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Die
Erfindung betrifft eine mechanisch-magnetische Verbindungskonstruktion,
d. h. eine mechanische Verriegelung, die mittels Magnetkraftunterstützung
schließt und besonders als Verschluss an Taschen, Rucksäcken
und vergleichbaren Gegenständen benutzt wird, wobei diese
Aufzählung nicht den Einsatzbereich der Erfindung beschränken
soll. Eine derartige Verbindungskonstruktion ist in dem Dokument
WO 2008/006357 beschrieben.
Dieser Magnetverschluss besteht aus einem zweiteiligen Magnetsystem,
so das sich die beiden Verschlusshälften ab einem vorbestimmten
Mindestabstand gegenseitig anziehen und mechanisch verriegeln. Bei dieser
mechanischen Verriegelung drückt die Magnetkraft ein Sperrstück
gegen ein federndes und somit ausweichendes Verriegelungselement.
Das Sperrstück und das federnde Verriegelungselement überlappen
oder hinterschneiden sich im eingeschnappten Zustand. Zum Öffnen
des Verschlusses wird das Sperrstück gegenüber
dem Verriegelungselement verschoben, bis eine Nichteingriffsposition
erreicht ist, in der die beiden Elemente nicht mehr in Eingriff
sind, d. h. die mechanische Verriegelung sich löst. Bei
dieser Verschiebung wird auch gleichzeitig das Magnetsystem in eine
Position gebracht, in der die magnetische Anziehungskraft entweder
erheblich geschwächt ist, oder eine Abstoßungskraft
anliegt, die den Verschluss öffnet. Das Magnetsystem trägt nur
unwesentlich zur Stabilität und Festigkeit des Verschlusses
bei, sondern dient nur dazu, dass sich der Verschluss haptisch gut
schließen und öffnen lässt.
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Die
Belastbarkeit des Verschlusses wird von der mechanischen Verriegelung
bestimmt und hängt wesentlich davon ab, wie groß die Überlappungsfläche
oder die Hinterschnittfläche der Verriegelung ist. Je größer
die Überlappungsfläche oder die Hinterschnittfläche
ist, um so größer ist die mechanische Stabilität
der Verriege lung, wenn alle Bauteile des Verschlusses adäquat
konstruiert sind. Aus mehreren Gründen sind die Möglichkeiten,
die Überlappungsfläche oder die Hinterschnittfläche
möglichst groß auszubilden, beschränkt,
was nachfolgend erläutert wird:
Es ist eine spezifische
Eigenschaft eines einrastenden Klinkenverschlusses nach dem in der
WO 2008/006357 beschriebenen
Stand der Technik, dass dieser nur dann die erforderliche Stabilität
und Belastbarkeit aufweist, wenn das federnde Element ausreichend
stark dimensioniert ist, was unvermeidbar auch eine stärkere
Federkraft bedingt. Damit jedoch der Einrastvorgang von selbst,
d. h. ausschließlich mittels Magnetkraft erfolgen kann,
wird ein an die Federkraft angepasster Magnet benötigt.
Mit anderen Worten, das federnde Element muss mechanisch ausreichend
stabil sein, um die erwünschte Zuhaltefunktion zu gewährleisten.
Das erfordert jedoch einen ausreichend starken Magneten. Somit werden
an den Magneten zwei sich ausschließende Anforderungen
gestellt: Der Magnet muss stark genug sein, um die Federkraft zu überwinden
und der Magnet sollte möglichst klein und leicht sein,
um die Kosten und das Gewicht zu reduzieren.
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Es
gibt bei den aus dem Stand der Technik
WO 2008/006357 bekannten Verschlüssen
noch ein zweites Problem, das sich bei einem Drehverschluss aus
folgendem Sachverhalt ergibt: Das gebräuchlichste Magnetsystem
hat zwei Magnetpole je Magnetelement und wird zum Öffnen
von einer sich anziehenden Position ca. 120° in eine sich
wenigstens teilweise abstoßende Position gedreht. In dieser
Position unterstützt die magnetische Abstoßungskraft das Öffnen
des Verschlusses. Damit sich jedoch der Verschluss von selbst öffnen
kann, muss die mechanische Verriegelung außer Eingriff
sein.
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Mit
anderen Worten: Es gibt nur einen vorbestimmten Winkelbereich, der
für die Verriegelung zu Verfügung steht. Dieser
Winkelbereich kann nicht vergrößert werden, da
von den maximal zur Verfügung stehenden 360 Grad auch ein
vorbestimmter Winkelbereich benötigt wird, in dem die Verriegelungselemente
außer Eingriff sein müssen. Der zur Verfügung
stehende Winkelbereich des Schließzustandes ist jedoch
noch wesentlich kleiner, da das Öffnen nur dann erfolgen
soll, wenn die Magnete eine Position erreicht haben, in der sie
sich wenigstens teilweise abstoßen, um die gewünschte
angenehme Öffnungshaptik des Verschlusses zu erhalten.
Da nur im Winkelbereich des Schließzustandes die Überlappung
oder die Hinterschneidung auftreten darf, besteht somit eine objektive
Grenze für die Vergrößerung der Überlappungs-
oder der Hinterschneidungsfläche mittels einer Vergrößerung
des Winkelbereichs.
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Soll
die Überlappungs- oder die Hinterschneidungsfläche
vergrößert werden, so besteht die Möglichkeit,
den Durchmesser des Drehverschlusses zu vergrößern.
Ein Verschluss mit einem größeren Durchmesser
kann z. B. an einer Handtasche unerwünscht sein.
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Ein
weiterer Weg zur Vergrößerung der Überlappungs-
oder der Hinterschneidungsfläche besteht darin, die Tiefe
der Überlappung oder Hinterschneidung in radialer Richtung
zu vergrößern. Diese Maßnahme stößt
jedoch ebenfalls auf eine Grenze, die sich aus dieser konstruktiven
Maßnahme selbst und aus den speziellen Eigenschaften der
Magnetkraft ergibt, was nachfolgend erläutert wird: Beim
Zusammenziehen der Verschlusshälften berühren
sich die ineinander schnappenden Teile, indem das Sperrstück
einen vorbestimmten Weg gegen das federnde und somit ausweichende
Verriegelungselement drückt, bis es zum Einschnappen kommt.
Dieser Weg ist um so größer, je weiter das Verriegelungselement
in radialer Richtung weggedrückt werden muss, d. h., es
ist eine proportional ansteigende Druckkraft zur Überwindung
der ebenfalls proportional ansteigenden Federkraft des Verriegelungselements
erforderlich. Es ist jedoch bekannt, dass Magnetkräfte
einen nichtlinearen Verlauf haben und erst im Nahbereich stark anwachsen.
Da jedoch die Magnetkraft den Verschluss automatisch zusammenziehen
soll und somit die Federkraft überwinden muss, ist es erforderlich,
zur Überwindung eines langen Federweges einen besonders
starken Magneten auszuwählen, der bereits bei größerem
Abstand die Anfangsfederkraft überwindet. Das führt
jedoch zu der Forderung nach einem größeren, schwereren
und teureren Magneten. Außerdem ist die Magnetkraft im Nahbereich,
d. h. im eingeschnappten Zustand höher als benötigt.
Das wiederum verlangt einen höheren Kraftaufwand beim Öffnen,
was jedoch z. B. bei Handtaschen unerwünscht ist, da diese
Verschlüsse eine angenehm weiche Haptik aufweisen sollen.
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung, die gattungsgemäße
Verbindungskonstruktion so zu verbessern, dass ihre Zuhaltekraft
erhöht wird, ohne die mechanischen Rastelemente und die
Magnete zu vergrößern.
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Diese
Aufgabe wird mit einer Verbindungskonstruktion nach Anspruch 1 gelöst,
die einen Modul A und einen Modul B aufweist. Diese Module sind
jeweils Bestandteil der zu verbindenden Gegenstände oder
sind an den zu verbindenden Gegenständen befestigt. Die
Module A und B sind als Magnetsystem so ausgebildet, dass bei einer
Annäherung der Module zueinander diese sich mittels Magnetkraft
in eine vorbestimmte räumliche Position ausrichten und anziehen,
wodurch ein Federverriegelungselement und ein Sperrstück
bis zum Einschnappen gegeneinander gedrängt werden. Das
Federverriegelungselement und das Verriegelungsstück weisen
je einen schraubenlinienförmigen Eingriffsabschnitt auf
und der Eingriffsabschnitt des Verriegelungsstücks ist
angeschrägt.
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Die
Anwendung eines schraubenlinienförmigen Eingriffsabschnitts
ermöglicht eine erhebliche Vergrößerung
der Hinterschneidungs- oder Überlappungsfläche
der in Eingriff stehenden Elemente, insbesondere dann, wenn die
Schraubenlinie mehrgängig ist. Damit werden alle vorstehend
beschriebenen Nachteile des Standes der Technik behoben, was in den
Ausführungsbeispielen näher erläutert
wird.
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Nach
Anspruch 2 hat der schraublinienförmige Eingriffsabschnitt
mehrere, parallel verlaufende Gänge. Damit wird eine noch
größere Hinterschneidungs- oder Überlappungsfläche
erzeugt, was zu einer noch höheren mechanischen Belastbarkeit
des Verschlusses führt. Andererseits ist es möglich,
Verschlüsse mit einer vorbestimmten Belastbarkeit deutlich
kleiner zu bauen.
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Nach
Anspruch 3 besteht der schraublinienförmige federnde Eingriffsabschnitt
aus voneinander getrennten Segmenten. Dadurch wird eine besonders
geringe Federsteifigkeit erzielt, sodass die Magnetkraft entsprechend
schwächer sein kann und somit u. U. sogar auf den Einsatz
von teuren Hochleistungsmagneten verzichtet werden kann. Da die
federnden Elemente nun jedes für sich kleiner sind als vergleichbare
Konstruktionen aus dem Stand der Technik, können sie auch
konstruktiv anders gestaltet werden als große Federelemente.
Insbesondere ist es möglich, Materialien wie Polyamid einzusetzen, da
sich dieses Material gut verarbeiteten lässt. Zur Herstellung
größerer Federelemente ist jedoch Polyamid wenig
geeignet.
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Nach
Anspruch 4 besteht der schraublinienförmige Eingriffsabschnitt
aus voneinander beabstandeten Stiften, die ähnliche Vorteile
wie die für Anspruch 3 genannten aufweisen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines Vergleichsbeispiels aus
dem Stand der Technik und von Ausführungsbeispielen der
Erfindung in Verbindung mit anhängenden Zeichnungen näher
erläutert:
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1a–c
zeigen ein Vergleichsbeispiel aus dem Stand der Technik, mit dessen
Hilfe die Erfindung erklärt wird.
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2a–d
zeigen die Erfindung in verschiedenen Ansichten.
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3a, 3b zeigen
einen Vergleich der Erfindung mit dem Stand der Technik.
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4a, 4b zeigen
einen Vergleich der Erfindung mit dem Stand der Technik.
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5a–5c zeigen
die funktionellen Details des Öffnungsvorganges.
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6a–6b zeigen
eine weitere Ausführungsform der Erfindung.
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6c zeigt
eine spezielle Anwendung der Erfindung.
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Die
1 zeigt die wesentlichen Funktionselemente
eines Magnetverschlusses aus dem Stand der Technik gemäß dem
Dokument
WO 2008/006357 ,
das hiermit in die vorliegende Anmeldung inkorporiert wird. Ein
mit Magneten bestücktes Betätigungsteil
70 wird
in Pfeilrichtung in das Unterteil
71 eingeführt.
In dem Unterteil
71 ist ein Federverriegelungselement
9 mit
Federverriegelungsstücken
9a,
9a' angeordnet.
Die Federverriegelungsstücke
9a,
9a' ragen
im montierten Zustand durch die Durchbrüche
72.
Das Betätigungsteil
70 weist Sperrstücke
5 und
5' und Freigabelücken
6 und
6',
auf, wobei
6' in dieser Figur nicht erkennbar ist. Wenn
das Betätigungsteil
70 in Pfeilrichtung in das
Unterteil
71 eingeführt wird, dreht sich das Betätigungsteil
70 durch
Magnetkraft in die gezeichnete Position, in der sich die in
1b erkennbaren
Magnete anziehen. Dabei drücken die zwei Sperrstücke
5 und
5' auf
die Federverriegelungsstücke
9a,
9a',
bis der Verschluss einschnappt. Zum Öffnen wird das Betätigungsteil
70 in
der Pfeilrichtung nach links oder rechts gedreht, bis die Federverriegelungsstücke
9a,
9a' in
den Freigabelücken
6 und
6' stehen. Durch
diese Drehung erfolgt auch gleichzeitig eine Verdrehung der Magnete zueinander,
die dann in eine Abstoßungsposition gelangen, so dass der
Verschluss von selbst aufspringt.
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Die 1b zeigt
den Verschluss nach dem Stand der Technik in dem Moment, bei dem
die Federverriegelungsstücke 9a, 9a' mit
den Sperrstücken 5 und 5' Kontakt haben.
In dieser Position sind die Federverriegelungsstücke 9a, 9a' noch
nicht in der radialen Richtung Y um eine vorbestimmte Strecke beiseite
gedrückt, und die Magneten stehen sich in einem Abstand
X gegenüber. Es ist für den Fachmann erkennbar,
dass der Winkel der Anschrägung am Sperrstück
und am Federverriegelungsstück nur begrenzt veränderbar
ist, wenn die Funktion erhalten werden soll. Die Zusammenhänge
zwischen dem Abstand X und Größe des Verschiebewegs
in Richtung Y werden mithilfe nachfolgender Figuren erläutert.
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Die 1c zeigt
in der Draufsicht die Federverriegelungsstücke 9a, 9a',
die hinter die Sperrstücke 5 und 5' gerastet
sind. Hier sind die schraffierten Hinterschnittflächen 50, 51 zu
erkennen. Es ist ersichtlich, dass bei diesem Stand der Technik
die Breite der Federverriegelungsstücke 9a, 9a' nicht
verbreitert werden kann, wenn gewährleistet sein soll, dass
der Verschluss bei einer Drehung zwischen 100–130° zumindest
teilweise auf Abstoßung gepolt werden soll. Somit kann
auch nicht die Hinterschnittfläche vergrößert
werden.
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2a–d
zeigen eine erfindungsgemäße Vorrichtung nach
PA1. Im Drehteil 70 befinden sich Magnete 4a,
b, die zu den Magneten 8a, b im Unterteil 71 von
einer Anziehungsposition in eine Abstoßungsposition gedreht
werden können.
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In
den perspektivischen Ansichten 2a, b sind
die schraubenlinienförmig ansteigenden Sperrstücke
mit 5, 5', 5'' und die Federverriegelungsstücke mit 9a, 9a', 9a'' bezeichnet.
Die Sperrstücke und die Federverriegelungselemente sind
an den Seiten, die beim Schließen aufeinandertreffen, angeschrägt,
sodass beim Schließen das Federverriegelungselement beiseite
gedrückt wird. Nach dem Einrasten ist der Verschluss durch
Aufdrehen lösbar.
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In
der Schnittzeichnung 2c ist der Verschluss in dem Moment
beim Schließen gezeichnet, bei dem das Federverriegelungselement
und das Sperrstück erstmals Kontakt haben und die Magnete 4a,
b und 8a, b sich um die Strecke X beabstandet gegenüberstehen.
Darauf wird bei der Beschreibung von 3a, b
näher eingegangen. Die 2d zeigt
eine Aufsicht auf den Verschluss mit Konturlinien der verdeckten
Linien. Hier ist die Hinterschnittfläche 50, 50', 50'' schraffiert.
Es ist erkennbar, dass jedes Federverriegelungselement annähernd
120° Winkelbreite betragen kann und so die drei Federverriegelungselemente
annähernd 360° abdecken, wodurch die Hinterschnittfläche
wesentlich größer gestaltet werden kann, was nachfolgend
erläutert wird:
Mit 3a wird
die Erfindung dem Stand der Technik 3b gegenübergestellt.
Es ist erkennbar, dass die Hinterschnittfläche, die sich
aus den drei Flächen 50, 50' und 50'' ergibt,
bereits augenscheinlich deutlich größer ist, als
die Hinterschnittfläche in 3b, die sich
aus den Fläche 50 und 50' ergibt.
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In 4a, 4b werden
nun die Abstände X der Magnete beim Stand der Technik 4b und dem
erfindungsgemäßen Verschluss 4a verglichen. Es
ist erkennbar, dass bei der Erfindung der Abstand X zwischen den
Magneten 4a, b und 8a, b wesentlich kleiner ist
als beim Stand der Technik nach 4b. Die
Ursache ist die geringe Hinterschnitttiefe 60.
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Es
ist offensichtlich, dass bei dem erfindungsgemäßen
Verschluss schwächere und/oder kleinere Magnete einsetzbar
sind, was zu einem hohen Einsparpotenzial führt.
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Zur
weiteren Erläuterung zeigen die 5a bis 5c die
funktionellen Details des Öffnungsvorganges:
5a zeigt
die technische nicht-reelle Darstellung, bei der erkennbar ist,
dass beim Öffnen die angeschrägten Seiten vom
Sperrstück und Federverriegelungselement kollidieren. Diese
Kollision kann je nach Dimensionierung des Magnetsystems und der Federelastizität
des verwendeten Federverriegelungselements zwei unterschiedliche
Effekte bewirken:
In 5b ist
dargestellt, wie sich bei einer relativ harten Elastizität
und/oder einem schwachem Magneten Ober- und Unterteil des Verschlusses
dem Gewinde folgend öffnen.
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In 5c ist
dargestellt, wie bei relativ weichen Federverriegelungselementen
und/oder starken Magneten die Federverriegelungselemente beim Öffnen
beiseite gedrückt werden und so der Formschluss vorzeitig
aufgehoben wird.
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Häufig
liegt eine Mischform zwischen 5b und 5c vor,
indem zuerst bei beginnender Öffnungsdrehung das Federverriegelungselement
ein wenig auseinandergedrückt und vorgespannt wird und
bei einem vorbestimmten Drehwinkel die Anschrägungen des
Sperrstücks und des Federverriegelungselements das Ober-
und das Unterteil auseinander treiben. In beiden Fällen
muss der Verschluss aber zur vollständigen Öffnung
so weit gedreht werden, bis die Gewindegänge vollständig
außer Eingriff gedreht wurden.
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Bei
der Dimensionierung der Erfindung ist zu beachten, dass der Verschluss
die Tendenz hat, sich bei Belastung aufzuschrauben. Daher müssen
Magnetsysteme eingesetzt werden, die ein Rückdrehmoment
in die Schließposition bei maximaler Anziehung bewirken,
wie z. B. ein rechteckiger Magnet und ein rechteckiger Anker oder
ein zweiter Magnet. Weiterhin müssen die Gewindegeometrie
und die Reibung zwischen dem Sperrstück und dem Federverriegelungselement
berücksichtigt werden.
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Die 6a zeigt
eine Kopplungsvorrichtung nach Anspruch 3 in perspektivischer Ansicht,
wobei nur das Drehelement und das Federrastelement gezeigt sind.
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Das
schraublinienförmig ausgebildete Federverriegelungselement 9 ist
hier derart weitergebildet, dass das Federverriegelungsstück 9a durch
Unterbrechungen in mehrere Segmente 9a1 ... 9a8 aufspalten ist. Die Vorteile dieser
Weiterbildung liegen in der Kombination der hohen Hinterschnittfläche
mit einer sehr weichen Federkonstante des Federverriegelungselementes,
die ein sehr leichtes Einschnappen ermöglicht, wobei die
Verriegelung jedoch stabil bleibt. Die weiche Federkonstante des
als Ring ausgebildeten Federverrieglungselements 9 wird
durch die Unterbrechungen zwischen den Segmenten 9a1... 9a8 gebildet,
da dort jeweils eine leichte Verformung in gewünschter
Richtung möglich ist.
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Dem
Fachmann ist klar, dass es eine Vielzahl äquivalenter Lösungen
für eine Vielzahl von federnden schraublinienförmigen
Segmenten gibt, z. B. indem jedes Segment 91 ... 98 eine eigene Feder 9b1 ... 9b8 und Federverriegelungsstück 9a1 ... 9a8 besitzt und
die einzelnen Elemente nicht miteinander verbunden sind, wie in 6b gezeigt.
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Die 6c zeigt
eine magnetisch-mechanische Verbindungsvorrichtung, bei der das
Kopplungselement 106 je nach Drehung entweder in Anziehung
zum Unterteil 102 oder in Anziehung zum Oberteil 105 gelangt,
wobei es mithilfe einer Winde 101 gedreht wird. Die Trennlinie 107 trennt
die Teile der oberen Baugruppe von denen der unteren Baugruppe.
Diese Anwendung der Erfindung kann z. B. als Koppelvorrichtung zwischen
einem Rollkoffer und einer darauf stehenden Tasche verwendet werden, wobei
es darauf ankommt, dass beim Aufsetzen der Tasche auf den Rollkoffer
die Kopplungselemente sich durch die magnetische Anziehungskraft
sicher finden und einrasten und nach dem Abnehmen der Tasche die
Kopplungselemente zurückgezogen werden, so dass sie beim
Absetzen der Tasche auf den Boden nicht beschädigt werden.
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Die
erfindungsgemäße besonders stabile Verbindung
der beiden Baugruppen wird durch den Formschluss des oben beschriebenen
Federverriegelungselements 9 mit den segmentartig geteilten, schraublinienförmigen
Federverriegelungsstücken 9a1 ... 9a8 und dem Drehteil 106 mit
den schraublinienförmig ansteigenden Sperrstücken 5, 5' erreicht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2008/006357 [0001, 0002, 0003, 0021]