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Die Erfindung betrifft ein Verfahren, Vorrichtung und Produkt eines Hocheffizienz-Triebstrangs für mobile Anwendungen, der über voneinander unabhängig arbeitende Antriebseinheiten die Antriebsräder entsprechend der Fahrsituation und Straßenführung beschleunigt, z. B. an einem Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, 2 und 3.
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Fahrzeuge, z. B. Automobile und leichte Lastwagen nach dem Stand der Technik haben eine Karosserie, deren Funktion darin besteht, Insassen und zusätzliches Gepäck aufzunehmen und während der Fahrt zu transportieren und zu schützen. Karosserien sind mit zahlreichen mechanischen, elektrischen und strukturellen bzw. tragenden Komponenten verbunden, die in Kombination mit einer Karosserie ein voll funktionsfähiges Fahrzeug bilden. Ein Fahrwerk des Kraftfahrzeugs und ein mit dem Fahrwerk verbundener Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs sorgen für den Vortrieb des Kraftfahrzeuges. Das Fahrwerk mit seinen Antriebswellen und seinen an den Antriebswellen aufgenommenen Rädern überträgt die mechanische Arbeit des Antriebstrangs zumeist rotierend auf die Fahrbahn. Der Vortrieb eines Kraftfahrzeugs ist das Ergebnis einer Relativbewegung und nach Lagrange'scher Betrachtung zwischen der feststehenden Fahrbahn und dem Kraftfahrzeug abhängig einer Beschleunigung und damit der zeitlichen Veränderung der Relativgeschwindigkeit zwischen feststehender Fahrbahn und dem Kraftfahrzeug.
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Eine erste Hauptkomponente eines konventionellen Antriebstrangs ist ein Antriebsaggregat, in Form eines Verbrennungsmotors mit seinen so genannten Nebenaggregaten wie bspw. Einspritzanlage, Kühlwasserpumpe, Fremdgaseinspritzungsanlage, usw. Auch ein eine thermodynamische Leistung des Verbrennungsmotors steigerndes Aufladeaggregat wie z. B. Abgasturbolader oder mechanisch betriebener Kompressor ist den Nebenaggregaten zuzuordnen. Mit anderen Worten umfasst die erste Hauptkomponente sämtliche zum Betrieb des Verbrennungsmotors notwendigen Aggregate einschließlich des Verbrennungsmotors selbst.
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Dieser ersten Hauptkomponente sind des Weiteren zuzuordnen Brennstoff-, Aufbereitungs-, Zündung, -Umwandlungs- und Abführungssysteme bzw. Vorbehandlungs-, Nachbereitungskomponenten wie z. B. Pumpe-Düse-Systeme, Common-Rail, Injektions-Systeme, Abgasrückführ-Komponenten und -Systeme, Abgas-Katalyse-Systeme, Auspuff-Anlage mit Dämpfungs- und Nachreinigungs-Komponenten.
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Weitere der ersten Hauptkomponente zuzuordnende Bauteile sind Kühlsysteme wie z. B. Motorkühlsysteme (Ladeluftkühler, Wasserkühler, Ölkühler usw.) und z. B. Klima-Anlagen inkl. der Klima-Kühlstoffe für die Belüftung der Fahrgastzelle sowie Heizsysteme für die Innenraum-Beheizung aber auch Motor-Temperatur-Regelung.
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Damit eine Leistung des Verbrennungsmotors auf die Straße übertragen werden kann, ist die erste Hauptkomponente mit Hilfe einer zweiten Hauptkomponente mit der Antriebswelle verbunden.
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Die zweite Hauptkomponente umfasst ein Übersetzungsmodul, mit Hilfe dessen es möglich ist, eine Drehzahl einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors zu übersetzen und auf die Antriebswelle zu übertragen. Dabei kann die zweite Hauptkomponente in Form eines Schaltgetriebes mit einer Kupplung oder in Form eines Automatikgetriebes mit einem entsprechenden Wandler ausgebildet sein.
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Eine dritte Hauptkomponente, das Fahrwerk, weist die Antriebswelle oder, je nach Antriebsart, mehrere Antriebswellen und ein Übertragungsmodul auf. Das Übertragungsmodul bildet sämtliche Bauteile, welche notwendig sind eine Ausgangswelle der zweiten Hauptkomponente mit der Antriebswelle zu verbinden. Dazu gehören bspw. Achsgetriebe, Radlager, Feder-Dämpfer-Systeme, Hinterachsträger, Integralträger, usw. Weitere Fahrwerkkomponenten sind z. B. Federungssysteme, Dämpfungssysteme, Radaufhängung und -Lagerung, Räder, Reifen und Lenkung. Aktuelle Fahrzeuge sind mit elektrohydraulischen Lenkverstärkungskomponenten ausgerüstet.
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Der dritten Hauptkomponenten ebenfalls zugeordnet sind Bremssysteme zuzüglich der Assistenzsysteme wie z. B. Antiblockiersysteme oder auch Einzelrad-Beschleunigungssysteme zur optimalen Drehmomentverteilung.
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Eine vierte Hauptkomponente sind sämtliche Hilfs-, Betriebs- und Schmierstoffe, welche zum Betrieb der übrigen Hauptkomponenten notwendig sind. Es sind bekannt die Reinigungskomponenten wie z. B. Scheibenreinigungsanlagen inkl. ihrer Betriebs- und Hilfsstoffe.
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Eine fünfte Hauptkomponente ist als Motor- und Fahrzeugsteuermodul ausgebildet und umfasst sämtlich zur Motor- und Fahrzeugsteuerung benötigten Komponenten zusätzlich der benötigten Hard – und Software zur Informationsverarbeitung und – weiterleitung (Can-Bus). Energiewandler in Form technischer insbesondere elektrochemischer Systeme wie bspw. Brennstoffzellen, Stromabnehmer in galvanischen Zellen, Elektrolyseure und Batterien sind ebenfalls bekannt.
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Weiterhin bekannt sind Elektromotoren unterschiedlichster Bauarten inkl. ihrer Bestromung, Inverter-Technologien, die Gleich- in Wechselstrom umwandeln, Transformatoren wie z. B. Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler, Steuergerate für unterschiedliche Steuerapplikationen inkl. Regelungsfunktionen, Sensoren für herkömmliche Fahrzeuge mit unterschiedlichen Anwendungsspektren. All das ist bereits entwickelt und in Anwendung für Bordstromversorgung (z. B. 12 Volt und 24 Volt) in Fahrzeugen aber auch für höher bis Hoch-Volt-Anwendung wie z. B. für elektrische Antriebskomponenten von Fahrzeugen. Elektrisch betriebene Fahrzeuge weisen wenigstens einen Elektromotor zum Antrieb von wenigstens einem Antriebsrad des Fahrzeugs auf. Die für den Antrieb des wenigstens einen Elektromotors erforderliche elektrische Energie kann hierbei auf verschiedenen Wegen bereitgestellt werden. So sind beispielsweise Fahrzeuge bekannt, bei denen die elektrische Energie mit Hilfe einer Batterie (eines Akkumulators) bereitgestellt wird und solche, bei denen die elektrische Energie mit Hilfe einer Brennstoffzelle bereitgestellt wird.
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Da bei einem Betrieb eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs Betriebszustände mit ganz unterschiedlichen Anforderungen in Bezug auf die benötigte oder auch rückgewinnbare elektrische Energie gegeben sein können (z. B. konstante Fahrt, geringe, mittlere oder starke positive oder negative Beschleunigungen), sind weiter elektrisch betriebene Fahrzeuge bekannt, die zwei Stromversorgungsquellen aufweisen, mit Hilfe derer den verschiedenen Betriebszuständen besser gerecht geworden werden kann, als dies mit nur einer Stromversorgungsquelle der Fall ist.
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Es sind auch Fahrzeuge und mobile Systeme bekannt, die mit einer Brennstoffzelle und einer Batterie als Energiewandler ausgerüstet sind. Der Triebstrang besteht aus mindestens einem Elektromotor, aus mindestens einem Getriebe, aus mindestens einer Leistungselektrik, aus mindestens einer Leistungselektronik, aus mindestens einer Steuerungselektronik und aus mindestens einem Hochdruck-Tanksystem und konventionellen Bauteilen.
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DE000019825002A1 zum Triebstrang: „Dieser Antriebskomplex bietet durch effektivere Nutzung von Platz und Energie die Möglichkeit einer Weiterentwicklung im Bereich elektrisch angetriebener Autos. DOLLAR A Die Bauart des Elektromotors und des Plangetriebes eröffnen diese Effizienz. DOLLAR A Durch den Vorteil der Kraftaufnahme am äußeren Durchmesser des Scheibenelektromotors entsteht hohlkernig genügend Platz für den eventuellen Einbau der Planzahnräderscheibe. DOLLAR A Am Plangetriebe können für mehrfachen Abgriff der Bewegung auch mehrere Querkeilwellen angebracht werden. DOLLAR A Eine Automatisierung des Getriebes durch eine Ziehkeilwelle oder eines anderen Systems ist machbar.”
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DE 10 2014 217 974 A1 zu Radnabenmotoren: „Die Erfindung betrifft ein Antriebsrad (
1) mit einem Elektro-Radnabenmotor (
2) für ein Kraftfahrzeug, umfassend einen um eine Radnabe (
3) angeordneten und drehfest mit dieser verbundenen Stator (
4) und einen um den Stator (
4) angeordneten und relativ zu diesem drehbar gelagerten Rotor (
5) zum Antrieb einer drehfest mit dem Rotor (
5) verbundenen Radfelge (
6). Zwischen der Radnabe (
3) und dem Stator (
4) sind wenigstens zwei Energiespeicher (
7a,
7b,
7c,
7d,
7e,
7f,
7g,
7h) zur Abgabe elektrischer Energie für den Betrieb des Elektro-Radnabenmotors (
2) angeordnet, die jeweils derart ringsegmentförmig ausgebildet sind, dass die Energiespeicher (
7a,
7b,
7c,
7d,
7e,
7f,
7g,
7h) aneinander liegend einen geschlossenen Ring um die Radnabe (
3) bilden.”
DE 10 2013 202 592 A1 zu Radnabenmotoren: „Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Reluktanzmotor vorzuschlagen, der einfach für unterschiedliche Anwendungen integrierbar ist. Hierzu wird ein Radnabenmotor
1 mit einem Rotor
4, mit einem Stator
5, wobei der Rotor
4 um eine Hauptdrehachse
6 relativ zu dem Stator
5 drehbar angeordnet ist, vorgeschlagen, wobei der Radnabenmotor
1 mindestens einen Lüfterabschnitt
17 aufweist, wobei der Lüfterabschnitt
17 zumindest in einer ersten Umlaufrichtung U um die Hauptdrehachse
6 mit dem Rotor
4 drehfest gekoppelt ist, wobei der Lüfterabschnitt
17 ausgebildet ist, bei einer Drehung um die Hauptdrehachse
6 einen Luftstrom zur Kühlung des Radnabenmotor
1 zu erzeugen.”
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Die vorliegende Erfindung zeigt einen Hocheffizienz-Triebstrang für CO2-minimierte Hochleistungsantriebe in mobilen Anwendungen am Beispiel eines Automobils.
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Die Idee ist es, jedes Antriebsrad mit einer Antriebseinheiten auszustatten, z. B. bei einem herkömmlichen Pkw (1) vier Antriebseinheiten für vier angetriebene Räder inkl. Antriebswellen und Ausgleichskomponenten z. B. Schiebegelenkeinheiten.
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Die Antriebseinheiten (2) aus je einem Motor/Generator (3) mit oder ohne Getriebeeinheit (5) und/oder ohne Kupplungseinheit (4) sind vorteilhafterweise nicht in die Radnabe des Rades (7) integriert, sondern in einem definierten Abstand zur jeweiligen Radnabe eingebaut.
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Vorteilhafterweise sind die Antriebseinheiten in vor mechanischen und/oder thermischen Einflüssen geschützten Bereichen des z. B. Fahrwerks eingebaut.
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Vorteilhafterweise besteht eine Antriebseinheit aus z. B. einem Elektromotor/Generator (3) z. B. einem Scheibenläufermotor, einer Kupplung (4), einem Getriebe (5), einer Achse (6).
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Vorteilhafterweise werden Drehzahl und Drehmoment jeder Antriebseinheit individuell und/oder im Verbund aus mindestens zwei Einheiten elektrisch sowie elektronisch und digital gesteuert und geregelt. Jedes Rad kann z. B. unabhängig von den anderen angetrieben werden. Somit sind z. B. am Beispiel Pkw nahezu alle Fahrmodi und ihre Kombinationen möglich, z. B.:
- – Ein-Rad-Antrieb (z. B. für Einparken)
- – Zwei-Rad-Antrieb Vorderachse (z. B. für Winter-Betrieb)
- – Zwei-Rad-Anrieb Hinterachse (z. B. für Sportmodus)
- – Drei-Rad-Antrieb (z. B. für Offroad-Modus)
- – Vier-Rad-Antrieb (z. B. für Offroad-Modus oder z. B. Winter-Betrieb)
- – Sperrprogramme:
- – für eine Achse
- – für beide Achsen (Front und Heck) unabhängig
- – für beide Achsen gleichzeitig
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Vorteilhafterweise können in Abhängigkeit von Fahrsituation unterschiedliche Fahrmodi gleichzeitig und/oder hintereinander kombiniert werden, in dem z. B. alle angetriebenen Räder unabhängig voneinander mit z. B. unterschiedlicher Drehzahl und/oder unterschiedlichem Drehmoment angetrieben werden.
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Vorteilhafterweise kann durch den unabhängigen Antrieb (z. B. zeitlich, leistungsspezifisch usw.) der unterschiedlichen Räder mittels voneinander unabhängig agierender Antriebseinheiten eine Gleichzeitigkeit in Drehzahl und/oder Drehmoment der Einzelräder realisiert werden.
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Fahrassistenz-Programme wie die elektronische Stabilitätskontrolle und/oder Antiblockierung und/oder Antriebsschlupfregelung und/oder Bremskraftverteilung können ausschließlich elektronisch und digital und damit regelungs- und/oder steuerungstechnisch schneller dargestellt werden.
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Vorteilhafterweise können Muster von Risikosituationen in der Steuer-/Regeleinheit hinterlegt werden, auf die im Risikofall zurückgegriffen werden kann, um die Reaktionsfähigkeit des Systems zu erhöhen, um z. B. das Fahrzeug und seine Insassen schneller aus Risiko-Situationen zu bringen. Diese Risiko-Reaktions-Abläufe können (teil)automatisch bis hin zu vollautomatisch ablaufen.
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Vorteilhafterweise kann jeder Brems-Zyklus zur Regeneration der z. B. Fahrbatterie und/oder Bordbatterie des Fahrzeugs verwendet werden.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Hocheffizienz-Triebstrang für mobile Anwendungen darzustellen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass ein bereits existierendes System damit ausgerüstet werden kann. Genauso wie dass ein neues System mit diesen Attributen aufgebaut werden kann.
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Der Vorteil dieses Verfahrens ist, dass die mit diesem System ausgerüsteten Produkte verglichen zu anderen bis heute dargestellten Systemen deutlich geringere Verlustleistungen im Gebrauch und/oder Anwendung und/oder Produktlebenszyklus aufweisen.
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Durch die individuelle Beschleunigung der Räder eines Fahrzeugs werden z. B. die Lenkeinschlagwinkel in Maß und Anzahl im Verlauf des Produktlebenszyklus geringer, was u. a. zu geringerer Reifenabnutzung führt. Die geringere Querstellung der Räder in Maß und Anzahl im Verlauf des Produktlebenszyklus führt zu reduzierter Verlustleistung durch z. B. Luftwiderstand und z. B. reduzierter Reibung.
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Durch die individuell und radnahe arbeitenden Antriebseinheiten entfallen mechanische Bauteile wie z. B. (Ausgleichs-)Getriebe, Kardan-/Antriebswellen usw., was zu Kosten- und/oder Gewichtsreduktion führt. Zusätzlich ist eine deutlich ausgewogenere Massenverteilung im Fahrzeug zwischen v. a. Front- und Heckpartie darstellbar. Dies führt zu geringerem Verschleiß und agilerem Antrieb und deutlich geringeren Emissionswerten.
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Fahrten mit z. B. wechselnder Anzahl von Insassen und Fahrzeuginsassenplatz-Besetzungen und/oder Zuladung in der Unterschiedlichkeit ihrer Örtlichkeit und/oder Masse können durch individuell angetriebene Räder kompensiert werden. Somit kann immer eine situationsabhängige optimale Fahrdynamik dargestellt werden.
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Die konstruktive Nähe von Motoren und Rädern ist vorteilhaft bzgl. geringerer Verluste. Durch kurze Übertragungswege der Drehmomente sind Verluste durch z. B. Torsion der Antriebswelle zum angetriebenen Rad geringer.
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Die Anzahl der gelagerten Komponenten und Bauteile reduziert sich und mit dieser die Reibleistungsverluste und Verschleißmechanismen bis hin zum Gesamt-Verschleiß während des Produktlebenszyklus.
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Die dezentrale Anordnung und/oder Verteilung der Gesamtleistung in kleineren Antriebseinheiten mit aufgeteilter Leistungsbereitstellung führt zu einem besseren Wärmehaushalt des Fahrzeugantriebs. Die Leistung und Verlustleistung in Form von Wärme wird nicht mehr zentral durch einen größeren Motor, sondern durch eine Mehrzahl von Motoren kleinerer Bauart, die im Fahrzeug weit voneinander entfernt arrangiert sind, dargestellt.
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Es ist also wesentlich einfacher, die Wärme vom Entstehungsort abzuleiten. Durch die im Verhältnis zur Leistung größere Oberfläche kleinerer Motoren kann z. B. auch von Wasser- auf Luftkühlung der z. B. Motoren umgestiegen werden. Das bringt Gewichts- und/oder Kostenvorteil durch Wegfall von Kühlkomponenten.
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Durch z. B. auf Komponenten montierten Kühlformen (z. B. Lüfterrad, Kühlrippen usw.) kann eine zusätzliche und/oder lastproportionale Selbstkühlung der einzelnen Komponenten erfolgen.
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Insgesamt ist ein derart gestaltetes System deutlich agiler und mit deutlich geringeren Verlusten bzgl. Wirkungsgrad und Effizienz behaftet und die Sicherheit der Fahrzeuginsassen steigt.
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Gegenüber Radnaben-Motor-Anordnungen sind durch die Rückversetzung der z. B. Motoren der Antriebseinheit deutlich geringere Schadenspotenziale der Motoren selbst bei dynamischen Fahrzyklen wie z. B. Off-Road-Fahrt gegeben.
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Somit ist eine technische Lösung angegeben für einen Hocheffizienz-Triebstrang für mobile Anwendungen, der die Räder entsprechend der Fahrsituation und Straßenführung optimal & effizient beschleunigt.
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Mit anderen Worten wird die genannte Aufgabe gelöst durch individuell arbeitende Antriebseinheiten, die die Räder eines Fahrzeugs abhängig und/oder unabhängig voneinander beschleunigen. Damit können Drehzahl und/oder Drehmoment der Antriebseinheiten abhängig und/oder unabhängig voneinander eingestellt und/oder geregelt/gesteuert werden.
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1 Prinzipdarstellung eines Pkw mit vier Antriebseinheiten während Ein-Rad-Antriebes
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2 in einer Prinzipdarstellung ist eine mögliche Antriebseinheit abgebildet
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Aktive Antriebseinheit
- 2
- Inaktive Antriebseinheit
- 3
- Motor/Generator
- 4
- Kupplungseinheit
- 5
- Getriebeeinheit
- 6
- Achse
- 7
- Rad
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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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- DE 000019825002 A1 [0015]
- DE 102014217974 A1 [0016]
- DE 102013202592 A1 [0016]
