DE102011014098A1 - Drive assembly for a motor vehicle - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Antriebsbaugruppe für ein Kraftfahrzeug, die zwischen einem Motor und einer Abtriebswelle angeordnet ist, mit einem CVT-Getriebe, welches einen Variator und einen Schwungradspeicher mit einem Schwungrad und Zahnräder aufweist, wobei zwischen dem Ausgang des Variators und der Abtriebswelle eine Schaltgruppe angeordnet ist, welche ein Umschalten zwischen einem Vorwätsgang und einem Rückwärtsgang gewährleistet und eine Aufteilung des Vorwärtsgangs in wenigstens einen ersten Fahrbereich und einen zweiten Fahrbereich realisiert.The invention relates to a drive assembly for a motor vehicle, which is arranged between an engine and an output shaft, with a CVT transmission, which has a variator and a flywheel accumulator with a flywheel and gears, a switching group being arranged between the output of the variator and the output shaft is, which ensures switching between a forward gear and a reverse gear and realizes a division of the forward gear into at least a first driving range and a second driving range.
Description
Die Erfindung betrifft eine Antriebsbaugruppe für ein Kraftfahrzeug mit einem CVT-Getriebe, einem Schwungradspeicher und einem verstellbaren Getriebe (Variator).The invention relates to a drive assembly for a motor vehicle with a CVT transmission, a flywheel accumulator and an adjustable transmission (variator).
Derartige Getriebestrukturen mit Schwungradspeicher sind schon bekannt und werden beispielsweise in den Druckschriften
Gemäß
Die
Bei der
Derartige Getriebestrukturen können zwar immer die passenden Übersetzungen einstellen, um das Schwungrad optimal zu nutzen und um den Wirkungsgrad von der Rückgewinnung bis zu der Wiederverwendung auf dem besten Niveau zu halten. Die Übersetzung kann sich kontinuierlich und ohne Sprung ändern (weder in der Gesamtübersetzung als auch in der Variatorübersetzung). Aber gleichzeitig bedeutet es auch mehr Aufwand bezüglich der Getriebestruktur und auch eine höhere Komplexität für die Steuerung. Das führt wiederum zu einem Getriebe, das ein relativ hohes Gewicht aufweist und mit einem hohen fertigungs- und steuerungstechnischen Aufwand herstellbar ist.Although such transmission structures can always set the appropriate gear ratios to optimally use the flywheel and to keep the efficiency from recovery to reuse at the best level. The translation can change continuously and without a jump (neither in the overall ratio nor in the variator ratio). But at the same time it also means more effort in terms of the transmission structure and also a higher complexity for the controller. This in turn leads to a transmission which has a relatively high weight and can be produced with a high production and control engineering effort.
Es sind ebenfalls aus noch nicht veröffentlichten Schriften leistungsverzweigte Geared Neutral CVT Getriebe mit integriertem Schwungrad Speicher bekannt, in die ein abkoppelbares Schwungrad integriert ist, welches bei Verzögerungsphasen des Kraftfahrzeuges kinetische Energie speichert und bei der nächsten Beschleunigung dem Triebstrang wieder zur Verfügung stellt und durch den Geared Neutral Punkt die Anfahrverluste reduziert. Das Schwungrad wird dabei zur Rekuperation genutzt. Dieses Getriebe weist einen relativ komplizierten Aufbau auf.There are also from unpublished fonts power-split geared neutral CVT transmission with integrated flywheel memory known, in which a decoupled flywheel is integrated, which stores kinetic energy during deceleration phases of the motor vehicle and at the next acceleration the drivetrain available again and by the Geared Neutral point reduces start-up losses. The flywheel is used for recuperation. This transmission has a relatively complicated structure.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Antriebsbaugruppe für ein Kraftfahrzeug mit einem CVT-Getriebe, einem Schwungradspeicher und einem verstellbaren Getriebe (Variator) zu entwickeln, die einen gewichtssparenden, einfachen und kompakten konstruktiven Aufbau aufweist.The object of the invention is to develop a drive assembly for a motor vehicle with a CVT transmission, a flywheel storage and an adjustable transmission (variator), which has a weight-saving, simple and compact structural design.
Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des ersten Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.This object is achieved with the characterizing features of the first claim. Advantageous embodiments emerge from the subclaims.
Die Antriebsbaugruppe für ein Kraftfahrzeug, die zwischen einem Motor und einer Abtriebswelle angeordnet ist, weist einen CVT-Getriebe mit einem Variator und einen Schwungradspeicher mit einem Schwungrad und Zahnräder auf, wobei zwischen dem Ausgang des Variators und der Abtriebswelle des CVT-Getriebes eine Schaltgruppe angeordnet ist, welche ein Umschalten zwischen einem Vorwärtsgang und einem Rückwärtsgang gewährleistet und eine Aufteilung des Vorwärtsgangs in wenigstens einen ersten Fahrbereich und einen zweiten Fahrbereich realisiert.The drive assembly for a motor vehicle, which is arranged between a motor and an output shaft, has a CVT transmission with a variator and a flywheel accumulator with a flywheel and gears, wherein arranged between the output of the variator and the output shaft of the CVT transmission, a switching group is, which ensures switching between a forward gear and a reverse gear and realizes a division of the forward gear in at least a first driving range and a second driving range.
Dadurch wird eine einfache und kompakte Bauweise der Antriebsbaugruppe erzielt.This achieves a simple and compact design of the drive assembly.
Dazu besitzt die Schaltgruppe wenigstens ein erstes Schaltelement, welches das Umschalten zwischen dem Vorwärtsgang und dem Rückwärtsgang gewährleistet sowie wenigstens ein zweites Schaltelement, welches die Aufteilung des Vorwärtsgangs in wenigstens einen ersten Fahrbereich und einen zweiten Fahrbereich realisiert.For this purpose, the switching group has at least a first switching element, which ensures the switching between the forward gear and the reverse gear and at least a second switching element, which realizes the division of the forward gear in at least a first driving range and a second driving range.
Für die Gestaltung der Schaltgruppe sind mehrere Varianten möglich.For the design of the switching group several variants are possible.
In einer ersten Variante kann die Schaltgruppe ein Schaltelement zum Umschalten zwischen dem Vorwärtsgang und dem Rückwärtsgang in Form einer erste Klauenkupplung und ein zweites Schaltelement zur Aufteilung des Vorwärtsgangs in wenigstens einen ersten Fahrbereich und einen zweiten Fahrbereich in Form einer zweiten Klauenkupplung aufweisen, wobei für den Rückwärtsgang eine erste Zahnradstufe, für den ersten Fahrbereich des Vorwärtsganges eine zweite Zahnradstufe und für den zweiten Fahrbereich des Vorwärtsganges eine dritte Zahnradstufe in die Schaltgruppe integriert ist.In a first variant, the switching group can be a switching element for switching between the forward gear and the reverse gear in the form of a first dog clutch and a second switching element for dividing the forward gear in at least a first driving range and a second driving range in the form of a second dog clutch, wherein for the reverse gear, a first gear stage, for the first driving range of the forward gear, a second gear stage and for the second driving range of the forward gear, a third gear stage in the switching group is integrated.
In einer zweiten Variante kann die Schaltgruppe zur Realisierung der zwei Vorwärtsübersetzungen des ersten und zweiten Fahrbereiches des Vorwärtsganges und der Rückwärtsübersetzung des Rückwärtsganges einen Planetensatz mit zwei Kupplungen in Kombination mit einer Klauenkupplung aufweisen, wobei die Klauenkupplung zwischen dem ersten und dem zweiten Fahrbereich des Vorwärtsganges und dem Rückwärtsgang schaltbar ist.In a second variant, the switching group for realizing the two forward ratios of the first and second driving range of the forward gear and the reverse ratio of the reverse gear, a planetary gear set with two clutches in combination with a dog clutch, wherein the dog clutch between the first and the second driving range of the forward gear and the Reverse is switchable.
Gemäß einer dritten Variante kann die Schaltgruppe zur Realisierung der zwei Vorwärtsübersetzungen des ersten und zweiten Fahrbereiches des Vorwärtsganges und der Rückwärtsübersetzung des Rückwärtsganges einen Ravigneaux Satz mit zwei Kupplungen in Kombination mit einer Klauenkupplung aufweisen.According to a third variant, the switching group for realizing the two forward ratios of the first and second driving range of the forward gear and the reverse ratio of the reverse gear may comprise a Ravigneaux set with two clutches in combination with a dog clutch.
Vorteilhafter Weise ist das CVT-Getriebe beim Umschalten zwischen dem ersten und zweiten Fahrbereich wieder zurückstellbar, wobei die Gesamtübersetzung des Getriebes in etwa das Zweifache der Übersetzung des CVT beträgt.Advantageously, the CVT transmission when switching between the first and second driving range is reset again, the overall ratio of the transmission is approximately twice the ratio of the CVT.
Getriebeeingangsseitig ist zum Motor eine Motortrennkupplung angeordnet. Daran schließt sich ein Schwungradspeicher an, dessen Schwungrad über eine Schwungradkupplung zuschaltbar ist, wobei das Schwungrad mit der Eingangswelle des CVT-Getriebes mittels eines doppelten Planetensatzes (Übersetzung etwa 10) durch Schließen der Schwungradkupplung verbindbar ist. Dadurch ist der Schwungradspeicher im Schubbetrieb des Fahrzeugs stufenlos beschleunigbar und somit aufladbar und es ist umgekehrt eine Anfahrt nur über das Schwungrad des Schwungradspeichers möglich.Transmission input side, an engine disconnect clutch is arranged to the engine. This is followed by a flywheel storage, the flywheel is connected via a flywheel clutch, wherein the flywheel with the input shaft of the CVT transmission by means of a double planetary gear set (about 10) by closing the flywheel clutch is connectable. As a result, the flywheel storage in the overrun mode of the vehicle is infinitely accelerated and thus rechargeable and it is the other way around a drive only via the flywheel of the flywheel storage possible.
Die erfindungsgemäße Antriebsbaugruppe gewährleistet sowohl eine große Startübersetzung als auch eine lange Overdrive Übersetzung. Durch diese zwei Besonderheiten können gegenüber einem konventionellen Getriebe die Anfahrverluste deutlich reduziert werden. Weiterhin kann die Motordrehzahl dank der langen Overdrive Übersetzung bei größerer Geschwindigkeit reduziert werden, wodurch der Verbrauch und damit der Schadstoffausstoß verringerbar sind.The drive assembly according to the invention ensures both a large starting ratio and a long overdrive ratio. Thanks to these two special features, the starting losses can be significantly reduced compared to a conventional gearbox. Furthermore, the engine speed can be reduced thanks to the long overdrive ratio at higher speeds, which reduces fuel consumption and thus emissions.
Das Schwungrad erlaubt darüber hinaus bei den Verzögerungsphasen des Fahrzeuges die Speicherung der Energie in Form von kinetischer Energie und unterstützt bzw. ersetzt die Bremse. Diese Energie wird bei der nächsten Anfahrt oder Beschleunigung wieder dem Triebstrang zu Verfügung gestellt.The flywheel also allows the storage of energy in the form of kinetic energy during the deceleration phases of the vehicle and supports or replaces the brake. This energy is returned to the powertrain at the next approach or acceleration.
Die Speicherung der Bremsenergie in dem Schwungradspeicher und dabei die Drehzahl dieses Schwungrads durch eine variable Übersetzungsänderung zu erhöhen, hat wesentliche Vorteile gegenüber Systemen mit mehreren festen Übersetzungen (Mehrganggetriebe wie z. B. Stufenautomat, Doppelkupplung oder Automatisiertes Schaltgetriebe), da durch die Stufenlosigkeit die Bremsenergie größtenteils in das Schwungrad geht, anstatt in dem Gangwechsel verloren zu gehen.The storage of the braking energy in the flywheel storage and thereby to increase the speed of this flywheel by a variable ratio change, has significant advantages over systems with multiple fixed ratios (multi-speed transmission such as stepped, double clutch or automatic transmission), as by the stepless braking energy mostly goes into the flywheel instead of getting lost in the gear change.
Dazu braucht man jedoch auch noch eine große Spreizung, um in jeder Fahrsituation die Drehzahl vom Schwungrad mit der des Triebstrangs anpassen zu können, wobei die Randübersetzungen Underdrive (i UD) und Overdrive (i OD) von Bedeutung sind. Die optimale UD Übersetzung wird dabei definiert als Ratio zwischen der maximal zulässigen Drehzahl des Schwungrads und der minimalen Drehzahl des Triebstrangs.However, this also requires a large spread in order to be able to adapt the speed of the flywheel to that of the drive train in every driving situation, with the marginal ratios Underdrive (i UD) and Overdrive (i OD) being of importance. The optimal UD ratio is defined as the ratio between the maximum allowable speed of the flywheel and the minimum speed of the drivetrain.
Ähnlicherweise wird die OD Übersetzung als Ratio zwischen der minimalen Drehzahl des Schwungrads und der maximalen Drehzahl des Triebstrangs festgelegt. In der Realität wird versucht sich an diese Werte zu nähern, begrenzt durch die technischen Randbedingungen in Form von Variator Spreizung, Anzahl der Bereiche, Übersetzungen von den Feststufen usw. Die Besonderheit des Schwungradsystems der erfindungsgemäßen Lösung ist dabei der begrenzte Bereich der Übersetzung, wo der Schwungradspeicher geladen bzw. entladen wird. Je nach Fahrzeugklasse (Fahrzeuggewicht, Fahrwiderstand, Rollradius), Schwungrad Charakteristik (Trägheitsmasse, maximale erlaubte Drehzahl) und Fahrzyklus ergibt sich eine Grenzübersetzung für die Rückgewinnung (i_rgw) und eine Grenzübersetzung für die Rückgabe (i_rga). Deswegen liegt die Besonderheit dieser Erfindung auch darin, dass das Getriebe ein Mehrbereich CVT ist, dessen Übersetzungsbereiche diesen Grenzübersetzungen entsprechen.Likewise, the OD ratio is set as the ratio between the minimum speed of the flywheel and the maximum speed of the driveline. In reality, attempts are made to approach these values, limited by the technical boundary conditions in the form of variator spread, number of areas, translations of the solid levels, etc. The peculiarity of the flywheel system of the solution according to the invention is the limited range of translation, where the Flywheel storage is loaded or unloaded. Depending on the vehicle class (vehicle weight, driving resistance, rolling radius), flywheel characteristic (inertia mass, maximum permitted speed) and driving cycle, there is a limit conversion for the recovery (i_rgw) and a limit translation for the return (i_rga). Therefore, the peculiarity of this invention also lies in the fact that the transmission is a multi-range CVT whose translation ranges correspond to these limit ratios.
Wenn sich beispielsweise die Bereiche [i_UD; i_rga] und [i_rgw; i_OD] überlappen, kann ein 2 Bereich Getriebe eingesetzt werden, bei welchem diese Übersetzungen die Randübersetzungen den ersten bzw. zweiten Bereich darstellen. Sollte es keine Überlappung geben, ist es vorstellbar, die Bereiche zu erweitern, um ein Überlappung zu treffen und somit immer einen 2-Bereich zu verwenden.For example, if the areas [i_UD; i_rga] and [i_rgw; i_OD] can overlap, a 2 range gear can be used, in which these translations represent the edge translations of the first and second area. If there is no overlap, it is conceivable to expand the areas to overlap and thus always use a 2-area.
Alternativ ist es auch möglich, ein 3-Bereich System zu realisieren, bei welchem der Vorwärtsgang drei Fahrbereiche aufweist. Mit dieser Lösung wäre aber wieder mit mehr Gewicht und Kosten zu rechnen.Alternatively, it is also possible to realize a 3-range system in which the forward gear has three driving ranges. With this solution but would be expected again with more weight and cost.
Um die bestmögliche Ankopplung zwischen Schwungrad und Triebstrang zu realisieren, muss die entsprechende Drehzahldifferenz am Geringsten sein (idealerweise sollten diese 2 Drehzahlen identisch sein, also mit einem Ratio = 1 verbunden sein). Für die beste Fahrzeugbremsung und Energie-Zurückgewinnung muss durch eine variable Übersetzungsänderung die Schwungraddrehzahl erhöht werden, dafür ist also eine große Übersetzung ins Schnelle notwendig. Durch die schnelle Verstellung und den großen Spreizungsbedarf werden die Belastungen am Variator erhöht. Ein anderer wichtiger Punkt für die Steigerung der Effektivität ist die im Schwungradspeicher gespeicherte Energie wieder dem Triebstrang zur Verfügung zu stellen. Dafür muss auch der Verlauf mit den geringsten Verluste durchgeführt werden, ähnlich wie bei der Rekuperation: Start, Übersetzung, unendlich vom Schwungrad zum Triebstrang (Geared Neutral), Ende Übersetzung 1. Aber die Schwierigkeit ist es, mit geringem Aufwand feste schaltbare Übersetzungen zu realisieren, die in Kombination mit einem Variator die erforderlichen Bereichübersetzungen realisieren können. Dies ist mit der erfindungsgemäßen Lösung zum Beispiel durch feste Zahnradübersetzungen und Klauenschaltungen oder durch ein Planetengetriebe oder einen Ravigneaux-Planetensatz, beide in Kombination mit nassen Kupplungen oder Bremsen, möglich. In order to achieve the best possible coupling between the flywheel and the drive train, the corresponding speed difference must be the lowest (ideally these two speeds should be identical, ie connected to a ratio = 1). For the best vehicle braking and energy recovery must be increased by a variable ratio change the flywheel speed, so it is a large translation in the fast necessary. Due to the fast adjustment and the large spreading requirement, the loads on the variator are increased. Another important point for increasing efficiency is to restore energy stored in flywheel storage to the powertrain. For the course with the lowest losses must be carried out, similar to the recuperation: Start, translation, infinite from the flywheel to the powertrain (Geared Neutral), the end of
Alternativ kann es auch möglich sein, die erfindungsgemäße Lösung nicht als Hauptgetriebe zu verwenden (also nicht zwischen dem Motor und Rad), sondern als Zusatzlösung in Form eines Add-On Moduls, welcher direkt am Rad gekoppelt wird. Diese Möglichkeit vereinfacht den Regelungs-Aufwand zwischen Motor und Rad, aber ersetzt nicht das bestehende Getriebe des Triebstrangs. Diese Variante hätte den Vorteil, in bestehenden Triebsträngen untergebracht zu werden, besonders wenn als Hauptgetriebe kein CVT-Getriebe eingesetzt werden soll.Alternatively, it may also be possible not to use the solution according to the invention as the main transmission (ie not between the engine and the wheel), but as an additional solution in the form of an add-on module which is coupled directly to the wheel. This option simplifies the control effort between the engine and the wheel, but does not replace the existing transmission of the drivetrain. This variant would have the advantage of being accommodated in existing drive trains, especially if no CVT transmission is to be used as the main transmission.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles und zugehöriger Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment and associated drawings. Show it:
Die Antriebsbaugruppe weist gemäß
Getriebeeingangsseitig ist zum Motor
Transmission input side is to the engine
Am Ausgang der Schaltgruppe S wird die Leistung auf die Abtriebswelle
Die Doppelplanetenstufe
Der große Vorteil liegt zum Beispiel bei einer Anfahrt nur über das Schwungrad
In dieser Ausführung sind in der Schaltgruppe S eine erste Klauenkupplung
Wird die erste Klauenkupplung
Wird die erste Klauenkupplung
Erfolgt ein Schaltvorgang der zweiten Klauenkupplung
In den beiden Fahrbereichen F1 und F2 wird der gesamte Übersetzungsbereich des Variators
Zwischen beiden Fahrbereichen F1 und F2 ist dabei eine Zurückverstellung des Variators
Für den Rückwärtsgang ist es möglich, eine erste Klauenkupplung
Somit wäre es auch möglich, bei Rückwärtsfahrt auch zwei Geschwindigkeitsbereiche zu realisieren. Eine andere konstruktive Lösung wäre eine feste Stufe, um den Variator
Zur Realisierung von zwei Vorwärtsübersetzungen (eine ins Langsame – F1 – und eine ins Schnelle – F2 –) und einer Rückwärtsübersetzung (nur ins Langsame) sind auch andere konstruktive Lösungen der Schaltgruppe S möglich.In order to realize two forward translations (one to the slow F1 and one to the fast F2) and one reverse to the slower, other constructive solutions of the group S are also possible.
Die Darstellung einer Schaltgruppe S mit einem Planetensatz
Gemäß
Der Rotor des E-Motors kann ebenfalls durch eine Kupplung KM vom Rest des Triebstrangs abgekoppelt werden, um nicht immer seine Masse mitzuschleppen.The rotor of the electric motor can also be decoupled by a clutch KM from the rest of the driveline, so as not always mitzuschleppen its mass.
Die Energie des Schwungradspeichers SP, welcher ein Schwungrad
Alternativ ist es möglich, gemäß eines nicht dargestellten Ausführungsbeispiels den Schwungradspeicher direkt durch einen Elektromotor zu ersetzen.Alternatively, it is possible, according to an embodiment not shown the Flywheel storage directly by an electric motor to replace.
Der Variator weist bevorzugt ein Umschlingungsgetriebe mit Kette auf, kann aber auch als ein anderes System ausgeführt sein, zum Beispiel als Hydrostat. Als Hauptgetriebe wäre eine solche Lösung bezüglich des Wirkungsgrads jedoch schlechter.The variator preferably comprises a chain-wound belt drive, but may also be designed as another system, for example as a hydrostat. As a main transmission, however, such a solution would be inferior in terms of efficiency.
Durch die neuartige Antriebsbaugruppe ist es möglich, den Verbrauch des Kraftfahrzeuges (PKW oder LKW) in erheblichem Maß zu reduzieren, wodurch neue Maßstäbe hinsichtlich der Energieeffizienz geschaffen werden.Due to the novel drive assembly, it is possible to reduce the consumption of the motor vehicle (car or truck) to a considerable extent, creating new standards in terms of energy efficiency.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Motorengine
- 22
- Doppel-PlanetensatzDouble planetary gear set
- 33
- Schwungradflywheel
- 44
- Variatorvariator
- 55
- Ausgangswelleoutput shaft
- 66
- Abtriebswelleoutput shaft
- 77
- Achseaxis
- 88th
- Räderbikes
- 9.19.1
- erste Klauenkupplungfirst dog clutch
- 9.29.2
- zweite Klauenkupplungsecond dog clutch
- 9.39.3
- dritte Klauenkupplungthird claw clutch
- 9.49.4
- vierte Klauenkupplungfourth claw clutch
- 1010
- Wellewave
- 1111
- Differentialdifferential
- 2020
- Planetensatzplanetary set
- 3030
- Ravigneaux SatzRavigneaux set
- 4040
- Generatorgenerator
- 5050
- Batteriebattery
- F1F1
- Fahrbereichdriving range
- F2F2
- Fahrbereichdriving range
- KMKM
- MotortrennkupplungEngine separating clutch
- DD
- Vorwärtsrichtungforward direction
- E-MotorE-Motor
- Elektromotorelectric motor
- KSRKSR
- SchwungradtrennkupplungFlywheel clutch
- K1, KRK1, KR
-
Kupplungen des Planetensatzes
20 Couplings of the planetary gear set20 - K2, K1RK2, K1R
-
Kupplungen des Ravigneaux Satzes
30 Clutches of the Ravigneaux set30 - RR
- Rückwärtsrichtungreverse direction
- SS
- Schaltgruppeswitching group
- SPSP
- Schwungradspeicherflywheel energy storage
- U1U1
- erste Übersetzungsstufefirst translation stage
- U2U2
- zweite Übersetzungsstufesecond translation stage
- U3U3
- dritte Übersetzungsstufethird translation level
- Z1Z1
- erstes Zahnradfirst gear
- Z2Z2
- zweites Zahnradsecond gear
- Z3Z3
- drittes Zahnradthird gear
- Z4Z4
- viertes Zahnradfourth gear
- Z5Z5
- fünftes Zahnradfifth gear
- Z6Z6
- sechstes Zahnradsixth gear
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- WO 82/00270 A1 [0002, 0004] WO 82/00270 A1 [0002, 0004]
- DE 2515048 B2 [0002] DE 2515048 B2 [0002]
- WO 2007/138353 [0003] WO 2007/138353 [0003]
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