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Die Erfindung betrifft eine Servolenkung, insbesondere eine Hilfskraftlenkung für ein Fahrzeug, mit einer, von einem Servomotor angetriebenen Bewegungsschraube aus einer axial weitestgehend unverschieblich in einem Gestell gelagerten Mutter und einem axial verschiebbaren Bauelement, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Servolenkungen, insbesondere elektrische Hilfskraftlenkungen bei Personenkraftwagen, deren Servomotor Drehzahl und Drehmoment über ein Zugmittelgetriebe auf eine Mutter, insbesondere eine Kugelumlaufmutter überträgt, sind aus dem Stand der Technik bekannt. Dabei ist ein Servomotor und die von der Mutter angetriebene Zahntange oder deren Spindelabschnitt häufig achsparallel angeordnet.
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So beschreibt die
DE 103 10 492 A1 eine elektrische Servolenkung wobei ein Elektromotor ein axial verlagerbar in einem Lenkgetriebegehäuse gelagertes Bauelement antreibt. Das Bauelement ist als Zahnstange gebildet und ein Kugelgewinde des Bauelements ist in Eingriff mit einem Muttergewinde einer axial unverschieblich in dem als Lenkgetriebegehäuse gebildeten Gestell gelagert. Die Mutter ist mit einem Riemenrad eines Zugmittelgetriebes zwischen dem Servomotor und der so gebildeten Bewegungsschraube drehfest verbunden. Die Mutter ist über ein Radial-Festlager, ein Wälzlager, an dem Lenkgetriebegehäuse abgestützt und gelagert. Das Radiallager ist häufig als Vierpunktlager gebildet, da insbesondere auch Axialkräfte aufzunehmen sind. Ein Innenring des Wälzlagers stützt sich dabei axial an den auf der Mutter montierten Bauteilen, wie etwa dem Riemenrad und an einem Anschlag in Form eines Ringes oder Sprengringes ab.
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Beim Betrieb solcher Servolenkungen ergibt sich durch die Einleitung wechselnder Radkräfte auf das axial verlagebare Bauelement und durch Lenkkräfte, die von dem Servomotor und von zusätzlich etwaigen Lenkkräfte einleitenden Bauelementen, wie Ritzel an Lenkwellen, die mit Verzahnungen von Abschnitten des axial verlagerbaren Bauelementes kämmen, und zwischen dem Gewinde des axial verlagerbaren Bauelements und der Mutter krafterregter Körperschall, der die gesamte, in dem betreffenden Kraftfluß involvierte Struktur einer Servolenkung u. U. erfassen kann.
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Die diskontinuierliche Kraftübernahme der gesamten Bauteile in einer Servolenkung lässt sich im Betrieb solcher Servolenkungen grundsätzlich nicht vermeiden. Auch sind die Eigenfrequenzen der in die Einleitung von Körperschall involvierten Bauteile einer Servolenkung grundsätzlich nicht beliebig beeinflussbar.
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Trotz Einbindung einer Servolenkung in eine im Betrieb eines Kraftfahrzeugs geräuschbehaftete Gesamtstruktur ist nicht völlig auszuschließen, dass von Servolenkungen durch Körperschall verursachter Luftschall entsteht, der auch durch Maßnahmen zur Verringerung der Admittanz und des Abstrahlgrades nicht beseitigbar ist.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Servolenkung anzugeben, deren Luftschallabstrahlung mit einfachen Mitteln auf ein Mindestmaß reduziert ist und deren Montage dennoch einfach und deren Betrieb äußerst präzise ist.
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Die Aufgabe wird mit einer Servolenkung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
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Dadurch dass zumindest eine Dämpfungseinrichtung vorgesehen ist, die das Radiallager in axialer Richtung und in radialer Richtung von einem Lagernest in dem Gestell oder einem Träger für das Radiallager schwingungsentkoppelt oder zumindest teilweise im Sinne einer Körperschallisolation mit dieser Umgebung des Radiallagers (Lenkgetriebegehäuse, Deckel des Lenkgetriebegehäuses) entkoppelt, ist eine wirkungsvolle Maßnahme vorgeschlagen, Körperschall, der durch Spiel zwischen dem Gewinde des axial verlagerbaren Bauelementes entsteht und durch Spiel in dem Radiallager, wie etwa zwischen Wälzkörpern und Innenring und Außenring entsteht, an seiner Ausbreitung zu hindern. Luftschall, der als störend im Betrieb eines Kraftfahrzeugs wahrgenommen werden kann, wird somit vermieden. Die Dämpfungseinrichtung wandelt dabei Schallenergie in Wärme um. Die Schallenergie wird durch die Dämpfungseinrichtung durch Absorption eliminiert.
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Simulationsrechnungen auf Grundlage spezifischer partieller Differentialgleichungen, die auch die Wechselwirkungen der mechanischen und thermodynamischen Prozesse an solchen Dämpfungseinrichtungen berücksichtigen, wenn sich das Material der Dämpfungseinrichtung etwa durch Dämpfungsarbeit aufheizt, haben mit der vorgeschlagenen konstruktiven Maßnahme gute erzielbare Resultate gezeigt. Die im Folgenden spezifizierte Dämpfungseinrichtung ermöglicht die Bereitstellung von Dämpfungskräften die stets entgegengesetzt zur momentanen Geschwindigkeitsrichtung auch bei überlagerten Schwingungen wirkt und somit in der Lage ist, dem mechanischen System Servolenkung in jeder Betriebsphase mechanische Energie zu entziehen.
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Es haben sich bekanntermaßen international mehrere dimensionslose Kenngrößen zur Beschreibung der Dämpfung durchgesetzt, von denen der Dämpfungsgrad D am weitesten verbreitet ist. D = Λ / 2π = Ψ / 4πη = φ / η mit
- λ
- logarithmisches Dämpfungsglied
- Ψ
- relative Dämpfung
- η
- Wirkungsgrad, Abstimmungsverhältnis
- φ
- Phasenwinkel, Verlustwinkel
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Dabei ist generell berücksichtigt, dass der Dämpfungsgrad eines Werkstoffes oder Bauteiles bei höheren Frequenzen niedriger ist als bei tiefen Frequenzen.
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Bevorzugte Ausführungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist auch eine Dämpfungseinrichtung zwischen dem Radiallager und der Mutter angeordnet, sodaß eine Körperschallausbreitung von der Bewegungsschraube auch nicht von dem axial verlagerbaren oder verschiebbaren Bauelement auf das Radiallager möglich ist.
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Die in einer Servolenkung zur Lagerung einer Mutter angewandten Radiallager sind meist Wälzlager und insbesondere Vierpunktlager, wobei es zweckmäßig ist, zwischen einem Aussenring und dem Lagernest für das Radiallager die Dämpfungseinrichtung vorzusehen, die bevorzugt elastisch und nicht im Sinne von elastomerem Verhalten im Betrieb der Servolenkung verformt wird.
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Die Dämpfungseinrichtung ist erfindungsgemäß bei einem Radiallager bevorzugt um den Umfang eines Aussenringes axial und radial zwischen dem Radiallager und dem Lagernest an dem Gestell angeordnet. Ebenso kann es zweckmäßig sein, die Dämpfungseinrichtung durch zumindest ein um den Umfang des Innenringes des Radiallagers in radialer und axialer Richtung gelegtes Dämpfungselement zu bilden. Auf diese Weise lassen sich alle Anlageflächen zwischen dem Radiallager und seiner Umgebung aus Lagernest und Mutter mit der Dämpfungseinrichtung versehen. Dadurch ist eine wie auch immer gerichtete Schwingungsabsorption durch Kräfte von der Mutter oder dem axial verlagerbaren Bauelement herrührend möglich. Die Dämpfungseinrichtung ist besonders bevorzugt als Ring oder ringförmiges Element mit in seiner tangentialen Richtung um das Radiallager unterbrochenen Struktur gebildet. Das ringförmige Dämpfungselement umschließt dabei vorzugsweise die axialen Stirnflächen von Innenring und Außenring und zudem die radiale Aussenumfangsfläche bei dem Aussenring oder die radiale Innenumfangsfläche bei dem Innenring.
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Das Dämpfungselement ist vorzugsweise als einstückiges Bauteil gebildet, das auf den entsprechenden Lagerring aufgeclipst oder in sonstiger Weise formschlüssig oder kraftschlüssig oder stoffschlüssig oder mit einer kombinierten Verbindungsart aus den drei genannte Verbindungsarten an dem betreffenden Lagerring festgelegt ist. Dabei kann es zweckmäßig sein, das Dämpfungselement auch mehrstückig zu bilden, so z. B. in der Art von, die Aussenflächen von Ausssenring und Innenring – bezogen auf das Radiallager insgesamt – als radial getrennte Hälften oder Teile eines Gesamtringes auszubilden.
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Dabei ist es vorteilhaft, die Ringhälften der Dämpfungselemente im Querschnitt L-förmig zu gestalten. Die Dämpfungselementhälften können auch mit Überbrückungselementen aus demselben Werkstoff aus dem die Dämpfungselemente gebildet sind, miteinander verbunden sein. Somit ist eine konstruktive Maßnahme angegeben, die Dämpfungseinrichtung rasch an den Lagerringen des Radiallagers zu montieren. Zudem ist dadurch eine Wärmeübertragung von dem Gestell auf die Dämpfungseinrichtung durch Wärmeleitung nicht vollflächig möglich. Teilbereiche der betreffenden Lagerringe werden dabei nur durch konvektive Wärmeübertragung beansprucht. Die genannten Aussparungen in den Wänden der Dämpfungselemente können in axialer Richtung und radialer Richtung in dem Dämpfungselement angeordnet sein. Die Aussparungen können auch durch die gesamte betreffende Wand des Dämpfungselementes reichen oder lediglich in Form von Flächenbereichen mit verringerter Wandstärke ausgebildet sein, sodaß an diesen Flächenbereichen zwar eine Körperschalldämmung möglich ist, die Körperschalldämpung aber in diesen Flächenbereichen mit Wandstärkereduktion verringert ist.
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Die Dämpfungseinrichtung, insbesondere die Dämpfungselemente sind in einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Servolenkung aus einem synthetischen Nichtmetallwerkstoff, wie etwa aus einem Kunststoff gebildet. Hierbei können vorzugsweise technische Kunststoffe wie Polyamide, Polyoxymethylen, und weitere, dem Fachmann in Bezug auf seine technischen Eigenschaften bekannten technischen Thermoplaste Anwendung finden. Es versteht sich, dass auch Hochleistungskunststoffe, wie Polyetherketone oder andere Thermoplaste oder Duroplaste, deren Struktur durch Sekundärbestandteile, wie synthetische oder mineralische Fasern, Füllstoffe und dergleichen angepasst sein kann, Anwendung für die Darstellung der Dämpfungseinrichtung finden können. Dabei lassen sich die vorzugsweise als Ring gebildeten Dämpfungselemente auch auf die betreffenden Lagerringe des Radiallagers unmittelbar mit Spritzgussverfahren oder anderen geeigneten Verfahren kraftschlüssig anbringen. Die Montage solcher Radiallager wird dadurch wesentlich vereinfacht, da wenige Einzelteile zu montieren sind.
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Außer Kunststoffe eignen sich eher theoretisch für die Darstellung der Dämpfungseinrichtung natürliche, nichtmetallische Werkstoffe, wie cellulosehaltige Werkstoffe, oder Werkstoffe aus tierischen Grundprodukten, wie Geweben in der Art von Leder, gepressten Fasern tierischen oder pflanzlichen Ursprunges und dergleichen.
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In jüngster Zeit wird auch die Anwendung von Metallschäumen, so etwa eines feinporigen Aluminiumschaumes (ALMg Si 0.6) als Werkstoff zur Körperschall- und Schwingungsdämpfung näher in Grundlagenforschungsvorhaben untersucht, sodaß auch ein derartiger metallische Werkstoff zur Darstellung der Dämpfungseinrichtung angewandt werden könnte.
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Eine besonders einfach zu montierende und in ihrer Dämpfungswirkung hinreichende Bauform eines Dämpfungselementes ist ein im Querschnitt u-förmiger Ring, dessen Querschnittsform und Abmaße an den jeweiligen zu dämpfenden Innenring oder Außenring des Radiallagers angepasst ist. Durch die u-förmige Querschnittsgestaltung kann das als Kunststoffring oder dergleichen gebildete Dämpfungselement zur Anlage an die beiden axialen Stirnflächen des betreffenden Lagerringes gelangen oder und zudem an die Außenumfangsfläche des Aussenringes oder die Innenumfangsfläche des Innenringes angelegt werden. Dies unter Vorspannung im montierten Zustand des Radiallagers.
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Es lassen sich so gleichermaßen gut axiale und radiale Schwingungen an dem Radiallager dämpfen. Dabei kann die Wandstärke des Dämpfungselementes in Ringform über den gesamten Querschnitt gleich sein oder ungleich sein. Beispielsweise kann die Wandstärke im axialen Bereich des Dämpfungselementes geringer als im radialen Bereich sein.
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Der Dämpfungsgrad D der Dämpfungseinrichtung kann vorzugsweise zwischen 0,01 und 0,12 liegen. Die Steifigkeit des zur Darstellung der Dämpfungseinrichtung oder des Dämpfungselementes verwendeten Werkstoffes kann zwischen etwa 0,1 und 5 × 105 N/mm liegen.
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Die Servolenkung ist bevorzugt als elektrische Servolenkung mit achsparalleler Anordnung von Servomotor und des axial verlagerbaren Bauelementes gebildet.
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Die Erfindung wird nun näher anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben und anhand der beiliegenden Zeichnung wiedergegeben. In der Zeichnung zeigen:
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1 einen teilweisen, schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Servolenkung,
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2 einen Ausschnitt I in 1.
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In 1 ist in einem teilweisen Längsschnitt eine als elektrische Zahnstangen-Hilfskraftlenkung 22 gebildete Servolenkung 1 für einen Personenkraftwagen oder einen leichten Nutzkraftwagen gezeigt. In einem als zylinderförmigen Lenkgetriebegehäuse 23 gebildeten Gestell 3 ist ein als Zahnstange 24 gebildetes axial verlagerbares Bauelement 5 gelagert. Parallel mit seiner Längsachse zu der Längsachse 25 des axial verlagerbaren Bauelementes 5 ist an einem nicht gezeigten Radialflansch des Lenkgetriebegehäuses 23 ein nicht gezeigter elektrischer Servomotor festgelegt. Die Zahnstange 24 kämmt an einem nicht gezeigten Verzahnungsabschnitt mit einem nicht dargestellten Ritzel an einer Lenkwelle und weist an einem Spindelabschnitt 26 ein als Kugelgewinde 27 gebildetes Gewinde 6 auf, welches in Eingriff mit einem als Kugelumlaufgewinde gebildeten Muttergewinde 7 einer Mutter 4 ist. Die Mutter 4 und der Spindelabschnitt 26 bilden eine Bewegungsschraube 2. Die Mutter 4 ist drehfest mit einem als Zahnscheibe 28, gebildeten Riemenrad 29 verbunden und über ein als Radiallager 8 gebildetes Wälzlager 30 gehalten. Das Wälzlager 30 ist als Festlager gebildet und vermag axiale und radiale Kräfte von der Mutter 4 auf das Gestell 3 zu übertragen. Die Mutter 4 bildet von ihrer Aussenumfangsseite betrachtet, einen Stufenzylinder. Im Axialbereich des Radiallagers 8 ist ihr Aussendurchmesser d1 am kleinsten. In diesem Bereich, in dem die Mutter 4 den Aussendurchmesser d1 aufweist, ist eine Dämpfungseinrichtung 9 zur Schwingungsentkoppelung zwischen der Mutter 4 und einem Innenring 13 des Radiallagers 8 angeordnet. Die Dämpfungseinrichtung 9 ist als in seinem Querschnitt u-förmiges, ringförmiges Dämpfungselement 14 aus einem technischen Kunststoff mit einem Dämpfungsgrad von 0,06 gebildet. Das Dämpfungselement 14 umschließt eine radiale Innenumfangsfläche 16 des Innenringes 13 und die axialen äußeren Stirnflächen 21 des Innenringes 13 bis etwa zur Hälfte der größten Dicke des Innenringes 13. An seinem, in Betrachtungsrichtung der 1, rechten Rand des Dämpfungselementes 14 liegt dieses an einer durch eine Durchmesservergrößerung des Aussendurchmessers der Mutter 4 gebildeten Anschlag 31 an. Zudem liegt das Dämpfungselement 14 an dieser Stelle an einer Stirnfläche 32 des Riemenrades 29 an, sodaß eine Entkoppelung von Körperschall von dem Radiallager 8 und zu dem Riemenrad 29 gegeben ist.
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An dem Anschlag 31 weist die Mutter 4 einen Außendurchmesser d2 auf, der dem Durchmesser d1 zuzüglich etwa der Wanddicke d des Dämpfungselementes 14 entspricht. In Betrachtungsrichtung der 1 ist in Montagerichtung X des Radiallagers 8, des Dämpfungselementes 14 und des Riemenrades 29 ein weiterer Durchmessersprung hin zu einem größeren Aussendurchmesser d3 zu erkennen. Dieser Durchmessersprung dient zur Ausbildung eines Axialanschlages für das Riemenrad 29. Insgesamt ist die Anordnung aus Innenring 13, Dämpfungselement 14, und Riemenrad 29 mit Hilfe einer auf den Aussenumfang der Mutter 4 aufgeschraubten Spannmutter 33 festgelegt. Die Spannmutter 33 spannt das Dämpfungselement 14 und das Riemenrad 29 gegen die genannten Anschläge.
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Ein Gehäusedeckel 34 des Lenkgetriebegehäuses 23 überragt weitestgehend die Mutter 4 und bildet ein radial äußeres Lagernest 10 für das Radiallager 8, insbesondere für dessen Aussenring 11. Der Aussenring 11 ist ähnlich wie der Innenring 13 von einer Dämpfungseinrichtung 9, die als Dämpfungselement 12 mit u-förmigem Querschnitt gebildet ist, umschlossen. Das den Aussenring 11 umschließende Dämpfungselement 12 liegt im wesentlichen vollflächig um den Umfang des Aussenringes 14 an seiner Aussenumfangsfläche 15 an. Desweiteren liegt das Dämpfungselement 12 an axialen Stirnflächen 19 des Aussenringes 11 über etwa die Hälfte der größten Dicke des Aussenringes 11 an.
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Die Wand 18 des Dämpfungselementes 12 ist an den beiden Stirnseiten des Aussenringes 11 dicker gebildet als an seinem, die Aussenumfangsfläche 15 abdeckenden Umfangsabschnitt und beträgt etwa die vierfache Dicke d, wie im Bereich der Aussenumfangsfläche 15. Das Dämpfungselement 12 für die Entkoppelung von Körperschall zwischen dem Aussenring 11 und dem Gehäusedeckel 34 ist aus demselben Kunststoff gebildet, wie das Dämpfungselement 14 an dem Innenring 13. Es weist einen gleichen Dämpfungsgrad auf. Wie in dem Längsschnitt in 1 und 2 zu erkennen ist, sind Aussparungen 17 oder Wanddurchbrüche in den Dämpfungselementen 12, 14 vorgesehen. Die Aussparungen 17 können auch Trennebenen zwischen jeweils zwei Hälften oder Teilen der Dämpfungselemente 12, 14 bilden. Beim Festlegen des Gehäusedeckels 34 an dem Lenkgetriebegehäuse 23 wird eine axiale und/oder radiale Vorspannung auf die Dämpfungselemente 12, 14 aufgebracht, wobei sich eine axial äußere Stirnfläche des Dämpfungselementes 12 an einer Lagerscheibe 35 abstützt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Servolenkung
- 2
- Bewegungsschraube
- 3
- Gestell
- 4
- Mutter
- 5
- Bauelement, axial verlagerbar
- 6
- Gewinde
- 7
- Muttergewinde
- 8
- Radiallager
- 9
- Dämpfungseinrichtung
- 10
- Lagernest
- 11
- Aussenring
- 12
- Dämpfungselement
- 13
- Innenring
- 14
- Dämpfungselement
- 15
- Aussenumfangsfläche
- 16
- Innenumfangsfläche
- 17
- Aussparung
- 18
- Wand, v. 12, 14
- 19
- Stirnfläche , v. 11
- 20
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- 21
- Stirnfläche, v. 13
- 22
- Zahnstangen-Hilfskraftlenkung
- 23
- Lenkgetriebegehäuse
- 24
- Zahnstange
- 25
- Längsachse, v. 5
- 26
- Spindelabschnitt
- 27
- Kugelgewinde
- 28
- Zahnscheibe
- 29
- Riemenrad
- 30
- Wälzlager
- 31
- Anschlag
- 32
- Stirnfläche, v. 29
- 33
- Spannmutter
- 34
- Gehäusedeckel
- 35
- Lagerscheibe
- X
- Montagerichtung
- d
- Wanddicke, v. 14
- d1
- Aussendurchmesser, v. 4
- d2
- Aussendurchmesser, v. 4
- d3
- Aussendurchmesser, v. 4
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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