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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Schienenfahrzeug mit wenigstens zwei
Drehgestellen sowie ein Verfahren zur Kopplung von Drehgestellen
eines Schienenfahrzeuges.
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Eine
Reduktion der quasistatischen Querkräfte ist insbesondere
bei schweren Lokomotiven notwendig, um gesetzlichen Anforderungen
gerecht zu werden. Einschlägige Vorschriften hierzu sind
beispielsweise die UIC 518 oder die EN 114363,
die sich dieses Themas annehmen.
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Bislang
wurde versucht, die Ausdrehbewegung der Radsätze bzw. Drehgestelle
mittels Gestängen mechanisch miteinander zu koppeln und
dadurch zu einer Reduktion der quasistatischen Radquerkräfte
bei Kurvenfahrt zu gelangen. Durch Kopplung der Querverschiebung
und/oder der Ausdrehbewegungen zwischen den Radsätzen innerhalb
eines Fahrwerks und/oder verschiedenen Fahrwerken untereinander
wird eine gleichmäßige Aufteilung der Querkräfte
bezogen auf das Gesamtfahrzeug erreicht. Bei der Drehgestellkopplung
wird das nacheilende Drehgestell zwangsweise durch die Kopplung gegensinnig
zum vorauseilenden Drehgestell ausgedreht.
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Als
nachteilig erweist sich bei den bislang bekannten Lösungen,
dass die auftretenden Kopplungskräfte nahezu ungedämpft
und unbegrenzt zwischen den Drehgestellen eines Fahrzeugrahmens weitergeben
werden. Auftretende Schwingungen werden über die mechanische
Kopplung entweder nahezu ungedämpft übertragen
oder sind nur mittels aufwendiger konstruktiver Maßnahmen
zu verhindern. Außerdem ist es durch die mechanische Kopplung
nicht möglich, auftretende störende relative Längs-
und Querbewegungen zwischen dem Fahrzeugrahmen und den Drehgestellen
auszublenden, so dass jegliche Bewegung eines Drehgestells an das
gekoppelte Drehgestell weitergegeben wird.
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Aus
der
DE 199 36 564
A1 ist ein Schienenfahrzeug für den Nahverkehr
bekannt, das aus mindestens 3 miteinander gelenkig verbundenen Wagenkästen
besteht. Jeder Wagenkasten weist dabei jeweils ein Fahrwerk auf,
die z. B. über ein hydraulisches Steuerungssystem in Beziehung
gesetzt werden.
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Die
DE 196 54 862 A1 betrifft
ebenfalls ein Schienenfahrzeug für den Nahverkehr mit mehreren miteinander
verbundenen Wagenkästen. Jeder Wagenkasten weist dabei
jeweils ein Fahrwerk auf, wobei für die Verdrehung des
Wagenkastens relativ zum Drehgestell hydraulische Aktoren vorgesehen
sind.
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Des
weiteren ist in der
DE
100 12 966 A1 ein Schienenfahrzeug für den Nahverkehr
bekannt, das mehrere gelenkig miteinander verbundene, jeweils auf
einem zugehörigen Fahrwerk in horizontaler Richtung drehbar
abgestützte Wagenkästen und eine hydraulische
Folgesteuerung der Auslenkung der Wagenkästen in Abhängigkeit
von der Spurführung aufweist.
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Diese
Systeme ermöglichen jedoch nicht die Reduzierung von quasistatischen
Radquerkräften von Lokomotiven bei Kurvenfahrt, sondern
befassen sich mit der Begrenzung der durch das Fahrzeug umschriebenen
Hüllkurve sowie der Verhinderung eines Überschwingens
von Wagenkästen bei Kurvenfahrt.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Schienenfahrzeug,
insbesondere eine Lokomotive dahingehend weiterzubilden, dass bei
Kurvenfahrt die quasistatischen Radquerkräfte im Rad-Schiene-Kontakt
reduziert werden, wobei die aus dem Stand der Technik bekannten
Nachteile überwunden werden.
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Erfindungsgemäß wird
diese Aufgabe durch ein Schienenfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruch
1 gelöst. Danach ist vorgesehen, dass ein Schienenfahrzeug
mit wenigstens zwei Drehgestellen versehen ist, wobei hydraulische
Mittel vorhanden sind, mittels derer wenigstens die beiden äußeren
Drehgestelle hydraulisch gekoppelt sind, und zwar derart, dass bei
Ausdrehung des ersten äußeren Drehgestells relativ
zum Fahrzeugrahmen das zweite äußere Drehgestell
gegenläufig zum ersten Drehgestell ausgedreht wird.
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Der
Vorteil der hydraulischen Kopplung besteht darin, dass es sich vorzugsweise
um ein vollständig passives System handelt. Es wird daher
keinerlei Sensorik, aktive Regelung oder Überwachung zwingend
notwendig. Es läßt sich darüber hinaus
einfach und sicher montieren und weist zuverlässige und
robuste Betriebseigenschaften auf. Durch die hydraulische Kopplung
lassen sich somit die jeweiligen Drehgestelle gegeneinander ausdrehen,
so dass eine sehr gute Reduzierung der quasistatischen Radquerkräfte
im Rad-Schiene-Kontakt erreicht wird. Nur allein durch die hydraulische
Kopplung werden bereits Schwingungen aufgrund der Trägheit
des Hydraulikmediums gedämpft und es wird möglich,
störende Relativbewegungen auszufiltern.
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Die
Verbindung ist somit derart ausgeführt, dass eine Ausdrehung
nach rechts an einem Drehgestell zu einer Linksdrehung am anderen
Drehgestell führt. Hierdurch ergibt sich eine Kopplung
der Ausdrehwinkel beider Drehgestelle relativ zum Lokkasten bzw.
Lokrahmen.
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Die
hydraulischen Mittel des Schienenfahrzeugs können Hydraulikzylinder
umfassen, die jeweils an den Drehgestellen angebracht sind. Durch die
Hydraulikzylinder ist es in vorteilhafter Weise möglich,
durch Verfahren der Zylinder die beiden Drehgestelle gegenläufig
auszudrehen. Durch eine beliebige Verbindung oder Signalübertragung
kann das Verfahren der beiden Zylinder aufeinander abgestimmt werden,
dabei kann das notwendige Verfahren der Zylinder auch allein dadurch
bestimmt werden, welche Auslenkung der erste Zylinder durch die Einfahrt
in die Kurve erfährt.
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Es
vorgesehen sein, dass die hydraulischen Mittel wenigstens eine die
Drehgestelle verbindende Leitung umfassen. Dabei sind vorteilhafte
Anordnungen denkbar, bei denen beim Einfahren des ersten Drehgestells
in die Kurve im ersten Hydraulikzylinder Hydraulikmedium derart
verdrängt wird, dass über die verbindende Leitung
der zweite Hydraulikzylinder derart betätigt wird, dass
durch den zweiten Hydraulikzylinder das zweite Drehgestell gegenläufig
zum ersten Drehgestell ausgedreht wird. Die über die verbindende
Leitung derart kommunizierenden Hydraulikzylinder bedürfen
somit keiner weiteren Steuerung, da die notwendige Auslenkung sich
bereits aus der Auslenkung des ersten Hydraulikzylinders in Folge der
Kurvendurchfahrt ergibt.
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In
vorteilhafter Ausgestaltung können die hydraulischen Mittel
hydraulisch vorgespannt sein. Durch die hydraulische Vorspannung
wird es möglich, mittels eines konstanten Vordrucks geringfügige Leckagen
des Kopplungssystems auszugleichen. Ebenso können durch
thermische Effekte hervorgerufene Druckunterschiede ausgeglichen
werden.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn mittels einer Speichereinheit eine hydraulische
Vorspannung der hydraulischen Mittel erzielbar ist. Neben den Ausgleichseffekten
durch die Vorspannung kann die Speichereinheit zum Befüllen
und/oder Nachfüllen des Systems genutzt werden. Durch die
Speichereinheit kann ferner der Maximaldruck im Kopplungssystem
begrenzt werden.
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Ein
bereits am Fahrzeug vorhandenes Hydrauliksystem oder Hydropneumatiksystem
kann an die Stelle der Speichereinheit treten, wenn mittels vorhandenen
Hydrauliksystems oder Hydropneumatiksystems die hydraulische Vorspannung
der hydraulischen Mittel erzielbar ist. Dies ist möglich,
weil das Kopplungssystem keine externe hydraulische Energie benötigt.
Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass keine gesonderte Speichereinheit
notwendig ist und somit beispielsweise bestehende Schienenfahrzeuge
mit geringerem Aufwand nachgerüstet werden können.
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Eine
weitere Ausführungsform besteht darin, dass die gekoppelten
Drehgestelle jeweils wenigstens zwei über Kreuz miteinander
verbundene Stellzylinder aufweisen.
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Dadurch
können relative Längs- und Querbewegungen zwischen
dem Fahrzeugrahmen und den Drehgestellen in vorteilhafter Weise
ausgeblendet werden. Durch diese Anordnung wird erreicht, dass eine
Längsbewegung bzw. Querbewegung des Drehgestells bezogen
auf die Koppelpunkte nur zu einer Fluidverschiebung innerhalb der
Stellzylinder des betroffenen Drehgestells führt, jedoch
keine Fluidverschiebung zum zweiten Drehgestell stattfindet.
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Die
hydraulischen Mittel können zum Überlastschutz
wenigstens ein Druckbegrenzerventil aufweisen. Dadurch wird es möglich,
die maximalen Übertragungskräfte der gekoppelten
Drehgestelle zu begrenzen. Durch das Druckbegrenzungsventil wird der
Differenzdruck zwischen den beiden Kolbenflächen innerhalb
der Stellzylinder begrenzt, weswegen deren Einstelldruck direkt
proportional zur Stellkraft der Stellzylinder ist. Es ergibt sich
der Vorteil, dass Lastspitzen besser abgefangen werden können,
was sich wiederum positiv auf die Lebensdauer des gesamten Systems
auswirkt.
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Von
Vorteil ist es, wenn die hydraulischen Mittel des spurgeführten
Fahrzeuges bzw. des Schienenfahrzeugs wenigstens einen Pufferzylinder
aufweisen. Dadurch kann beispielsweise eingestellt werden, dass
kleinere Auslenkungen eines Stellzylinders keinerlei Einfluss haben
und erst ab Überschreiten eines Schwellwertes Kräfte übertragen
werden sollen. Das Übertragungsverhalten des Kopplungssystems
kann somit durch die Pufferzylinder hinsichtlich seiner Übertragungssteifigkeit
eingestellt werden.
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Es
kann dabei vorgesehen sein, dass mittels des wenigstens einen Pufferzylinders
eine definierte Kraft einstellbar ist, wobei bei Einwirkung bis
zu dieser Kraft der Pufferzylinder ohne Einfluss bleibt und bei Überschreiten
dieser Kraft die Übertragungssteifigkeit der hydraulischen
Mittel reduziert wird.
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Eine
weitere Möglichkeit besteht darin, dass mittels des wenigstens
einen Pufferzylinders eine definierte Kraft einstellbar ist, wobei
mittels des wenigstens einen Pufferzylinders eine definierte Kraft
einstellbar ist, wobei bereits unterhalb dieser Kraft die Übertragungssteifigkeit
der hydraulischen Mittel mittels mehrerer Kraftschwellen und/oder
einer mehrstufigen Federkennlinie reduziert wird.
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Es
kann in vorteilhafter Ausgestaltung vorgesehen sein, dass die hydraulischen
Mittel wenigstens einen Schlingerdämpfer aufweisen. Grundsätzlich liegt
durch den Rad-Schiene-Kontakt eine oszillierende Ausdrehbewegung
vor, die nicht durch die Kopplung der Drehgestelle hervorgerufen
wird. Durch die Schlingerdämpferfunktion sind Lokomotiven
in der Lage, oszillierende Ausdrehbewegungen der Drehgestelle in
bei Geradeausfahrt zu bedämpfen. Somit kann Instabilitäten
entgegengewirkt und das Fahrverhalten insgesamt verbessert werden.
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Dabei
ist es denkbar, dass der Schlingerdämpfer durch Zusatzventile
in der wenigstens einen die Stellzylinder verbindenden Leitung ausgeführt
ist. Dies hat zur Folge, dass bei einem Fahrzeug, dass bereits Schlingerdämpfer
aufweist, der konstruktive bzw. einbautechnische Aufwand zur Nachrüstung bzw.
Herstellung des erfindungsgemäßen Kopplungssystems
gering ist.
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Von
Vorteil ist es, wenn die hydraulischen Mittel Öl als Hydraulik-Medium
umfassen. Durch Öl wird ein Fluid als Hydraulikmedium benutzt,
dass eine geringe Kompressibiliät, geringen Temperatureinfluss
auf die Viskosität, eine gute Verträglichkeit mit
Dichtungen, gute Schmiereigenschaften, hohe Alterungsbeständigkeit
und einen hohen Flammpunkt aufweist.
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Ferner
kann vorgesehen sein, dass die hydraulischen Mittel Stickstoff als
Hydraulik-Medium umfassen.
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Die
hydraulische Kopplung der Drehgestelle kann Öl als Hydraulik-Medium
vorgesehen sein. In weiterer Ausführungsform kann vorgesehen
sein, dass die hydraulische Vorspannung Stickstoff als Hydraulik-Medium
beinhaltet. Stickstoff ist aufgrund seiner inerten Eigenschaften
gut für hydraulische Vorspannung geeignet. Von Vorteil
ist es, wenn die hydraulische Vorspannung bei 18 bar liegt. Bei
diesem Druck läßt sich eine ausreichende Vorspannung
erzielen.
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Ferner
betrifft die Erfindung ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs
19. Danach ist vorgesehen, Drehgestelle eines Schienenfahrzeuges
nach einem der Ansprüche 1 bis 18, hydraulisch zu koppeln.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das Verfahren das Merkmal
auf, dass mittels einer mit Stickstoff betriebenen Speichereinheit
die mit Öl betriebene Kopplung der Drehgestelle vorgespannt wird.
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Des
weiteren kann als Verfahrensbestandteil vorgesehen sein, dass mittels
einer Schlingerdämpferfunktion oszillierende Ausdrehbewegungen
der Drehgestelle gedämpft werden.
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Weitere
Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand
eines in der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispiels näher
beschrieben.
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Es
zeigen:
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1:
eine schematische Zeichnung der hydraulischen Drehgestellkopplung,
sowie
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2:
eine Kennlinie des in der Drehgestellkopplung verbauten Dämpfungszylinders.
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1 zeigt
schematisch eine erfindungsgemäße hydraulische
Drehgestellkopplung 10 für eine Multifunktions-Lokomotive,
die sowohl im Güter- als auch im Personenfernverkehr eingesetzt
werden kann. Die Multifunktionslokomotive weist dabei zwei zweiachsige
Drehgestelle 12 auf, die jeweils am nicht gezeigten Rahmen
der Multifunktions-Lokomotive drehbar befestigt sind.
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Auf
den Drehgestellen 12 sind dabei jeweils zwei Stellzylinder 20 angebracht,
wobei jeweils die Stellzylinder 20 eines Drehgestells miteinander über kreuzweise
Hydraulikleitungen 30 verbunden sind.
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Sollte
es beispielsweise zu einer vergleichweise geringen Auslenkung eines
Stellzylinders 20 an einem Drehgestell 12 in Folge
relativer Längs- und Querbewegungen zwischen dem Fahrzeugrahmen und
den Drehgestellen 12 kommen, würde diese Auslenkung
zunächst an zweiten Stellzylinder 20 über
die jeweiligen kreuzweisen Hydraulikleitungen von der ersten Zylinderkammer 22 des
einen Stellzylinders 20 an die zweite Zylinderkammer 24 des
anderen Stellzylinders 20 des gleichen Drehgestell weitergegeben
werden und durch Trägheit in vorteilhafter Weise ausgeblendet
werden. Durch diese Anordnung wird erreicht, dass eine Längsbewegung
bzw. Querbewegung des Drehgestells 12 bezogen auf die Koppelpunkte
nur zu einer Fluidverschiebung innerhalb der Stellzylinder 20 des
betroffenen Drehgestells 12 führt, jedoch keine
Fluidverschiebung zum zweiten Drehgestell 20 über
die verbindenden, ölgefüllten Hydraulikleitungen 32 stattfindet.
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Bei
der Einfahrt in eine Rechtskurve wird z. B. der linke Stellzylinder 22 des
oberen, in diesem Beispiel vorderen Drehgestells 12 eingefahren,
wodurch der rechte Stellzylinder 22 des oberen Drehgestells 12 ausgefahren
wird. Der sich dadurch in den Leitungen aufbauende Druck 32 wird
in der Folge über die verbindenden Leitungen 32 an
das nacheilende, unten dargestellte Drehgestell 12 weitergegeben.
Dadurch wird im unteren Drehgestell 12 ebenfalls der linke
Stellzylinder 22 ein- und der rechte Stellzylinder 22 ausgefahren.
Somit ergibt sich, dass oben dargestellte vordere Drehgestell 12 nach
rechts in Fahrtrichtung gegenüber dem nicht gezeigten Fahrzeugrahmen
ausgedreht wird, während das nacheilende, unten dargestellte
Drehgestell 12 nach links und damit gegenläufig
gegenüber dem nicht gezeigten Fahrzeugrahmen ausgedreht
wird.
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Über
die Speichereinheit 40, die mit den verbindenden Leitungen 32 über
Leitungen 34 in Verbindung steht, kann die hydraulische
Drehgestellkopplung 10 vorgespannt werden. Die Speichereinheit 40 arbeitet
dabei mit Stickstoff und einem Vorspanndruck von 18 bar ohne Öl
bei 20°C. Der Druck wird über Kolben an die ölgefüllten
Leitungen 34 abgegeben.
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Über
ein mit den verbindenden Leitungen 32 in Verbindung stehendes
Druckbegrenzungsventil 50 kann der Differenzdruck zwischen
den beiden Kolbenflächen innerhalb der Stellzylinder 20 begrenzt werden.
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Des
weiteren ist ein Dämpfungszylinder 60 vorgesehen,
der ebenfalls wie das Druckbegrenzungsventil 50 in die
verbindenden Leitungen 32 zwischengeschaltet ist und die
Funktion ein Pufferzylinders erfüllt. Mittels des Dämpfungszylinders 60 kann eingestellt
werden, dass erst ab Erreichen einer voreinstellbaren und änderbaren
Kraftschwelle die Übertragungssteifigkeit reduziert wird.
Vorher hat der Dämpfungszylinder 60 keinen Einfluss
auf der Übertragungsverhalten. Im hier gezeigten Beispiel
liegt der Ansprechdruck bei 145 bar, was einer Kraftschwelle von
30 kN entspricht.
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In 2 ist
die Kennlinie des Dämpfungszylinders 60 dargestellt.
An der mit x bezeichneten Achse wird dabei die Winkeldifferenz im
Ausdrehwinkel zwischen beiden Drehgestellen 12 der erfindungsgemäßen
hydraulischen Drehgestellkopplung 10 für eine
Multifunktions-Lokomotive angetragen. An der mit y bezeichneten
Achse wird die passive Stellkraft in der Kopplung angetragen.
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Beim
Erreichen der unteren Kraftschwelle a, die im hier vorliegenden
Fall bei 30 kN liegt und einem Ansprechdruck von 145 bar entspricht,
wird durch den Dämpfungszylinder 60 die Übertragungssteifigkeit
reduziert. Der gleichen Winkeldifferenz im Ausdrehwinkel zwischen
beiden Drehgestellen 12 wird nun einer erhöhte
passive Stellkraft in der Kopplung entgegengesetzt. Dieser Bereich
mit erhöhter passiver Stellkraft 62 wird mit Erreichen
der zweiten Kraftschwelle b verlassen, die im hier vorliegenden bei
40 kN liegt und einem Ansprechdruck von 145 bar entspricht. Im Bereich 64 ist
die Übertragungssteifigkeit wieder erhöht gegenüber
dem Bereich 62.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19936564
A1 [0005]
- - DE 19654862 A1 [0006]
- - DE 10012966 A1 [0007]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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