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Die Erfindung betrifft eine Luftfederung in einem Fahrzeug, etwa zwischen einer Karosserie und einem Fahrwerk oder zwischen Kabine und Rahmen bei einem LKW, mit einem Luftfederrollbalg aus elastomerem Material, welcher zwischen einem Luftfederdeckel und einem Luftfederkolben befestigt ist und unter Bildung einer Rollfalte an der Außenseite des Luftfederkolbens abrollt, wobei Luftfederdeckel, Luftfederrollbalg und Luftfederkolben einen unter Innendruck stehenden Arbeitsraum bzw. Federraum umschließen, wobei auf der Mantelwandung des Abrollkolbens Einrichtungen angeordnet sind, die abhängig vom Abrollweg durch den Luftfederbalg bzw. durch die Rollfalte betätigbar und zur Steuerung der Luftfeder verwendbar sind.
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In Luftfederungen/Luftfedersystemen für Fahrzeuge sind üblicherweise mehrere Luftfedern vorhanden, die über ein zentrales Steuergerät in Bezug auf das Sollniveau der Federung des Systems geregelt/gesteuert werden. Dazu erfassen dezentrale Sensoren die Zustandsgrößen, wie etwa die Federhöhe, die Lufttemperatur und den Druck innerhalb der Luftfedern und liefern die Istwerte an das genannte zentrale Steuergerät. Zur Einstellung des Niveaus, d.h. der Be- und Entlüftung des Arbeitsraumes auf den Sollwert betätigt das zentrale Steuergerät die einzelnen Aktoren des Luftfedersystems bzw. der einzelnen Luftfedern, d.h. die Ventile an den Federn und in den Ventilblöcken, den Kompressor, den Trockner etc. Es werden also bei den bekannten Systemen für den Betriebszustand der jeweiligen Luftfeder repräsentative Parameter über Sensoren ermittelt und als Signale an ein zentrales Steuergerät geleitet werden, welches die Aktoren des Luftfedersystems bzw. der Luftfedern abhängig von den ausgewerteten Signalen steuert.
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Nachteilig an diesem Stand der Technik ist beispielsweise der relativ hohe Aufwand für die Montage und die Verdrahtung der Sensoren mit dem zentralen Steuergerät. Von jedem einzelnen Sensor führt nämlich üblicherweise ein eigenes Kabel zu dem zentralen Steuergerät. Desweiteren ist es nachteilig, dass die Struktur der Zustandsüberwachung der Federung mit der Verdrahtung festliegt und sich nachträglich nur mit großem Aufwand ändern lässt.
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Luftfederungen, bei denen ohne zusätzlich eingebaute Sensoren im Fahrwerksraum direkt abhängig von der Bewegung der Rollfalte des Rollbalges eine Luftzufuhr oder Luftabfuhr in die Arbeitskammer beeinflusst wird bzw. eine Höhenregelung gesteuert wird, sind ebenfalls bekannt.
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So offenbart die
DE 42 43 530 C2 hierzu eine Luftfederung, bei der auf der Mantelwandung des Abrollkolbens von der Rollfalte betätigbare Drucksensoren oder kontakte in axialer Richtung angeordnet sind, deren Ausgangssignale der Höhenregelung zugeführt werden.
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In der
DE 101 305 07 A1 ist eine Luftfederung offenbart, bei der Sensorelemente in Form von Dehnungsmessstreifen oder Piezoelementen, die in einem Abrollbereich des Luftfederbalges angeordnet ist, elektrische Signal abgeben, wenn sie abhängig vom Abrollweg des Luftfederbalges verformt werden. Die Sensorelemente sind kaskadenförmig auf dem Abrollkolben angeordnet, so dass bei zunehmender Abrolltiefe immer mehr Elemente verformt werden. Die Ausgangssignale der Sensorelemente werden von der Auswerteelektronik und für Steuerungs- oder Regelungsvorgänge genutzt, beispielsweise für eine Anpassung der Charakteristik der Luftfeder durch Zuschalten eines Zusatzvolumens. Für die hier offenbarte Anordnung von Sensorelementen ist jedoch eine relativ aufwendige und sehr genaue Herstellung des Kolbens mit entsprechenden elektronischen Einbauten erforderlich.
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Für die Erfindung bestand daher die Aufgabe, eine vereinfachte Luftfederung mit selbsttätiger Regelung der Federhöhe auf ein Sollniveau bereitzustellen, bei der eine präzise Regelung/Steuerung abhängig von der Balgbewegung auf einfache Art ermöglicht, der Montageaufwand zur Leitungsverlegung für die Sensorik möglichst verringert und der Aufwand zur Herstellung vermindert wird.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Hauptanspruchs. Weitere vorteilhafte Ausbildungen sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Dabei sind innerhalb des Luftfederkolbens schaltbare Stellelemente zur Be- oder Entlüftung des Arbeitsraumes angeordnet. Die Stellelemente sind über am Umfang bzw. an der Mantelwandung des Luftfederkolbens angeordnete und als Taster oder Fühler ausgebildete Einrichtungen schaltbar, die durch den Luftfederbalg bzw. durch die abhängig von der Federhöhe auf dem Außenumfang des Luftfederkolbens abrollende Rollbalgfalte betätigbar sind.
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Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Stellelemente innerhalb des Luftfederkolbens und die abhängig von der Federhöhe durch die abrollende Rollbalgfalte betätigbaren Taster oder Fühler ist der Aufwand an Bauteilen und der benötigte Bauraum minimiert, es sind keine zusätzlichen Verbindungselemente (Schläuche, Kabel) zu räumlich im Fahrwerksraum verteilten Komponenten erforderlich, die Zeitkonstanten für das Regelverhalten sind durch die nahe beieinanderliegenden Bauteile optimal und es existiert kein baulicher Aufwand für externe elektronische Steuerung und Ventilblöcke.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, dass die Stellelemente als innerhalb des Luftfederkolbens angeordnete Wegeventile, vorzugsweise 2/2-Wegeventile, ausgebildet sind. Dies erlaubt eine sehr einfache Bauweise der einzelnen Teile, ohne die sichere Funktionsweise der Regelung zu beeinflussen.
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Ebenfalls eine sehr platzsparende erfindungsgemäße vorteilhafte Ausführung besteht darin, dass das Stellelement als ein innerhalb des Luftfederkolbens angeordnetes 3/3-Wegeventil zur jeweiligen Be- und Entlüftung des Arbeitsraumes ausgebildet ist. Ein solches Wegeventil kann über zwei in unterschiedlichen Höhen des Luftfederkolbens befindliche Taster oder Fühler geöffnet oder geschlossen werden.
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In gleichen Sinne wirkt eine weitere vorteilhafte Ausbildung, die darin besteht, dass die Stellelemente an der Innenwand eines hohl ausgebildeten Luftfederkolbens angeordnet sind und Taster oder Fühler aufweisen, die durch eine Öffnung der Kolbenwandung in den Abrollbereich der Rollbalgfalte reichen.
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Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass mindestens zwei auf Stellelemente wirkende Taster oder Fühler mit einem vertikalen Abstand in unterschiedlichen Höhen des Luftfederkolbens angeordnet sind.
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Die Taster oder Fühler sind dabei so angeordnet und verschaltet, dass die Rollfalte die Stellelemente/Ventile aktiviert, wenn die Federhöhe um einen kritischen Wert vom Sollniveau abweicht. Zwischen den kritischen Grenzen der Federhöhe, die durch die Lage der Fühler festgelegt sind, befindet sich dann ein sogenannter Totbereich, in dem der Luftfederbalg weder be- noch entlüftet wird.
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Bei der Einfederung bewegt sich die Rollfalte ausgehend von einer vorgegebenen Niveaulage am Kolben nach unten. Sobald die Federhöhe ihren unteren kritischen Wert erreicht, belastet die Rollfalte den vertikal unteren Taster oder Fühler, z. B. gegen die Kraft einer auf den Taster oder Fühler wirkenden Rückstellfeder. Das zugehörige und als Belüftungsventil ausgebildete Stellelement, das ohne Last (der Rollfalte) auf dem Taster oder Fühler geschlossen ist, öffnet und der Arbeitsraum wird belüftet, z.B. aus einem Drucktank oder über einen zugeschalteten Kompressor. In der Folge federt die Luftfeder aus und die Rollfalte rollt am Kolben nach oben, bis der Taster oder Fühler wieder entlastet und das Belüftungsventil geschlossen wird.
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Bei der Ausfederung bewegt sich die Rollfalte ausgehend von einer vorgegebenen Niveaulage nach oben. Sobald die Federhöhe ihren oberen kritischen Wert erreicht, entlastet sie den vertikal oberen Taster oder Fühler. Das zugehörige und als Entlüftungsventil ausgebildete Stellelement, das unter Last (der Rollfalte) auf dem Taster oder Fühler geschlossen ist, öffnet und der Arbeitsraum wird entlüftet. in der Folge federt die Luftfeder ein und die Rollfalte rollt am Kolben nach unten, bis der Taster oder Fühler wieder belastet und das Entlüftungsventil geschlossen wird.
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Bei der oben bereits beschriebenen Ausführung des Stellelementes als 3/3-Wegeventil wirken beide Taster oder Fühler auf dieses Ventil und bewirken das Be- oder Entlüften.
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Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass mechanische oder elektromechanische Taster oder Fühler vorgesehen sind, die jeweils auf mechanisch oder elektrisch betätigbare Ventile wirken. Bei mechanischer Betätigung vereinfacht sich die Bauweise, während bei elektrisch betätigten Ventilen sich die Taster und die Ventile räumlich voneinander getrennt anordnen lassen.
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Ebendiese Vorteile der räumlichen Trennung bestehen auch bei weiteren Ausbildungen, die darin bestehen, dass optische Taster oder Fühler vorgesehen sind, vorzugsweise lichtempfindliche Halbleiterschaltungen, die elektrische Signale erzeugen, die auf elektrisch betätigbare Ventile wirken, oder dass piezoelektrische, induktive oder kapazitive Taster oder Fühler vorgesehen sind, die elektrische Signale erzeugen, die auf elektrisch betätigbare Ventile wirken.
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Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass die Stellelemente als mit Vordruck beaufschlagte Stell- oder Servoventile ausgebildet sind. Dadurch wird ein beschleunigtes Ansprechverhalten der Ventile erreicht.
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Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist die Höhenregelung direkt in die Luftfederung bzw. in die Luftfeder integriert. Dadurch sinkt der Aufwand an Bauteilen. Hebel, Stütze und Drehwinkelgeber können entfallen. Die Komponenten der Regelung sind räumlich eng benachbart angeordnet und können auf kurzem Wege verbunden werden (elektrisch, pneumatisch). Die aufwendige externe elektronische Steuerung sowie externe Ventilblöcke werden durch eine einfache integrierte Elektronik ersetzt, z. B. durch ein 3/3-Wegeventil. Erforderliche Verbindungselemente (Schläuche, Kabel) sind kurz ausgeführt und zusätzliche Verbindungselemente sind nicht erforderlich, weil die Komponenten innerhalb des Luftfederkolbens angeordnet sind. Dadurch ergibt sich eine Verbesserung des Ansprechverhaltens. Diese Erfindung ist für alle Luftfedersysteme mit auf einem Kolben abrollendem Balg verwendbar, einschließlich Luftfeder-Dämpfer-Kombinationen oder Systeme, die mit Luft federn und dämpfen.
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Besonders geeignet sind die erfindungsgemäßen Luftfederungen für die Verwendung als Fahrzeugfederung, als Federung für einen Fahrzeugsitz oder als Federung einer LKW-Fahrerkabine, da in diesen Fällen nur ein geringer Bauraum zur Verfügung steht und die aufwendige Verlegung von Steuerleitungen und wartungsintensive zusätzliche außerhalb der Luftfederung eingebaute Sensorelemente vermieden werden.
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Anhand eines Ausführungsbeispiels soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen
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1 eine erfindungsgemäße Luftfederung
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2 ausschnittsweise eine weitere erfindungsgemäße Ausführung, bei der die Stellelemente als mit Vordruck beaufschlagte Wegeventile ausgebildet sind
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3 ausschnittsweise eine weitere erfindungsgemäße Ausführung, bei der die Stellelemente als elektrische Taster oder Fühler ausgebildet sind, die auf elektrisch betätigbare Ventile wirken
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4 eine weitere erfindungsgemäße Ausführung der in 3 dargestellten elektrisch betätigten Stellelemente als mit Vordruck beaufschlagte bzw. angesteuerte Ventile
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5 eine weitere erfindungsgemäße Ausführung, bei der die in 1 dargestellten 2/2-Wegeventile durch ein 3/3-Wegeventil ersetzt sind
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6 eine weitere erfindungsgemäße Ausführung mit piezoelektrischen, induktiven oder kapazitiven Tastern oder Fühlern, die elektrische Signale erzeugen, die auf eine elektrisch betätigbares 3/3-Wegeventil wirken und bei der eine elektronische Auswertung der Signale durch eine Regelungselektronik erfolgt.
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Die 1 zeigt den Abrollkolben 1 einer erfindungsgemäßen Luftfederung mit einem eine Rollbalgfalte 2 ausbildenden Luftfederrollbalg 3 aus elastomerem Material, wobei der Luftfederrollbalg 3 zwischen einem hier nicht näher dargestellten Luftfederdeckel und dem Luftfederkolben 1 befestigt ist und unter Bildung einer Rollfalte 2 an der Außenseite des Luftfederkolbens 1 abrollt. Luftfederdeckel, Luftfederrollbalg 3 und Luftfederkolben 1 umschließen einen unter Innendruck stehenden Arbeitsraum bzw. Federraum. Auf der Mantelwandung des Abrollkolbens sind Einrichtungen 7, 10 angeordnet, die abhängig vom Abrollweg durch den Luftfederrollbalg 3 bzw. durch die Rollfalte 2 betätigbar und zur Steuerung der Luftfeder verwendbar sind.
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Innerhalb des Luftfederkolbens ist mindestens ein schaltbares Stellelement zur Be- oder Entlüftung des Arbeitsraumes angeordnet, in der hier in der 1 dargestellten Ausführung zwei Stellelemente als innerhalb des Luftfederkolbens angeordnete 2/2-Wegeventile 8 und 11 zur jeweiligen Be- und Entlüftung des Arbeitsraumes.
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Die 2/2-Wegeventile 8 und 11 sind über die am Umfang bzw. an der Mantelwandung des Luftfederkolbens 1 angeordnete Taster oder Fühler 7 und 10 schaltbar, die durch die abhängig von der Federhöhe auf dem Außenumfang des Luftfederkolbens abrollende Rollbalgfalte 2 gegen den Druck der auf die Wegeventile wirkenden und die Ausgangsschaltstellung fixierenden Federn 9 und 12 betätigbar sind.
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Der Luftfederrollbalg 3 ist dabei am Luftfederkolben 1 durch einen Spannring 4 geklemmt oder mit einer konischen Abdichtung 5 mit Kern 6 befestigt. Alternativ kann er auch mit einem verschraubten oder anvulkanisierten Teller am Luftfederkolben 1 befestigt sein.
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Die Taster oder Fühler 7 und 10 sind so angeordnet und verschaltet, dass die Rollfalte die 2/2-Wegeventile 8 und 11 aktiviert, wenn die Federhöhe um einen kritischen Wert vom Sollniveau abweicht. Zwischen den kritischen Grenzen der Federhöhe, die durch die Lage der Taster oder Fühler 7 und 10 festgelegt sind, befindet sich ein sog. Totbereich, in dem der Arbeitsraum weder be- noch entlüftet wird.
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Bei der Einfederung bewegt sich die Rollfalte 2 ausgehend von einer vorgegebenen Niveaulage am Luftfederkolben 1 nach unten. Sobald die Federhöhe ihren unteren kritischen Wert erreicht, belastet die Rollfalte 2 den Taster oder Fühler 7 des unteren 2/2-Wegeventils 8 (Belüftungsventil) gegen die Kraft der Rückstellfeder 9. Das Wegeventil 8, das ohne Last auf dem Fühler 7 geschlossen ist, öffnet und der Arbeitsraum wird belüftet. In der Folge federt die Luftfeder aus und die Rollfalte 2 rollt am Luftfederkolben 1 nach oben, bis der Fühler 7 wieder entlastet und das 2/2-Wegeventil /Belüftungsventil 8 geschlossen wird.
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Bei der Ausfederung bewegt sich die Rollfalte 2 ausgehend von einer vorgegebenen Niveaulage am Luftfederkolben 1 nach oben. Sobald die Federhöhe ihren oberen kritischen Wert erreicht, entlastet sie den Taster oder Fühler 10 des oberen 2/2-Wegeventils 11 (Entlüftungsventil) gegen die Kraft seiner Rückstellfeder 12. Das 2/2-Wegeventil 11, das unter Last auf dem Taster oder Fühler 10 geschlossen ist, öffnet und der Arbeitsraum wird entlüftet. In der Folge federt die Luftfeder ein und die Rollfalte 2 rollt am Luftfederkolben 1 nach unten, bis der Taster oder Fühler 10 wieder belastet und das 2/2-Wegeventil /Entlüftungsventil 11 geschlossen wird.
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2 zeigt ausschnittsweise eine weitere erfindungsgemäße Ausführung, bei der die in 1 dargestellten und als 2/2-Wegeventile ausgebildeten Stellelemente als mit Vordruck beaufschlagte Wegeventile 13 und 14 ausgebildet sind.
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3 zeigt ausschnittsweise eine weitere erfindungsgemäße Ausführung, bei der die in 1 dargestellten Taster als elektrische Taster oder Fühler 15 vorgesehen sind, die auf elektrisch betätigbare Ventile 16 als Stellelemente wirken. Dadurch lassen sich die Taster und die Ventile räumlich voneinander getrennt anordnen.
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4 zeigt ausschnittsweise eine weitere erfindungsgemäße Ausführung, bei der die in 3 dargestellten elektrisch betätigten Ventile/Stellelemente als mit Vordruck beaufschlagte bzw. angesteuerte Ventile 17 ausgebildet sind.
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5 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Ausführung, bei der die in 1 dargestellten 2/2-Wegeventile durch ein 3/3-Wegeventil 18 ersetzt sind, mit welchem be- und entlüftet werden kann und welches in Mittelstellung geschlossen bleibt. Dadurch kann im Luftfederkolben 1 Bauraum gewonnen werden.
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6 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Ausführung, bei der piezoelektrische, induktive oder kapazitive Taster oder Fühler 19, 20 vorgesehen sind, die elektrische Signale erzeugen, die auf ein elektrisch betätigbares 3/3-Wegeventil 22 als Stellelement wirken. Hier erfolgt eine elektronische Auswertung der Signale der Taster 19, 20 durch eine Regelungselektronik 21, die aufgrund der Tastersignale dynamische Federvorgänge erkennt und das 3/3-Wegeventil 22 nur betätigt, wenn sich das mittlere Niveau signifikant ändert. Für diese Variante können, wie dargestellt, Taster oder Fühler verwendet werden, die mechanisch, elektrisch (auch piezoelektrisch), feldbasiert (induktiv, kapazitiv) oder optisch die Lage der Rollfalte melden können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Abrollkolben
- 2
- Rollbalgfalte
- 3
- Luftfederrollbalg
- 4
- Spannring
- 5
- Konische Abdichtung
- 6
- Kern
- 7
- Taster oder Fühler
- 8
- 2/2-Wegeventil (Belüftungsventil)
- 9
- Feder
- 10
- Taster oder Fühler
- 11
- 2/2-Wegeventil (Entlüftungsventil)
- 12
- Feder
- 13
- vordruckbeaufschlagtes Wegeventil
- 14
- vordruckbeaufschlagtes Wegeventil
- 15
- Taster oder Fühler
- 16
- elektrisch betätigbares Ventil
- 17
- vordruckbeaufschlagtes Ventil
- 18
- 3/3-Wegeventil
- 19
- piezoelektrische, induktive oder kapazitive Taster oder Fühler
- 20
- piezoelektrische, induktive oder kapazitive Taster oder Fühler
- 21
- Regelungelektronik
- 22
- 3/3-Wegeventil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4243530 C2 [0005]
- DE 10130507 A1 [0006]
