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Die
Erfindung betrifft eine Überlagerungslenkung für
ein Fahrzeug, insbesondere eine Servo- oder Hilfskraftlenkung für
ein Kraftfahrzeug, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Überlagerungslenkungen
sind bekannt und zeichnen sich dadurch aus, dass dem von einem Fahrer
eines Fahrzeugs an einer Lenkhandhabe gewählten Lenkwinkel
bei Bedarf ein weiterer Drehwinkel durch einen Aktuator überlagert
werden kann. Der zusätzliche Drehwinkel wird durch eine
elektronische Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung gesteuert
und dient zur Erhöhung der Fahrstabilität des Fahrzeugs
oder zu sonstigen Zwecken. Zur Erzeugung eines Zusatzwinkels oder
weiteren Drehwinkels ist aus der
DE 101 29 450 A1 und
DE 101 60 313 A1 bekannt,
ein Planetenradgetriebe als Überlagerungsgetriebe anzuwenden,
wobei eine Lenkwelle, die mit einer ersten Getriebeeingangswelle
verbunden ist, axial unterbrochen ist und von einem Stufenplaneten, der
um Sonnenräder der Lenkwellenteile sich bewegt, drehbar
verbunden wird. Die Stufenplaneten sind in einem Planetenradträger
gelagert. Der Planetenradträger ist wiederum mit einem
Schraub- oder Schneckengetriebe um die Lenkwelle und deren Sonnenräder
bewegbar, wobei die Drehbewegung des Planetenradträgers
mit Hilfe einer Schraube oder Schnecke an einer zweiten Getriebeeingangswelle des Überlagerungsgetriebes
ausgeführt wird.
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Solche Überlagerungsgetriebe
weisen eine Vielzahl an Zahneingriffen auf. Dadurch ergibt sich ein
Getriebespiel, das sich in einem unerwünschten Lenkungsspiel
niederschlagen kann. Die beschriebenen Überlagerungsgetriebe
mit Servomotor sind zudem technisch relativ aufwändig und
teuer.
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Die
DE 102 20 123 A1 offenbart
eine Überlagerungslenkung, wobei in eine Lenksäulenwelle,
die ein Lenkrad mit einem Lenkgetriebe verbindet, ein servo-elektromotorischer
Antrieb integriert ist. Der servo-elektromotorische Antrieb weist
ein Gehäuse auf, das mit einem ersten Abschnitt der Lenksäulenwelle
verbunden ist und eine Antriebswelle auf, die mit einem zweiten
Abschnitt der Lenksäulenwelle verbunden ist. Der erste
Abschnitt der Lenksäulenwelle ist mit einem Lenkrad und
der zweite Abschnitt mit dem Lenkgetriebe oder umgekehrt verbunden. Durch
den servo-elektromotorischen Antrieb ist die Antriebswelle relativ
zu dem Gehäuse des servo- elektromotorischen Antriebs drehbar,
um einen zusätzlichen Drehwinkel zu erzeugen. Mit dieser Überlagerungslenkung
wird zwar einer Rotationsbewegung zwischen Lenkrad und Lenkgetriebe
ein zusätzlicher Winkel überlagert, das Gegendrehmoment des
servo-elektromotorischen Antriebs stützt sich aber an der
Lenksäulenwelle ab, was zu einem unkomfortablen Lenk- oder
Fahrgefühl eines Fahrers führen kann.
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Aus
der
DE 102 53 465
A1 ist ein Lenksystem bekannt, mit einer Lenkwelle zur
mechanischen Verbindung einer Lenkhandhabe mit einer Eingangswelle
eines Lenkgetriebes, und mit einem Servomotor zur Bereitstellung
eines Drehmomentes auf einen exzentrischen Antriebskern eines Wellgetriebes
an der Lenkwelle, und mit einer radialflexiblen Abrollbuchse in
die der Antriebskern axial eingreift, wobei ein oder mehrere Unfangsabschnitte
in der Außenmantelfläche der Abrollbuchse in fortlaufendem Wechsel
mit einer im wesentlichen zylindrischen Stützfläche
eines fahrzeugfesten Stützringes in Eingriff gehalten sind
und die Abrollbuchse mit der Eingangswelle des Lenkgetriebes drehfest
verbunden ist, wobei die Lenkwelle das Wellgetriebe durchgreift. Bei
dieser Lösung sind keine konkreten Konstruktionselemente
zum Einsatz des Getriebes als Überlagerungsgetriebe aufgeführt.
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Es
sind Überlagerungslenkungen bekannt, die als Überlagerungsgetriebe
ein Well- oder Pulsatorgetriebe aufweisen. Der Servomotor solcher
Wellgetriebe stützt aber sein Drehmoment an der Lenksäule
ab. Zudem benötigen diese Wellgetriebe ein stabiles Gehäuse
um das Drehmoment und den Drehwinkel an der Lenkhandhabe auf die
Getriebeausgangswelle des Überlagerungsgetriebes zur übertragen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Überlagerungslenkung
für ein Fahrzeug anzugeben, die einfach zu montieren ist
und in der Handhabung komfortabel ist.
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Die
Aufgabe wird mit einer Überlagerungslenkung mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 gelöst.
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Eine
Wellen-Nabe-Verbindung zwischen der radialflexiblen Abrollbuchse
und der ersten Getriebeeingangswelle ermöglicht, indem
diese entweder formschlüssig und mit einer Überpressung
zumindest einzelner axialer Bereiche gebildet ist oder kraftschlüssig
mit zumindest näherungsweise kreisförmigen Querschnitten
der Pressverbindung zwischen der radialflexiblen Abrollbuchse und
der ersten Getriebeeingangswelle gebildet ist, oder stoffschlüssig gebildet
ist, dass die radialflexible Abrollbuchse und die erste Getriebeeingangswelle
getrennt gefertigt und gehandhabt werden können. Es kann
auch zweckmäßig sein, um eine einfache, rasche
Montage der Überlagerungslenkung zu ermöglichen,
die radialflexible Abrollbuchse und die erste Getriebeeingangswelle
einstückig zu bilden.
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Bevorzugte
Ausführungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die
Welle-Nabe-Verbindung kann in axialer Richtung zylindrische oder
konisch zueinander geformte Paßflächen aufweisen,
indem die erste Getriebeeingangswelle ein kegeliges Ende bildet.
Die Welle-Nabe-Verbindung kann formschlüssig mit Bereichen
in denen eine Presspassung ausgeführt ist, wie etwa als
Keilwellenverbindung mit Innenzentrierung oder Zahnwellenverbindung
oder als Polygonwellenverbindung ausgebildet sein. Beispielsweise eignet
sich ein P3G-Profil für einen Preßsitz. Auch eine
Kegelwellenverbindung mit Paß- oder Scheibenfeder kann
zweckmäßig sein, eine formschlüssige
Welle-Nabe-Verbindung zwischen der radialflexiblen Abrollbuchse
und der ersten Getriebeeingangswelle darzustellen.
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Es
kann zweckmäßig sein, einen einseitigen – einen
Endanschlag – an der ersten Getriebeeingangswelle und/oder
an der radialflexiblen Abrollbuchse vorzusehen, um bei der Montage
der Bauteile rasch und einfach eine reproduzierbar Relativ-Position
der Bauteile zu ermöglichen.
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Zusätzlich
zu der Pressverbindung in der Welle-Nabe-Verbindung kann es zweckmäßig
sein, die erste Getriebeeingangswelle mit der radialflexiblen Abrollbuchse
durch ein Sicherungselement zur axialen Fixierung der Position der
beiden Bauteile, wie etwa durch einen Sicherungsring oder eine Schraube
oder eine Mutter oder ein Niet zu sichern.
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Eine
weitere alternative Sicherungsmaßnahme der Bauteile kann
ein Umformen, wie etwa ein Verstemmen der Bauteile miteinander bilden.
Ein teilweiser Stoffschluß mit oder ohne Zusatzwerkstoff durch
Schweißen, Laserschweißen, Löten oder
Kleben, kann zweckmäßig sein. Die Presspassung
der Welle-Nabe-Verbindung lässt sich auch durch vorheriges
Aufbringen einer Reibkraft-erhöhenden Oberflächenschicht
auf die Passflächen der Bauteile bewirken.
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Es
ist zur Erleichterung der Montage zweckmäßig,
vorzugsweise axial versetzt zu der Welle-Nabe-Verbindung einen Zentrierdurchmesser
anzuordnen, der konisch oder zylindrisch an der ersten Getriebeeingangswelle
vorzusehen ist und die radialflexible Abrollbuchse radial und winkelrecht
an der ersten Getriebeeingangswelle zentriert. In einem besonders
bevorzugten Ausführungsbeispiel ist eine Länge der
durch die Welle-Nabe-Verbindung gebildeten form- und kraftschlüssigen
Mitnahme in einem Verhältnis zu einem Durchmesser der ersten
Getriebeeingangswelle im Bereich von etwa 0,01 < 100 gewählt. Die Welle-Nabe-Verbindung
ist vorzugsweise an einem axialen Ende der ersten Getriebeeingangswelle
oder der radialflexiblen Abrollbuchse, das zu einem Stützring
oder der Getriebeausgangswelle des Wellgetriebes weist, angeordnet.
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Um
ein komfortables Lenk- und Fahrgefühl zu bewirken ist es
zweckmäßig, das Drehmoment des Servomotors an
einem anderen fahrzeugfesten Bauteil abzustützen als an
der Lenksäule. So kann es zweckmäßig
sein, den Servomotor mit seinem Gehäuse getrennt von dem
Gehäuse des Wellgetriebes anzuordnen und die Servomotorwelle über
ein Getriebe welches bevorzugt ins Langsame übersetzt, mit
dem exzentrischen Antriebskern zu verbinden. Es kann auch zweckmäßig
sein, den Servomotor als Hohlwellenmotor auszubilden, wobei ein
Läufer des Servomotors um die Lenkwelle drehbar angeordnet ist.
Die Hohlwelle des Servomotors kann dabei einstückig mit
dem exzentrischen Antriebskern gebildet sein und mit diesem in der
radialflexiblen Abrollbuchse enden. Der Servomotor wird von einer
Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung angesteuert, wobei die
Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung eingangseitig mit einem
Sensor zu Bestimmung des Lenkdrehmoments, des Lenkwinkels und/oder mit
einem Sensor zur Bestimmung des Drehwinkels der Lenkhandhabe signalübertragend
verbunden ist. Es kann zweckmäßig sein, die Sensoren
als kontaktlos arbeitende Sensoren auszubilden. Bevorzugt sind der
Servomotor, die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung, das Wellgetriebe
und die Sensoren zur Drehwinkel- und Drehmomentbestimmung der Lenkhandhabe
in einem Gehäuse zusammengefasst. Die einzelnen Bauelemente
können in dem Gehäuse getrennt und abgeschirmt
voneinander angeordnet sein. Ein drehfest mit einer Welle des Servomotors
verbundener exzentrischer Antriebskern ist über Wälzlager
auf der ersten Getriebeeingangswelle drehbar gelagert. Der exzentrische
Antriebkern ist radial zwischen der ersten Getriebeeingangswelle und
der radialflexiblen Abrollbuchse angeordnet und zur Verringerung
des Bauraumbedarfs der Überlagerungslenkung radial möglichst
gedrungen ausgeführt.
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Der
exzentrische Antriebskern greift bevorzugt axial über einen
großen Teil in die radialflexible Abrollbuchse in einen
glockenförmigen Stützring ein. Der exzentrische
Antriebskern wälzt sich mit einem flexiblen Kugellager
in der radialflexiblen Abrollbuchse ab und verformt diese in fortlaufendem
Wechsel. Dabei gelangen in Abhängigkeit von der Querschnittsform
des Antriebskernes, ein oder mehrere Umfangsabschnitte der Außenmantelfläche
der radialflexiblen Abrollbuchse mit einer im wesentlichen zylindrischen
Stützfläche des Stützrings in Einriff.
Der Stützring umgibt radial die Abrollbuchse. Dadurch daß der
Umfang der Außenmantelfläche der radialflexiblen
Abrollbuchse kleiner ist als der Umfang der zylindrischen Stützfläche
des Stützringes, dreht sich der Stützring um diese
Längendifferenz und somit die mit dem Stützring
drehfest verbundene Getriebeausgangswelle, die wiederum mit der
Eingangswelle des Lenkgetriebes verbunden ist. Ein zusätzlicher
Lenkwinkel in positiver oder negativer Richtung zu dem an der Lenkhandhabe
angegebenen Lenkwinkel ist dadurch mit großer Präzision
auf den Stützring und die Getriebeausgangswelle aufbringbar.
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Zur
bevorzugten Loslagerung der ersten Getriebeeingangswelle ist diese über
ein Lager an einem axialen Ende der Getriebeausgangswelle in dem
Stützring gelagert. Das Lager ist bevorzugt als Nadelhülse
ausgebildet.
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Es
kann zweckmäßig sein, den exzentrischen Antriebskern
mit der zweiten Getriebeeingangswelle, die drehfest mit der Servomotorwelle verbunden
ist, oder durch diese gebildet wird, einstückig zu bilden.
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Das
Wellgetriebe ist bevorzugt aus Stahl oder überwiegend aus
Stahl gebildet, zumindest die radialflexible Abrollbuchse und der
exzentrische Antriebkern sind aus diesem Werkstoff gebildet. Es kann
auch zweckmäßig sein, Komponenten des Wellgetriebes
aus einem Nichteisenmetall – oder Nichtmetallwerkstoff
zu bilden. Der Eingriff der Außenmantelfläche
der radialflexiblen Abrollbuchse in die zylindrische Stützfläche
des Stützrings (circular-spline) kann form- oder kraftschlüssig
erfolgen. Bei einer hydraulischen Hilfskraftlenkung ist das Überlagerungsgetriebe
zweckmäßig zwischen einem Lenkventil und dem Lenkgetriebe
oder zwischen der Lenkhandhabe und dem Lenkventil angeordnet. Bei einer
elektrischen Hilfskraftlenkung ist das Überlagerungetriebe
bevorzugt zwischen einem Lenkmomentsensor und dem Lenkgetriebe oder
zwischen der Lenkhandhabe und dem Lenkgetriebe angeordnet.
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Es
kann auch zweckmäßig sein, das Wellgetriebe so
in die Lenkwelle oder den Antriebsstrang zwischen der Lenkhandhabe
und dem Lenkgetriebe einzubauen, dass die Lenkhandhabe drehfest
mit dem Stützring verbunden ist und die radialflexible
Abrollbuchse mit der Getriebeausgangswelle des Überlagerungsgetriebes
drehfest verbunden ist.
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Die
Erfindung wird nun näher anhand eines Ausführungsbeispiels
beschrieben und anhand der beiliegenden Zeichnung wiedergegeben.
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1 zeigt
einen teilweisen Längsschnitt durch eine Überlagerungslenkung,
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2 zeigt
ein Detail I in 1.
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In 1 ist
in einem teilweisen Längsschnitt eine als Active-Steering
ausgebildete Überlagerungslenkung 1 für
ein Fahrzeug gezeigt. Die Überlagerungslenkung 1 ist
als elektrische Überlagerungslenkung aus einem Servomotor 9,
der an einem fahrzeugfesten Bauteil 17 abgestützt
ist, das nicht die Lenksäule des Fahrzeug ist, einer Lenkwelle 7,
die drehfest mit einer Lenkhandhabe 8 verbunden ist, aus
einem Überlagerungsgetriebe 5, das als Wellgetriebe 4 ausgebildet
ist und einer Eingangswelle 25 für ein Lenkgetriebe
gebildet. Das nicht gezeigte Lenkgetriebe kann Teil einer elektrischen
oder hydraulische Hilfskraftlenkung sein. Der Servomotor 9 stellt
einen zusätzlichen Lenkwinkel auf das Wellgetriebe 4 bereit,
wobei ein Läufer 22 des Servomotors 9 drehfest
mit einer zweiten Getriebeeingangswelle 3 verbunden ist.
Die zweite Getriebeeingangswelle 3 des Wellgetriebes 4 ist
einstückig mit einem exzentrischen Antriebskern 11 des
Wellgetriebes 4 gebildet. Der Servomotor 9 ist
als Hohlwellenmotor 21 gebildet, wobei die zweite Getriebeeingangswelle 3 sich über
axial beabstandete Wälzlager 26, 26' an
einem Gehäuse 27 der Überlagerungslenkung 1 abstützt.
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Um
den ellipsenförmigen Umfang des exzentrischen Antriebskerns 11 ist
ein flexibles Kugellager 28 aufgezogen. Der Antriebskern 11 greift
mit seiner axialen Erstreckung in eine aus elastischem Stahlblech
gebildete, topfförmige radialflexible Abrollbuchse 10 (flex-spline)
ein. Die radialflexible Abrollbuchse 10 weist eine Außenmantelfläche 29 auf, die
im axialen Bereich des Kugellagers 28 eine Außenverzahnung 23 trägt.
Die Außenverzahnung 23 greift unter Wirkung der
ellipsenförmigen Aufweitung der Abrollbuchse 10 mit
zwei Umfangsabschnitten in eine Innverzahnung 24 an einer zylindrischen
Stützfläche 30 eines drehfest mit einer
Getriebeausgangswelle 6 des Wellgetriebes 4 verbunden
Stützringes 19 (circular-spline). Der Stützring 19 ist
konzentrisch zu der Längsachse der Lenkwelle 7 angeordnet.
Bei Rotation des Antriebskernes 11 erfolgt die ellipsenförmige
Aufweitung im fortlaufenden Wechsel entlang der Innenverzahnung 24.
Der innenverzahnte Stützring 19 weist eine größere
Zähnezahl als die radialflexible Abrollbuchse 10 auf,
wodurch eine Verdrehung des Stützrings 19 pro
Umdrehung des Antriebskerns 11 um die Differenz der Zähnezahl
erfolgt.
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Die
Lenkwelle 7 ist im axialen Bereich des Stützringes 19 getrennt
und in eine erste Getriebeeingangswelle 2, die drehfest
mit der Lenkhandhabe 8 verbunden ist und an deren anderem
Ende der Antriebskern 11 und die radialflexible Abrollbuchse 10 angeordnet
ist, sowie in die Getriebeausgangswelle 6, die drehfest
mit dem Stützring 19 verbunden ist, aufgeteilt.
Auf diese Weise kann die Getriebeausgangswelle 6 relativ
zu der ersten Getriebeeingangswelle 2 durch das Wellgetriebe 4 verdreht
werden und ein von Fahrt- und Fahrzeugparametern abhängiger
Lenkwinkel in die Lenkwelle 7 eingegeben werden.
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Wie
auch 2 zeigt, ist die erste Getriebeeingangswelle 2 zu
leichteren Montage und um die Teile des Wellgetriebes mit bekannten
Fertigungsverfahren auch aus verschiedenen Werkstoffen herstellen
zu können mit einer Welle-Nabe-Verbindung 12 die
in dem gezeigten Ausführungsbeispiel formschlüssig,
als Keilwellenverbindung gebildet ist, verbunden. Die Welle-Nabe-Verbindung 12 ist
unlösbar, indem eine Teillänge LT der
Länge L der formschlüssigen Mitnahme mit einer
zusätzlichen Presspassung versehen ist und die radialflexible
Abrollbuchse 10 an ihrem axialen Ende 31 mit der
ersten Getriebeeingangswelle 2 verstemmt ist. Ein als Sicherungsring 15 gebildetes
Sicherungselement 14 übernimmt eine axiale Anschlagsfunktion
der radialflexiblen Abrollbuchse 10 an der ersten Getriebeeingangswelle 2 und
bildet einen Anschlag 13 zur reproduzierbaren, raschen
axialen Positionierung der beiden Bauteile zueinander. Ein weiterer
Axialanschlag 13' ist an einem gegenüberliegenden
Ende der formschlüssigen Mitnahme vorgesehen. Die erste
Getriebeeingangswelle 2 weist im Axialbereich der Welle-Nabe-Verbindung 12 einen
Außendurchmesser D auf.
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Die
erste Getriebeeingangswelle 2 ist durch ein Lager 18,
das als Nadelhülse 20 oder Rollenlager gebildet
ist und auf den Außenumfang der radialflexiblen Abrollbuchse 10 im
Axialbereich der Welle-Nabe-Verbindung 12 angeordnet ist,
in dem Stützring 19 gelagert.
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- 1
- Überlagerungslenkung
- 2
- Getriebeeingangswelle,
erste
- 3
- Getriebeeingangswelle,
zweite
- 4
- Wellgetriebe
- 5
- Überlagerungsgetriebe
- 6
- Getriebeausgangswelle
- 7
- Lenkwelle
- 8
- Lenkhandhabe
- 9
- Servomotor
- 10
- Abrollbuchse,
radialflexibel
- 11
- Antriebskern,
exzentrisch
- 12
- Welle-Nabe-Verbindung
- 13,
13'
- Anschlag
- 14
- Sicherungselement
- 15
- Sicherungsring
- 16
- Zentrierdurchmesser
- 17
- Bauteil,
fahrzeugfest
- 18
- Lager
- 19
- Stützring
- 20
- Nadelhülse
- 21
- Hohlwellenmotor
- 22
- Läufer
- 23
- Außenverzahnung
- 24
- Innenverzahnung
- 25
- Eingangswelle
- 26,
26'
- Wälzlager
- 27
- Gehäuse
- 28
- Kugellager,
flexibel
- 29
- Außenmantelfläche
- 30
- Stützfläche
- 31
- Ende,
axial v. 10
- L
- Länge
- D
- Durchmesser
- LT
- Teillänge
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10129450
A1 [0002]
- - DE 10160313 A1 [0002]
- - DE 10220123 A1 [0004]
- - DE 10253465 A1 [0005]