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Die Erfindung betrifft einen Aktuator, wie insbesondere einen Druckaktuator oder einen Unterdruckaktuator, zur Betätigung eines bewegbaren Elements, insbesondere eines Kraftfahrzeugs.
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Aktuatoren zur Betätigung eines bewegbaren Elements sind im Stand der Technik vielfältig bekannt. Durch die
DE 10 2005 029 904 A1 ist ein Aktuator als Unterdruckdose bekannt geworden, bei welchem Unterdruck appliziert wird, um ein bewegbares Element betätigen zu können. Die Unterdruckdose weist dabei ein Gehäuse mit einem durch das Gehäuse geführten Stößel auf, wobei an dem Stößel und an dem Gehäuse eine Membran angebunden ist, welche zusammen mit dem Gehäuse einen gasdichten Druckraum ausbildet, welcher mit einem definierten Unterdruck beaufschlagbar ist. Dadurch wird die Membran verformt und so der mit der Membran verbundene Stößel verlagert. Dadurch kann ein an dem Stößel angelenktes bewegbares Element verlagert werden.
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Bei solchen Unterdruckdosen ist es zum Teil auch bekannt, dass in der Unterdruckdose eine Feder angeordnet ist, welche sich zwischen dem Stößel und dem Gehäuse abstützt und den Stößel in einer nicht mit einem Unterdruck beaufschlagten Betriebssituation in eine definierte Endstellung beaufschlagt. Wird dann der Unterdruck appliziert, so wird der Stößel entgegen der Rückstellkraft der Feder verlagert. Eine solche Unterdruckdose ist beispielsweise auch durch die
EP 2 199 565 B1 bekannt geworden.
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Dabei ist es sehr schwierig, den Stößel in einer Zwischenposition einzustellen, weil dann der Unterdruck gegen die Rückstellkraft der Feder ausbalanciert werden muss, was auf die Dauer nur sehr schwierig zu erreichen ist, weil Schwankungen in der Unterdruckversorgung zu Schwankungen im Kräftegleichgewicht zwischen der Kraft auf den Stößel aufgrund des Unterdrucks und der Federkraft auf den Stößel führen.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Aktuator zu schaffen, der einfach aufgebaut ist und dennoch eine gute Einstellbarkeit eines bewegbaren Elements, auch in einer Zwischenstellung zwischen zwei Endstellungen, erlaubt.
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Die Aufgabe wird mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft einen Aktuator, wie insbesondere einen Druckaktuator oder einen Unterdruckaktuator, mit einem Gehäuse und mit einem aus dem Gehäuse geführten Stößel, mit einer Membran, welche mit dem Gehäuse und mit dem Stößel verbunden ist, wobei die Membran mit dem Gehäuse einen gasdichten Druckraum ausbildet, wobei an dem Gehäuse ein Druckmittelanschluss vorgesehen ist, welcher mit dem Druckraum kommuniziert, um den Druckraum druckbeaufschlagen zu können, wobei an dem Stößel ein Bremselement vorgesehen ist, mittels welchem eine ansteuerbare Bremskraft auf den Stößel ausübbar ist, wobei das Bremselement ein magnetorheologisches Bremselement ist, welches durch eine Ansteuerung eines Magnetfelds eine steuerbare Bremskraft auf den Stößel erzeugt, wobei das magnetorheologische Bremselement ein sich unter Magnetfeldeinwirkung ausdehnendes Element ist, welches im ausgedehnten Zustand auf den Stößel eine Bremskraft ausübt. Dadurch wird ein sich aufgrund eines Magnetfelds ausdehnendes Element verwendet, um eine Bremskraft auf den Stößel auszuüben. Das sich ausdehnende Element dient dabei als Art Aktuator zur Betätigung einer Bremse.
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Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn zwischen dem magnetorheologischen Bremselement und dem Stößel im nicht ausgedehnten Zustand ein Spalt verbleibt und das Bremselement keine Bremskraft auf den Stößel ausübt. So wird erreicht, dass auch im nicht ausgedehnten Zustand kein Schleppmoment oder keine parasitären Bremskräfte auftreten.
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Dabei ist es vorteilhaft, wenn zwischen dem Bremselement und dem Stößel ein Zwischenelement angeordnet ist, welches durch das sich unter Magnetfeldeinwirkung ausdehnende Element gegen den Stößel beaufschlagbar ist. So wird erreicht, dass eine Materialpaarung zwischen dem Zwischenelement und dem Stößel gewählt werden kann, die dauerfest ist und nicht das sich ausdehnende Element in Mitleidenschaft zieht.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn das sich unter Magnetfeldeinwirkung ausdehnende Element ein magnetorheologisches Elastomer ist, das sich bei Magnetfeldeinwirkung elastisch ausdehnt. So kann erreicht werden, dass bei einem definierten angelegten Magnetfeld eine definierte elastische Ausdehnung des sich ausdehnenden Elements erfolgt und bei Reduzierung des Magnetfelds sich das ausdehnende Element wieder in seiner Ausdehnung reduziert. Wird das Magnetfeld vollständig abgeschaltet, so wird vorteilhaft auch die Ausdehnung auf null zurückgehen. Sollte eine gewisse Hysterese der Ausdehnung verbleiben, so kann dies entsprechend berücksichtigt oder ausgeglichen werden.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn das sich unter Magnetfeldeinwirkung ausdehnendes Element ein Ringelement ist, welches den Stößel ringförmig umgibt. Dadurch kann eine nach radial innen gerichtete Kraft erzeugt werden, die als Bremskraft auf den Stößel in Normalenrichtung des Stößels wirken kann.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn das Zwischenelement aus Ringsegmenten besteht, die an dem sich ausdehnenden Element angeordnet sind. Dabei können die Ringsegmente derart bemessen sein, dass sie im Falle der Bremsfunktion einen zumindest im Wesentlichen geschlossenen Ring bilden. Auch kann dabei jedoch ein Abstand zwischen den Ringsegmenten angeordnet sein. Bei nicht betätigter Bremsfunktion sind die Ringsegmente bevorzugt voneinander beabstandet.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn das Zwischenelement aus Ringsegmenten besteht, die im nicht ausgedehnten Zustand des sich ausdehnenden Elements beabstandet zueinander angeordnet sind. Dies ermöglicht, dass bei Ausdehnung des sich ausdehnenden Elements die Ringsegmente sich aneinander annähern können, um eine möglichst große Fläche zu erlauben, mit welcher gegen den Stößel als Bremselement beaufschlagt wird.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn das Bremselement ein Bremsengehäuse aufweist, in welchem das sich ausdehnende Element angeordnet ist, wobei der Stößel radial innerhalb des sich ausdehnenden Elements verläuft und ein steuerbarer Magnet radial außerhalb des sich ausdehnenden Elements angeordnet ist. Dieses Bremsengehäuse trägt die Elemente des Bremselements und kann entsprechend relativ zum Gehäuse des Aktuators angeordnet werden.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn der steuerbare Magnet als Ringmagnet ausgebildet ist. So kann eine einfache Anordnung des Magneten relativ zum sich ausdehnenden Element vorgesehen werden. Der Magnet kann das sich ausdehnende Element, welches vorteilhaft ringförmig ist, radial innerhalb des Magneten anordnen.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn das Bremsengehäuse an dem Gehäuse oder zumindest teilweise in dem Gehäuse oder beabstandet zu dem Gehäuse angeordnet ist. Dadurch kann je nach Bauraumverhältnis das Bremsengehäuse in dem Gehäuse oder relativ dazu angeordnet werden.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung detailliert erläutert. In der Zeichnung zeigen:
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1 eine Schnittdarstellung durch ein Bremselement eines Aktuators in einer ersten Betriebsstellung,
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2 eine Schnittdarstellung durch ein Bremselement eines Aktuators in einer zweiten Betriebsstellung,
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3 eine Schnittdarstellung durch einen Aktuator mit einem Bremselement in einer ersten Betriebsstellung,
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4 eine Schnittdarstellung durch das Bremselement des Aktuators nach 3 in der ersten Betriebsstellung,
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5 eine Schnittdarstellung durch den Aktuator gemäß 3 in einer zweiten Betriebsstellung,
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6 eine Schnittdarstellung durch das Bremselement des Aktuators nach 5 in der zweiten Betriebsstellung,
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7 eine weitere schematische Schnittansicht des Aktuators nach den 3 bis 6, und
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8 eine Ansicht des Aktuators nach 7.
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Die 1 bis 8 zeigen in verschiedenen Darstellungen Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Aktuatoren. Der Aktuator ist dabei beispielsweise als Unterdruckaktuator, wie als Unterdruckdose, ausgebildet, der mit einem Unterdruckfluid beaufschlagbar bzw. der evakuierbar ist. Er kann aber ebenso auch als Druckaktuator ausgebildet sein, der mit einem Druckfluid beaufschlagbar ist.
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Die 1 und 2 zeigen einen Schnitt durch ein Bremselement 2 eines Aktuators 1. Dabei ist radial außen ein Gehäuse 3 als hohlzylindrische Wand 4 dargestellt. Radial innerhalb der Wand 4 des Gehäuses 3 ist ein ringförmiger, steuerbarer Magnet 5 angeordnet, der über elektrische Zuleitungen 6 mit Strom versorgbar ist, um sein Magnetfeld einstellen zu können. Radial innerhalb des Magneten 5 ist ein magnetorheologisches Element 7 angeordnet, das ringförmig mit einer Durchgangsöffnung 8 ausgebildet ist. Durch die Durchgangsöffnung 8 kann ein Stößel 9 durchgeführt werden, wie es 1 zeigt. Der Stößel 9 ist dabei in axialer Richtung durch die Durchgangsöffnung 8 verschiebbar angeordnet.
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In 1 ist zu erkennen, dass zwischen dem magnetorheologischen Element 7 und dem Stößel 9 ein Spalt 10 vorliegt, so dass das magnetorheologische Element 7 den Stößel 9 in diesem Betriebszustand nicht bremsen bzw. halten kann. Dies ist der Betriebszustand, in welchem das magnetorheologische Element 7 nicht magnetisiert ist und somit nicht ausgedehnt ist.
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In 2 ist zu erkennen, dass zwischen dem magnetorheologischen Element 7 und dem Stößel 9 kein Spalt mehr vorliegt, so dass das magnetorheologische Element 7 den Stößel 9 in diesem Betriebszustand bremst bzw. hält. Dies ist der Betriebszustand, in welchem das magnetorheologische Element 7 mittels des Magneten 5 magnetisiert ist und somit soweit ausgedehnt ist, dass es auf den Stößel 9 eine Brems- bzw. Haltekraft ausüben kann.
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Die 3 bis 6 zeigen diesen Sachverhalt noch einmal in Bezug auf den Aktuator 50 als solchen.
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Der Aktuator 50 weist ein Gehäuse 51 auf, in welchem bzw. aus welchem ein Stößel 52 verlagerbar geführt ist und aus welchem der Stößel 52 heraus ragt. Das Gehäuse 51 ist vorteilhaft zumindest zweiteilig ausgebildet, wobei die zumindest zwei Elemente 53, 54 des Gehäuses 51 miteinander zu einer im Wesentlichen geschlossenen Dose verbunden sind. Dabei können die zumindest zwei Elemente 53, 54 beispielsweise durch Verschweißen oder Kleben oder Ähnliches miteinander abdichtend verbunden sein.
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Der Stößel 52 ist in einer Art langgestreckten Stange ausgebildet, wobei ein Ende 56 des Stößels 52 in dem Gehäuse 51 angeordnet ist oder nahe des Gehäuses 51 angeordnet ist, während das andere Ende 57 des Stößels 52 aus dem Gehäuse 51 heraus geführt ist. An diesem Ende 57 des Stößels 52 kann ein bewegbares Element angelenkt sein, welches mittels des Aktuators 50 betätigt werden kann. Der Aktuator 50 kann hierzu beispielsweise eine Verzahnung oder eine sonstige Anlenkung aufweisen, mittels welchem beispielsweise ein Zahnrad oder ein Hebel oder Sonstiges betätigbar ist.
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In dem Gehäuse 51 ist eine Membran 59 angeordnet, welche mit dem Gehäuse 51 und mit dem Stößel 52 verbunden ist. Die Membran 59 bildet in dem Gehäuse 51 zusammen mit dem Gehäuse 51 einen gasdichten Druckraum 60 aus. Zur Druck- bzw. Unterdruckbeaufschlagung des Druckraums 60 ist an dem Gehäuse 51 ein Druckmittelanschluss 61 vorgesehen. Dieser Druckmittelanschluss 61 kommuniziert mit dem Druckraum 60, so dass dieser über eine externe Druckmittelversorgung bzw. Unterdruckversorgung mit Druck oder Unterdruck beaufschlagbar ist.
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In dem Gehäuse 51 ist weiterhin eine Feder 62 angeordnet, welche sich einerseits an dem Gehäuse 51 selbst und andererseits an dem Stößel 52 abstützt. Dabei kann sich die Feder 62 direkt am Stößel 52 abstützen oder auch nur indirekt, beispielsweise über ein Zwischenteil, an dem Stößel 52 abstützen. So kann der Stößel einen Teller oder Ähnliches aufweisen, an welchem sich die Feder 62 anlegen kann. Je nach Ausbildung und Vorspannung der Feder 62 kann der Stößel 52 entgegen der Rückstellkraft der Feder 62 verlagert werden. Dabei ist es vorteilhaft, dass die Feder 62 derart ausgebildet ist, dass der Stößel 52 ohne äußere Krafteinwirkung aufgrund von Druck oder Unterdruck in eine definierte Stellung verfahren wird. Diese definierte Stellung kann beispielsweise eine der beiden Endstellungen sein, zwischen welchen der Stößel 52 insbesondere in seiner Längsrichtung verfahrbar ist. Die Feder 62 ist dabei vorteilhaft als eine Druckfeder ausgebildet.
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Weiterhin ist ein Bremselement 64 vorgesehen, welches auf den Stößel 52 eine Bremswirkung bzw. Haltewirkung ausübt. Diese Bremswirkung wird in der Bewegung des Stößels 52 so bezeichnet. Steht der Stößel 52 still, kann die Bremswirkung auch als Haltewirkung bezeichnet werden. Dabei kann eine Bremskraft auf den Stößel 52 erzeugt werden, so dass das Bremselement 64 auf den Stößel 52 eine Bremskraft ausübt.
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Das Bremselement 64 weist einen Magneten 65 auf, welcher vorteilhaft als Ringmagnet ausgebildet ist. Der Magnet 65 ist dabei vorteilhaft und optional in einem Bremsengehäuse 66 angeordnet, welches den Magneten 65 trägt und vorteilhaft mit dem Gehäuse 51 des Aktuators 50 verbunden ist.
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Radial innerhalb des Magneten ist ein sich unter Magnetfeldeinwirkung ausdehnendes magnetorheologische Element 67 vorgesehen. Das magnetorheologische, sich unter Magnetfeldeinwirkung ausdehnende Element 67 ist vorteilhaft als magnetorheologisches Elastomer ausgebildet, welches sich bei Einstellung eines äußeren Magnetfelds definiert ausdehnt. Wird dieses Magnetfeld durch den steuerbare Magneten 65 angelegt, so dehnt sich das ringförmige elastomere, magnetorheologische Element 67 nach radial innen aus. Das sich unter Magnetfeldeinwirkung ausdehnende Element 67 ist optional ein magnetorheologisches Elastomer, das sich bei Magnetfeldeinwirkung elastisch ausdehnt.
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An der radial inneren Fläche des ringförmigen Elements 67 ist ein Zwischenelement 68 vorgesehen, welches zur Beaufschlagung des Stößels 52 dient. Dabei ist das Zwischenelement 68 aus Ringsegmenten 69 bestehend ausgebildet, die radial innen an dem sich ausdehnenden Element 67 angeordnet sind. Das Zwischenelement 68 besteht vorteilhaft aus Ringsegmenten 69, die im nicht ausgedehnten Zustand des sich ausdehnenden Elements 67 beabstandet zueinander angeordnet sind. Dabei können die Ringsegmente 69 auch derart angeordnet sein, dass sie im ausgedehnten Zustand des sich ausdehnenden Elements 67 ebenfalls beabstandet zueinander angeordnet sind oder sich gegebenenfalls auch berühren.
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Gemäß dem Ausführungsbeispiel der 3 bis 6 ist zwischen dem magnetorheologischen Element 67 bzw. zwischen dem Zwischenelement 68 und dem Stößel 52 im nicht ausgedehnten Zustand ein Spalt 70, siehe die 3 und 4, so dass das Bremselement in diesem Betriebszustand keine Bremskraft auf den Stößel 52 ausübt. Im ausgedehnten Zustand ist der Spalt 70 überbrückt, siehe die 5 und 6, so dass das Bremselement 64 in diesem Betriebszustand eine Bremskraft auf den Stößel 52 ausüben kann.
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Das zwischen dem sich ausdehnenden Element 67 und dem Stößel 52 angeordnete Zwischenelement 68 wird also durch das sich unter Magnetfeldeinwirkung ausdehnende Element 67 gegen den Stößel 52 beaufschlagt, wenn ein entsprechendes Magnetfeld mittels des Magneten 65 angelegt wird.
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In den 4 und 6 ist zu erkennen, dass das sich unter Magnetfeldeinwirkung ausdehnende Element 67 ein Ringelement ist, welches den Stößel 52 ringförmig umgibt. Durch die Anordnung der kreisringsegmentförmigen Ringsegmente 69 am Umfang des Innenkreises des Elements 67 kann eine gute Reibpaarung bzw. Materialpaarung ausgewählt werden, die auf Dauerhaltbarkeit der beteiligten Materialien ausgelegt ist. So kann beispielsweise der Stößel 52 aus Metall gefertigt sein und die Ringsegmente 69 aus Kunststoff.
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Die 4 und 6 lassen erkennen, dass das Bremselement ein Bremsengehäuse 66 aufweist, in welchem das sich ausdehnende Element 67 angeordnet ist, wobei der Stößel 52 radial innerhalb des sich ausdehnenden Elements 67 verläuft und ein steuerbarer Magnet 65 radial außerhalb des sich ausdehnenden Elements angeordnet ist. Das Bremsengehäuse 66 ist an einem Haltewinkel 71 angeordnet, welcher mit dem Gehäuse 51 des Aktuators 50 verbunden ist. Das Bremsengehäuse 66 ist mit dem Haltewinkel 71 verschraubt.
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Die 3 und 5 zeigen, dass das Bremsengehäuse 66 benachbart zu bzw. an dem Gehäuse 51 des Aktuators angeordnet ist. Dabei kann es alternativ auch vorteilhaft sein, wenn das Bremsengehäuse 66 zumindest teilweise in dem Gehäuse 51 oder beabstandet zu dem Gehäuse 51 angeordnet ist.
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Die 7 und 8 zeigen den Aktuator 50 der 3 bis 6 in einer jeweils anderen vollständigeren Darstellung mit einem Zahnrad 80, welches von dem als Zahnstange mit einer Verzahnung 81 ausgebildeten Stößel 52 gekämmt wird. Dabei kann durch Verschiebung des Stößels 52 das Zahnrad 80 verdreht werden, um ein zu betätigendes Element zu betätigen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Aktuator
- 2
- Bremselement
- 3
- Gehäuse
- 4
- Wand
- 5
- Magnet
- 6
- Zuleitung
- 7
- Element
- 8
- Durchgangsöffnung
- 9
- Stößel
- 10
- Spalt
- 50
- Aktuator
- 51
- Gehäuse
- 52
- Stößel
- 53
- Element
- 54
- Element
- 56
- Ende des Stößels
- 57
- Ende des Stößels
- 59
- Membran
- 60
- Druckraum
- 61
- Druckmittelanschluss
- 62
- Feder
- 64
- Bremselement
- 65
- Magnet
- 66
- Bremsengehäuse
- 67
- Element
- 68
- Zwischenelement
- 69
- Ringsegment
- 70
- Spalt
- 71
- Haltewinkel
- 80
- Ritzen
- 81
- Verzahnung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005029904 A1 [0002]
- EP 2199565 B1 [0003]
