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Die Erfindung betrifft eine Lenkhilfevorrichtung mit einem Motor zur Bereitstellung eines Lenkhilfsmoments sowie einer Vorrichtung zur Lagesensierung, insbesondere für Lenkhilfevorrichtungen mit einem Motor, der konzentrisch um ein drehbar gelagertes Element eines Lenksystems angeordnet ist. Bei dem drehbar gelagerten Element kann es sich beispielsweise um die Lenksäule handeln oder um eine Zahnstange bzw. Kugelgewindespindel an einer Vorderachse eines Fahrzeuges, die über ein Ritzel bzw. einen Kugelgewindetrieb angetrieben ist.
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EP 2 192 023 A1 ist eine elektromechanische Servolenkung mit Kugelgewindetrieb bekannt, die einen als Hohlwellenmotor bezeichneten, konzentrisch um eine Kugelgewindespindel angeordneten Elektromotor umfasst. Der Elektromotor treibt über ein zwischengeschaltetes Umlaufrädergetriebe die Kugelgewindemutter und diese die Kugelgewindespindel an. Hinweise zu einer Lagesensierung sind der
EP 2 192 023 A1 nicht zu entnehmen.
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DE 10 2009 039 164 A1 ist eine Lenkvorrichtung zum Einstellen eines Radeinschlagwinkels eines Rades eines Kraftfahrzeuges bekannt, die ein Radführungsglied umfasst, welches anstelle einer Spurstange an der Hinterachse eines Kraftfahrzeuges eingesetzt werden kann. Bei dem Radführungsglied ist einen Elektromotor konzentrisch in Verlängerung eines Kugelgewindetriebs angeordnet, dessen Kugelgewindemutter unter Zwischenschaltung eines Umlaufrädergetriebes angetrieben wird. Eine Lagesensierung erfolgt bei dieser Lenkvorrichtung über einen axial am Elektromotor angebrachten Lagesensor.
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GB 2 198 098 A ist eine Hinterradlenkvorrichtung mit Kugelgewindetrieb eines mit vier lenkfähigen Rädern ausgestatteten Fahrzeugs bekannt. Bei dieser Lenkvorrichtung treibt ein konzentrisch um eine Kugelgewindespindel angeordneter Elektromotor unter Zwischenschaltung eines Umlaufrädergetriebes die Kugelgewindemutter des Kugelgewindetriebes an. Eine Lagesensierung erfolgt über eine in axialer Richtung zum Elektromotor beabstandete separate Vorrichtung mit einem Metallkern und um den Metallkern angeordnete Spulen.
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DE 38 36 255 A1 ist ein Stellelement zum Verstellen von Hinterrädern eines Kraftfahrzeuges bekannt, das einem Elektromotor umfasst, welcher unter Zwischenschaltung eines Umlaufrädergetriebes eine Kugelgewindemutter eines Kugelgewindetriebes antreibt. Mittel zur Lagesensierung sind in Verbindung mit diesem Stellelement nicht offenbart.
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In den vorstehend genannten Druckschriften wird nur teilweise Bezug genommen auf Mittel zur Lagesensierung. Die beschriebenen Mittel sind teilweise sehr umständlich und damit kostenintensiv und/oder sie benötigen zusätzlichen Bauraum. Die in
DE 10 2009 039 164 A1 beschriebene Möglichkeit zur Lagesensierung lässt sich ferner nicht realisieren, wenn der Elektromotor konzentrisch um ein Element eines Lenksystems angeordnet ist und weder der Motor noch das vom Motor angetriebene koaxial angeordnete Element axial zugänglich sind. Dies ist insbesondere bei bekannten Vorderradlenkungen der Fall, wenn der Motor koaxial um eine Kugelgewindespindel angeordnet ist und an den Enden der Kugelgewindespindel Fahrzeugräder aufgenommen sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lenkhilfeeinrichtung mit Motor und eine Vorrichtung zur Lagesensierung zur Verfügung zu stellen, die einfach und kostengünstig herstellbar ist, möglichst wenig Bauraum benötigt und auch für Motoren geeignet ist, die konzentrisch um ein drehbar gelagertes, als Welle ausgebildetes Element angeordnet sind, dessen Wellenenden nicht für die Anordnung eines Sensors geeignet sind.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Eine erfindungsgemäße Lenkhilfeeinrichtung umfasst einen Motor sowie eine Vorrichtung zur Lagesensierung, wobei der Motor konzentrisch um ein Element eines Lenksystems angeordnet ist. Mit anderen Worten ausgedrückt, ist das vorstehend genannte Element des Lenksystems durch den Motor hindurchgeführt. Der Motor einer erfindungsgemäßen Lenkhilfevorrichtung umfasst ferner mindestens ein drehbar gelagertes Antriebselement, das in direkter oder indirekter Wirkverbindung mit dem vorstehend genannten Element des Lenksystems steht, welches dazu dient, ein Lenkhilfsmoment zur Verfügung zu stellen. Unter einer direkten Wirkverbindung wird eine unmittelbare Verbindung verstanden. Eine indirekte Wirkverbindung meint eine mittelbare Verbindung über eines oder über mehrere Zwischenglieder (z. B. Zahnräder). Wichtig ist, dass eine Bewegung des Antriebselements des Motors (beispielsweise eine Bewegung eines Rotors eines Elektromotors) zu einer Bewegung des Elements des Lenksystems (beispielsweise der Kugelgewindemutter eines Kugelgewindetriebs) führt. Eine erfindungsgemäße Lenkhilfeeinrichtung kann besonders vorteilhaft in Verbindung mit Lenkhilfesystemen eingesetzt werden, in welchen beide Wellenenden des durch den Motor hindurch geführten Elements des Lenksystems konzeptbedingt nicht für Messeinrichtungen zur Verfügung stehen. Dies ist insbesondere bei als Rack Concentric Electric Power Steering bezeichneten Lenksystemen der Fall, kann jedoch auch bei lenksäulenbasierten Lenkkonzepten der Fall sein. In diesen Fällen werden in der Praxis bislang üblicherweise relativ komplizierte und teure Resolver eingesetzt. Bei der erfindungsgemäßen Ausbildung steht das Antriebselement ferner in Wirkverbindung mit einem drehbar gelagerten Wellenelement mit mindestens einem frei zugänglichen axialen Wellenende, wobei an dem frei zugänglichen axialen Wellenende mindestens ein Element einer Vorrichtung zur Lagesensierung angeordnet ist. Dies ermöglicht es, eine Lagesensierung unabhängig von einem Resolver an dem frei zugänglichen axialen Wellenende durchzuführen. Eine derartige Lagesensierung ist wesentlich einfacher und kostengünstiger als eine Lagesensierung mit einem Resolver. Ferner wird für eine derartige Lagesensierung nur wenig Bauraum benötigt.
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In einer praktischen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Lenkhilfeeinrichtung ist das Wellenelement ein Element eines Getriebes, mittels welchem eine direkte oder indirekte Wirkverbindung zwischen dem Antriebselement des Motors und dem Element des Lenksystems hergestellt wird. Diese Ausführungsform ist insbesondere dann besonders vorteilhaft, wenn ein Getriebe zwischen dem Antriebselement des Motors und dem Element des Lenksystems ohnehin bereits vorhanden oder erforderlich ist, um eine geeignete Übersetzung oder Untersetzung zur Verfügung zu stellen. In diesem Fall ist es für eine erfindungsgemäße Ausbildung eines entsprechenden Lenksystems lediglich erforderlich, das – in den meisten Fällen vermutlich bereits vorhandene – freie Wellenende eines Getriebegliedes mit einem Element einer Vorrichtung zur Lagesensierung zu versehen.
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Als ein Element des Lenksystems einer erfindungsgemäßen Lenkhilfeeinrichtung kommen insbesondere ein Teil der Lenksäule eines Kraftfahrzeuges oder eine Kugelgewindespindel eines Kugelgewindetriebes in Frage. An diesen Elementen werden Lenkhilfevorrichtungen aktuell bei vielen Kraftfahrzeugen angeordnet. Die Erfindung betrifft insbesondere Vorderradlenkungen von Kraftfahrzeugen mit Zahnstangen bzw. Kugelgewindespindeln, deren Wellenenden aufgrund der Anordnung der Räder kein Bauraum für eine Vorrichtung zur Lagesensierung vorhanden ist. Eine erfindungsgemäße Lenkhilfeeinrichtung eignet sich jedoch ebenfalls für die Verwendung in Hinterradlenkungen.
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Ein aus der Praxis bekanntes Getriebe zur Verbindung eines Motors mit einem Element eines Lenksystems ist ein Umlaufrädergetriebe. Ein derartiges Getriebe kann mit einer erfindungsgemäßen Lenkhilfeeinrichtung insbesondere dann besonders vorteilhaft kombiniert werden, wenn das mindestens eine Element der Vorrichtung zur Lagesensierung an einem Wellenende eines Planetenrades angeordnet ist. Da Umlaufrädergetriebe üblicherweise mehrere Planetenräder umfassen, die alle stets die gleiche Drehgeschwindigkeit aufweisen, kann durch Anordnung mehrerer Elemente zur Lagesensierung die Auflösung der Vorrichtung zur Lagesensierung bei dieser Ausführungsform besonders einfach erhöht werden. Die Anordnung eines dem Element (z. B. Permanentmagnet) der Vorrichtung zur Lagesensierung beabstandet gegenüberliegenden Sensors ist besonders leicht zu realisieren, wenn das Planetenrad an einem feststehend angeordneten Planetenträger drehbar angeordnet ist. In diesem Fall ist sichergestellt, dass alle Planetenräder ortsfest drehen, so dass ein Sensor einfach gehäusefest angeordnet werden kann und insbesondere nicht der kreisenden Bewegung eines Planetenträgers und des daran rotierenden Planetenrades folgen muss.
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In einer weiteren praktischen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lenkhilfeeinrichtung steht ein drehbar gelagertes Wellenelement mit Vorrichtung zur Lagesensierung derart in Wirkverbindung mit dem Antriebselement des Motors, dass die elektrische Drehzahl des Motors mit der Drehzahl des Wellenelements mit Vorrichtung zur Lagesensierung übereinstimmt. Durch die Auswahl geeigneter Zähnezahlen und Geometrien der Zahnräder des Umlaufrädergetriebes beispielsweise kann die Drehzahl der Planetenräder auf die elektrische Drehzahl des als Antriebselement dienenen Rotors eines Elektromotors abgestimmt werden. In diesem Fall stimmt die mechanische Drehzahl der Planetenräder (bzw. deren ermittelte Position) jederzeit mit der elektrischen Drehzahl des Motors (bzw. dessen Position) überein, so dass das Messergebnis der Vorrichtung zur Lagesensierung nicht umgerechnet werden muss, um die Position des Rotors des Elektromotors zu ermitteln. Separate Rechenprozesse mit Hilfe von Prozessoren sind daher in diesem Fall nicht erforderlich, was Laufzeitvorteile im Vergleich zu Ausführungsformen hat, die eine Umrechnung zwischen der elektrischen Drehzahl (bzw. Position) und der erfassten mechanischen Drehzahl (bzw. Position) eines Wellenelements erfordern (z. B. die mit einer Vorrichtung zur Lagesensierung ermittelte Drehzahl/Position eines Planetenrades).
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Besonders einfach und kostengünstig kann die Lagesensierung erfolgen, wenn die Vorrichtung zur Lagesensierung ein magnetischer Winkelsensor ist. Das Grundprinzip eines magnetischen Winkelsensors basiert auf einem Permanentmagneten, der als Signalgeber ein stationäres magnetisches Feld erzeugt. Das eines oder mehrere magnetfeldabhängige Bauteile durchsetzt. Im vorliegenden Fall bietet es sich daher an, als Signalgeber einer Vorrichtung zur Lagesensierung einen Permanentmagneten, bevorzugt einen Bipolarmagneten, auf dem axialen Wellenende des mindestens einen Wellenelements anzuordnen.
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Mit Hilfe eines in axialer Richtung in Verlängerung des frei zugänglichen Wellenendes gegenüber des Signalgebers angeordneten Sensors, insbesondere im Bereich der Drehachse des Wellenelements, kann dann die aktuelle Position des Wellenelements und damit mittelbar die aktuelle Position des Motors auf einfache und kostengünstige Weise ermittelt werden. Als Sensor sind insbesondere ein Hall-Sensor oder ein magnetoresistiver Sensor (MR-Sensor) geeignet. Ein Hall-Sensor misst die magnetische Flussdichte und somit die Intensität des Magnetfeldes. Ein MR-Sensor misst den Verlauf des Magnetfeldes, d. h. die Ausrichtung der magnetischen Feldlinien. Vorrichtungen zur Lagesensierung mit beiden Sensortypen sind im Vergleich zu den eingangs erwähnten, aus dem Stand der Technik bekannten Resolverlösungen deutlich kostengünstiger. Im direkten Vergleich der beiden Sensortypen ist der MR-Sensors günstiger als der Hall-Sensor.
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Weitere praktische Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung sind nachfolgend im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
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1 eine Lenkhilfeeinrichtung mit Motor, Umlaufrädergetriebe und Kugelgewindetrieb in einer schematischen Schnittdarstellung
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2 ein Umlaufrädergetriebe einer erfindungsgemäßen Lenkhilfeeinrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform in einer schematischen Darstellung und
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3 ein Antriebselement eines Motors einer erfindungsgemäßen Lenkhilfeeinrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform in einer schematischen Darstellung.
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1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Lenkhilfeeinrichtung 10 mit einer Kugelgewindespindel 12 eines Kugelgewindetriebes 14 mit Kugelgewindemutter 16, einem Umlaufrädergetriebe 18 und einem Motor 20. Das Umlaufrädergetriebe 18 und der Motor 20 sind vollständig innerhalb eines zylindrischen Gehäuses 22 angeordnet, das auf der linken Seite durch einen linken Gehäusedeckel 24 und auf der rechten Seite durch einen rechten Gehäusedeckel 26 verschlossen ist. Die Steigung der gezeigten Kugelgewindespindel 12 beträgt 7 mm/Umdrehung. Bevorzugte Steigungen für die Kugelgewindespindel 12 sind 5 mm/Umdrehung bis 10 mm/Umdrehung. Es können jedoch auch größere oder kleinere Steigungen verwendet werden.
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Der linke Gehäusedeckel 24 erstreckt sich in axialer Richtung derart, dass er den Kugelgewindetrieb 14 in axialer Richtung vollständig überdeckt. Dadurch sind der Motor 20, das Umlaufrädergetriebe 18 und der Kugelgewindetrieb 14 von dem Gehäuse 22 und den fest mit dem Gehäuse verbundenen Gehäusedeckeln 24, 26 in axialer Richtung vollständig umschlossen und somit geschützt angeordnet. Der rechte Gehäusedeckel 26 ist als Lagerschild ausgebildet. Der Außendurchmesser des Gehäuses 22 der gezeigten Ausführungsform beträgt 90 mm. Bevorzugte Außendurchmesser des Gehäuses 22 sind 50 mm bis 150 mm.
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Von dem Motor 20 sind in 1 nur der Rotor 28 und der Stator 30 dargestellt, wobei der Rotor 28 das drehbar gelagerte Antriebselement 52 des Motors 20 ist.
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Das Umlaufrädergetriebe 18 besteht aus einem Planetenträger 32 mit mehreren Planetenrädern 34, einem Sonnenrad 36 und einem Hohlrad 38. Der Planetenträger 32 ist drehfest mit dem Rotor 28 des Motors 20 verbunden. Das Hohlrad 38 ist drehfest in dem zylindrischen Gehäuse 22 angeordnet. Das Sonnenrad 36 ist drehfest mit der Kugelgewindemutter 16 verbunden.
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Die Kugelgewindemutter 16 ist über ein Hauptlager 40 axialfest, aber drehbar gelagert. Die Kugelgewindespindel 12 ist rechts und links des Gehäuses 22 durch Manschetten 42, 44 vor äußeren Einflüssen geschützt.
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Erhält der Motor 20 über den im rechten Gehäusedeckel 26 integrierten Lagerschild ein entsprechendes Signal, wird über den Rotor 28 und den drehfest mit diesem verbundenen Planetenträger 32 ein Drehmoment in das Umlaufrädergetriebe 18 eingeleitet und über dieses weiter an die Kugelgewindemutter 16 übertragen. Die axialfest angeordnete Kugelgewindemutter 16 dreht sich und bewirkt in bekannter Art und Weise über die in dem Kugelgewindetrieb 14 angeordneten Kugeln 46 und die nur angedeutete Kugelumlenkung 50 eine Verschiebung der Kugelgewindespindel 12 gemäß dem Pfeil 48.
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Eine wie in 1 gezeigte Lenkhilfevorrichtung kann erfindungsgemäß insbesondere wie in 2 gezeigt ausgebildet werden. Dabei wird an dieser Stelle ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die konkrete Ausführungsform aus 1 nicht erforderlich ist. Die in 1 gezeigte Ausführungsform dient lediglich der Veranschaulichung einer Gestaltungsvariante eines Lenksystems mit einem Motor 20, der konzentrisch um ein Element eines Lenksystems (hier: der Kugelgewindespindel 12) angeordnet ist und der (hier: über das Umlaufrädergetriebe 14) in Wirkverbindung mit dem Element des Lenksystems steht, um ein Lenkhilfsmoment zur Verfügung zu stellen (hier: durch Drehen der Kugelgewindemutter 16).
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2 zeigt ein Umlaufrädergetriebe 18, das beispielsweise Teil eines Lenkhilfesystems 10 sein kann, wie es in 1 gezeigt ist. Für das Sonnenrad 36, die Planetenräder 34a, 34b, 34c und das Hohlrad 38 werden daher im Folgenden für identische oder zumindest funktionsgleiche Elemente die gleichen Bezugszeichen wie in 1 verwendet. Nichtsdestotrotz sei an dieser Stelle ausdrücklich darauf hingewiesen, dass ein Umlaufrädergetriebe 18 erfindungsgemäß auch anders als in 1 gezeigt ausgebildet werden kann. Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform ist an dem als drehbar gelagertes Wellenelement 56 dienenden Planetenrad 34a ein Permanentmagnet (nicht gezeigt) derart angeordnet, dass der Permanentmagnet mit der gleichen Drehzahl rotiert wie das Planetenrad. Vorzugsweise ist der Permanentmagnet symmetrisch zur Drehachse angeordnet. Dazu ist konstruktiv sicherzustellen, dass der Permanentmagnet an dem Planetenrad 34a und nicht etwa an dem in 2 nicht dargestellten Planetenträger befestigt ist. Gegenüber des Planetenrades 34a ist in axialer Richtung in Verlängerung des Planetenrades gegenüber des freien Wellenendes 60 ein MR-Sensor 54 angeordnet. Durch diese Anordnung kann die Lage des Rotors 28 innerhalb des Stators 30 auf einfache und kostengünstige Art und Weise detektiert und für die Kommutierung des Motors 20 genutzt werden.
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3 zeigt eine andere, besonders einfache Ausführungsform eines als Antriebselement 52 dienenden Rotors 28 eines Motors (nicht dargestellt) und eines mit diesem kämmenden Wellenelements 56, das als einfaches Zahnrad 62 ausgebildet ist. An dem freien Wellenende 60 des Wellenelements 56 ist ein Bipolarmagnet (nicht gezeigt) wiederum so angeordnet, dass er mit der gleichen Drehzahl rotiert wie das Wellenelement 56. Vorzugsweise ist der Permanentmagnet symmetrisch zur Drehachse des Wellenelements 56 angeordnet. In axialer Verlängerung zu dem Wellenelement 56 ist gegenüber des freien Wellenendes 60 ein Hall-Sensor 58 angeordnet. Durch diese Anordnung kann die Lage des als Antriebselement 52 dienen Rotors 28 innerhalb eines Stators (in 3 nicht gezeigt) eines Elektromotors (in 3 nicht gezeigt) auf einfache und kostengünstige Art und Weise detektiert und für die Kommutierung des Motors (in 3 nicht gezeigt) genutzt werden.
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Die in der vorliegenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Sie kann im Rahmen der Ansprüche und unter Berücksichtigung der Kenntnisse des zuständigen Fachmanns variiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Lenkvorrichtung
- 12
- Kugelgewindespindel
- 14
- Kugelgewindetrieb
- 16
- Kugelgewindemutter
- 18
- Umlaufrädergetriebe
- 20
- Motor
- 22
- zylindrisches Gehäuse
- 24
- linker Gehäusedeckel
- 26
- rechter Gehäusedeckel
- 28
- Rotor
- 30
- Stator
- 32
- Planetenträger
- 34
- Planetenrad
- 36
- Sonnenrad
- 38
- Hohlrad
- 40
- Hauptlager
- 42
- Manschette
- 44
- Manschette
- 46
- Kugel
- 48
- Pfeil
- 50
- Kugelumlenkung
- 52
- Antriebselement
- 54
- MR-Sensor
- 56
- Wellenelement
- 58
- Hall-Sensor
- 60
- freies Wellenende
- 62
- Zahnrad
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2192023 A1 [0002, 0002]
- DE 102009039164 A1 [0003, 0006]
- GB 2198098 A [0004]
- DE 3836255 A1 [0005]
