakte Ausrichtung der Funktionselemente, was insbesondere bei Nocken auf einer Nockenwelle von entscheidender Bedeutung ist, verloren gehen.
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Die Ausformung der Haltebalkone besitzt dabei eine zumindest teilweise Negativkontur der Funktionselemente, so dass die Funktionselemente winkelgenau in den Ausformungen der Haltebalkone aufgenommen werden können. Zudem kann diese Negativkontur derart auf die Außenkontur des aufzunehmenden Funktionselements abgestimmt sein, dass dieses zumindest bei Raumtemperatur mit geringem Spiel darin aufgenommen ist. Hierdurch ist insbesondere ein Bestücken der Vorrichtung mit den zu fügenden Funktionselementen besonders einfach möglich.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung weist die Vorrichtung eine Kühlvorrichtung zum Abkühlen von erhitzten Funktionselementen auf. Durch eine derartige Kühlvorrichtung, die beispielsweise eine Kühldüse aufweisen kann, kann ein schnelleres Abkühlen der Funktionselemente und damit ein schnellerer thermischer Fügesitz erreicht werden, wodurch sich die Taktzeiten reduzieren lassen.
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Die Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, ein verbessertes Verfahren zum thermischen Fügen einer Welle mit mehreren eine Ausnehmung für die Welle aufweisenden Funktionselemente, beispielsweise Nocken, Ausgleichsmassen, Zahnräder und/oder Lager, mittels einer zuvor beschriebenen Vorrichtung anzugeben. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden zunächst die Funktionselemente, das heißt beispielsweise die Nocken, Zahnräder oder ähnliches, gleichgerichtet in Bezug auf eine Winkellage auf den jeweiligen Haltebalkon aufgelegt und zwar derart, dass die Ausnehmungen der Funktionselemente auf einer gemeinsamen, vorzugsweise vertikalen, Gerade liegen. Sämtliche Haltebalkone sind dabei identisch ausgebildet, so dass die darauf abgelegten Funktionselemente hinsichtlich ihrer Winkelausrichtung gleichgerichtet sind. Die identische Ausbildung der einzelnen Haltebalkone reduziert die Teilevielfalt und damit auch die Kosten für die Herstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Nachdem die Funktionselemente auf den jeweiligen Haltebalkonen abgelegt sind, wird ein Gehäuse in die Haltevorrichtung der Vorrichtung eingebracht, wobei die geschlossenen Lageröffnungen des Gehäuses und die Ausnehmung der Funktionselemente fluchten. Anschließend werden die Funktionselemente vorzugsweise gleichzeitig erhitzt, woraufhin dann die Welle mittels eines verfahrbaren und verdrehbaren Führungsschlittens durch die Ausnehmungen der Funktionselemente und zugleich durch die Lageröffnungen des Gehäuses geschoben wird. Ein in Einschubrichtung erster Haltebalkon wird daraufhin so verfahren, dass das zugehörige erste Funktionselement seine vorbestimmte axiale Endposition einnimmt. Mittels einer Kühlvorrichtung wird dann das erste Funktionselement gekühlt und damit thermisch mit der Welle gefügt. Anschließend wird der erste Haltebalkon beispielsweise abgesenkt, wodurch das zugehörige erste Funktionselement freigegeben wird und sich dadurch zusammen mit der Welle verdrehen lässt. Anschließend wird ein in Einschubrichtung nächster, beispielsweise zweiter, Haltebalkon so verfahren, dass das dort angeordnete nächste Funktionselement seine axiale Position einnimmt. Ist dies geschehen, wird die Welle über den verdrehbaren Führungsschlitten so verdreht, bis dieses nächste Funktionselement seine vordefinierte, endgültige Winkellage einnimmt. Anschließend kann auch dieses gekühlt werden, um damit den thermischen Fügesitz auf der Welle herbeizuführen. Ist das nächste Funktionselement fest mit der Welle verbunden, so kann auch der zugehörige nächste, beispielsweise zweite, Haltebalkon abgesenkt, insbesondere so verfahren werden, dass das zugehörige nächste, beispielsweise zweite, Funktionselement freigegeben wird. Anschließend werden die zuvor genannten Verfahrensschritte bei jedem entgegen der Einschubrichtung nachfolgenden weiteren Funktionselement wiederholt. Selbstverständlich ist auch denkbar, dass bereits zu Beginn sämtliche Haltebalkone so verfahren werden, dass das jeweils zugehörige Funktionselement seine exakt vordefinierte axiale Endposition einnimmt. In diesem Fall ist ein jeweils schrittweises axiales Verstellen der einzelnen Haltebalkone zum Einstellen der jeweils vordefinierten axialen Endposition entbehrlich. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lässt sich insbesondere eine Nockenwelle mit hinsichtlich ihrer axialen Ausrichtung und hinsichtlich ihrer Winkelausrichtung äußerst exakt positionierten Funktionselementen erzielen.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Die einzige 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Entsprechend der 1, weist eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Positionierung mehrere eine Ausnehmung 2 für eine Welle 3 aufweisender Funktionselemente 4 in einer vorbestimmten Winkelposition auf der Welle 3 insgesamt vier Haltebalkone 5 auf. Innerhalb der einzelnen Haltebalkone 5 sind jeweils Ausformungen 6 vorgesehen, über welche das jeweils aufgenommene Funktionselement 4, beispielsweise ein Nocken 4a, mit einer vordefinierten Winkelposition aufnehmbar ist. Die einzelnen Funktionselemente 4 sind dabei auf den jeweiligen Haltebalkonen 5 hinsichtlich ihrer Winkelausrichtung gleich ausgerichtet. Zudem sind die einzelnen Haltebalkone 5 derart positioniert, dass die Ausnehmungen 2 der Funktionselemente 4 auf einer gemeinsamen, hier einer vertikalen, Geraden 7 liegen. Zudem sind zumindest einige der Haltebalkone 5 in Axialrichtung 7 der Welle 3 verstellbar. Ebenfalls vorgesehen ist eine Haltevorrichtung 8 für ein Gehäuse 9, welches beispielsweise als Lagerrahmen oder als Zylinderkopfhaube ausgebildet ist. Die Haltevorrichtung 8 ist dabei in der Lage, das Gehäuse 9 derart zu halten, dass die darin angeordneten Lageröffnungen 10 fluchtend zu den Ausnehmungen 2 der Funktionselemente 4 angeordnet sind. Darüber hinaus besitzt die Vorrichtung 1 einen verfahrbaren und zugleich verdrehbaren Führungsschlitten 11, mittels welchem die daran angeordnete Welle 3 in Richtung der Geraden 7 verfahrbar und verdrehbar ist und dadurch durch die Lageröffnungen 10 des Gehäuses 9 und die Ausnehmungen 2 der Funktionselemente 4 einschiebbar ist.
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Die einzelnen Haltebalkone 5 sind zumindest teilweise aus einem induktiv nicht erwärmbaren Werkstoff, beispielsweise aus Keramik, ausgebildet und dadurch mittels einer Heizeinrichtung 12, die dem Erwärmen der Funktionselemente 4 dient, nicht erhitzbar.
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Ebenfalls weist die Vorrichtung 1 eine Kühlvorrichtung 13 mit einzelnen dem jeweiligen Funktionselement 4 zugeordneten Kühldüsen 14 auf, wobei über die Kühldüsen 14 oder generell die Kühlvorrichtung 13 ein individuelles und schnelles Abkühlen der einzelnen Funktionselemente 4 bewirkt und damit vergleichsweise schnell ein thermischer Fügesitz auf der Welle 3 hergestellt werden kann.
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Betrachtet man die einzelnen Haltebalkone 5, so kann man erkennen, dass diese zumindest drei, gemäß der Detaildarstellung in 1 vier Stiftelemente 15 aufweist, die so angeordnet sind, dass das Funktionselement 4, 4a, winkelgenau aufgenommen wird. Alternativ kann der jeweilige Haltebalkone 5 auch mit einer um das Funktionselement 4, 4a umlaufenden Kontur versehen sein, die an mindestens drei Stellen so geformt ist, dass eine Kontaktstelle mit dem Funktionselement 4, 4a gebildet und dieses dadurch winkelexakt aufgenommen wird. Selbstverständlich ist auch denkbar, dass zumindest einer der Haltebalkone 5 eine zumindest teilweise Negativkontur des Funktionselements 4, 4a aufweist, um dies wiederum winkelgenau aufnehmen zu können.
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Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 ist erstmals ein hinsichtlich axialer Toleranzen besonders exaktes Fertigen einer Nockenwelle möglich, auf welcher Funktionselemente 4, beispielsweise Nocken 4a, thermisch gefügt sind.
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Das Verfahren wird dabei wie folgt durchgeführt:
Zunächst werden die Funktionselemente 4, 4a gleichgerichtet auf den jeweiligen Haltebalkon 5 aufgelegt und zwar derart, dass die Ausnehmungen 2 der Funktionselemente 4, 4a auf einer gemeinsamen Geraden 7 liegen. Anschließend wird mittels der Haltevorrichtung 8 ein Gehäuse 9 in die Vorrichtung 1 eingebracht und zwar derart, dass die Lageröffnungen 10 des Gehäuses 9 und die Ausnehmungen 2 der Funktionselemente 4, 4a fluchten. Anschließend werden die Funktionselemente 4, 4a mittels der Heizvorrichtung 12 erhitzt. Ist dies geschehen, so kann die Welle 3 mittels des verfahrbaren und zugleich verdrehbaren Führungsschlittens 11 durch die Ausnehmungen 2 der Funktionselemente 4, 4a und zugleich durch die Lageröffnungen 10 des Gehäuses 9 geschoben werden. Ein in Einschubrichtung 16 erster Haltebalkon 5a wird nun so verfahren, dass das zugehörige erste Funktionselement 4, 4a seine axiale Endposition einnimmt. Anschließend wird das erste Funktionselement 4, 4a mittels der Kühlvorrichtung 13 gekühlt und somit der thermische Fügesitz mit der Welle 3 hergestellt. Die einzelnen Kühldüsen 14 können die jeweiligen Funktionselemente 4, 4a mittels Luft bzw. Wasser zwangskühlen und sind insbesondere einzeln schaltbar. Der erste Haltebalkon 5a wird anschließend abgesenkt, so dass das zugehörige erste Funktionselement 4, 4a aus der Ausformung 6 herausgefahren und dadurch freigegeben wird. Durch das Absenken des ersten Haltebalkons 5a ist die Welle 3 wiederum verdrehbar.
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In einem anschließenden Verfahrensschritt wird, sofern noch nicht geschehen, ein entgegen der Einschubrichtung 16 nächster Haltebalkon 5b so verfahren, dass das zugehörige nächste Funktionselement 4, 4a die axiale Endposition einnimmt. Anschließend wird wiederum die Welle 3 mittels des Führungsschlittens 11 so verdreht, dass das nächste Funktionselement 4, 4a, also in diesem Fall das zweitunterste Funktionselement 4, 4a seine endgültige Winkellage einnimmt. Hierauf kann das Funktionselement 4, 4a mittels der Kühlvorrichtung 13 bzw. einer entsprechend darauf gerichteten Kühldüse 14, gekühlt werden. Nun wird auch der zweite Haltebalkon 5b nach unten verfahren, so dass auch das Winkel fixierte Funktionselement 4, 4a freigegeben und mit der Welle 3 verdreht werden kann. Die zuvor genannten Verfahrensschritte werden nun bei den jeweiligen weiteren Haltebalkonen 5c und 5d wiederholt.
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Selbstverständlich ist alternativ auch vorstellbar, dass nach dem Einschieben der Welle 3 sämtliche Haltebalkone 5, 5a, 5b, 5c und 5d unmittelbar in Axialrichtung 7 bereits verstellt werden. Sind diese Verfahrensschritte abgeschlossen, so kann die Welle 3 samt der darauf fixierten Funktionselemente 4, 4a aus der Vorrichtung 1 entnommen werden.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es insbesondere möglich, eine Nockenwelle mit äußerst exakt hinsichtlich ihrer axialen Ausrichtung uns hinsichtlich ihrer Winkelausrichtung thermisch darauf gefügten Nocken 4a zu fertigen.
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In Einschubrichtung 16 ganz vorne ist an der Vorrichtung 1 eine Stopfensetzvorrichtung 17 vorgesehen, mittels welcher beispielsweise ein Stopfen auf die Welle 3 aufgesetzt werden kann. Die Stopfensetzvorrichtung 17 ist dabei ebenfalls entlang der Geraden 7 verstellbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008064194 A1 [0002]
- DE 102007056638 A1 [0003]
- DE 102009060350 A1 [0004]
