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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für hydraulische Axialkolbenmaschinen.
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Bekannt sind hydraulische Axialkolbenmaschinen, in denen eine Pumpengruppe vorgesehen ist, die einen Zylinderblock umfasst, der um eine Arbeitsachse dreht und mit einer Mehrzahl von Aufnahmen ausgestattet ist, in denen jeweilige verschiebbare Kolben aufgenommen sind, die je nachdem, ob die Maschine wie eine Pumpe oder ein Hydraulikmotor arbeitet, derselben Eingangs-/Ausgangstriebwelle zugeordnet sind und die mit einer Hydraulikölverteilerplatte in Verbindung stehen.
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Jeder Kolben verläuft entlang einer Längsachse und weist einen Kopf auf, der eine Kugelkalotte umfasst, die dazu bestimmt ist, in eine entsprechenden Aufnahme eingeführt zu werden, die an einem der Triebwelle zugeordneten Gleitschuh ausgebildet ist oder direkt aus dieser herausgearbeitet ist, und der über einen Zwischenhals mit einem Schaft verbunden ist, der mit einem Boden endet, welcher auf der dem Kopf entgegengesetzten Seite angeordnet ist, in der jeweiligen Gleitaufnahme an der Zylindergruppe aufgenommen ist und mit der Verteilerplatte in Verbindung ist.
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Bekannt sind verschiedene Kolbentypen, die unterschiedliche Ausgestaltungen aufweisen und mit verschiedenen Bearbeitungsverfahren erhalten werden. So sind beispielsweise Kolben bekannt, die aus einem einzigen massiven Körper oder mit zum Boden des Kolbens hin offenen Hohlräumen, die gegebenenfalls mit Einsätzen zur Gewichtseinsparung gefüllt sind, ausgeführt sind und mit konventionellen mechanischen Bearbeitungen erhalten werden. Darüber hinaus sind Kolben bekannt, die aus mehreren Teilen bestehen, die mit konventionellen mechanischen Bearbeitungen erhalten werden und untereinander verbunden sind, beispielsweise durch Schweißen, so dass geschlossene innere Hohlräume zur Gewichtseinsparung gebildet werden.
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Ferner sind aus der Patentanmeldung
WO2016/201241A1 Kolben bekannt, die durch additive Fertigung erhalten werden und aus einem einzigen Stück bestehen, das mit geschlossenen inneren Hohlräumen zur Gewichtsersparnis versehen ist.
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Zur Verringerung der Reibung und des Verschleißes, die beim Kontakt zwischen dem Kopf des Kolbens und der jeweiligen Aufnahme auftreten, die sich während des Betriebs der hydraulischen Maschine relativ zueinander bewegen, müssen die jeweiligen Oberflächen geschmiert werden.
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Zu diesem Zweck weisen die Kolben des bekannten Typs im Allgemeinen einen axialen Kanal, dessen entgegengesetzte Enden auf Höhe des Kopfes und des Bodens offen sind, für den Durchgang des von der Verteilerplatte kommenden Hydrauliköls zum Verbindungsbereich des Kopfes mit der jeweiligen Aufnahme auf.
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Auf Höhe der Austrittsöffnung des axialen Kanals weist der Kopf des Kolbens im Allgemeinen eine Abflachung auf, die einen ringförmigen ebenen Abschnitt um die Bohrung herum, die sogenannte „Drucktasche“, bildet, die es ermöglicht, einen Hydraulikölsammelbereich zwischen dem Kopf des Kolbens und der jeweiligen Aufnahme zu schaffen.
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Zur Verbesserung der Ölverteilung in dem gesamten Verbindungsbereich zwischen dem Kopf des Kolbens und der jeweiligen Aufnahme kann eine spiralförmige Leitung vorgesehen sein, die von der Drucktasche aus um den Kopf des Kolbens herum verläuft, so dass die Schmierung des gesamten Kontaktbereichs begünstigt wird.
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Diese Kolben des bekannten Typs sind nicht frei von Nachteilen, zu denen unter anderem zählt, dass sich dadurch, dass am Kopf die Drucktasche und die spiralförmige Leitung vorgesehen werden müssen, die Ausdehnung der Kontaktfläche zwischen dem Kopf des Kolbens und der jeweiligen Aufnahme erheblich verringert, was eine Zunahme der spezifischen Kontaktdrücke und somit ein erhöhtes Verschleiß- und/oder Beschädigungsrisiko für die Komponenten zur Folge hat.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die oben beklagten Nachteile des Standes der Technik zu überwinden, in dem ein Kolben für hydraulische Maschinen vorgeschlagen wird, der es im Betrieb ermöglicht, die hydrostatische Lagerung des jeweiligen Kopfes unter allen Winkelbetriebsbedingungen und somit bei jedem beliebigen Hubraum der hydraulischen Maschine zu verbessern.
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Im Rahmen dieser technischen Aufgabe besteht ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung darin, die Kontaktfläche zwischen dem Kopf des Kolbens und der jeweiligen Aufnahme zu vergrößern, um eine Verringerung der spezifischen Kontaktdrücke und der damit verbundenen Verschleißerscheinungen zu erreichen.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, dass er aus einem einzigen Stück, gegebenenfalls mit geschlossenen inneren Hohlräumen zur Gewichtseinsparung, mit bekannten Bearbeitungsverfahren ausgeführt werden kann.
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Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen einfachen Aufbau bereitzustellen, der relativ einfach praktisch umsetzbar, betriebssicher und effizient sowie relativ kostengünstig ist.
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Gelöst werden diese Aufgaben und Ziele durch den vorliegenden Kolben für hydraulische Axialkolbenmaschinen, der einen Kopf umfasst, der mit einem Schaft verbunden ist, der entlang einer Längsachse verläuft und auf der zum Kopf entgegengesetzten Seite einen Boden ausbildet, wobei ferner mindestens ein im Inneren des Kolbens verlaufender Zuführkanal vorgesehen ist, der ein erstes und ein zweites Ende besitzt, die zueinander entgegengesetzt sind und auf Höhe des Kopfes und des Bodens offen sind, dadurch gekennzeichnet, dass er mindestens einen im Inneren des Kolbens verlaufenden Verteilerkanal umfasst, der ein erstes und ein zweites Ende aufweist, die zueinander entgegengesetzt sind und von denen das erste Ende in Fluidverbindung mit dem Zuführkanal steht und das zweite Ende auf Höhe des Kopfes offen ist, wobei der Kolben einstückig ausgeführt ist.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die Beschreibung von zwei bevorzugten, aber nicht ausschließlichen, Ausführungsformen eines Kolbens für hydraulische Axialkolbenmaschinen verdeutlicht, die beispielhaft, aber nicht einschränkend in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. Es zeigen:
- 1 eine schematische axonometrische Ansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kolbens für hydraulische Axialkolbenmaschinen;
- 2 eine schematische Vorderansicht des Kolbens aus 1;
- 3 eine schematische Schnittansicht entlang der Schnittebene III-III von 2;
- 4 eine schematische axonometrische Ansicht einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kolbens;
- 5 eine Ansicht im Längsschnitt des Kolbens aus 4;
- 6 eine schematische Seitenansicht des Kolbens aus 4;
- 7 eine schematische Schnittansicht entlang der Schnittebene VII-VII von 6;
- 8 eine Ansicht im Längsschnitt einer hydraulischen Axialkolbenmaschine (Pumpe oder Motor) in Schrägscheibenbauart (swash plate) mit dem Kolben aus 1-3; und
- 9 eine Ansicht im Längsschnitt einer hydraulischen Axialkolbenmaschine (Pumpe oder Motor) in Schrägachsenbauart (bent axis) mit dem Kolben aus 4-7.
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Unter besonderer Bezugnahme auf diese Figuren wird mit 1 ein Kolben für hydraulische Axialkolbenmaschinen als Ganzes bezeichnet.
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Der Kolben 1 ist dazu bestimmt, in konventionelle Axialkolbenmaschinen vom Pumpen- und Motorentyp eingebaut zu werden.
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Besonders geeignet ist der Kolben 1 für den Einsatz in hydraulischen Axialkolbenmaschinen in Schrägachsenbauart (Typ bent-axis), wobei jedoch der Einsatz bei Schrägscheibenmaschinen (Typ swash-plate) ebenfalls möglich ist.
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Der Kolben 1 umfasst einen Kopf 2, der mit einem Schaft 3 verbunden ist, der entlang einer Achse A verläuft und auf der zum Kopf entgegengesetzten Seite einen Boden 4 bildet.
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Der Kopf 2 ist so geformt, dass er zumindest in dem in Bezug auf die Längsachse A zentralen Abschnitt eine auf diese Achse zentrierte Kugelkalotte 2a bildet, die den Verbindungsbereich mit der jeweiligen Aufnahme bildet, die an der Triebwelle oder an einem ihr zugeordneten Gleitschuh ausgebildet ist.
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Der Boden 4 weist eine flache Gestalt auf. Am seitlichen Mantel des Schafts 3 sind in der Nähe des Bodens 4 ringförmige Aufnahmen 5 zum Aufnehmen von üblichen, nicht dargestellten Dichtringen vorgesehen, die geeignet sind, an der jeweiligen Gleitaufnahme des Kolbens 1, die im Zylinderblock der Hydraulikmaschine ausgebildet ist, anzuliegen.
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Zwischen den Kopf 2 und den Schaft 3 ist bevorzugt ein Übergangshals 6 gesetzt. Der Hals 6 weist im Allgemeinen einen geringeren Querschnitt als der Kopf 2 und der Schaft 3 auf.
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Der Kolben 1 ist mit mindestens einem in seinem Inneren verlaufenden Zuführkanal 7 versehen, der ein erstes und ein zweites Ende 8 und 9 hat, die zueinander entgegengesetzt sind und auf Höhe des Bodens 4 und des Kopfes 2 offen sind.
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Im Betrieb wird durch den Zuführkanal 7 von der Verteilerplatte der Hydraulikmaschine kommendes Hydrauliköl vom Boden 4 zum Kopf 2 des Kolbens 1 hin geführt, um den Verbindungsbereich des Kopfes in der jeweiligen Aufnahme an der Triebwelle oder an einem ihr zugeordneten Gleitschuh zu schmieren.
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Der Zuführkanal 7 weist bevorzugt eine geradlinige Gestalt auf. Noch bevorzugter verläuft der Zuführkanal 7 entlang der Längsachse A. In diesem Fall ist das zweite Ende 9 des Zuführkanals 7 in Bezug auf die Kugelkalotte 2a des Kopfes 2 mittig angeordnet.
Auf Höhe des zweiten Endes 9 weist der Zuführkanal 7 eine nach außen aufgeweitete Gestalt auf.
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Auf Höhe des zweiten Endes 9 des Zuführkanals 7 kann am Kopf 2 eine ringförmige Abflachung 10 vorgesehen sein, die das zweite Ende umgibt, so dass im Betrieb eine Drucktasche zwischen dem Kopf 2 und der jeweiligen Aufnahme gebildet wird, in der sich Hydrauliköl sammelt. Die Ausdehnung dieser Abflachung 10 ist im Vergleich zu den bei traditionellen Kolben vorgesehenen in jedem Fall gering.
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Entlang des Zuführkanals 7 kann ein Abschnitt mit geringerem Querschnitt mit Drosselfunktion vorgesehen sein, um den auf Höhe des Bodens 4 wirkenden Druck des Hydrauliköls von dem auf Höhe des Kopfes 2 wirkenden zu entkoppeln.
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Der Kolben 1 umfasst ferner mindestens einen in seinem Inneren verlaufenden Verteilerkanal 11, der ein erstes und ein zweites Ende 12 und 13 aufweist, die zueinander entgegengesetzt sind und von denen das erste Ende 12 in Fluidverbindung mit dem Zuführkanal 7 steht und das zweite Ende 13 auf Höhe des Kopfes 2 offen ist. Genauer gesagt, mündet das zweite Ende 13 des mindestens einen Verteilerkanals 11 auf Höhe der Kugelkalotte 2a des Kopfes 2.
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Das Vorhandensein des mindestens einen Verteilerkanals 11 ermöglicht es im Betrieb, eine ordnungsgemäße hydrostatische Lagerung des Kopfes 2 des Kolbens 1, der in der jeweiligen Aufnahme aufgenommen ist, zu erreichen, ohne wesentliche Verringerungen der Ausdehnung der Kontaktfläche mit sich zu bringen.
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Der Kolben 1 ist vorteilhafterweise einstückig ausgeführt. Der Kolben 1 kann beispielsweise mit einem additiven Fertigungsverfahren wie dem 3D-Druck einstückig erhalten werden.
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Der Kolben 1 kann mindestens eine auf der Außenoberfläche des Kopfes 2 ausgebildete Nut 14 vorsehen, die in Fluidverbindung mit dem zweiten Ende 13 des mindestens einen Verteilerkanals 11 steht, um im Betrieb die Verteilung des Hydrauliköls im Kontaktbereich zwischen Kopf 2 und der jeweiligen Aufnahme zu begünstigen.
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Bevorzugt kreuzt die Nut 14 das zweite Ende 13 des mindestens einen Verteilerkanals 11.
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Noch bevorzugter hat die Nut 14 einen ringförmigen Verlauf um die Längsachse A herum, so dass im Betrieb die Verteilung des Hydrauliköls über den gesamten Umfang des Kopfes 2 begünstigt wird, was eine ordnungsgemäße Schmierung unabhängig von der Neigung des Kolbens 1 in Bezug auf die jeweilige Aufnahme und somit vom Hubraum der Hydraulikmaschine gewährleistet.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sieht der Kolben eine Mehrzahl von Verteilerkanälen 11 vor, deren jeweilige zweite Enden 13 auf Höhe des Kopfes 2 verteilt sind. Genauer gesagt, öffnen sich die zweiten Enden 13 der Verteilerkanäle 11 auf Höhe der Kugelkalotte 2a des Kopfes 2.
Bevorzugt ist mindestens eine Gruppe 15 von Verteilerkanälen 11 vorgesehen, deren jeweilige zweite Enden 13 entlang einer auf die Längsachse A zentrierten Kreislinie verteilt sind.
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Auf Höhe dieser Kreislinie kann eine entsprechende Nut 14 vorgesehen sein.
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Die zweiten Enden 13 der Verteilerkanäle 11 der Gruppe 15 sind mit konstantem Winkelschritt um die Längsachse (A) herum verteilt.
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Darüber hinaus weisen die Verteilerkanäle 11 der Gruppe 15 jeweilige erste Enden 12 auf, die direkt in Verbindung mit dem Zuführkanal 7 stehen.
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Alternativ können mindestens zwei Gruppen 15 und 15' von Verteilerkanälen 11 vorgesehen sein, deren jeweilige zweite Enden 13 entlang von jeweiligen Kreislinien verteilt sind, die entlang der Längsachse A versetzt angeordnet sind. In diesem Fall sind die zweiten Enden 13 der Verteilerkanäle 11 der Gruppen 15 und 15' um die Längsachse A herum winklig versetzt angeordnet.
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Darüber hinaus kann der Kolben 1 eine ringförmige Hydraulikölauffangkehle 16 vorsehen, die auf der Außenoberfläche des Kopfes 2 ausgebildet ist. Die zweiten Enden 13 der Verteilerkanäle 11 sind zwischen der Kehle 16 und dem zweiten Ende 9 des Zuführkanals 7 positioniert.
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Die Kehle 16 kann auf Höhe des Umfangs der Kugelkalotte 2a des Kopfes 2 vorgesehen sein.
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Im Betrieb wird ein Teil des Hydrauliköls, das aus den Zuführkanälen 11 austritt und sich auf dem Kopf 2 verteilt, in der Kehle 16 aufgefangen.
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Nicht zuletzt kann der Kolben 1 mit mindestens einem inneren Hohlraum zur Gewichtseinsparung versehen sein, der auf Höhe des Kopfes 2 und/oder des Schafts 3 ausgebildet ist. Bevorzugt sind der oder die Hohlräume symmetrisch um die Längsachse A herum verteilt.
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Es wird darauf hingewiesen, dass beim Einsatz in hydraulischen Maschinen mit konstantem Hubraum bei einer Änderung des Hubraums der hydraulischen Maschine, in die der Kolben 1 eingebaut werden soll, die räumliche Verteilung der Verteilerkanäle 11 und der jeweiligen zweiten Enden 13 in Abhängigkeit von der spezifischen geometrischen Betriebsanordnung des Kolbens 1 zur Optimierung der hydrostatischen Lagerung des Kopfes 2 in der jeweiligen Aufnahme in bestimmten Bereichen konzentriert sein kann.
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Bei Maschinen mit variablem Hubraum ermöglicht dagegen eine gleichförmige Verteilung der Verteilerkanäle 11 und der jeweiligen zweiten Enden 13 es, bei der Änderung der geometrischen Betriebsanordnung des Kolbens eine geeignete hydrostatische Lagerung des Kopfes 2 zu erhalten. In 1-3 ist eine erste Ausführungsform des Kolbens 1 dargestellt, die besonders für den Einsatz in einer hydraulischen Maschine in Schrägscheibenbauart (Pumpe oder Motor) geeignet ist.
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Bei diesen Schrägscheibenmaschinen ist die Aufnahme des Kopfes 2 im Allgemeinen aus einem der Triebwelle zugeordneten Gleitschuh aus Bronze herausgearbeitet, so dass in Anbetracht der geringeren Reibungserscheinungen beim Kontakt zwischen den verschiedenen Werkstoffen, aus denen diese Komponenten ausgeführt sind, ein geringerer Schmierbedarf im Verbindungsbereich zwischen dem Kopf 2 und der jeweiligen Aufnahme besteht.
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In diesem Fall umfasst der Kolben 1 einen im Wesentlichen zylindrischen Schaft 3, der mit einem ringförmigen Hohlraum 17 versehen ist, der über seine gesamte Längsausdehnung verläuft. Der Schaft 3 weist keine ringförmigen Aufnahmen 5 für Dichtringe auf.
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Der Kolben 1 ist mit einer Gruppe 15 versehen, die vier Verteilerkanäle 11 umfasst, die mit einem Winkelschritt von 90° um die Längsachse A herum verteilt sind.
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Im Kopf 2 ist ein ringförmiger Hohlraum 18 vorgesehen, durch den hindurch die Verteilerkanäle 11 und der Endabschnitt des Zuführkanals 7 verlaufen.
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Der Kopf 2 ist nicht mit einer Abflachung 10, Nut 14 oder Kehle 16 versehen.
In 4-7 ist eine zweite Ausführungsform des Kolbens 1 dargestellt, die besonders für den Einsatz in einer hydraulischen Maschine in Schrägachsenbauart (Pumpe oder Motor) geeignet ist.
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In diesen Schrägachsenmaschinen ist die Aufnahme des Kopfes 2 im Allgemeinen direkt in der Triebwelle herausgearbeitet, so dass aufgrund der nicht vernachlässigbaren Reibungserscheinungen, zu denen es zwischen den Metallwerkstoffen kommt, aus denen diese Komponenten ausgeführt sind, ein erhöhter Schmierbedarf in dem Verbindungsbereich zwischen dem Kopf 2 und der jeweiligen Aufnahme besteht.
In diesem Fall umfasst der Kolben 1 einen im Wesentlichen konischen Schaft 3, der mit einem ringförmigen längs verlaufenden Hohlraum 17 sowie mit zwei ringförmigen Aufnahmen 5 für Dichtringe versehen ist.
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Der Kolben 1 ist mit zwei Gruppen 15 und 15' von Verteilerkanälen 11 versehen, deren jeweilige zweite Enden 13 entlang einer auf die Längsachse A zentrierten jeweiligen Kreislinie verteilt sind. Jede Gruppe 15, 15' umfasst vier Verteilerkanäle 11, die mit einem Winkelschritt von 90° um die Längsachse A herum entlang der jeweiligen Kreislinie verteilt sind.
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Die zweiten Enden 13 der Verteilerkanäle 11 der beiden Gruppen 15 und 15' sind in Bezug auf die Längsachse A längs und winklig versetzt angeordnet (6), um die Verteilung des Hydrauliköls auf der gesamten Kugelkalotte 2a des Kopfes 2 zu optimieren.
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Die zweiten Enden 13 der Verteilerkanäle 11 der Gruppe 15' sind in axialer Richtung zwischen die zweiten Enden 13 der Verteilerkanäle 11 der Gruppe 15 und das zweite Ende 9 des Zuführkanals 7 gesetzt.
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Die ersten Enden 12 der Verteilerkanäle 11 der Gruppe 15' sind in axialer Richtung zwischen die ersten Enden 12 der Verteilerkanäle 11 der Gruppe 15 und das zweite Ende 9 des Zuführkanals 7 gesetzt.
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Im Kopf 2 ist ein ringförmiger Hohlraum 18 vorgesehen, durch den hindurch die Verteilerkanäle 11 der Gruppen 15 und 15' und der Endabschnitt des Zuführkanals 7 verlaufen.
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Auf Höhe der zweiten Enden 13 der Verteilerkanäle 11 der Gruppe 15' ist eine ringförmige Nut 14 vorgesehen.
Der Kopf 2 ist auch mit einer Auffangkehle 16 versehen.
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In 8 ist eine hydraulische Maschine 19 in Schrägscheibenbauart (Pumpe oder Motor) dargestellt, welche die erste Ausführungsform des Kolbens 1 (1-3) beinhaltet, die für den Einsatz in derartigen Einheiten besonders geeignet ist.
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In 9 ist eine hydraulische Maschine 20 in Schrägachsenbauart (Pumpe oder Motor) dargestellt, welche die zweite Ausführungsform des Kolbens 1 (4-7) beinhaltet, die für den Einsatz in derartigen Einheiten besonders geeignet ist.
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Festzustellen ist, dass die in 1-3 gezeigte erste Ausführungsform des Kolbens 1 auch in einer hydraulischen Maschine in Schrägachsenbauart (bent axis) wie der in 9 dargestellten verwendet werden kann und dass die in 4-7 gezeigte zweite Ausführungsform des Kolbens 1 auch einer hydraulischen Maschine in Schrägscheibenbauart (swash plate) wie der in 8 dargestellten verwendet werden kann.
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In der Praxis wurde festgestellt, dass die gestellten Aufgaben mit der beschriebenen Erfindung gelöst werden, und es wird insbesondere betont, dass der erfindungsgemäße Kolben es im Betrieb ermöglicht, bei beliebigen Betriebsbedingungen eine hydraulische Lagerung des jeweiligen Kopfes zu erreichen, ohne eine Verringerung der Ausdehnung der Kontaktflächen zwischen dem Kopf und der jeweiligen Aufnahme mit sich zu bringen, die Verschleiß und Beschädigungen der Komponenten erhöhen.
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Darüber hinaus lässt sich der erfindungsgemäße Kolben je nach Bauweise der hydraulischen Maschine, in die er eingebaut werden soll, einfach an die Anforderungen der spezifischen Anwendung anpassen, um einen optimalen Betrieb zu ermöglichen.
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Weiterhin kann der erfindungsgemäße Kolben mit inneren Hohlräumen zur Gewichtsersparnis ausgeführt werden, um seine Leistungen zu verbessern.
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Nicht zuletzt kann der erfindungsgemäße Kolben mit bekannten additiven Fertigungsverfahren erhalten werden, um die Produktionszeiten und -kosten zu senken.
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Die so konzipierte Erfindung kann zahlreiche Änderungen und Varianten erfahren, die alle in den Schutzbereich fallen.
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Darüber hinaus sind alle Details gegen technisch gleichwertige Elemente austauschbar.
In der Praxis können die eingesetzten Werkstoffe sowie die unwesentlichen Formen und Abmessungen entsprechend den technischen Erfordernissen beliebig sein, ohne dass der Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche verlassen wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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