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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Lagerung eines Planetenrades mittels eines Planetenbolzens in einem Planetenträger eines Planetengetriebes nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Durch die
WO 2013/106878 A1 wurde ein Planetengetriebe mit einem Planetenträger und Planetenrädern bekannt, welche jeweils mittels eines Planetenbolzens im Planetenträger gelagert sind. Dabei ist das Planetenrad drehfest auf dem Planetenbolzen angeordnet, z. B. mittels eines Presssitzes. In einer weiteren Ausführungsform sind Planetenrad und Planetenbolzen einstückig ausgebildet. Der Planetenbolzen ist beiderseits des Planetenrades mittels Gleitlagern, vorzugsweise von Mehrschichtgleitlagern im Planetenträger gelagert. Insofern ist jedes Planetenrad über zwei Gleitlager gegenüber dem Planetenträger gelagert.
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Hydrodynamische Gleitlager haben sich für kontinuierlich mit hoher Drehzahl rotierende Wellen bewährt. Probleme können auftreten, wenn die Gleitlager mit niedrigen Drehzahlen oder niedrigen Gleitgeschwindigkeiten betrieben werden. Dies gilt z. B. für Gleitlager in Windenergieanlagen, insbesondere für die erste Stufe eines Getriebes: hier kann infolge niedriger Gleitgeschwindigkeiten häufig mit Verschleiß behaftete Mischreibung auftreten.
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Lagerung von Planetenrädern im Planetenträger weiter zu verbessern, insbesondere kritische Zustände, wie z. B. Mischreibung zu vermeiden oder in ihrer schädlichen Wirkung abzuschwächen.
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Die Erfindung umfasst die Merkmale des Patentanspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Erfindungsgemäß ist das Planetenrad über ein weiteres Gleitlager auf dem Planetenbolzen gelagert, d. h. die Lagerung des Planetenrades im Planetenträger umfasst insgesamt drei auf dem Planetenbolzen angeordnete Gleitlager. Der Planetenbolzen kann sich somit unabhängig von der Drehzahl des Planetenrades in den beiden im Planetenträger angeordneten Gleitlagern drehen, während sich das Planetenrad unabhängig von der Drehzahl des Planetenbolzens drehen kann. Damit wird ein Drehzahlausgleich zwischen Planentenrad und Planetenbolzen bzw. ein Ausgleich der Gleitgeschwindigkeiten in den beiden äußeren Gleitlagern einerseits und dem mittleren Gleitlager andererseits erreicht. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass durch Mischreibung hervorgerufene Verschleißerscheinungen reduziert oder vermieden werden.
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Die erfindungemäße Lageranordnung gilt selbstverständlich nicht nur für ein Planetenrad und einen Planetenbolzen, sondern auch für die Gesamtheit der in dem Planetengetriebe angeordneten Planetenräder, d. h. in der Regel mindestens drei. Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, dass die erfindungsgemäße Lageranordnung außerhalb eines Planetengetriebes, beispielsweise in Standgetrieben Verwendung finden kann, beispielweise zur Lagerung eines Zwischenrades auf einem Bolzen, welcher in einem Getriebegehäuse gelagert ist. Darüber hinaus ist auch eine Anwendung außerhalb von Getrieben im allgemeinen Maschinenbau möglich, beispielsweise zur Lagerung eines drehenden Bauteils auf einer Achse, welche ihrerseits beidseitig in stationären Gleitlagern gelagert ist. Die erfindungsgemäße Lagerung ist insbesondere für Gleitlagerungen mit relativ niedrigen Gleitgeschwindigkeiten geeignet.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist der Planetenbolzen hohl ausgebildet, d. h. er weist einen im Wesentlich zylindrisch ausgebildeten Hohlraum auf, wodurch erstens das Gewicht reduziert und ferner die Wärmeabfuhr verbessert wird. Darüber hinaus bietet der Hohlraum die Möglichkeit, Komponenten, z. B. für die Ölversorgung aufzunehmen und die Zufuhr von Öl zu den Gleitlagern zu ermöglichen.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist den Gleitlagern ein Schmiermittel, vorzugsweise Öl über den Planetenträger zuführbar. Die Ölzufuhr kann entweder im Bereich der äußeren Gleitlager, welche sich im Planetenträger befinden, oder von einem Ölsammelraum im Planetenträger in den Hohlraum des Planetenbolzens erfolgen.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann das Schmiermittel, insbesondere das Öl aus einem Ölsumpf, in welchen die Planetenräder mit den Planetenbolzen eintauchen, zugeführt werden. Der in einem Getriebegehäuse rotierende Planetenträger ist seitlich offen, so dass die hohlen Planetenbolzen, wenn sie in den Ölsumpf eintauchen, mit Öl gefüllt werden, welches zumindest für eine Umdrehung des Planetenträgers für eine Schmierung der Gleitlager ausreicht. Dies wird als passive Ölversorgung bezeichnet.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Planetenbolzen als Buchse aus einem Trägermaterial mit einer Gleitschicht ausgebildet. Das Trägermaterial für die Buchse besteht bevorzugt aus Stahl, während die auf dem Umfang der Stahlbuchse angeordnete Gleitschicht aus Weißmetall oder Bronze oder einem anderen geeigneten Gleitlagerwerkstoff besteht. Die Buchse kann vereinfacht ausgedrückt mehrteilig aus Zylindern unterschiedlichen Materials ausgebildet sein.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind in der Buchse respektive dem Planetenbolzen Radialbohrungen für die Ölversorgung der Gleitlager angeordnet. Das in den Hohlraum des Planetenbolzens eintretende Öl kann somit durch die Radialbohrungen nach außen in die Gleitlager, d. h. zwischen deren Gleitflächen gelangen.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind auf dem Umfang des Planetenbolzens respektive der Buchse in Längs- oder Umfangsrichtung oder schraubenförmig verlaufende Schmiernuten angeordnet, welche für die Verteilung des Öls auf der Gleitschicht des Planetenbolzens sorgen.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist innerhalb des Planetenbolzens respektive der Buchse eine Ölpumpe angeordnet, welche eine aktive Ölversorgung der Gleitlager übernimmt. Die Anordnung der Ölpumpe im Hohlraum des Planetenbolzens stellt eine raumsparende Lösung und eine verbesserte Ölversorgung dar.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Ölpumpe elektrisch und/oder mechanisch antreibbar. Bevorzugt weist die Ölpumpe eine koaxial zum Planetenbolzen angeordnete Antriebswelle auf, welche nach außen aus dem Planetenbolzen hinausragt und über einen Zahnradtrieb angetrieben werden kann. Darüber hinaus ist zusätzlich ein Antrieb des Gehäuses der Ölpumpe von außen über einen Zahnradtrieb möglich, so dass die Pumpenwelle und das Gehäuse gleichzeitig in entgegengesetzten Richtungen antreibbar sind. Damit wird eine erhöhte Pumpendrehzahl, verbunden mit einer größeren Fördermenge, erreicht.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Ölpumpe mindestens ein Speicher zur Aufnahme von Öl zugeordnet. Dabei kann es sich bevorzugt um einen Speicher auf der Ansaugseite der Ölpumpe oder um einen Speicher auf der Druckseite der Ölpumpe handeln. Damit wird eine kontinuierliche Ölversorgung der Gleitlager erreicht. Der Speicher und/oder die Ölpumpe können in beispielhaften Ausführungen auch in dem Planetenbolzen oder auf dem Planetenträger angeordnet sein.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform können die Speicher als Blasen-, Membran- oder Kolbenspeicher ausgebildet sein. Somit können handelsübliche, d. h. kostengünstige Komponenten für die Ölversorgung verwendet und raumsparend innerhalb des Planetenbolzens angeordnet werden.
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Durch Einleitung einer Last in das Planetengetriebe kann das Planetenrad in Bezug auf die Rotationsachse verkippen, da sich aufgrund der Schrägverzahnung an Hohlrad und Sonne gegensinnige Kräfte ausbilden. Die Verkippung führt dazu, dass sich Bereiche mit höherer Belastung (Lastzone) und niedrigerer Belastung ausbilden. Um den Schmierdruck der sich in der Lastzone bildet ausgleichen zu können, ist eine Ausgleichsvorrichtung vorgesehen, beispielsweise in Form von Ausgleichsbohrungen zwischen den Lastzonen. Diese Ausgleichsbohrungen sind zusätzlich zu den durchgängigen Bohrungen zur Ölversorgung vorgesehen. Der Ausgleich kann zwischen Lastzonen auf der gleichen Seite (axial versetzt, geringer Versatz in Umfangsrichtung), sowie gleichzeitig oder alternativ zwischen gegenüberliegenden Lastzonen erflogen. Für den Austausch zwischen gegenüberliegende Bohrungen sind flexible Schlauchverbindungen durch den hohlen Planetenbolzen oder spiralförmige Nuten auf der inneren Zylindermantelfläche denkbar, die durch einen zweiten Zylindermantel verschlossen werden, wobei der zweite Zylindermantel beispielsweise eingepresst oder verklebt sein kann.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben, wobei sich aus der Beschreibung und/oder der Zeichnung weitere Merkmale und/oder Vorteile ergeben können. Es zeigen
- 1 eine erfindungsgemäße Gleitlagerung eines Planetenrades mittels eines Planetenbolzens in einem Planetenträger,
- 2 ein Planetengetriebe mit erfindungsgemäßer Gleitlagerung und passiver Ölversorgung der Gleitlager,
- 3 das Planetengetriebe mit aktiver Ölversorgung über Axial- und Radialbohrungen im Planetenbolzen mit Ölzuführung über den Planetenträger,
- 4 eine schematische Darstellung einer aktiven Ölversorgung mittels mechanisch angetriebener Ölpumpe und Speicher,
- 5 das Planetengetriebe mit aktiver Ölversorgung mittels Pumpe und Ölzuführung über den Planetenträger,
- 6 eine weitere Ausführungsform einer aktiven Ölversorgung mit Speicher auf der Druckseite der Ölpumpe und
- 7 eine weitere Ausführungsform einer passiven Ölversorgung mit aus dem Ölsumpf ansaugender Ölpumpe.
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1 zeigt eine vereinfachte Darstellung einer erfindungsgemäßen Gleitlagerung eines Planetenrades 1 in einem Planetenträger 2 mittels eines Planetenbolzens 3, welcher als Hohlbolzen oder Buchse 3 ausgebildet ist. Der Planetenbolzen 3 ist über ein erstes Gleitlager 4 und ein zweites Gleitlager 5 im Planetenträger 2 aufgenommen, und das Planetenrad 1 ist über ein drittes Gleitlager 6 drehbar auf dem Planetenbolzen 3 angeordnet. Der Planetenbolzen 3 wird aufgrund seiner schwimmenden Lagerung auch als „Schwimmbolzen“ 3 bezeichnet. Sämtliche Gleitlager 4, 5, 6 sind als hydrodynamische Gleitlager ausgebildet und werden - was hier nicht dargestellt ist - mit einem Schmieröl versorgt.
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2 zeigt ein teilweise dargestelltes Planetengetriebe 7, welches ein Gehäuse 8, einen im Gehäuse 8 drehbar gelagerten Planetenträger 9 sowie ein im Planetenträger 9 über einen Planetenbolzen 10 gelagertes Planetenrad 11 umfasst. Das Planetenrad 11, von welchem mehrere auf dem Umfang angeordnet sind, greift einerseits in ein Sonnenrad 12 und andererseits in ein Hohlrad 13 ein. Der Planetenträger 9 entspricht dem Planetenträger 2 in 1, der Planetenbolzen 10 dem Planetenbolzen 3 und das Planetenrad 11 dem Planetenrad 1 in 1. Der Planetenbolzen 10 ist als Hohlkörper ausgebildet und weist eine Buchse 10a aus einem Trägermaterial, z. B. Stahl und eine Gleitbeschichtung 10b auf, welche eine durchgehende zylindrische Gleitfläche bildet. Der Planetenbolzen 10 mit der Gleitbeschichtung 10b bildet mit dem Planetenträger 9 ein erstes Gleitlager 14 und ein zweites Gleitlager 15 sowie mit dem Planetenrad 11 ein drittes Gleitlager 16. In der Buchse 10a und der Gleitbeschichtung 10b sind mehrere durchgehende Radialbohrungen 17 für die Ölversorgung der Gleitlager 14, 15, 16 angeordnet.
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Die Ölversorgung der Gleitlager 14, 15, 16 erfolgt über einen nicht dargestellten Ölsumpf, welcher sich im unteren, nicht dargestellten Teil des Getriebegehäuses 8 befindet, und in welchen der Planetenträger 9 mit den Planetenrädern 11 und den Planetenbolzen 10 eintaucht. Der Planetenträger 9 weist auf seiner in der Zeichnung links angeordneten Seite einen Ölsammelraum 9a sowie eine Öleintrittsöffnung 9b auf, durch welche Öl beim Eintauchen in den Ölsumpf eintritt und in den Innenraum des Planetenbolzens 10 gelangt, wie durch den abgewinkelten Pfeil P verdeutlicht. Dies wird als passive Ölversorgung bezeichnet.
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3 zeigt das Planetengetriebe 7 wie in 2 dargestellt, jedoch mit einer alternativen Ölversorgung, einer so genannten aktiven Ölversorgung. Für gleiche oder analoge Teile werden gleiche Bezugszahlen wie in 2 verwendet. Die Ölversorgung bei diesem Ausführungsbeispiel erfolgt über Drucköl, welches vom Gehäuse 8 in den Planetenträger 9, von diesem in den Planetenbolzen 10 und von diesem zu den Gleitlagern 14, 15, 16 gelangt. Zwischen dem Planetenträger 9 und dem Gehäuse 8 sind eine erste Drehdurchführung 18 und zwischen Planetenträger 9 und Planetenbolzen 10 eine weitere Drehdurchführung 19 angeordnet, welche mit der ersten Drehdurchführung 18 über einen Kanal 20 verbunden ist. In der Buchse 10a des Planetenbolzens 10 sind Längsbohrungen 17a und von diesen ausgehende Querbohrungen 17b angeordnet, über welche das Schmieröl den Gleitlagern 14, 15, 16 respektive deren Gleitflächen zugeführt wird. Bei der beschriebenen Art der aktiven Ölversorgung handelt es sich um eine Zwangsumlaufschmierung.
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Die in 2 und 3 beschriebenen Ölversorgungen, d. h. die passive Ölversorgung gemäß 2 und die aktive Ölversorgung gemäß 3 können auch miteinander kombiniert werden, wobei beispielsweise die beiden äußeren Gleitlager 14, 15 über eine aktive Ölversorgung und das mittlere Gleitlager 16 über die passive Ölversorgung geschmiert werden.
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4, die der 1 entspricht, zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Ölversorgung der Gleitlager 4, 5, 6; für gleiche oder analoge Teile werden gleiche Bezugszahlen verwendet. In dem Hohlraum des Planetenbolzens 3 ist eine Ölpumpe 21 angeordnet, welche eine erste nach außen ragende Antriebswelle 21a sowie eine zweite zur entgegengesetzten Seite aus dem Planetenbolzen 3 herausragende Antriebswelle 21b aufweist. Die erste Antriebswelle 21a entspricht einer Pumpen- oder Verdrängerwelle, während die zweite Antriebswelle 21b mit dem Gehäuse der Ölpumpe 21 verbunden ist. Beide Antriebswelle 21a, 21b werden in entgegengesetzte Richtungen angetrieben, so dass sich eine erhöhte Differenzdrehzahl gegenüber einem feststehenden Pumpengehäuse ergibt. Die Ölpumpe 21 ist druckseitig über einen Verteilerkanal 21c mit den Gleitlagern 4, 5, 6 verbunden. Die beiden Pumpenwellen 21a, 21b werden über eine erste Zahnradstufe 22a und eine zweite Zahnradstufe 22b angetrieben. Der Pumpe 21 ist auf der Ansaugseite ein Speicher 23 zugeordnet, über welchen sich die Ölpumpe 21 mit Öl versorgen kann. Alternativ kann die Ölpumpe Öl aus dem Ölsumpf ansaugen. Zusätzlich kann - was nicht dargestellt ist - ein weiterer Speicher auf der Druckseite der Pumpe angeordnet sein, z. B. ein Blasenspeicher, damit die Ölversorgung unabhängig vom Betriebszustand erfolgen kann.
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5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Ölversorgung der Gleitlager 14, 15, 16 des Planetengetriebes 7, wobei wiederum gleiche Bezugszahlen wie in 2, 3 und 4 verwendet werden. Die Ölversorgung der Gleitlager 14, 15, 16 erfolgt hier mittels einer im Hohlraum des Planetenbolzens 10 angeordneten Pumpe 24, welche mechanisch angetrieben wird: die Pumpenwelle 24a ragt aus dem Planetenbolzen 10 stirnseitig heraus und wird über eine Zahnradstufe 25 angetrieben, wobei eines der Zahnräder auf der Pumpenwelle 24a und das andere Zahnrad gehäuseseitig befestigt ist. Saugseitig ist die Ölpumpe 24 über die Öldrehdurchführungen 18, 19 und den Kanal 20 mit dem Gehäuse 8 verbunden. Druckseitig führen Leitungen 26 das Schmieröl in die Gleitlager 14, 15, 16.
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6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Ölversorgung, welche im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 entspricht, wobei wiederum gleiche Bezugszahlen für gleiche oder analoge Teile verwendet werden. Der Ölpumpe 24 ist druckseitig ein Ölspeicher 27, welcher als Membran- oder Kolbenspeicher ausgebildet sein kann, zugeordnet. Saugseitig ist die Ölpumpe 24 - wie im Ausführungsbeispiel gemäß 5 - über die Öldrehzuführungen 18, 19 mit dem Gehäuse 8 verbunden.
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7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Ölversorgung der Gleitlager 14, 15, 16. Im Hohlraum des Planetenbolzens 10 ist eine mechanisch über eine Zahnradstufe 25 angetriebene Ölpumpe 28 angeordnet, welche das Schmieröl aus dem Ölsumpf (nicht dargestellt) ansaugt. Die Ansaugöffnung in der Pumpe 28 ist durch einen abgewinkelten Pfeil 28a gekennzeichnet. Der Ölpumpe 28 ist druckseitig ein Speicher 27 - wie im Ausführungsbeispiel gemäß 6 - zugeordnet. Wie oben ausgeführt, taucht der Planetenbolzen 10 aufgrund der Drehung des Planetenträgers 9 bei jeder Umdrehung in den Ölsumpf ein. Während der Eintauchphase gelangt Öl in den Hohlraum des Planetenbolzens 10, so dass die Pumpe 28 über die Ansaugöffnung 28a Öl ansaugen und in den Speicher 27 fördern kann. Die Ölpumpe 28 wird dabei durch die Zahnradstufe 25 angetrieben. Das gehäuseseitige Zahnrad der Zahnradstufe 25 kann vorzugsweise als Zahnsegment ausgebildet und im Bereich des Ölsumpfes angeordnet sein, so dass die Pumpe 28 nur während der Eintauchphase angetrieben wird. Vorzugsweise ist in der druckseitigen Ölleitung der Pumpe 28 ein Rückschlagventil (ohne Bezugszahl) angeordnet, so dass die Gleitlager 14, 15, 16 kontinuierlich mit Schmieröl versorgt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Planetenrad
- 2
- Planetenträger
- 3
- Planetenbolzen
- 4
- erstes Gleitlager
- 5
- zweites Gleitlager
- 6
- drittes Gleitlager
- 7
- Planetengetriebe
- 8
- Gehäuse
- 9
- Planetenträger
- 9a
- Ölsammelraum
- 9b
- Öleintrittsöffnung
- 10
- Planetenbolzen
- 10a
- Buchse
- 10b
- Gleitbeschichtung
- 11
- Planetenrad
- 12
- Sonnenrad
- 13
- Hohlrad
- 14
- erstes Gleitlager
- 15
- zweites Gleitlager
- 16
- drittes Gleitlager
- 17
- Radialbohrung
- 17a
- Längsbohrung
- 17b
- Querbohrung
- 18
- Drehdurchführung
- 19
- weitere Drehdurchführung
- 20
- Kanal
- 21
- Ölpumpe
- 21a
- erste Antriebswelle
- 21b
- zweite Antriebswelle
- 21c
- Verteilerkanal
- 22a
- erste Zahnradstufe
- 22b
- zweite Zahnradstufe
- 23
- Speicher
- 24
- Ölpumpe
- 24a
- Pumpenwelle
- 25
- Zahnradstufe
- 26
- Ölleitung
- 27
- Ölspeicher
- 28
- Ölpumpe
- 28a
- Ansaugöffnung
- P
- Strömungspfeil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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