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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ventil. Das Ventil verfügt über einen Anker, ein Polstück, ein Gehäuse und ein Rückstellelement. Der Anker ist beweglich in dem Gehäuse angeordnet, sodass der Anker von einer Ausgangsposition in eine Kontaktposition bewegbar ist. Das Rückstellelement bewirkt eine Rückstellung des Ankers in die Ausgangsposition. Dabei bewegt sich der Anker bei einer Bewegung von der Ausgangsposition in die Kontaktposition in Richtung des Polstücks. Das Ventil ist beispielsweise ein Gasventil, das den Durchfluss von Gas steuert. Eine alternative Bezeichnung für das Ventil ist Magnetventil.
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Bei Gasheizungen, wie sie beispielsweise in Campern, Wohnwagen oder Sportbooten Anwendung finden, werden Gasventile verwendet, die es erlauben, den Gasdurchfluss zu einem Gasbrenner der Gasheizung zu steuern. Für die Steuerung wird dabei ein Anker zwischen einer Ausgangsposition und einer Kontaktposition bewegt. In der Ausgangsposition verschließt der Anker einen vom Gas zu passierenden Durchflussquerschnitt, sodass sich das Ventil im geschlossenen Zustand befindet. In der Kontaktposition ist der Querschnitt freigeben und der Anker hat insbesondere Kontakt mit einem Polstück. Die Bewegung aus der Ausgangsposition heraus wird üblicherweise durch das Schalten eines Magnetfelds bewirkt, wofür eine dem Anker zugeordnete Spule mit einem elektrischen Strom beaufschlagt wird. Die Rückstellung in die Ausgangsposition erfolgt z. B. durch eine Feder. Somit ist der Durchflussquerschnitt für das Gas verschlossen, wenn die Spule stromlos ist.
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Im Stand der Technik ist es bekannt, dass dem Anker zwei Wicklungen zugeordnet sind, nämlich eine Anzugswicklung und eine Haltewicklung. Die eine Wicklung sorgt für die Bewegung des Ankers, sodass das Ventil geöffnet ist. Die andere Wicklung hält den Anker in der geöffneten Stellung, also hier in der Kontaktposition.
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Es hat sich gezeigt, dass das Öffnen des Ventils und insbesondere das Anschlagen des Ankers gegen das Polstück mit Geräuschen verbunden ist, die vor allem in begrenzten Räumlichkeiten sehr störend sein können.
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Dieser Problematik widmet sich beispielsweise die
EP 3 211 280 A1 , wobei für die Ansteuerung der das Magnetfeld erzeugenden Vorrichtung pulsbreitenmodulierte Signale verwendet werden. Die Art der Ansteuerung zur Vermeidung von Geräuschen werden ebenfalls in der
DE 10 2010 000 898 A1 und der
DE 10 2016 226 272 A1 thematisiert.
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In der
CN 101038042 A werden die Geräusche reduziert, indem zwischen dem Anker und dem Polstück ein Dichtkissen vorgesehen ist.
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Der
DE 103 25 442 A1 lässt sich ein Ventil entnehmen, in welchem eine Feder als Rückstellelement in Aussparungen des Ankers und des Polstücks angeordnet ist. Die Geräusche sollen reduziert werden, indem ein Steg zwischen Anker und Polstück vorhanden ist.
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Gemäß der
DE 10 2004 029 991 B3 verfügt die Stirnseite des Ankers, die dem Polstück zugewandt ist, über eine Profilierung mit abnehmender Querschnittfläche. Das Polstück verfügt an seiner dem Anker zugewandten Stirnseite über eine korrespondierende Aussparung.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ventil vorzuschlagen, dessen Geräusche beim Öffnen verringert sind und das eine Alternative zum Stand der Technik darstellt.
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Die Erfindung löst die Aufgabe dadurch, dass eine Bremskomponente mit dem Anker verbunden ist, und dass die Bremskomponente bei einer Bewegung des Ankers von der Ausgangsposition in die Kontaktposition gegen eine Anschlagsfläche anstößt und sich während der weiteren Bewegung des Ankers elastisch verformt.
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Bei dem Ventil gemäß der Erfindung bremst eine Bremskomponente die Bewegung des Ankers, wenn sich der Anker von der Ausgangsposition in die Kontaktposition bewegt. Indem die Bremskomponente mit dem Anker verbunden ist, wird die Bremskomponente mitbewegt. Während der Bewegung stößt die Bremskomponente zunächst an einer Anschlagsfläche an und verformt sich anschließend bei der weiteren Bewegung elastisch. Somit wird Bewegungsenergie auf die Bremskomponente übertragen und der Anker gelangt mit verringerter Energie in die Kontaktposition. Durch die Ausgestaltung der Bremskomponente und insbesondere deren Steifigkeit kann das Maß der Abbremsung eingestellt werden.
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Eine Ausgestaltung besteht darin, dass die Bremskomponente einen axialen Abschnitt des Ankers radial umfasst und in einer radialen Richtung über den Anker hinausragt. In dieser Ausgestaltung ist somit entlang der axialen Erstreckung des Ankers die Bremskomponente angeordnet und umgibt den Anker. Weiterhin ragt die Bremskomponente in radialer Richtung über den Anker hinaus.
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Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass die Bremskomponente aus einem elastisch verformbaren Dichtmaterial besteht. Die Bremskomponente besteht in einer Ausgestaltung aus einem elastisch verformbaren Material. In einer weiteren Ausgestaltung besteht die Bremskomponente aus einem Dichtmaterial. Diese Ausgestaltung erlaubt, dass die Bremskomponente eine Doppelfunktion übernimmt: zum einen die Funktion des Abbremsens und zum anderen eine Funktion als Dichtelement.
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Eine Ausgestaltung besteht darin, dass die Bremskomponente als Dichtlippe ausgestaltet ist.
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Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass ein hutförmiges Dichtelement vorhanden ist, dass das hutförmige Dichtelement eine vom Polstück abgewandte Stirnseite des Ankers umfasst, und dass die Bremskomponente eine Krempe des hutförmigen Dichtelements bildet. In dieser Ausgestaltung wird eine Stirnseite des Ankers von einem hutförmigen Dichtelement umfasst. Dabei wird die Krempe der hutförmigen Struktur durch die Bremskomponente gebildet. In einer Ausgestaltung verfügt der Anker in Richtung der vorgenannten Stirnseite über eine Einschnürung, in welcher das hutförmige Dichtelement teilweise eingebracht und fixiert ist.
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Eine Ausgestaltung besteht darin, dass die Bremskomponente in einer Nut des Ankers befestigt ist. In dieser Ausgestaltung verfügt der Anker über eine Nut, die den Anker vorzugsweise radial umgibt. In dieser Nut ist die Bremskomponente eingebracht und wird dadurch gehalten. Die Nut kann dabei auch als Einschnürung ausgestaltet sein. Die Bremskomponente ist dabei vorzugsweise ringförmig ausgestaltet.
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Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass in dem Fall, dass sich der Anker in der Kontaktposition befindet, der Anker unmittelbar das Polstück berührt. In dieser Ausgestaltung ist eine unmittelbare Verbindung zwischen dem Anker und dem Polstück für den Fall vorgesehen, dass sich der Anker in der Kontaktposition befindet. In dieser Ausgestaltung ist somit beispielsweise kein Dichtelement zwischen Polstück und Anker vorhanden.
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Eine Ausgestaltung besteht darin, dass der Anker an einer dem Polstück zugewandten Stirnseite einen Absatz aufweist, und dass das Polstück in einer dem Anker zugewandten Stirnseite eine zu dem Absatz des Ankers korrespondierende Vertiefung aufweist. In dieser Ausgestaltung mündet der Anker nicht mit einer planen Stirnseite, sondern es gibt wenigstens einen Absatz mit einer kleineren Fläche. Handelt es sich bei dem Anker insbesondere um ein rotationssymmetrisches Bauteil, so geht in einer Ausgestaltung der Absatz mit einem reduzierten Durchmesser einher. Der Verlauf der Stirnseite des Ankers ist entsprechend als Negativform in einer Aussparung in der Stirnseite des Polstücks zu finden. Die beiden Stirnseiten passen somit zueinander, sodass in der Kontaktposition des Ankers ein möglichst vollflächiger Kontakt zwischen Anker und Polstück besteht. Die durch den Absatz reduzierte Fläche hat den Vorteil, dass durch den sich ergebenden Verlauf der Magnetfeldlinien eine deutlich geringere Kraft für die Erzeugung der Bewegung des Ankers erforderlich ist. Somit kann auch die Geschwindigkeit reduziert werden, mit welcher sich der Anker bewegt. Damit geht ein verringertes Geräusch beim Kontakt zwischen Anker und Polstück einher.
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Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass eine Magnetfeldvorrichtung und eine Ansteuervorrichtung vorhanden sind, und dass die Ansteuervorrichtung die Magnetfeldvorrichtung mit PWM-Signalen für die Erzeugung eines Magnetfelds ansteuert. Die Magnetfeldvorrichtung wird in dieser Ausgestaltung mit pulsweitenmodulierten Signalen, insbesondere Stromsignalen angesteuert.
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Eine Ausgestaltung besteht darin, dass das Rückstellelement in einer Aussparung des Ankers und/oder in einer Aussparung des Polstücks angeordnet ist. Das Rückstellelement ist in einer Ausgestaltung eine Feder, die durch die Bewegung des Ankers in Richtung des Polstücks gespannt wird. In einer Ausgestaltung befindet sich das Rückstellelement in Aussparungen in den einander zugewandten Stirnseiten des Ankers und des Polstücks.
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Im Einzelnen gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten, das erfindungsgemäße Ventil auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die folgende Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigen:
- 1 einen Schnitt durch eine erste Ausgestaltung eines Ventils,
- 2 einen Schnitt durch eine zweite Ausgestaltung eines Ventils,
- 3 einen Schnitt durch einen Abschnitt einer dritten Ausgestaltung eines Ventils,
- 4 einen Schnitt durch eine Anordnung mit drei Ventilen gemäß der zweiten Ausgestaltung der 2 und
- 5 ein beispielhafter Verlauf eines Ansteuerungssignals.
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Die 1 zeigt eine erste Ausgestaltung eines Ventils 1. Der Anker 2 ist relativ zu dem Polstück 3 beweglich innerhalb des hier rohrförmigen Gehäuses 4 angeordnet. Bewegt sich der Anker 2 in Richtung des Polstücks 3, so gelangt der Anker 2 aus einer Anfangsposition, in welcher das Ventil 1 geschlossen ist, in eine Kontaktposition, die bewirkt, dass das Ventil 1 geöffnet ist und den Durchfluss eines Gases erlaubt.
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Der Anker 2 wirkt während der Bewegung in Richtung des Polstücks 3 auf ein Rückstellelement 5 ein, das in der gezeigten Ausgestaltung eine Feder ist. Das Rückstellelement 5 umgibt die von dem Polstück 3 abgewandte Stirnseite des Ankers 2 und ruht innerhalb einer Aussparung des Gehäuses 4.
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Die Bewegung des Ankers 2 in die Kontaktposition wird durch die Magnetfeldvorrichtung 8 bewirkt, die ein Magnetfeld erzeugt, das auf den zumindest teilweise aus einem magnetisierbaren Material bestehenden Anker 2 einwirkt. Die Ansteuervorrichtung 9 steuert die Magnetfeldvorrichtung 8 beispielsweise mit elektrischen Stromsignale an.
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Die 2 zeigt eine zweite Variante eines Teils des Ventils.
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In dem Gehäuse 4 befinden sich dabei der Anker 2 und das Polstück 3. Die von dem Polstück 3 abgewandte Stirnseite 20 des Ankers 2 wird von einem hutförmigen Dichtelement 7 umfasst. Die Krempe des hutförmigen Dichtelements 7 wird durch eine Bremskomponente 6 gebildet.
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Die Stirnseite 20 des Ankers 2 verfügt über eine Einschnürung 20' mit einem reduzierten Außendurchmesser, an den sich ein Endbereich 20" mit einem erweiterten Außendurchmesser anschließt. Der Außendurchmesser des Endbereichs 20" ist dabei kleiner als der Außendurchmesser des restlichen und sich an die Stirnseite 20 anschließenden Bereichs des Ankers 2. Die Krempe des hutförmigen Dichtelements 7 umfasst diesen Endbereich 20" und ist in der Einschnürung 20' fixiert. Insgesamt ähnelt der Querschnitt des Dichtelements 7 dem umgedrehten und leicht eckigen griechischen Großbuchstaben Omega.
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Das Dichtelement 7 umfasst somit vor dem Endbereich 20" einen axialen Abschnitt des Ankers 2 - hier in Form der Einschnürung 20' - und ragt mit seinem Außendurchmesser radial über den Anker 2 hinaus.
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Die Bremskomponente 6 ist weiterhin mit ihrer radial außen liegenden Berandung in Richtung des Polstücks 3 und damit hier auch in Richtung einer Anschlagsfläche 40 geneigt. Die Anschlagsfläche 40 gehört in der gezeigten Ausgestaltung zu dem Gehäuse 4.
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Bewegt sich der Anker 2 in Richtung der Kontaktposition, so nimmt er die Bremskomponente 6 mit. Die Bremskomponente 6 ist dabei an einer solchen axialen Position entlang der Längsachse 10 des Ankers 2 angeordnet, dass die Bremskomponente 6 an die Anschlagsfläche 40 anstößt, bevor der Anker 2 auf das Polstück 3 trifft. Das Anstoßen der Bremskomponente 6 an der Anschlagsfläche 40 beginnt dabei durch die Neigung in Richtung des Gehäuses 4 mit dem radial äußeren Abschnitt der Bremskomponente 6. Bei der weiteren Bewegung verformt sich die Bremskomponente 6 elastisch und bremst dadurch die Bewegung des Ankers 2 ab.
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Die dem Polstück 3 zugewandte Stirnseite 21 des Ankers 2 verfügt über einen Absatz 22 mit einer kleineren Fläche und einem kleineren Durchmesser als der ansonsten kreiszylindrische Körper des Ankers 2. Durch den Absatz 22 hindurch erstreckt sich eine Aussparung 23 des Ankers 2. Die Aussparung 23 nimmt dabei das Rückstellelement 5 auf, das hier in der Form einer Feder ausgestaltet ist.
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Die dem Anker 2 zugewandte Stirnseite 31 des Polstücks 3 verfügt über eine zum Absatz 22 des Ankers 2 passende Vertiefung 32 und eine sich axial tiefer erstreckende Aussparung 33. In der Aussparung 33 des Polstücks 3 befindet sich ebenfalls das Rückstellelement 5.
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Durch die Verwendung des Absatzes 22 und der Vertiefung 32 ist ein schwächeres Magnetfeld für die Bewegung des Ankers 2 ausreichend, sodass auch eine geringere Geschwindigkeit des Ankers 2 beim Öffnen des Ventils erzeugt wird.
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Dies erlaubt auch die Steuerung der Bewegung bzw. des Magnetfeldes über pulsweitenmodulierte Signale bei der Ansteuerung der - hier nicht dargestellten - Magnetfeldvorrichtung. Untersuchungen haben gezeigt, dass durch den Verlauf der Feldlinien zwischen der Vertiefung 32 und dem Absatz 22 eine Reduktion der Öffnungskraft um bis zu 40% möglich ist.
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Der Anker 2 bewegt sich beim Öffnen des Ventils entlang der Längsachse 10 entgegen der Federkraft des Rückstellelements 5, das damit angespannt wird und das später den Anker 2 in die Ausgangsposition zurückstellt, wenn die - hier nicht dargestellte - Magnetfeldvorrichtung stromlos ist.
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Jenseits des Ankers 2 wird das Polstück 3 noch von zwei Dichtringen umfasst, die in Aussparungen des Polstücks 3 eingebracht sind und an der Innenseite des Gehäuses 4 anliegen.
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Die 3 zeigt einen Ausschnitt einer weiteren Ausgestaltung des Ankers 2. Der Anker 2 verfügt in dieser Ausgestaltung über eine umlaufende Nut 24. In der Nut 24 ist das hier ringförmig ausgestaltete Rückstellelement 5 eingebracht. Es ist in dieser Ausgestaltung somit kein weiteres Dichtelement wie bei der Variante der 2 vorhanden.
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Die 4 zeigt eine Ventilanordnung mit drei Ventilen 1, die jeweils gemäß der Ausgestaltung der 2 ausgeführt sind und die mit dem Ventilkörper 11 verbunden sind. Das Gas wird über den Gaseinlass 12 zugeführt. Für die Übersichtlichkeit sind die Magnetspulen der Magnetfeldvorrichtungen nicht dargestellt.
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Das einzelne obere Ventil 1 ist geöffnet, wobei sich der Anker 2 in unmittelbarem Kontakt mit dem Polstück 3 befindet und das Rückstellelement 5 angespannt ist.
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Von den beiden unteren Ventilen 1 ist das - hier zeichnerisch so beispielhaft dargestellte - linke Ventil 1 im geöffneten und das zweite rechte Ventil 1 im geschlossenen Zustand.
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Zu erkennen ist, wie im geöffneten Zustand die Bremskomponente 6 und - in der gezeigten Ausgestaltung insbesondere auch - das hutförmige Dichtelement 7 den Bereich innerhalb des Gehäuses 4 um den Anker 2 und das Polstück 3 abdichtet. Dadurch wird die Ventilführung vor Verschmutzung geschützt.
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Im geschlossenen Zustand ist ebenfalls zu erkennen, wie das hutförmige Dichtelement 7 den Gasdurchlass 13 abdichtet und ihn verschließt.
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In der 5 ist ein Verlauf des Signals dargestellt, mit dem die Magnetfeldvorrichtung in einer Ausgestaltung angesteuert wird.
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In einer ersten Phase I liegt der geschlossene Zustand vor, in welchem das Ventil geschlossen und der Anker in der Ausgangsposition befindlich ist. Dies ist also ein stromloser Zustand.
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In der Phase II wird ein konstanter Strom auf die Spule gegeben. Dies stellt das Starten der Bewegung dar.
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In der dritten Phase III wird der Strom entlang einer Rampe bis zu einem maximalen Wert erhöht. Dieser maximale Wert wird in der Phase IV gehalten und in der fünften Phase V auf einen Haltestrom reduziert, der hier gleich der Stromhöhe des Anfangswerts in der Phase II ist.
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Wird das Ventil wieder geschlossen, so wird der Haltestrom ausgeschaltet und das Niveau sinkt wieder auf den Null-Wert der Phase I.
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Durch die Verwendung von PWM-Signalen und beispielsweise auch durch den gezeigten Signalverlauf ist es möglich, dass eine Spulenwicklung ausreichend ist, um sowohl das Anziehen des Ankers als auch dessen Halten zu realisieren. Daher verfügt in einer Ausgestaltung die Magnetfeldvorrichtung im Gegensatz zum Stand der Technik nur über eine Spulenwicklung.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ventil
- 2
- Anker
- 3
- Polstück
- 4
- Gehäuse
- 5
- Rückstellelement
- 6
- Bremskomponente
- 7
- Dichtelement
- 8
- Magnetfeldvorrichtung
- 9
- Ansteuervorrichtung
- 10
- Längsachse
- 11
- Ventilkörper
- 12
- Gaseinlass
- 13
- Gasdurchlass
- 20
- Stirnseite des Ankers
- 20'
- Einschnürung des Ankers
- 20"
- Endbereich der Stirnseite des Ankers
- 21
- Stirnseite des Ankers
- 22
- Absatz des Ankers
- 23
- Aussparung des Ankers
- 24
- Nut
- 31
- Stirnseite des Polstücks
- 32
- Vertiefung des Polstücks
- 33
- Aussparung des Polstücks
- 40
- Anschlagsfläche
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 3211280 A1 [0005]
- DE 102010000898 A1 [0005]
- DE 102016226272 A1 [0005]
- CN 101038042 A [0006]
- DE 10325442 A1 [0007]
- DE 102004029991 B3 [0008]
