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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft eine Sperrvorrichtung zum Sperren einer Welle
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine
Getriebe-Antriebs-Einheit, insbesondere zur Betätigung
eines Sperrdifferenzials in einem Kraftfahrzeug gemäß Anspruch
10.
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Aus
DE 10 2004 058 096
A1 ist eine Sperrvorrichtung für eine Getriebe-Antriebs-Einheit
bekannt, mittels der eine Drehbewegung einer von einem Elektromotor
der Getriebe-Antriebs-Einheit angetriebenen Welle sperrbar ist.
Die Sperrvorrichtung umfasst ein erstes Sperrelement, das drehfest
mit der Welle verbunden ist, sowie ein zweites in axialer Richtung
mittels eines Elektromagneten relativ zu dem ersten Sperrelement
von einer Sperrstellung in eine Freigabestellung verstellbares zweites
Sperrelement. Zum Rückstellen des zweiten Sperrelementes von
der Freigabestellung in die Sperrstellung ist ein Federelement vorgesehen,
das axial zwischen dem Elektromagneten und dem zweiten Sperrelement
angeordnet ist. In der Sperrstellung greifen die Sperrelemente mit
jeweils einer stirnseitigen Verzahnung in axialer Richtung formschlüssig
ineinander. Zum akustischen Dämpfen des Anschlagens des
zweiten Sperrelementes am Elektromagneten am Ende der Verstellbewegung
von der Sperrstellung in die Freigabestellung ist axial zwischen
dem Elektromagnet und dem zweiten Sperrelement ein Dämpfungselement
aus einem Kunststoff- Elastomer angeordnet. Nachteilig bei der bekannten
Sperrvorrichtung ist das notwendige Vorsehen des nur aufwändig
fertigbaren Dämpfungselementes aus einem Kunststoff-Elastomer.
Materialdickenschwankungen haben bei einer Solldicke des
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Dämpfungselementes
von 0,3 mm einen großen Einfluss auf das Dämpfungsverhalten.
Höhentoleranzen des Innenpols des Elektromagneten zum abgesetzten
Dämpfungselement verändern sehr stark das Geräuschbild.
Die Abmessungen des Dämpfungselementes sind als Übergangspassung ausgelegt,
wodurch das Dämpfungselement je nach Toleranzsituation
bündig am Elektromagneten aufliegt (lautes Geräuschbild)
oder eine Lufttasche unter dem Dämpfungselement entsteht.
Diese Lufttasche dämpft die Aufschlagbewegung des zweiten
Sperrelementes gut ab, wodurch die Sperrvorrichtung insgesamt leise
arbeitet. Das Vorsehen einer definierten Lufttasche ist jedoch aus
Toleranzgründen schwer realisierbar. Weiterhin ist das
Montieren des separaten Dämpfungselementes zeitaufwändig.
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Offenbarung der Erfindung
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Technische Aufgabe
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Sperrvorrichtung
vorzuschlagen, bei der ein definiertes Dämpfungsverhalten
zur Dämpfung des letzten Verstellbewegungsabschnitts des
zweiten Sperrelements bei dessen Verstellung in die Freigabestellung
realisiert ist. Ferner besteht die Aufgabe darin eine entsprechend
verbesserte Getriebe-Antriebs-Einheit vorzuschlagen.
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Technische Lösung
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Diese
Aufgabe wird hinsichtlich der Sperrvorrichtung mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 und hinsichtlich der Getriebe- Antriebs-Einheit mit
den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. In
den Rahmen der Erfindung fallen auch sämtliche Kombinationen
aus zumindest zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder
den Figuren offenbarten Merkmalen.
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Der
Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, das Federelement derart auszubilden,
dass mit diesem nicht nur eine Rückstellfunktion zum Rückstellen des
zweiten Sperrelementes von der Freigabestellung in die Sperrstellung
realisierbar ist, sondern dass das Sperrelement derart ausgebildet
ist, dass es zusätzlich die Verstellbewegung des zweiten Sperrelementes
von der Sperrstellung in die Freigabestellung ausschließlich
in einem letzten Bewegungsabschnitt definiert dämpft, d.
h. abbremst. Anders ausgedrückt weist das Federelement,
insbesondere durch eine einstückige Ausbildung, sowohl
mindestens ein Rückstellfederelement, das das zweite Sperrelement
von der Freigabestellung in die Sperrstellung verstellt und dort
hält, als auch ein Brems- bzw. Dämpfungsfederelement
auf, mit dem das zweite Sperrelement bzw. die Verstellbewegung des zweiten
Sperrelementes in einem letzten Verstellabschnitt bei bestromtem
Elektromagneten abgebremst, d. h. gedämpft wird. Um zu
gewährleisten, dass das Bremsfederelement nicht über
den gesamten Verstellweg von der Sperrstellung in die Freigabestellung
an dem Sperrelement anliegt, das Bremsfederelement also nur in einem
letzten Verstellabschnitt dämpfend wirkt, ist in vorteilhafter
Weise vorgesehen, dass das Rückstellfederelement eine größere
Axialerstreckung aufweist als das Bremsfederelement, also in der
Sperrstellung ausschließlich das Rückstellfederelement
an dem Sperrelement anliegt. Das Bremsfederelement entfaltet seine
Dämpfungswirkung erst nachdem das zweite Sperrelement einen
ersten Verstellweg zurückgelegt hat und mit dem Bremsfederelement
in Kontakt kommt und dieses bei seiner restlichen Verstellbewegung
in Richtung Freigabestellung spannt. Durch das Vorsehen eines nach
dem Konzept der Erfindung ausgebildeten Federelementes werden eine
Vielzahl von Vorteilen realisiert. Zum einen kann auf das im Stand
der Technik notwendige, aus einem Kunststoff-Elastomer ausgebildete
Dämpfungselement verzichtet werden. Zudem ist die Herstellung
des Federelementes mit mindestens einem Rückstellfederelement
und mindestens einem Bremsfederelement wesentlich einfacher als
die aufwändige Fertigung des Kunststoff-Elastomer-Dämpfungselementes.
Zudem wird durch die einstückige Ausbildung die Montage
wesentlich vereinfacht und es können definierte Dämpfungsergebnisse
realisiert werden. Das Vorgenannte gilt insbesondere dann, wenn
das Federelement als Stanz-Biegeteil aus Metall, vorzugsweise aus
nichtmagnetischem Federstahl ausgebildet ist. Dabei wirkt das Bremsfederelement
nicht wie ein Kunststoff-Elastomer-Dämpfungselement "energievernichtend",
sondern als Energiespeicher, wodurch der Rückstellvorgang
zusätzlich beschleunigt wird.
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Von
besonderem Vorteil ist eine Ausführungsform, bei der das
Federelement eine ringförmige insbesondere ebene Grundplatte
aufweist, von der sowohl das mindestens eine Rückstellfederelement
als auch das mindestens eine Bremsfederelement im entspannten Zustand
in axialer Richtung wegragen. Von besonderem Vorteil ist es dabei, wenn
sowohl das Rückstellfederelement als auch das Bremsfederelement
in dieselbe Axialrichtung von der, insbesondere ebenen Grundplatte
wegragen, bevorzugt in Richtung des zweiten Sperrelementes. In diesem
Fall ist es möglich, dass die ringförmige Grundplatte
zur Anlage an dem Elektromagneten bzw., wie später noch
erläutert werden wird, an einer von einem Spulenkörper
gebildeten Anlagefläche dient.
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Von
besonderem Vorteil ist eine Ausführungsform, bei der sowohl
das Rückstellfederelement als auch das Bremsfederelement
von jeweils einem Federarm gebildet sind, die einends einstückig
mit der insbesondere ebenen Grundplatte des Blattfederelementes
ausgebildet sind, wobei das von der Grundplatte abgewandte, in axialer
Richtung hervorstehende freie Ende jedes Federarms zur, insbesondere
unmittelbaren Anlage an dem zweiten Sperrelement dient.
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Um
ein Verkanten bei der Verstellbewegung des zweiten Sperrelementes
zu vermeiden und ein entlang einer Stirnseite des zweiten Sperrelements gleitendes
Rückstellfederelement bereitzustellen, ist eine Ausführungsform
von Vorteil, bei der die freien Enden der Federarme (etwas) in Richtung
der Grundplatte umgebogen ausgebildet sind, so dass am Scheitelpunkt
des Biegeradius eine flache oder gekrümmte Anlagefläche
für das zweite Sperrelement resultiert. Um zu gewährleisten,
dass das Bremsfederelement nur in einem Teilabschnitt der Verstellbewegung
von der Sperrstellung in die Freigabestellung an dem zweiten Sperrelement
anliegt, ist eine Ausführungsform von Vorteil, bei der
der das Bremsfederelement bildende Federarm kürzer ausgebildet
ist als der das Rückstellfederelement bildende Federarm.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass das
Federelement, insbesondere seine zumindest näherungsweise
ringförmige Grundplatte nicht an einem Metallbauteil der
Sperrvorrichtung anliegt, d. h. sich abstützt, sondern
an dem Spulenkörper des Elektromagneten. Dabei ist der
Spulenkörper bevorzugt aus Kunststoff ausgebildet, wobei
die Anlagefläche für das Federelement, insbesondere
für die Grundplatte des Federelementes von einer ringförmigen
Stirnseite des Spulenkörpers gebildet wird. Das Vorsehen
einer Anlagefläche aus Kunststoff minimiert die Geräuschentwicklung beim Verstellen
des Sperrelementes von der Sperrstellung in die Freigabestellung
erheblich. Zusätzlich oder bevorzugt ist es denkbar, dass
sich das Federelement an dem von dem Durchzug gebildeten Innenpol
abstützt. Bevorzugt zentriert sich das Federelement mittels
des Bundes an der Anlagefläche.
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Besonders
bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der nicht nur ein
einziges Rückstellfederelement und ein einziges Bremsfederelement
vorgesehen sind, sondern bei der eine Gruppe von Rückstellfederelementen
und eine Gruppe von Bremsfederelementen vorgesehen sind. Von Vorteil
ist es dabei die Gruppe von Rückstellfederelementen radial
außerhalb der Gruppe von Bremsfederelementen anzuordnen.
Da die magnetische Verstellkraft zum Verstellen des zweiten Sperrelementes
in die Freigabestellung in einem radial inneren, in der Nähe
des Polkörpers gelegenen Bereich größer
ist als in einem radial äußeren Bereich, beeinträchtigen
die radial innen angeordneten Federelemente die Verstellfunktion
des Elektromagneten nur minimal, gewährleisten also somit
eine schnelle Öffnung der Sperre bei gleichzeitiger Sicherstellung
einer ausreichenden Dämpfung bzw. Abbremsung der Verstellbewegung des
zweiten Sperrelementes.
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Besonders
zweckmäßig ist es, wenn die Gruppe von Rückstellfederelementen
von in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten Federarmen gebildet
ist, wobei sich die Federarme sowohl in Umfangsrichtung als auch
in axialer Richtung erstrecken. Bevorzugt ist es dabei, wenn die
Federelemente gleichmäßig in Umfangsrichtung,
eine Art Ring bildend voneinander beabstandet angeordnet sind. Analog
ist es zur Realisierung der Gruppe von Bremsfederelementen von Vorteil,
wenn es sich bei diesen um in Umfangsrichtung voneinander beabstandete
Federarme handelt. Dabei ist es denkbar, diese gleichmäßig über
den Umfang verteilt anzuordnen.
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Im
Hinblick auf die Stabilität des insbesondere als Stanz-Biegeteil
ausgebildeten Federelementes ist eine Ausführungsform von
Vorteil, bei der die die Bremsfederelemente bildenden Federarme
derart angeordnet sind, dass zwei in Umfangsrichtung benachbarte
Federarme mit ihren freien Enden in einander entgegensetzte Richtungen
weisen. Zusätzlich oder alternativ können auch
zwei benachbarte, jeweils ein Rückstellfederelement bildende
Federarme in ineinander entgegengesetzte Richtungen weisen.
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Die
Erfindung führt auch auf eine Getriebe-Antriebs-Einheit,
insbesondere zur Betätigung eines Sperrdifferenzials in
einem Kraftfahrzeug, bei der eine von einem Elektromotor antreibbare
Welle vorgesehen ist, die ein Getriebe antreibt. Diese Getriebe-Antriebs-Einheit
ist mit einer nach dem Konzept der Erfindung ausgebildeten Sperrvorrichtung
ausgestattet, wobei das erste Sperrelement der insbesondere als
eigenständiges Modul ausgebildeten Sperrvorrichtung, vorzugsweise
mittels an einer Nabe des ersten Sperrelementes angeordneten Innenverzahnung
drehfest an der Welle bzw. einem an der Welle angeordneten Mitnehmer
mit einer Außenverzahnung festgelegt ist. Die nach dem
Konzept der Erfindung ausgebildete Sperrvorrichtung sorgt bei einer Getriebe-Antriebs-Einheit
zur Betätigung eines Sperrdifferenzials in einem Kraftfahrzeug
dafür, dass auch vergleichsweise große Sperrmomente
sicher gehalten werden können. Die Geräuschentwicklung bei
einer nach dem Konzept der Erfindung ausgebildeten Sperrvorrichtung
bzw. einer damit ausgestatteten Getriebe-Antriebs-Einheit ist dabei
(definiert) minimal.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
sowie anhand der Zeichnungen. Diese zeigen in:
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1:
eine Explosionsdarstellung der als eigenständiges Modul
ausgebildeten Sperrvorrichtung;
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2:
eine Längsschnittansicht einer mit den Bauteilen gemäß 1 montierten
Sperrvorrichtung für eine Getriebe-Antriebs-Einheit, bei
der die zu sperrende Welle bevorzugt eine Getriebeschnecke aufweist,
die mit einem Schneckenrad kämmend angeordnet ist;
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3:
eine perspektivische Darstellung eines an einem Spulenkörper
angeordneten Federelementes, dass sowohl Rückstellfederelemente
als auch Bremsfederelemente aufweist und
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4:
eine perspektivische Darstellung des Federelementes gemäß 1 in
Alleinstellung.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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In
den Figuren sind gleiche Bauteile und Bauteile mit der gleichen
Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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In 1 ist
eine Sperrvorrichtung 1 in einer Explosionsdarstellung
dargestellt. Die Sperrvorrichtung 1 dient zum Sperren einer
nicht gezeigten Welle einer Getriebe-Antriebs-Einheit, wobei die
Welle von einem ebenfalls nicht darge stellten Elektromotor der Getriebe-Antriebs-Einheit
rotierend antreibbar ist. Im montierten Zustand der Sperrvorrichtung 1 an
der Getriebe-Antriebs-Einheit durchsetzt die zu sperrende, bevorzugt
endseitig eine Getriebeschnecke tragende Welle die Sperrvorrichtung 1 in
axialer Richtung.
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Wie
aus 1 zu erkennen ist, umfasst die Sperrvorrichtung 1 von
in der Zeichnungsebene links her betrachtet ein als Tiefziehteil
ausgebildetes Gehäuseteil 2 aus Metall zur Aufnahme
eines Spulenkörpers 3 aus Kunststoff. Der Spulenkörper 3 ist
Bestandteil eines Elektromagneten 4, wobei der Spulenkörper 3 über
eine an diesem radial außen angeordnete Buchse 5 elektrisch
kontaktierbar ist. Axial benachbart zu dem Spulenkörper 3 befindet
sich ein Federelement 6, das als Stanzbiegeteil ausgebildet ist.
Das Federelement 6 umfasst eine Grundplatte 7, von
der in axialer Richtung eine radial äußere Gruppe von
Rückstellfederelementen 8 und eine radial innere Gruppe
von Bremsfederelementen 9 in Richtung eines zweiten Sperrelementes 10 (Ankerplatte)
ragen. Das Federelement 6 liegt mit einer in der Zeichnungsebene
links angeordneten, ebenen Stirnseite an einer von einer in der
Zeichnungsebene rechten Stirnseite des Spulenkörpers 3 gebildeten
ringförmigen Anlagefläche 11 an.
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Das
zweite Sperrelement 10 ist mit einer zweiten Verzahnung 12 ausgebildet,
die sich auf einer einem ersten Sperrelement 13 (Zahnflansch)
zugewandten zweiten Stirnseite 14 des zweiten Sperrelementes 10 befindet
und drei gleichmäßig in Umfangsrichtung beabstandete
Gruppen 15, 16, 17 mit in Umfangsrichtung
nebeneinander angeordneten Zähnen umfasst, wobei sich die
stirnseitig angeordneten Zähne in radialer Richtung erstrecken
und auf der zweiten Stirnseite 14 radial außen
angeordnet sind.
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Das
zweite Sperrelement 10 ist mit Hilfe des Elektromagneten 4 in
axialer Richtung von dem ersten Sperrelement 13, welches
mittels einer Innenverzahnung 18 an einer Nabe 19 an
einen Mitnehmer mit Außenverzahnung der nicht gezeigten,
mittels der Sperrvorrichtung 1 zu sperrenden Welle festlegbar
ist, von einer Sperrstellung in eine Freigabestellung verstellbar.
Bei dieser Verstellbewegung kommen in einem letzten Bewegungsabschnitt
die Bremsfederelemente 9 zum Einsatz und dämpfen den
Anschlag des zweiten Sperrelementes 10 an der Grundplatte 7 bzw.
der Anlagefläche 11 ab und sorgen somit für
eine Geräuschminimierung. Wird die Bestromung des Elektromagneten 4 unterbrochen, verstellen
die Rückstellfederelemente 8 des Federelementes 6 das
zweite Sperrelement 10 von der Freigabestellung in die
Sperrstellung, also in Richtung des ersten Sperrelementes 13,
so dass die zweite Verzahnung 12 des zweiten Sperrelementes 10 in
einen axialen, formschlüssigen Eingriff mit einer ersten Verzahnung 20 des
ersten Sperrelementes 13 kommt. Der Verstellweg in axialer
Richtung beträgt dabei etwa 1,5 mm.
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Die
erste Verzahnung 20 des ersten Sperrelementes 13 ist
auf einer ersten, der zweiten Stirnseite 14 des zweiten
Sperrelementes 7 zugewandten ersten Stirnseite 21 des
ersten Sperrelementes 13 angeordnet und besteht insgesamt
aus 42 in Umfangsrichtung nebeneinander angeordneten Zähnen.
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Axial
benachbart zu dem drehfest mit der nicht gezeigten Welle koppelbaren
ersten Sperrelement 13 befindet sich ein erster Gleitring 22 zur
Minimierung der Reibung zwischen dem sich bei bestromtem Elektromotor
drehenden ersten Sperrelement 13 und einem Gehäusedeckel 23 der
Sperrvorrichtung 1 aus Metall. Der Gehäusedeckel 23 bildet zusammen
mit dem tiefgezogenen Gehäuseteil 2 ein zweiteiliges
metallisches Gehäuse 24 der Sperrvorrichtung 1.
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Auf
der in der Zeichnungsebene rechten Stirnseite des Gehäusedeckels 23 ist
ein zweiter Gleitring 25 angeordnet. Dieser zweite Gleitring 25 dient
zur Minimierung der Reibung zwischen dem feststehenden Gehäusedeckel 23 und
einem Sicherungsring 26, der in einer Umfangsnut 27 der
Nabe 19 des ersten Sperrelementes 13 festlegbar
ist und somit das Gehäuse 24 verschlossen hält.
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In 2 ist
eine fertig montierte Sperrvorrichtung 1 gezeigt. Dabei
befindet sich das zweite Sperrelement 13 in einer Sperrstellung,
so dass die aus 1 ersichtlichen Verzahnungen 12, 20 in
axialer Richtung ineinandergreifen. Zur Herstellung des Sperrzustandes
ist die Bestromung des Elektromagneten 4 unterbrochen,
so dass das zweite Sperrelement 10 von den Rückstellfederelementen 8 des
Federelementes 6, welches mit seiner Grundplatte 7 am Spulenkörper 3 anliegt,
in Richtung des ortsfesten, aber drehbar mit einem Mitnehmer der
nicht gezeigten Welle verbundenen ersten Sperrelement 13 verstellt
wird. Ein von der Welle auf die Innenverzahnung 18 des
ersten Sperrelementes 13 übertragenes Drehmoment
wird von dem ersten Sperrelement 13 über die erste
Verzahnung 20 an die zweite Verzahnung 12 des
zweiten Sperrelementes 10 übertragen und von diesem über
in 1 gezeigte, radial äußere Fortsätze 28,
die mit entsprechenden, als Axialnuten ausgebildeten Ausnehmungen 21 am
Gehäuseteil 2 zusammenwirken, auf das Gehäuse 24 aus
Metall. Von diesem wird das Drehmoment weitergegeben auf ein nicht
gezeigtes Gehäuse einer Getriebe-Antriebs-Einheit.
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Wie
besonders gut aus 2 hervorgeht, ist das zweite,
als Ankerplatte dienende Sperrelement 10 aus Metall ausgebildet
und lediglich die zweite Verzahnung 12 ist als Kunststoffring
ausgebildet, der auf den Metallkörper aufgespritzt wurde
und in in Umfangsrichtung beabstandeten Durchgangsöffnungen 30 des
Metallkörpers festgelegt ist.
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In 3 ist
der Spulenkörper 3 gemäß den 1 und 2 in
einer perspektivischen Frontansicht gezeigt. Zu Erkennen ist die
in axialer Richtung weisende Buchse 5 und die von einer
Stirnseite gebildete, ringförmige Anlagefläche 11 für
das als Stanz-Biegeteil ausgebildete Federelement 6. Dieses
weist eine ebene Grundplatte 7 auf. Zu erkennen ist eine
radial äußere Gruppe von Rückstellfederelementen 8,
die von in Umfangsrichtung gleichmäßig beabstandeten
Federarmen gebildet sind, wobei die Federarme durch Freistanzen
und Umbiegen hergestellt sind. Die Rückstellfederelemente 8 ragen
mit ihren freien Enden 31 in axialer Richtung von der Grundplatte 7 weg.
Aus 3 ist zu erkennen, dass die freien Enden 31 leicht
in Richtung des Spulenkörpers 3 umgebogen sind.
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Radial
innerhalb der Gruppe von ringförmig angeordneten Rückstellfederelementen 8 befindet sich
eine Gruppe von radial inneren, ebenfalls ringförmig angeordneten
Bremsfederelementen 9, die ebenfalls als Federarme ausgebildet
sind, die eine geringere Axialerstreckung aufweisen, als die Rückstellfederelemente 8 und
somit bei in der Sperrstellung befindlichem zweiten Sperrelement 10 nicht
an diesem anliegen, sondern lediglich auf dem letzten Verstellweg
in Freigabestellung bremsend, d. h. dämpfend zum Einsatz
kommen. Auch die freien Enden 32 der als Federarme ausgebildeten
Bremsfederelemente 9 sind leicht in Richtung des Spulenkörpers 3 umgebogen.
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Wie
aus 3 zu erkennen ist, sind in der Grundplatte 7 drei
gleichmäßig in Umfangsrichtung beabstandete, radial äußere,
nach radial außen offene Aussparungen 33 für
drei gleichmäßig in Umfangsrichtung beabstandete,
in axialer Richtung weisende Zapfen 34 aus Kunststoff eingebracht.
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In 4 ist
das Federelement 6 in Alleinstellung gezeigt. Zu erkennen
ist die ebene Grundplatte 7 mit den radial äußeren
Rückstellfederelementen 8 sowie den radial inneren
Bremsfederelementen 9. Die Gruppe von Bremsfederelementen 9 ist
unterteilt in drei Teilgruppen von Federelementen 9, die
gleichmäßig in Umfangsrichtung verteilt angeordnet
sind, wobei die Bremsfederelemente 9 jeder Teilgruppe mit ihrem
freien Ende in einander entgegengesetzte Richtungen weisen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004058096
A1 [0002]