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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lageranordnung zur Lagerung eines ersten Maschinenelementes gegenüber einem zweiten Maschinenelement. Die Lageranordnung kann beispielsweise durch ein Wälzlager gebildet sein, welches in einem das zweite Maschinenelement bildenden Gehäuse angeordnet ist und in welchem eine das erste Maschinenelement bildende Welle gelagert ist. Die Lageranordnung umfasst ein Sensorelement.
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Die
DE 694 12 390 T2 zeigt eine Wälzlagervorrichtung mit einem Lastmesssystem zum Messen der auf das Wälzlager einwirkenden Belastungen und mit einem Signalübertrager. Das Lastmesssystem umfasst einen Sensor, der durch einen Dehnungsmessstreifen gebildet sein kann.
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Aus der
DE 10 2010 022 892 A1 ist ein Verfahren zur Erfassung einer Lagerverkippung von Laufringen eines Wälzlagers bekannt, wofür ein axial beabstandeter Sensor genutzt wird, um die Lagerverkippung in Abhängigkeit von einer Abstandsänderung zu ermitteln.
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Aus dem Stand der Technik ist es weiterhin bekannt, mechanische Lager mithilfe von Messtastern oder Messuhren zu vermessen, was nicht permanent während des Betriebes der Lager erfolgen kann.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, eine aufwandsarm herzustellende Lageranordnung zur Verfügung zu stellen, deren Zustand permanent überwachbar ist.
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Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe dient eine Lageranordnung gemäß dem Anspruch 1.
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Die erfindungsgemäße Lageranordnung dient zur rotativen Lagerung eines ersten Maschinenelementes gegenüber einem zweiten Maschinenelement. Somit sind das erste Maschinenelement und das zweite Maschinenelement um eine Rotationsachse zueinander rotierbar. Das erste Maschinenelement kann beispielsweise durch eine Welle oder durch ein Rad gebildet sein. Das zweite Maschinenelement kann beispielsweise durch ein Gehäuse oder durch einen Träger gebildet sein. Die Lageranordnung umfasst einen ersten Lagerring und einen gegenüber dem ersten Lagerring um die Rotationsachse rotierbaren zweiten Lagerring. Bei der Lageranordnung kann es sich um ein Gleitlager handeln, sodass der erste Lagerring und der zweite Lagerring gegeneinander gleitbar sind. Bei der Lageranordnung handelt es sich bevorzugt um ein ein- oder mehrreihiges Wälzlager, sodass Wälzköper zwischen dem ersten Lagerring und dem zweiten Lagerring angeordnet sind.
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Am ersten Lagerring ist ein Ring angebracht, welcher bevorzugt durch eine lösbare Verbindung fest mit dem ersten Lagerring verbunden ist. Der Ring ist bevorzugt scheibenartig ausgebildet. Der Ring kann eine oder mehrere Funktionen erfüllen. Jedenfalls ist an dem Ring mindestens ein Sensorelement angebracht, welches zur Messung eines Abstandes zum zweiten Lagerring ausgebildet ist. Das mindestens eine Sensorelement ist insbesondere zur berührungslosen Messung dieses Abstandes ausgebildet. Der Abstand zum zweiten Lagerring repräsentiert den Abstand zwischen dem ersten Lagerring und dem zweiten Lagerring. Der Abstand zum zweiten Lagerring ist bevorzugt zwischen dem jeweiligen Sensorelement und dem zweiten Lagerring ausgebildet. Da der das Sensorelement tragende Ring am ersten Lagerring angebracht ist, repräsentiert der Abstand zwischen dem jeweiligen Sensorelement und dem zweiten Lagerring auch den Abstand zwischen dem ersten Lagerring und dem zweiten Lagerring. Diese beiden Abstände unterscheiden sich nur durch einen konstanten Offset, der durch den Abstand des jeweiligen Sensorelementes vom ersten Lagerring definiert ist. Jedenfalls ist das mindestens eine Sensorelement dazu geeignet, eine Änderung des Abstandes zwischen dem ersten Lagerring und dem zweiten Lagerring zu messen.
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Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Lageranordnung besteht darin, dass sie durch das Sensorelement im Betrieb laufend überwacht werden kann und dass mithilfe des gemessenen Abstandes Rückschlüsse auf die auftretenden Kräfte und Verformungen der Lageranordnung gezogenen werden können. Die Rückschlüsse können im Weiteren auf eine relative Bewegung zwischen dem ersten Lagerring und dem zweiten Lagerring sowie auf auftretende Lasten und deren Richtungen gezogen werden. Die Rückschlüsse können bereits während der Montage der Lageranordnung gezogen werden, beispielsweise auf eine Aufweitung der Lagerringe, auf einen Aufschiebeweg und/oder auf eine relative Position der Lagerringe auf z. B. einer kegelförmigen Lagersitzfläche oder in einem Gehäuse. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lageranordnung besteht darin, dass der gemessene Abstand, welcher den Abstand zwischen dem ersten Lagerring und dem zweiten Lagerring repräsentiert, gemeinsam mit weiteren Messwerten, wie z. B. einer Drehzahl, einer Schwingungsstärke und/oder einer Temperatur für ein Condition Monitoring der Lageranordnung bzw. einer die Lageranordnung umfassenden Maschine genutzt werden kann. Die Maschine kann optimal betrieben werden, sodass sich deren Lebensdauer erhöht.
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Die Messung des genannten Abstandes kann bei hohen Drehzahlen, aber auch bei geringen Drehzahlen erfolgen. Die Messung des genannten Abstandes kann bei kleinen Rotationswinkeln von nur wenigen Grad erfolgen, wenn beispielsweise eine Schwenk- oder Kippbewegung erfolgt.
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Der Abstand zum zweiten Lagerring ist bevorzugt durch einen Messspalt gebildet. Der Abstand zum zweiten Lagerring ist bevorzugt in axialer Richtung oder in radialer Richtung in Bezug auf die Rotationsachse ausgebildet. Der Abstand zum zweiten Lagerring ist bevorzugt ausschließlich in axialer Richtung in Bezug auf die Rotationsachse ausgebildet. Der Abstand zum zweiten Lagerring ist alternativ bevorzugt ausschließlich in radialer Richtung in Bezug auf die Rotationsachse ausgebildet.
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Der Ring ist bevorzugt koaxial zum ersten Lagerring angeordnet. Der Ring ist bevorzugt axial benachbart zum ersten Lagerring angeordnet. Der Ring ist besonders bevorzugt axial unmittelbar benachbart zum ersten Lagerring angeordnet. Der Ring ist bevorzugt lösbar ersten Lagerring befestigt. Durch die lösbare Befestigung kann die Einheit aus den beiden Lagerringen und ggf. Wälzkörpern, d. h. dem eigentlichen Gleit- bzw. Wälzlager, unabhängig von dem das Sensorelement tragenden Ring montiert bzw. ausgetauscht werden.
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Der Ring weist bevorzugt die Form eines Kreisringes auf. Insoweit stellt der Ring auch eine kreisringförmige Scheibe dar.
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Der Ring dient bevorzugt nicht lediglich zur Anordnung des mindestens einen Sensorelementes, sondern er weist eine weitere Funktion in der Lageranordnung auf. Daher ist der Ring bevorzugt durch eine Dichtungsscheibe, durch eine Stauscheibe, durch eine Druckscheibe, durch einen Trägerring, durch einen Distanzring oder durch einen Zwischenring gebildet. Ein besonderer Vorteil dieser Ausführungsformen besteht darin, dass sie kompakt ausgebildet werden können, da der Ring für mehrere Funktionen verwendet wird.
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Der erste Lagerring ist bevorzugt durch einen Außenring der Lageranordnung gebildet, während der zweite Lagerring durch einen Innenring der Lageranordnung gebildet ist. Alternativ bevorzugt ist der erste Lagerring durch einen Innenring der Lageranordnung gebildet, während der zweite Lagerring durch einen Außenring der Lageranordnung gebildet ist.
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Der erste Lagerring ist bevorzugt für eine ruhende Anordnung ausgebildet, während der zweite Lagerring rotierbar ist. Alternativ bevorzugt ist der zweite Lagerring für eine ruhende Anordnung ausgebildet, während der erste Lagerring rotierbar ist.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Lageranordnung ist das mindestens eine Sensorelement zur kapazitiven Messung oder zur induktiven Messung des Abstandes ausgebildet. Hierdurch ist eine berührungslose Messung ermöglicht.
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Das mindestens eine Sensorelement ist bevorzugt für eine öl-, säure-, laugen- und/oder seewasserbeständige Messung ausgebildet. Das mindestens eine Sensorelement ist bevorzugt hitzebeständig ausgebildet. Das mindestens eine Sensorelement ist bevorzugt öldicht ausgebildet. Die Anordnung des mindestens einen Sensorelementes ist bevorzugt für eine temperaturkompensierende Messung des Abstandes ausgebildet.
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Das eine Sensorelement bzw. die mehreren Sensorelemente sind bevorzugt an einem inneren Umfang oder an einem äußeren Umfang des Ringes angeordnet. Die mehreren Sensorelemente sind bevorzugt umfänglich verteilt auf dem Ring angeordnet und weisen einen gleichen Abstand zu der Rotationsachse auf. Die mehreren Sensorelemente sind bevorzugt umfänglich gleich verteilt auf dem Ring angeordnet. Besonders bevorzugt sind vier oder acht der Sensorelemente vorhanden, die umfänglich gleich verteilt auf dem Ring angeordnet sind. Bevorzugt sind jeweils zwei der mehreren Sensorelemente gegenüberliegend in Bezug auf die Rotationsachse angeordnet, sodass durch eine differentielle Auswertung der Messergebnisse der jeweils gegenüberliegenden Sensorelemente eine Verkippung zwischen dem ersten Lagerring und dem zweiten Lagerring bestimmbar ist.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Lageranordnung sind mehrere der Sensorelemente am Ring angebracht und zur redundanten Messung des Abstandes ausgebildet. Es kann so beispielsweise eine doppelte Anzahl von Messpunkten überwacht werden. Die Messsignale der Sensorelemente können gegeneinander verrechnet werden, um diese zu validieren.
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Bei denjenigen Ausführungsformen, bei denen der zweite Lagerring für eine ruhende Anordnung ausgebildet ist, während der erste Lagerring rotierbar ist, ist der Ring ebenfalls bevorzugt rotierbar. Der erste Lagerring und der Ring rotieren gemeinsam und sind drehfest zueinander angeordnet. Der rotierbare Ring weist bevorzugt Schleifkontakte zur Übertragung einer Versorgungsspannung und/oder eines Messsignals auf. Der rotierbare Ring weist alternativ bevorzugt mindestens eine drahtlose elektrische Schnittstelle zur Übertragung einer Versorgungsspannung und/oder eines Messsignals auf. Die mindestens eine drahtlose elektrische Schnittstelle kann beispielsweise durch eine Induktionsschleife und/oder durch eine Antenne gebildet sein.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Lageranordnung sind am Ring weiterhin mindestens ein Sensorelement zur Messung einer Position oder einer Bewegung eines Wälzkörperkäfigs und/oder mindestens ein Sensorelement zur Messung einer Position oder einer Bewegung von Wälzkörpern angebracht. Durch die Messung der Position bzw. Bewegung der Wälzkörper kann beispielsweise ein Wälzkörpersatzschlupf bestimmt werden. Das Sensorelement zur Messung der Position bzw. der Bewegung des Wälzkörperkäfigs ist bevorzugt zur berührungslosen Messung ausgebildet. Das Sensorelement zur Messung der Position bzw. der Bewegung der Wälzkörper ist bevorzugt zur berührungslosen Messung ausgebildet.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sowie deren Vorteile und Einzelheiten werden nachfolgend anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Lageranordnung;
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2 die in 1 gezeigte Lageranordnung in einer weiteren Schnittansicht;
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3 die in 2 gezeigte Lageranordnung mit Angaben zu Messrichtungen und Messpositionen; und
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4 eine Schnittansicht einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lageranordnung.
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1 zeigt eine Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Lageranordnung. Die Lageranordnung stellt zunächst ein Wälzlager mit einem Außenring 01, mit einem Innenring 02 und mit zwischen dem Außenring 01 und dem Innenring 02 befindlichen Wälzkörpern 03 dar. Der Innenring 02 ist gegenüber dem Außenring 01 um eine Rotationsachse 04 rotierbar. Der Außenring 01 sitzt in einem Gehäuse 05. Der Innenring 02 sitzt auf einer Welle 06. Somit dient die Lageranordnung zum rotativen Lagern der Welle 06 im Gehäuse 05.
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Die Lageranordnung umfasst weiterhin einen scheibenartigen Ring 07. Der Ring 07 ist flach und weist die Form eines Kreisringes auf. Der Ring 07 ist axial benachbart am Außenring 01 angebracht, wozu er durch das Gehäuse 05 gegen den Außenring 01 gepresst wird. Der Ring 07 fungiert als ein Träger für mehrere Sensorelemente 08, die umfänglich verteilt am Ring 07 angeordnet und dort befestigt sind. Ein elektrisches Kabel 09 dient zur Spannungsversorgung der Sensorelemente 08 und zur Übertragung von Messdaten der Sensorelemente 08.
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Die Sensorelemente 08 sind zur berührungslosen Messung eines radialen Abstandes 11 ausgebildet. Der radiale Abstand 11 gleicht abgesehen von einem Offset einem radialen Abstand zwischen dem Außenring 01 und dem Innenring 02. Der Offset ist durch die Anordnung der Sensorelemente 08 auf dem Ring 07 bedingt.
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Die Sensorelemente 08 sind weiterhin zur berührungslosen Messung eines axialen Abstandes 12 ausgebildet. Der axiale Abstand 12 gleicht abgesehenen von einem Offset einem axialen Abstand zwischen dem Außenring 01 und dem Innenring 02. Der Offset ist durch die Anordnung der Sensorelemente 08 auf dem Ring 07 bedingt.
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2 zeigt die in 1 gezeigte Lageranordnung in einer weiteren Schnittansicht. Es ist insbesondere die umfängliche Verteilung der acht Sensorelemente 08 auf dem Ring 07 dargestellt.
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3 zeigt die in 2 gezeigte Lageranordnung mit Angaben zu Messrichtungen und Messpositionen. Die Lageranordnung ist koaxial zu einer z-Richtung angeordnet. Senkrecht zur z-Richtung sind eine radiale x-Richtung und eine radiale y-Richtung angeordnet. Ein erstes Sensorelement 21 und ein zweites Sensorelement 22 der Sensorelemente 08 sind dazu ausgebildet, einen radialen Abstand in der y-Richtung zu messen. Ein drittes Sensorelement 23 und ein viertes Sensorelement 24 der Sensorelemente 08 sind dazu ausgebildet, einen radialen Abstand in der x-Richtung zu messen. Ein fünftes Sensorelement 25 und ein sechstes Sensorelement 26 der Sensorelemente 08 sind dazu ausgebildet, einen radialen Abstand in der y-Richtung zu messen. Ein siebentes Sensorelement 27 und ein achtes Sensorelement 28 der Sensorelemente 08 sind dazu ausgebildet, einen radialen Abstand in der x-Richtung zu messen. Sämtliche der Sensorelemente 08 sind dazu ausgebildet, einen axialen Abstand in der z-Richtung zu messen.
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Jeweils zwei Sensorelemente 21, 22; 23, 24; 25, 26; 27, 28 der Sensorelemente 08 sind sehr nahe zueinander angeordnet. Daher messen diese jeweils zwei Sensorelemente 21, 22; 23, 24; 25, 26; 27, 28 nahezu die gleichen Abstände. Durch einen Vergleich der Messwerte dieser jeweils zwei Sensorelemente 21, 22; 23, 24; 25, 26; 27, 28 lässt sich eine Fehlfunktion detektieren und bei Ausfall eines der Sensorelemente 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28 kann dessen Messwert durch den Messwert des benachbarten der jeweils zwei Sensorelemente 21, 22; 23, 24; 25, 26; 27, 28 ersetzt werden.
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Die Sensorelemente 08 umfassen ein erstes Quadrupel der Sensorelemente 21, 23, 25, 27 und ein zweites Quadrupel der Sensorelemente 22, 24, 26, 28. Auch bei Ausfalles eines der Sensorelemente 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28 eines der beiden Quadrupel der Sensorelemente 21, 23, 25, 27; 22, 24, 26, 28 kann die Abstandsmessung mit den übrigen drei der Sensorelemente 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28 erfolgen.
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4 zeigt eine Schnittansicht einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lageranordnung. Diese Ausführungsform gleich zunächst der in 3 gezeigten Ausführungsform. Abweichend von der in 3 gezeigten Ausführungsform ist das zweite Quadrupel der Sensorelemente 22, 24, 26, 28 gegenüber dem ersten Quadrupel der Sensorelemente 21, 23, 25, 27 um 45° um die z-Achse gedreht. Die Messergebnisse des ersten Quadrupels der Sensorelemente 21, 23, 25, 27 und die Messergebnisse des zweite Quadrupels der Sensorelemente 22, 24, 26, 28 können unabhängig voneinander ausgewertet werden und durch Rotation in einem Koordinatensystem um 45° ineinander überführt werden, woraufhin durch einen Vergleich eine Fehlfunktion eines der Sensorelemente 21, 23, 25, 27; 22, 24, 26, 28 detektiert werden kann.
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Eine Verschiebung des Außenringes 01 (gezeigt in 1) gegenüber dem Innenring 02 wirkt sich in gleicher Weise auf sämtliche der Sensorelemente 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28 aus. Durch eine differentielle Auswertung der Messergebnisse zweier gegenüberliegender der Sensorelemente 21, 25; 22, 26; 23, 27; 24, 28 kann eine Verkippung zwischen dem Außenring 01 (gezeigt in 1) und dem Innenring 02 ermittelt werden. Durch eine additive Auswertung der Messergebnisse zweier gegenüberliegender der Sensorelemente 21, 25; 22, 26; 23, 27; 24, 28 kann eine Verschiebung zwischen dem Außenring 01 (gezeigt in 1) und dem Innenring 02 ermittelt werden. Durch eine Ermittlung der Verschiebungen und Verkippungen in die x-, y- und z-Richtung kann eine Änderung der Lage des Innenringes 02 gegenüber dem Außenring 01 (gezeigt in 1) vollständig bestimmt werden. Diese Änderung der Lage kann über die Zeit hinweg aufgezeichnet werden, sodass beispielsweise eine Schwingbewegung des Innenringes 02 erkannt werden kann.
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Bei weiteren Ausführungsformen können weitere der Quadrupel der Sensorelemente 08 auf dem Ring 07 angeordnet sein. Durch Auswertung der Messergebnisse der mehreren Quadrupel der Sensorelemente 08 kann entschieden werden, welches der Quadrupel der Sensorelemente 08 mit einer höchsten Wahrscheinlichkeit korrekt misst.
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Bezugszeichenliste
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- 01
- Außenring
- 02
- Innenring
- 03
- Wälzkörper
- 04
- Rotationsachse
- 05
- Gehäuse
- 06
- Welle
- 07
- Ring
- 08
- Sensorelement
- 09
- Kabel
- 10
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- 11
- radialer Abstand
- 12
- axialer Abstand
- 13
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- 21
- erstes Sensorelement
- 22
- zweites Sensorelement
- 23
- drittes Sensorelement
- 24
- viertes Sensorelement
- 25
- fünftes Sensorelement
- 26
- sechstes Sensorelement
- 27
- siebentes Sensorelement
- 28
- achtes Sensorelement
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 69412390 T2 [0002]
- DE 102010022892 A1 [0003]
