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Die Erfindung betrifft einen variablen Ventiltrieb für einen Verbrennungsmotor sowie ein Verfahren zur Herstellung eines variablen Ventiltriebs für einen Verbrennungsmotor.
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Variable Ventiltriebe dienen dazu, die Ventilhubkurven der Ventile eines Verbrennungsmotors zu beeinflussen. So können beispielsweise unterschiedliche Ventilhubkurven in unterschiedlichen Betriebszuständen des Verbrennungsmotors ermöglicht werden. Ziel kann es hierbei sein, bei gleichzeitig hoher Leistungsfähigkeit eines Verbrennungsmotors, einen niedrigen Kraftstoffverbrauch zu gewährleisten.
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Konstruktiv bestehen unterschiedliche Möglichkeiten, einen derartigen variablen Ventiltrieb zu ermöglichen. Eine Möglichkeit ist die, dass der variable Ventiltrieb eine Nockenwelle aufweist, wobei die Nockenwelle ein auf einer Welle der Nockenwelle axial verschieblich angeordnetes Schiebenockenstück aufweist. Das Schiebenockenstück kann insbesondere eine Mehrzahl Nocken, beispielsweise zwei Nocken, aufweisen, die in axialer Richtung - bezogen auf die Welle - hintereinander angeordnet sind. Durch das axiale Verschieben des Schiebenockenstücks können so unterschiedliche Nocken in eine Abgriffsposition bewegt werden, in der die durch den jeweiligen Nocken vorgegebene Ventilhubkurve am Nocken abgegriffen und auf das den Nocken des Schiebenockenstück zugeordnete Ventil übertragen wird.
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Üblicherweise ist die Welle durch das Schiebenockenstück hindurchgeführt und das Schiebenockenstück verdrehsteif mit der Welle verbunden. Um eine verdrehsteife Verbindung des Schiebenockenstücks mit der Welle zu realisieren, sind aus dem Stand der Technik unterschiedliche Möglichkeiten bekannt. So können Welle und Schiebenocken eine Verzahnung aufweisen, die ein axiales Verschieben des Schiebenockenstücks auf der Welle, nicht jedoch ein Verdrehen des Schiebenockenstücks relativ zu der Welle um deren Achse erlaubt. Derartige Verzahnungen sind jedoch vergleichsweise aufwändig herzustellen.
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Die
DE 10 2013 215 560 A1 zeigt eine alternative Lösung, bei der die verdrehsteife Verbindung des Schiebenockenstücks mit einer in der Außenwelle geführten Innenwelle erfolgt. Der Nocken lässt sich durch ein Verschieben der Innenwelle in der Außenwelle relativ zu der Außenwelle verschieben. Eine derartige Konstruktion ermöglicht zwar eine vergleichsweise große Variabilität, da die Innenwelle gegenüber der Außenwelle zusätzlich verdreht und so der mit der Innenwelle verdrehsteif verbundene Nocken nicht nur axial verschoben, sondern auch in Umfangsrichtung verstellt werden kann. Der Gesamtaufbau sowie die für die relative Bewegung der Nockenwellen zueinander benötigten Aktuatoren bilden jedoch ein insgesamt kompliziertes System, welches entsprechend aufwändig herzustellen ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen variablen Ventiltrieb und ein Verfahren zur Herstellung eines variablen Ventiltriebs aufzuzeigen, die eine einfache und kostengünstige Herstellung des Ventiltriebs ermöglichen.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch einen Ventiltrieb und ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Weitere praktische Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung sind in Verbindung mit den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Der Ventiltrieb weist zur verdrehsteifen Verbindung des Schiebenockenstücks mit der Welle ein in einer Ausnehmung in der Welle in axialer Richtung geführtes Führungselement auf. Dieses Führungselement ist in einer Aufnahme des Schiebenockenstücks fixiert.
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Die Verwendung eines derartigen Führungselements ermöglicht es, Welle, Schiebenockenstück und Führungselement selbst in vergleichsweise einfacher und kostengünstiger Weise zu fertigen und insbesondere den Ventiltrieb in einfacher Weise zu montieren. Da die Ausnehmung in der Welle als Führung dient, kann der sonstige Sitz des Schiebenockenstücks auf der Welle im Wesentlichen kreiszylindrisch ausgeführt sein und weist keine komplizierte Geometrie auf. Daher kann für die Nockenwelle eine sehr einfach gestaltete Welle verwendet werden. Insbesondere wird es ermöglicht, zunächst das Schiebenockenstück auf die Welle zu schieben bzw. die Welle in das Schiebenockenstück einzuschieben und dann das Führungselement in der Aufnahme des Schiebenockenstücks zu fixieren. Hierdurch wird eine sehr einfache Montage der verdrehsteifen, jedoch axial verschieblich geführten Verbindung zwischen Schiebenockenstück und Welle ermöglicht.
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Das Führungselement kann in der Aufnahme durch eine Pressverbindung fixiert sein. Eine Pressverbindung hat den Vorteil, dass sie sich bei der Montage einfach herstellen lässt. Es ist möglich, das Führungselement in die Aufnahme einzupressen, alternativ und/oder ergänzend kann durch eine geeignete Temperierung der zu verbindenden Teile vor dem Zusammenfügen eine entsprechende Pressverbindung erzeugt werden.
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Bei der Welle kann es sich insbesondere um eine Hohlwelle handeln. Hohlwellen sind vergleichsweise leicht, steif und preiswert.
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Das Führungselement kann durch die Welle hindurchgesteckt und im Bereich seiner beiden Endbereiche in Aufnahmen des Schiebenockens aufgenommen sein. Insbesondere kann das Führungselement im Bereich seiner beiden Endbereiche in Aufnahmen des Schiebenockens fixiert sein, beispielsweise durch Pressverbindungen. Durch eine derartige Anordnung kann das Drehmoment, welches im Betrieb der Nockenwelle durch den Abgriff der Nocken erzeugt wird, besonders gut vom Schiebenockenstück auf die Welle übertragen werden. Zudem ist eine derartige Anordnung insbesondere in Verwendung mit einer Hohlwelle von Vorteil, da das Führungselement in dem Fall durch zwei gegenüberliegend angeordnete Ausnehmungen der Welle in axialer Richtung geführt werden kann. Dadurch kann das vom Führungselement in die Welle eingeleitete Drehmoment auf die Bereiche beider Ausnehmungen, die mit dem Führungselement in Kontakt stehen und dieses in axialer Richtung führen, verteilt werden.
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So kann das Führungselement insbesondere flächig gestaltet und mit jeweils einer Haupterstreckungsrichtung parallel und senkrecht zur Achse der Welle angeordnet sein. Eine derartige Geometrie des Führungselements führt dazu, dass das Führungselement mit einem flächigen Bereich durch eine entsprechend gestaltete Führungsfläche der Welle abgestützt werden kann. Durch die flächige Abstützung werden die bei der Übertragung des Drehmoments auftretenden Kräfte auf einer Fläche verteilt und damit die lokale Materialbeanspruchung gesenkt.
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Das Führungselement kann insbesondere zwei planparallele Anlageflächen aufweisen, mit denen sich das Führungselement zur Übertragung des Drehmoments auf die Welle flächig an der Welle abstützt. Planparallele Anlageflächen eignen sich besonders gut zur Anlage an entsprechenden Führungen, die durch Oberflächenbereiche der Ausnehmung in der Welle gebildet werden.
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Entsprechend kann die Ausnehmung in der Welle zwei planparallele Führungsflächen zum Führen der axialen Bewegung des Führungselements aufweisen. Beispielsweise kann die Ausnehmung als Langloch gestaltet sein. Im Falle einer Hohlwelle kann die Nockwelle zwei Ausnehmungen in Gestalt zweier Langlöcher aufweisen, die insbesondere gegenüberliegend bezogen auf die Achse der Welle angeordnet sind. Derartige Langlöcher sind vergleichsweise einfach herzustellen und weisen zwei planparallele, einander gegenüberliegende Flächen auf, die als Führungsflächen insbesondere mit entsprechenden planparallelen Anlageflächen des Führungselements zusammenwirken und so die Führung für die axiale Bewegung des Schiebenockens auf der Welle bilden können.
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Das Verfahren zur Herstellung eines variablen Ventiltriebs, welcher insbesondere die vorstehend beschriebenen Merkmale aufweist, sieht vor, dass zunächst wenigstens ein Schiebenockenstück in einem Lagerrahmen angeordnet wird. Es versteht sich, dass im Rahmen der Durchführung des Verfahrens auch weitere Verfahrensschritte der Anordnung des wenigstens eines Schiebenockenstücks im Lagerrahmen vorausgehen können. Dies können beispielsweise die Anordnung von Lagern zur Lagerung der Welle in dem Lagerrahmen sein. Weiterhin können die Lager in dem Lagerrahmen fixiert werden. Der Lagerrahmen ist insbesondere als Gehäuseteil ausgebildet sein.
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In den Lagerrahmen, insbesondere das Gehäuseteil, kann eine Zylinderkopfhaube integriert sein. Der Lagerrahmen, der zur Fixierung der Lager dient, kann insbesondere ein monolithischer bzw. einteiliger Lagerrahmen sein. Unter einem monolithischen Lagerrahmen ist insbesondere ein Lagerrahmen mit geschlossenem Lagerring bzw. einer Mehrzahl geschlossener Lagerringe zu verstehen.
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Neben dem wenigstens einen Schiebenockenstück können auch weitere Elemente der Nockenwelle, insbesondere konventionelle Nocken, in dem Lagerrahmen angeordnet werden. Zum Anordnen des wenigstens einen Schiebenockens und gegebenenfalls der weiteren Elemente der Nockenwelle innerhalb des Lagerrahmens kann eine Montagehilfe zum Einsatz kommen. Die Montagehilfe dient insbesondere dazu, die korrekte Position der in Rede stehenden Elemente innerhalb des Lagerrahmens sicherzustellen. Hierzu gehört insbesondere auch die Winkelorientierung um die Achse der Welle. Bei der Montagehilfe kann es sich insbesondere um eine Fügekassette handeln.
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Nach Anordnen des Schiebenockenstücks und gegebenenfalls der weiteren Elemente der Nockenwelle wird die Welle in axialer Richtung in den Lagerrahmen eingeführt und derart innerhalb des Schiebenockenstücks positioniert, dass die Aufnahme für das Führungselement und die Ausnehmung in der Welle zur axialen Führung des Führungselements derart zur Deckung gelangen, dass das Führungselement in einem weiteren Verfahrensschritt in auf die Welle bezogen radialer Richtung durch die Aufnahme in die Ausnehmung eingeführt und in seiner bestimmungsgemäßen Position in der Aufnahme fixiert werden kann. Die Zusammenführung von Welle und Führungselement erfolgt dabei insbesondere aus zueinander rechtwinklig orientierten Richtungen. Der Hauptvorteil ist, dass die Herstellung der Verbindung zwischen dem Schiebenockenstück und der Welle in sehr einfacher Weise erfolgen kann. Die resultierende Konstruktion ist zudem robust und kostengünstig. Das Einführen der Welle erfolgt insbesondere in auf die Welle bezogen axialer Richtung. Dies ermöglicht insbesondere die die Verwendung monolithischer Lagerrahmen mit geschlossenen Lagerringen.
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Insbesondere kann während der Durchführung des Verfahrens ein Presssitz zwischen der Welle und auf der Welle angeordneten Elementen, insbesondere nicht verschieblichen Nocken und/oder Lagerschalen, hergestellt werden. Dies kann insbesondere durch eine vor dem Einführen der Welle erzeugte Temperaturdifferenz zwischen der Welle und den auf der Welle zu fixierenden Elementen erfolgen. Die Temperaturdifferenz kann beispielsweise herbeigeführt werden, indem die Welle vor dem Einführen gekühlt wird. Alternativ und/oder ergänzend können die auf der Welle zu fixierenden Elemente erwärmt werden. Mit den Angleichen der Temperaturen zwischen der Welle und den auf der Welle zu befestigenden Elementen stellen sich die entsprechenden Presssitze ein.
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Das Führungselement kann in seiner Aufnahme ebenfalls mit einem Presssitz, der durch Temperaturunterschiede herbeigeführt wird, fixiert werden. Alternativ und/oder ergänzend sind hier andere Möglichkeiten der Fixierung des Führungselements in seiner bestimmungsgemäßen Position in der Aufnahme möglich. Dies kann insbesondere auch ein Presssitz sein, der durch das Einpressen des Führungselements in die Aufnahme erzeugt wird.
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Nach dem Einführen der Welle, insbesondere wenn sich der Presssitz eingestellt hat, kann ein Entfernen der Montagehilfe erfolgen. Das Entfernen der Montagehilfe erfolgt insbesondere erst dann, wenn das Führungselement in seiner bestimmungsgemäßen Position in der Aufnahme fixiert ist. Es versteht sich, dass in diesem Zusammenhang auch eine Mehrzahl Montagehilfen und/oder eine mehrteilige Montagehilfe zum Einsatz kommen kann. In diesen Fällen können einzelne Montagehilfen bzw. einzelne Teile der Montagehilfen zu unterschiedlichen Zeitpunkten entfernt werden.
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Der variable Ventiltrieb, insbesondere die Nockenwelle, kann einen Rastmechanismus vorsehen, der dazu ausgebildet ist, das Schiebenockenstück in axialer Richtung in seinen bestimmungsgemäßen Positionen festzuhalten. Zum axialen Verschieben des Schiebenockenstücks auf der Welle wird dann durch eine Schaltvorrichtung der Widerstand des Rastmechanismus überwunden und das Schiebenockenstück auf der Welle verschoben. Die Schaltvorrichtung kann beispielsweise in außen am Schiebenockenstück vorgesehenen Nuten eingreifen, um dieses zu verschieben. Der Rastmechanismus kann dann ein Rastelement aufweisen, das - beispielsweise durch eine Federkraft beaufschlagt - in eine Rastkontur, beispielsweise eine innenseitig am Schiebenockenstück umlaufende Nut, eingreift. Ein Schiebenockenstück kann beispielsweise für jede Schaltposition entlang der axialen Richtung eine umlaufende Nut an seiner Innenseite aufweisen. Bei dem Rastelement kann es sich beispielsweise um eine Kugel handeln, die in diese Nuten eingreifen kann und beim Schalten entgegen einer Federkraft in Richtung des Inneren der Welle gedrückt wird. Insbesondere dann, wenn es sich bei der Welle um eine Hohlwelle handelt, kann innerhalb der Hohlwelle eine Führungshülse angeordnet sein, in der das Rastelement und/oder ein Federelement zum Beaufschlagen des Rastelements mit einer Federkraft angeordnet ist. Das Verfahren kann in diesem Zusammenhang vorsehen, dass das Rastelement in einer Rückhalteposition zurückgehalten wird, indem es sich vollständig innerhalb der kreiszylindrischen Außenkontur der Welle befindet. Nach dem Einführen der Welle in ihre bestimmungsgemäße Position innerhalb des Schiebenockenstücks kann dann das Rastelement freigegeben werden. Die Freigabe kann insbesondere mittels eines Werkzeugs erfolgen, dass durch eine hierfür vorgesehene Öffnung in Welle und/oder Schiebenockenstück geführt wird.
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Weitere praktische Ausführungsformen der Erfindung sind nachfolgend im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
- 1 eine schematische Schnittdarstellung einer Nockenwelle eines beispielhaften Ventiltriebs,
- 2 einen vergrößerten Ausschnitt aus 1,
- 3 einen vergrößerten Ausschnitt aus 2
- 4 eine schematische Darstellung eines Gehäuseteils für einen beispielhaften Ventiltrieb,
- 5 das Gehäuseteil aus 4 mit darin positionierten Elementen der Nockenwelle,
- 6 eine schematische Darstellung des Einführens der Welle in das Gehäuseteil,
- 7 den beispielhaften Ventiltrieb nach dem Einführen der Welle in das Gehäuse,
- 8 das Einführen eines Führungselements,
- 9 das in seiner bestimmungsgemäßen Position in der Aufnahme fixierte Führungselement.
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Der beispielhafte Ventiltrieb 10 weist beispielhaft eine in den 1 bis 3 dargestellte Nockenwelle 12 auf. Die Nockenwelle 12 weist eine Welle 14 auf. Diese kann wie im gezeigten Beispiel als Hohlwelle ausgeführt sein. Auf der Welle 14 ist wenigstens ein Schiebenockenstück 16 axial verschieblich angeordnet. Es kann sich, wie im dargestellten Beispiel, auch um eine Mehrzahl Schiebenockenstücke 16 handeln. Die Schiebenockenstücke können wie dargestellt jeweils zwei Nocken 16a, 16b sowie eine Kulisse 16c zum axialen Verschieben der Schiebenockenstücke 16 aufweisen. Es können Rastmechanismus 17 zum Verrasten der Schiebenockenstücke 16 in ihrer Position in axialer Richtung X vorhanden sein. Darüber hinaus kann die Nockenwelle 12 herkömmliche, d.h. nicht verschiebliche Nocken 18 aufweisen, die ebenfalls auf der Welle 14 angeordnet sind. Die Schiebenockenstücke 16 sind verdrehsteif mit der Welle 14 verbunden, wobei zur verdrehsteifen Verbindung der Schiebenockenstücke 16 mit der Welle 14 ein Führungselement 20 vorgesehen ist. Wie im gezeigten Beispiel ist das Führungselement 20 in einer Ausnehmung 22 der Welle 14 in axialer Richtung X geführt. Das Führungselement 20 ist in einer Aufnahme 24 des Schiebenockenstücks 16 fixiert. Wie im gezeigten Beispiel kann das Führungselement 20 durch die Welle 14 hindurchgesteckt und im Bereich seiner beiden Endbereiche in Aufnahmen 24 des Schiebenockenstücks 16 aufgenommen sein. Das Führungselement 20 kann wie dargestellt flächig gestaltet sein und zwei planparallele Anlageflächen 26 aufweisen, mit denen sich das Führungselement 20 zur Übertragung des Drehmoments flächig an der Welle 14 abstützt. Die Welle 14 kann entsprechend wie dargestellt zwei gegenüberliegend angeordnete Ausnehmungen 22 aufweisen, durch die das Führungselement 20 in seiner axialen Bewegung geführt wird. Jede Ausnehmung 22 weist hierfür zwei einander gegenüberliegende planparallele Führungsflächen 28 auf, an denen das Führungselement 20 wie im gezeigten Beispiel mit planparallelen Anlageflächen 26 anliegen kann.
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In 4 sind in dem ersten Teil des Lagerrahmens 30 bereits Vorkehrungen für die Lagerung der Welle 14 getroffen, indem entsprechende Einbauten vorgenommen wurden. Im gezeigten Beispiel weist der Lagerrahmen ein zweites Teil des Lagerrahmens 32 auf. Alternativ kann statt dem zweiteiligen Lagerrahmen auch ein monolithischer Lagerrahmen verwendet werden.
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In den 4 bis 9 ist schematisch die schrittweise Montage eines beispielhaften Ventiltriebs 10 dargestellt. Zunächst wird ein erstes Teil des Lagerrahmens 30 und ein zweites Teil des Lagerrahmens 32, wie es in 4 dargestellt ist, bereitgestellt. In dem Lagerrahmen 30, 32 können dann Elemente der Nockenwelle 12, wie beispielsweise Schiebenockenstücke 16 und/oder Nocken 18 angeordnet werden. Dies ist beispielhaft in 5 dargestellt. Zum Positionierung der Schiebenockenstücke 16 und der Nocken 18 in dem Lagerrahmen 30, 32 können insbesondere Montagehilfen, die zwar zum späteren Zeitpunkt wieder entfernt werden und in 5 nicht dargestellt sind, verwendet werden.
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In 6 ist dargestellt, wie die Welle 14 in den Lagerrahmen 30, 32 entlang der auf die Welle 14 bezogen axialen Richtung X eingeführt wird. 7 zeigt den Zustand nach dem Einführen der Welle 14.
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Um die Schiebenockenstücke 16 verdrehsteif mit der Welle 14 zu verbinden, wird wie in 8 dargestellt, das Führungselement 20 in axialer Richtung durch die Aufnahme 24 in die Ausnehmung 22 eingeführt. Im dargestellten Beispiel werden die Führungselemente 20 vollständig durch Welle 14 und Schiebenockenstück 16 hindurchgesteckt. Dabei wird eine Pressverbindung erzeugt, die das Führungselement 20 in seiner in 9 beispielhaft dargestellten bestimmungsgemäßen Position fixiert.
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Die in der vorliegenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein. Die Erfindung kann im Rahmen der Ansprüche und unter Berücksichtigung der Kenntnisse des zuständigen Fachmanns variiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Ventiltrieb
- 12
- Nockenwelle
- 14
- Welle
- 16a
- Nocken
- 16b
- Nocken
- 16c
- Kulisse
- 17
- Rastmechanismus
- 18
- nicht verschiebliche Nocken
- 20
- Führungselement
- 22
- Ausnehmung
- 24
- Aufnahme
- 26
- planparallele Anlageflächen
- 28
- planparallele Führungsflächen
- 30
- Lagerrahmen zweiter Teil
- 32
- Lagerrahmen zweiter Teil
- X
- axiale Richtung
- Y
- radiale Richtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013215560 A1 [0005]
