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Die Erfindung betrifft eine umschaltbare Freilaufeinrichtung, insbesondere für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges mit einem Außenring, einem Innenring und zwischen dem Außenring und dem Innenring wirksam angeordneten Klemmelementen.
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In Antriebssträngen für Kraftfahrzeuge werden umschaltbare Freilaufeinrichtungen eingesetzt. Im Speziellen ist eine Freilaufeinrichtung bekannt, welche in einem Planetengetriebe einer Riemenscheibe für einen Riemen-Starter-Generator das Getriebe überbrückt, indem die Freilaufeinrichtung das Moment direkt von einem Steg auf ein Sonnenrad des Planetengetriebes überträgt. Solche Freilaufeinrichtungen sind beispielsweise in der
DE 10 2012 213 024 A1 und der
DE 10 2012 214 556 A1 offenbart. Diese Freilaufeinrichtungen weisen einen Außenring, einen Innenring und mehrere zwischen dem Freilaufaußenring und dem Freilaufinnenring wirksame Klemmrollen auf. Dabei ist eine Umschalteinrichtung zwischen dem Freilaufaußenring und dem Freilaufinnenring angeordnet. Die Umschalteinrichtung ist als Rollenkäfig für die Klemmrollen ausgebildet.
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Insbesondere bei der Verwendung eines Elektromotors als Startergenerator, welcher im Zusammenspiel mit dem Verbrennungsmotor entweder im Generatorbetrieb oder im Boostbetrieb betätigt werden kann, haben die bekannten umschaltbaren Freilaufeinrichtungen den Nachteil, dass jeder Umschaltvorgang aktiv gesteuert werden muss, wobei das Umschalten beim Wechsel von dem Zug- zum Schubbetrieb des Verbrennungsmotors in einem sehr engen Zeitfenster erfolgen muss.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine umschaltbare Freilaufeinrichtung anzugeben, bei welcher der Umschaltvorgang automatisch erfolgt und die Klemmelemente so angesteuert werden, dass der Freilauf in eine Richtung (Generatorbetrieb) immer als Freilauf wirkt und die Gegenrichtung (Boostbetrieb) nach Bedarf zu- oder abgeschaltet werden kann.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass mindestens ein riegelähnliches Element in eine käfigähnliche Riegelaufnahmeeinrichtung eingreift, welche mit dem Außenring und/oder dem Innenring in einer Wirkverbindung steht, wobei die käfigähnliche Riegelaufnahmeeinrichtung mindestens einen Anschlag aufweist, an welchen das mindestens eine riegelähnliche Element angreift. Dies hat den Vorteil, dass die Freilaufeinrichtung in eine Richtung überholen kann, wenn die Klemmelemente daran gehindert werden, auf eine entsprechende Klemmeinrichtung aufzulaufen. Zum Sperren einer der beiden Klemmrichtungen greift das riegelähnliche Element in die käfigähnliche Riegelaufnahmeeinrichtung ein und bringt diese so in ihrer Mittelstellung zum Anschlag. Die zweite Richtung kann weiterhin als Freilauf funktionieren. Durch das Eingreifen des riegelähnlichen Elementes wird die Bewegung der käfigähnlichen Riegelaufnahmeeinrichtung und somit die Freilauffunktion einseitig beeinflusst.
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Vorteilhafterweise ist das riegelähnliche Element an dem Innenring gelagert und greift in die käfigähnliche Riegelaufnahmeeinrichtung ein, wobei die käfigähnliche Riegelaufnahmeeinrichtung mit den Klemmelementen gekoppelt ist. Mittels dieser Ausbildung wird ein zuverlässiges Sperren des Freilaufs in eine Richtung durch die Klemmelemente gewährleistet.
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In einer Ausgestaltung weisen die Klemmelemente an ihrer Innenkontur eine radiale Aufdickung auf, welche vorzugsweise mittig an einer symmetrischen ersten Rampenstruktur ausgebildet ist. Mittels dieser radialen Aufdickung wird die Stabilität gegen das Ausknicken der Klemmelemente erhöht und der Verschleiß aufgrund geringerer Pressung an den Innenring reduziert.
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In einer Variante ist das riegelähnliche Element hülsenähnlich ausgebildet und greift axial in die käfigähnliche Riegelaufnahmeeinrichtung ein, wobei die käfigähnliche Riegelaufnahmeeinrichtung reibschlüssig mit dem Außenring gekoppelt ist. Durch die reibschlüssige Verbindung kann die käfigähnliche Riegelaufnahmeeinrichtung die Bewegung des Außenringes, welcher mit dem Startergenerator gekoppelt ist, mit ausführen.
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Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zwei davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden.
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Es zeigt:
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1: Explosionsdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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2: perspektivische Schnittdarstellung des ersten Ausführungsbeispieles,
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3: ein erster Betriebszustand des ersten Ausführungsbeispieles,
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4: ein zweiter Betriebszustand des ersten Ausführungsbeispieles,
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5: ein dritter Betriebszustand des ersten Ausführungsbeispiels,
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6: Explosionsdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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7: Darstellung des Funktionsprinzips des zweiten Ausführungsbeispiels.
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Gleiche Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Freilaufeinrichtung 1 in Explosionsdarstellung dargestellt. Bei einer solchen Freilaufeinrichtung 1 handelt es sich um eine Vorrichtung, die einen Teil eines Antriebsstranges eines Kraftfahrzeuges von der Drehbewegung entkoppelt, wenn sich die Lastverhältnisse zwischen Verbrennungsmotor und Startergenerator verändern. Im konkreten Fall soll die Freilaufeinrichtung 1 in einem, nicht weiter dargestellten Planetengetriebe einer Riemenscheibe für einen Riemen-Starter-Generator eingesetzt werden, bei dem das Planetengetriebe durch die Freilaufeinrichtung 1 überbrückt wird, indem die Freilaufeinrichtung 1 das Moment direkt von einem Steg des Planetengetriebes auf ein Sonnenrad des Planetengetriebes überträgt und somit eine 1:1-Übersetzung vorliegt.
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Die Freilaufeinrichtung 1 umfasst dabei einen Außenring 2, welcher mit einem nicht weiter dargestellten Startergenerator verbunden ist, der als Elektromotor ausgebildet ist. Ein Innenring 3 ist mit der Kurbelwelle eines ebenfalls nicht weiter dargestellten Verbrennungsmotors verbunden. Zwischen Innenring 3 und Außenring 2 sind Klemmkörper 4 vorgesehen, die mittels Zapfen 14 an der käfigähnlichen Riegelaufnahmeeinrichtung 8 zueinander positioniert und mittels Drahtformfedern 5 vorgespannt sind. Die einzelnen Klemmkörper 4 weisen an ihrer Innenkontur eine symmetrisch ausgebildete Rampenstruktur 6 auf, in deren Mitte eine Aufdickung 7 ausgebildet ist. Zwischen dem Klemmkörper 4 und dem Außenring 2 ist eine käfigähnliche Riegelaufnahmeeinrichtung 8 positioniert. Ein Sicherungsring 9 sitzt in einer Nut in der Zentralbohrung des Innenringes 3 und sichert die riegelähnlichen Elemente 10, 11 in axialer Richtung. Zwei riegelähnliche Elemente 10, 11 sind jeweils von einer Feder 11a, 10a umgeben. Darüber hinaus ist ein Lager 12 vorgesehen, welches von einem Steuerring 13 umgeben ist.
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In die Zwischenräume zwischen den Klemmkörpern 4 sind Zapfen 16 der ansonsten ringförmig ausgebildeten, käfigähnlichen Riegelaufnahmeeinrichtung 8 eingebracht. Die käfigähnliche Riegelaufnahmeeinrichtung 8 ist dabei auf dem Innenring 3 drehbar gelagert und hält die Klemmkörper 4 in einer in Umfangsrichtung zueinander definierten Position. Durch die Drahtformfedern 5, die in die Zwischenräume der Klemmkörper 4 gespannt sind, werden die Klemmkörper 4 in Umfangsrichtung vorgespannt, wodurch sie sich mit einer leichten Vorspannung in eine Nut 15 des Außenrings 2 anlegen. Bei einer Verdrehung des Außenringes 2 zum Innenring 3 wird dadurch ein niedriges Pilotmoment erzeugt.
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Die Rampenstruktur 6 der Klemmkörper 4 kommen abhängig von der Drehrichtung des Außenringes 2 zum Innenring 3 jeweils auf einer zweiten Rampenstruktur 17 des Innenringes 3 zum Liegen. Bei der Umkehr der Dreh- bzw. Momentenrichtung wird ein gewisser Freiwinkel überstrichen, bevor die erste Rampenstruktur 6 des Klemmkörpers 4 mit der zweiten Rampenstruktur 17 des Innenringes 3 zur Anlage auf dem Innenring 3 kommt.
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In 2 ist eine perspektivische Schnittdarstellung der ersten erfindungsgemäßen Freilaufeinrichtung 1 dargestellt, wobei 2a die Freilaufeinrichtung 1 mit geöffnetem riegelähnlichem Element 10, 11 darstellt, während 2b die Freilaufeinrichtung 1 mit betätigtem riegelähnlichem Elementen 10, 11 zeigt. Gemäß 2a ist das, den Steuerring 13 tragende Lager 12 innerhalb des Innenringes 3 axial verschiebbar gelagert und dabei so angeordnet, dass sich das Lager 12 mit dem Steuerring 13 in einer vorderen Stellung innerhalb des Innenringes 3 befindet. Die riegelähnlichen Elemente 10, 11, welche radial in eine Ausnehmung 14 der käfigähnlichen Riegelaufnahmeeinrichtung 8 eingreifen, sind dabei von dem Steuerring 13 unbetätigt, so dass ein Luftspalt zwischen der käfigähnlichen Riegelaufnahmeeinrichtung 8 und dem jeweiligen riegelähnlichen Element 10, 11 vorhanden ist.
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Soll die erste Freilaufeinrichtung 1 nun in einer Richtung überholen, so müssen die Klemmkörper 4 daran gehindert werden, auf die zweite Rampenstruktur 17 des Innenringes 3 aufzulaufen. Dies wird dadurch erreicht, dass die käfigähnliche Riegelaufnahmeeinrichtung 8 in ihrer Mittelstellung gegen die riegelähnlichen Elemente 10, 11 fährt, welche mit dem Innenring 3 der Freilaufeinrichtung 1 formschlüssig verbunden sind. Die riegelähnlichen Elemente 10, 11 sind im Innenring 3 geführt und werden durch Federn 10a, 11a radial nach innen und somit auf den Steuerring 13 gedrückt. Durch eine axiale Verschiebung des Lagers 12 und somit des Steuerrings 13 werden die riegelähnliche Elemente 10, 11 in radialer Richtung nach außen bewegt und bilden so im betätigten Zustand den Anschlag für die käfigähnliche Riegelaufnahmeeinrichtung 8. Es ist auch vorstellbar, dass je nach Bauraum die Betätigung der riegelähnlichen Elemente 10, 11 nicht nur radial sondern auch axial oder auch in eine beliebige andere Richtung erfolgen kann. Wie in 2b dargestellt, greift dabei das riegelähnliche Element 10, 11 in die Ausnehmung 14 der käfigähnlichen Riegelaufnahmeeinrichtung 8. Die Betätigung des riegelähnlichen Elementes 10, 11 erfolgt dabei durch die axiale Bewegung des Lagers 12 mit dem Steuerring 13, welcher eine hintere Stellung innerhalb des Innenringes 3 einnimmt, d.h. sich axial aus dem Innenring 3 herausbewegt. Dabei presst der Steuerring 13 die riegelähnlichen Elemente 10, 11 in die Ausnehmung 14. Die Ausnehmung 14 ist dabei so gestaltet, dass in Sperrrichtung der Freilaufeinrichtung 1 ein ausreichend großer Luftspalt vorhanden ist, um eine Verdrehung der käfigähnlichen Riegelaufnahmeeinrichtung 8 mit den Klemmkörpern 4 zu erlauben und in Überholrichtung den Anschlag zum riegelähnlichen Element 10, 11 zu bilden.
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Bei der Anwendung eines Planetengetriebes in einer Riemenscheibe eines Riemen-Starter-Generators ergeben sich im Wesentlichen vier Betriebszustände: Bei einem Generatorbetrieb erfolgt der Momentenfluss von der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors über die Freilaufeinrichtung in den Startergenerator, wobei Energie in den Startergenerator geleitet wird und dieser als Lichtmaschine arbeitet. Das Planetengetriebe in der Riemenscheibe ist durch die Freilaufeinrichtung 1 festgesetzt bzw. überbrückt. Die Übersetzung beträgt 1:1. In einem Boostbetrieb als zweiten Betriebszustand erfolgt der Momentenfluss vom Startergenerator über die Freilaufeinrichtung 1 in die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors, wobei der Startergenerator den Verbrennungsmotor unterstützt. Die Freilaufeinrichtung 1 muss hierbei gegenüber der Drehmomentrichtung im Generatorbetrieb in die entgegengesetzte Richtung sperren. Das Planetengetriebe in der Riemenscheibe ist ebenfalls durch die Freilaufeinrichtung 1 festgesetzt. Ein dritter Betriebszustand besteht in dem Motor-Start, bei welchem der Momentenfluss vom Startergenerator über das Planetengetriebe in die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors erfolgt. Die Freilaufeinrichtung 1 muss hierbei in Boostrichtung deaktiviert sein, in Generatorrichtung würde die Freilaufeinrichtung überholen. Zur Standklimatisierung, welche als vierter Betriebszustand zu betrachten ist, treibt der Startergenerator über den Riemen den Klimakompressor bei stehender Kurbelwelle des Verbrennungsmotors an. Auch hier muss der Freilauf in Boostrichtung deaktiviert sein und in Generatorrichtung überholen.
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Diese verschiedenen Antriebsmöglichkeiten sollen an den folgenden Figuren näher erläutert werden. 3 zeigt dabei den Zustand der Freilaufeinrichtung 1, wenn durch den Startergenerator der Verbrennungsmotor gestartet werden soll, indem der Momentenfluss über das Planetengetriebe fließt, wobei der Freilauf in Boost-Richtung kein Moment überträgt und in Generator-Richtung überholt. Zu diesem Zweck sind die riegelähnlichen Elemente 10, 11 durch den Steuerring 13 in die Ausnehmung 14 ausgefahren, während die Klemmkörper 4 in die Nut 15 des Außenrings 2 eingreifen. Die käfigähnliche Riegelaufnahmeeinrichtung 8 wird somit in ihrer Mittelstellung fixiert und verhindert dadurch, dass die Klemmkörper 4 auf die Rampenstruktur 17 des Innenringes 3 auflaufen können. Aufgrund der Übersetzung des Planetengetriebes dreht der Außenring 2, der mit einer Riemenscheibe des Startergenerators verbunden ist, schneller als der Innenring 3, der mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors verbunden ist.
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In 4 ist der Zustand unmittelbar nach einem Start des Verbrennungsmotors dargestellt, bei welchem die Freilaufeinrichtung 1 in Generator-Richtung sperrt und ein Momentenfluss zwischen der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors und dem Startergenerator über den Freilauf gegeben ist. Auch in diesem Zustand sind die riegelähnlichen Elemente 10, 11 betätigt und das Lager 12 mit dem Steuerring 13 befindet sich in der hinteren Stellung (4a). Wie aus 4b jedoch erkennbar ist, gibt es einen Luftspalt zwischen dem riegelähnlichen Element 10 und dem Anschlag für die käfigähnliche Riegelaufnahmeeinrichtung 8. Die Klemmkörper 4 sind auf die Rampenstruktur 17 des Innenringes 3 aufgelaufen und übertragen das Moment vom Innenring zum Außenring.
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In 5 ist der Zustand der Freilaufeinrichtung 1 dargestellt, wenn sich dieser im Boostbetrieb befindet. Boostbetrieb bedeutet dabei, dass der Startergenerator den Verbrennungsmotor unterstützt. In diesem Fall klemmt die Freilaufeinrichtung 1 links, was dadurch bedingt ist, dass das Lager 12 mit dem Steuerring 13 axial in einer vorderen Stellung in den Innenring 3 hinein positioniert ist, wodurch die riegelähnlichen Elemente 10, 11 geöffnet werden und die käfigähnliche Riegelaufnahmeeinrichtung 8 freigegeben ist. Dies erlaubt, dass das Drehmoment am Außenring 2 mit der Drehrichtung des Verbrennungsmotors übereinstimmt und somit ein Momentenfluss vom Startergenerator über die Freilaufeinrichtung zur Kurbelwelle des Verbrennungsmotors auftritt.
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6 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Freilaufeinrichtung 18, welche einen Rollenfreilauf umfasst. Auch diese Freilaufeinrichtung 18 weist einen Innenring 3 und einen Außenring 2 auf. Die Klemmkörper sind dabei als Rollenkörper 19 ausgebildet, welche in einem Rollenkäfig 20 gelagert sind. Die käfigähnliche Riegelaufnahmeeinrichtung 8 der Freilaufeinrichtung 18 ist über die Rollenvorrichtung 19, 20 reibungsbehaftet mit dem Außenring 2 gekoppelt. Zusätzlich kann die käfigähnliche Riegelaufnahmeeinrichtung 8 über eine zusätzliche Reibeinrichtung 26, bestehend aus einer Reiblamelle, zweier Anpressplatten und einer Tellerfeder, reibungsschlüssig mit dem Außenring verbunden sein. Dies ermöglicht ein selbstständiges Umschalten der Klemmrollen 19 bei Momenten- oder Drehrichtungsumkehr. Weiter ist die käfigähnliche Riegelaufnahmeeinrichtung 8 an einer Seite radial nach innen geführt und besitzt an ihrer Innenfläche laschenförmige Anschläge 21. Ein zylinderförmig ausgebildetes riegelähnliches Element 22 weist in Umfangsrichtung wirkende Anschläge 23 auf, die der käfigähnlichen Riegelaufnahmeeinrichtung 8 zugewandt sind. Durch eine axiale Verschiebung des zylinderförmigen riegelähnlichen Elementes 22 werden die Anschläge 21 der käfigähnlichen Riegelaufnahmeeinrichtung 8 mit den Anschlägen 23 des riegelähnlichen Elementes 22 in Kontakt gebracht, wie es in den 7a, 7b dargestellt ist. Das zylinderförmige riegelähnliche Element 22 wird auch hierbei durch ein Lager 12 betätigt, welches axial verschieblich angeordnet ist. 7a zeigt dabei die zweite Freilaufeinrichtung 18 mit betätigtem riegelähnlichem Element 22, bei welchem sich der Anschlag 23 des riegelähnlichen Elementes 22 und der Anschlag 21 der käfigähnlichen Riegelaufnahmeeinrichtung 8 berühren. In 7b ist das riegelähnliche Element 22 geöffnet, wobei sich ein Luftspalt zwischen dem Anschlag 21 der käfigähnlichen Riegelaufnahmeeinrichtung 8 und dem Anschlag 23 des zylinderförmigen riegelähnlichen Elementes 22 ausbildet.
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Das riegelähnliche Element 22 seinerseits ist im Innenring 3 geführt und über eine Verdrehsicherung 24 gegen Verdrehung gesichert (6). Die Verdrehsicherung 24, die axial an der Außenoberfläche des riegelähnlichen Elementes 22 ausgebildet ist, greift dabei in eine Nut 25 ein, welche an der Innenoberfläche des Innenrings 3 ebenfalls axial ausgebildet ist. Durch diese Ausgestaltung ist es möglich, dass die käfigähnliche Riegelaufnahmeeinrichtung 8 gegenüber dem Innenring 3 in seiner Mittelstellung anschlägt, um ein Überholen der zweiten Freilaufeinrichtung 18 in eine Richtung zu ermöglichen bzw. das selbstständige Umschalten zu unterbinden.
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Bei beiden vorgeschlagenen Varianten besteht die Möglichkeit den Anschlag nicht nur in eine Richtung wirken zu lassen. Es können auch zwei Anschläge eingebracht werden, die unabhängig voneinander geschaltet werden können und so die erste, zweite oder beide Richtungen blockieren können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Freilaufeinrichtung
- 2
- Außenring
- 3
- Innenring
- 4
- Klemmelement
- 5
- Drahtformfeder
- 6
- Rampenstruktur
- 7
- Aufdickung
- 8
- Käfigähnliche Riegelaufnahmeeinrichtung
- 9
- Sicherungsring
- 10
- Riegelähnliches Element
- 11
- Riegelähnliches Element
- 12
- Lager
- 13
- Steuerring
- 14
- Ausnehmung
- 15
- Nut
- 16
- Zapfen
- 17
- Rampenstruktur
- 18
- Freilaufeinrichtung
- 19
- Rollenkörper
- 20
- Rollenkäfig
- 21
- Anschlag
- 22
- riegelähnliches Element
- 23
- Anschlag
- 24
- Verdrehsicherung
- 25
- Nut
- 26
- Reibeinrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012213024 A1 [0002]
- DE 102012214556 A1 [0002]
