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Die Erfindung betrifft ein Differenzialgetriebe für eine Antriebsachse eines Kraftfahrzeugs.
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Das Differenzialgetriebe dient dazu, die Antriebsleistung eines Antriebsaggregats (beispielsweise eines Verbrennungsmotors oder eines Elektromotors) auf die beiden Räder einer Antriebsachse zu verteilen. Wenn das entsprechende Kraftfahrzeug mit einem Automatikgetriebe ausgestattet ist, ist es üblich, eine Parksperre vorzusehen. Diese kann beispielsweise an der Antriebswelle angeordnet sein, mit der die Antriebsleistung vom Automatikgetriebe zum Differenzialgetriebe übertragen wird.
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Bei modernen Kraftfahrzeugen ist auch bekannt, dass die Verbindung zwischen dem Antriebsmotor und den Antriebsachsen unterbrochen werden kann, um Schleppmomente in Betriebszuständen zu vermeiden, wenn das Kraftfahrzeug rollt, ohne dass eine Antriebsleistung erforderlich ist (sogenannter Segelbetrieb), oder nur von einer anderen Achse angetrieben wird.
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Aus dem Stand der Technik sind aufwendige Konstruktionen bekannt, um die verschiedenen Schaltzustände und Betriebszustände zu erzielen. Beispiele finden sich in der
DE 10 2011 100 060 A1 und der
DE 10 2016 220 267 A1 .
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, sowohl die Funktion einer Parksperre als auch einen Segelbetrieb realisieren zu können, ohne dass hierfür eine aufwendige Konstruktion erforderlich ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß ein Differenzialgetriebe für eine Antriebsachse eines Kraftfahrzeugs vorgesehen, mit einem Gehäuse, einem darin drehbar gelagerten Getriebekäfig, zwei Zwischenwellen, die von einem im Getriebekäfig angeordneten Radsatz angetrieben werden können, zwei Abtriebswellen, die den Rädern der Antriebsachse zugeordnet sind, und zwei Schaltelementen, die auf entgegengesetzten Seiten des Getriebekäfigs angeordnet sind und synchron zwischen drei Positionen verstellt werden können, nämlich einer ersten Position, in der jede Abtriebswelle drehfest mit dem Gehäuse gekoppelt ist, einer zweiten Position, in der jede Abtriebswelle weder mit dem Gehäuse noch mit der ihr zugeordneten Zwischenwelle gekoppelt ist, und einer dritten Position, in der jede Zwischenwelle mit der ihr zugeordneten Abtriebswelle verbunden ist. Die Erfindung beruht auf dem Grundgedanken, dass die beiden Funktionen der Parksperre und des Segelbetriebs mittels eines einzigen Bauteils realisiert werden können, nämlich dem Schaltelement, das für jedes Antriebsrad vorgesehen ist. Hierdurch ergibt sich eine sehr kompakte Konstruktion. Hinsichtlich der Parksperre ergibt sich gegenüber dem Stand der Technik der weitere Vorteil, dass nicht lediglich die Antriebswelle des Differenzialgetriebes gesperrt wird, sondern jede Abtriebswelle einzeln. Wird lediglich die Antriebswelle des Differenzialgetriebes gesperrt, bedeutet dies in der Praxis, dass die von der entsprechenden Antriebsachse bereitgestellte Haltekraft von dem Rad bestimmt ist, das den niedrigeren Reibungskoeffizienten auf dem Untergrund hat. Sollte das entsprechende Fahrzeug auf einer abschüssigen Straße mit einem Rad auf einer Eisplatte stehen, könnte das Fahrzeug in Bewegung geraten, wobei sich dann das sich auf der Eisplatte befindende Rad mit der doppelten Geschwindigkeit und in entgegengesetzter Richtung zu der Richtung dreht, in der sich das Fahrzeug in Bewegung setzt. Bei der erfindungsgemäßen Konstruktion wird dagegen jedes Rad separat blockiert, sodass im obigen Beispiel dasjenige Rad, das sich auf griffigem Untergrund befindet, unabhängig vom anderen Rad eine hohe Haltekraft bereitstellt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein Aktuator vorgesehen, mit dem die beiden Schaltelemente gekoppelt sind. Dies stellt einen Vorteil gegenüber Konstruktionen aus dem Stand der Technik dar, bei denen für die Parksperre ein Aktuator und zum Aktivieren bzw. Deaktivieren des Segelbetriebs ein weiterer Aktuator vorhanden sind. Da aber Parksperre und Segelbetrieb niemals gleichzeitig aktiviert werden müssen, ist es ausreichend, einen einzigen Aktuator zu verwenden.
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Der einzige Aktuator ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die beiden Schaltelemente mechanisch miteinander gekoppelt sind, sodass mit einer zentralen Betätigung die beiden Schaltelemente entsprechend verstellt werden.
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Grundsätzlich ist es aber auch möglich, für jedes Schaltelement einen separaten Aktuator vorzusehen.
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Vorzugsweise ist zwischen dem Aktuator und den Schaltelementen ein Federmechanismus vorgesehen. Dieser verhindert, dass es bei einer Relativstellung der Bauteile, in der die Schaltelemente nicht in der gewünschten Weise durchgeschaltet werden können (beispielsweise „Zahn-auf-Zahn-Stellung“), der Aktuator in die neue Schaltstellung gebracht werden kann und das entsprechende Schaltelement oder die beiden Schaltelemente unter der Wirkung der Feder in die gewünschte Schaltstellung springen, sobald durch einen kleinen Drehimpuls das entsprechende Spiel im Antriebsstrang vorliegt.
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Der Aktuator kann einen Schalthebel aufweisen, an dem einander gegenüberliegend zwei Betätigungsstangen für die Schaltelemente angebracht sind. In diesem Fall kann ein Aktuator verwendet werden, der eine einfache Drehbewegung herbeiführt.
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Wenn der Schalthebel als Scheibe ausgeführt ist, können an ihrem Außenumfang Rast- und/oder Verriegelungsausnehmungen vorgesehen sein. Diese ermöglichen es, die Schaltelemente in den gewünschten Positionen zu verrasten oder zu verriegeln.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist ein Rastmechanismus vorgesehen, der die beiden Schaltelemente in den drei Positionen positioniert. Hierdurch ergibt sich eine erhöhte Positionssicherheit, insbesondere da Spiel im Kraftübertragungsweg zwischen dem Aktuator und dem entsprechenden Schaltelement eliminiert wird oder ohne Auswirkung bleibt.
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Der Rastmechanismus kann mindestens eine federbeaufschlagte Rastkugel aufweisen, die in Rastausnehmungen beaufschlagt wird. Ein solcher Rastmechanismus hat einen einfachen Aufbau und erfordert außerdem keine externe Betätigung, wenn die Schaltelemente von einer Position in die andere verstellt werden.
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Zusätzlich oder alternativ zum Rastmechanismus kann ein Verriegelungsmechanismus vorgesehen sein, mit dem die Schaltelemente in den drei Positionen verriegelt werden können. Hierdurch ergibt sich eine erhöhte Betriebssicherheit, da zum Verstellen der Schaltelemente nicht nur der Aktuator angesteuert werden muss, sondern zusätzlich der Verriegelungsmechanismus gelöst werden muss.
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Der Verriegelungsmechanismus kann gemäß einer mechanisch einfachen Ausgestaltung einen Riegel aufweisen, der in eine von drei Verriegelungsausnehmungen einrasten kann. Ein solcher Riegel kann mit geringem Aufwand betätigt werden, beispielsweise mittels eines Elektromagneten.
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Gemäß einer technisch einfachen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Zwischenwellen und die Abtriebswellen koaxial angeordnet sind. Es sind dann keine Übertragungszahnräder oder ähnliche Bauteile erforderlich.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird als Schaltelement eine Schaltmuffe verwendet, die in axialer Richtung verschiebbar ist. Hierfür ist es besonders vorteilhaft, dass die Zwischenwellen, die Abtriebswellen und das Gehäuse eine Verzahnung mit identischer Geometrie aufweisen. Die Schaltmuffe kann dann in mechanisch einfacher Weise zwischen den drei Positionen verschoben werden, nämlich einer ersten Position, in der sie sowohl in eine Parksperrenverzahnung, die gehäuseseitig vorgesehen ist, und die Verzahnung der Abtriebswelle eingreift, die zweite Position, in der sich die Schaltmuffe allein auf der Verzahnung der Abtriebswelle befindet, und der dritten Position, in der die Schaltmuffe sich sowohl auf der Verzahnung der Abtriebswelle als auch der Verzahnung der Zwischenwelle befindet.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand verschiedener Ausführungsformen beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. In diesen zeigen:
- - 1 schematisch ein Differenzialgetriebe gemäß einer ersten Ausführungsform in einem ersten Betriebszustand;
- - 2 das Differenzialgetriebe von 1 in einem zweiten Betriebszustand;
- - 3 das Differenzialgetriebe von 1 in einem dritten Betriebszustand;
- - 4 eine zweite Ausführungsform des Differenzialgetriebes der 1 bis 3;
- - 5 eine dritte Ausführungsform des Differenzialgetriebes der 1 bis 3; und
- - 6 ein Beispiel eines Aktuators für ein Differenzialgetriebe gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung.
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In den 1 bis 3 ist schematisch ein Differenzialgetriebe 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Es ist Teil einer Antriebsachse eines Kraftfahrzeugs, dient also dazu, die von einem Motor (beispielsweise Verbrennungsmotor oder Elektromotor) bereitgestellte Antriebsleistung auf die beiden Räder der Antriebsachse zu verteilen. Die Antriebsenergie wird durch eine hier nicht gezeigte Antriebswelle auf einen Getriebekäfig 3 des Differenzialgetriebes 1 übertragen, von dem sie mittels eines im Getriebekäfig 3 enthaltenen Radsatzes auf zwei Zwischenwellen 5 aufgeteilt wird. Von den beiden Zwischenwellen 5 kann die Antriebsleistung dann auf zwei Abtriebswellen 7 übertragen werden, die mit den Rädern der Antriebsachse gekoppelt sind.
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Die Abtriebswellen 7 sind in einem Gehäuse 10 des Differenzialgetriebes 1 gelagert, wobei in dem Gehäuse auch die Zwischenwellen 5 und damit auch der Getriebekäfig 3 gelagert sind. Die entsprechenden Lagerungen sind hier der besseren Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt.
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Wie in den Figuren zu sehen ist, sind die Zwischenwellen 5 und die Abtriebswellen 7 koaxial angeordnet.
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Die Zwischenwellen 5 sind an ihrem vom Getriebekäfig 3 abgewandten Ende mit jeweils einer Zwischenwellenverzahnung 12 versehen. Die Abtriebswellen 7 sind jeweils mit einer Abtriebswellenverzahnung 14 versehen. Innerhalb des Gehäuses ist eine Gehäuseverzahnung 16 (auch bezeichnet als Parksperrenverzahnung) angeordnet. Diese ist drehfest mit dem Gehäuse 10 verbunden.
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Alle drei Verzahnungen 12, 14, 16 haben eine identische Geometrie.
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Auf jeder Abtriebsseite des Differenzialgetriebes 1 ist ein Schaltelement 18 vorgesehen, das hier die Form einer Schaltmuffe hat. Das Schaltelement ist also ringförmig ausgebildet, wobei auf seiner Innenseite eine Schaltverzahnung 20 vorgesehen ist, die komplementär zur Verzahnungsgeometrie der Verzahnungen 12, 14, 16 ausgebildet ist. Die Schaltmuffe 18 kann also in axialer Richtung auf den Verzahnungen 12, 14, 16 verschoben werden. Auf ihrem Außenumfang ist die Schaltmuffe 18 mit einer Führungsnut 22 versehen. Die Führungsnut 22 dient dazu, die Schaltmuffen 18 in axialer Richtung auf den Verzahnungen 12, 14, 16 zu verschieben. Zu diesem Zweck greift in jede der Führungsnuten 22 eine Schaltgabel 24 ein, die mit einem Aktuator 26 gekoppelt ist. Die Schaltmuffen 18 können so ähnlich ausgeführt sein wie diejenigen, die bei einem manuellen Schaltgetriebe dazu verwendet werden, ein Gangrad mit der Getriebewelle zu koppeln, auf der dieses angeordnet ist.
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Wie in den 1 bis 3 zu sehen ist, ist die Schaltmuffe 18 in axialer Richtung etwa so breit ausgeführt wie die Verzahnung der Abtriebswellen 7. Es ist daher möglich, dass sich die Schaltmuffe 18 vollständig allein auf der Verzahnung 14 befindet (siehe 2), ohne auch mit der Verzahnung 12 oder der Verzahnung 16 zusammenzuwirken. Gleichzeitig ist die Schaltmuffe 18 so breit ausgeführt, dass sie in eine Position gebracht werden kann, in der ihre Verzahnung 20 sowohl in die Verzahnung 16 als auch die Verzahnung 14 eingreift (siehe 1) oder in einen Zustand, in den ihre Verzahnung 20 sowohl in die Verzahnung 14 als auch die Verzahnung 12 eingreift. In diesen Zuständen sind die Verzahnungen 12, 14 bzw. die Verzahnungen 14, 12 drehfest miteinander verbunden, nämlich durch die Verzahnung 20 der Schaltmuffe 18.
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Der Aktuator 26 dient dazu, die Schaltgabeln 24 synchron in entgegengesetzten Richtungen zu verstellen. Er dient also dazu, die Schaltmuffen 18 synchron aus der in 1 gezeigten ersten Position in die in 2 gezeigte zweite Position und von dort in die in 3 gezeigte dritte Position bzw. zurück zu verstellen.
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Als Aktuator 26 kann grundsätzlich jede Bauform verwendet werden, mit der die gewünschte axiale Bewegung der Schaltgabeln 24 erzeugt werden kann. Es können Mechanismen mit Kugelumlaufmutter und Spindel, Getrieben, Zahnrädern, Zahnstangen oder auch Kolben/Zylinder-Antriebe verwendet werden. Grundsätzlich können auch zwei separate Aktuatoren 26 verwendet werden, die dann in geeigneter Weise gleichzeitig angesteuert werden. Es ist auch möglich, innerhalb eines Aktuators 26 zwei getrennte Mechanismen unterzubringen.
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Bei der in den 1 bis 3 gezeigten Ausführungsform ist jeder Schaltgabel 24 ein Rastmechanismus 28 zugeordnet, der eine federbelastete Rastkugel 30 aufweist, die in Rastausnehmungen 32 beaufschlagt wird. Die Rastausnehmungen 32 sind an den Schaltgabeln 24 ausgebildet, sodass die gewünschten Positionen der Schaltgabeln 24 möglichst präzise definiert werden.
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In 1 befindet sich das Differenzialgetriebe 1 im Parksperren-Zustand. Die Schaltmuffen 18 befinden sich in der ersten Position, in der die Verzahnung 14 der Abtriebswellen 7 drehfest mit der gehäusefesten Parksperrenverzahnung 16 gekoppelt sind. Dementsprechend ist jede Abtriebswelle 7 und damit jedes Rad der entsprechenden Antriebsachse drehfest blockiert.
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Aus dieser Position können die Schaltmuffen 18 in die in 2 gezeigte zweite Position gebracht werden, in der die Parksperre gelöst ist, und von dort in die in 3 gezeigte dritte Position, in der die Zwischenwellen 5 mit den Abtriebswellen 7 gekoppelt sind. In diesem Zustand wird die Antriebsleistung eines Antriebsmotors auf die Räder der angetriebenen Achse übertragen.
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Wenn im Fahrbetrieb ein Segelzustand gewünscht ist, wird die Schaltmuffe 18 aus der in 3 gezeigten Position in die in 2 gezeigten Position zurückgeschaltet, in der die Abtriebswellen 7 von den ihnen zugeordneten Zwischenwellen 5 getrennt sind. Hierdurch werden Schleppmomente vermieden.
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Wenn ausgehend vom Segelbetrieb wieder eine Antriebsleistung bereitgestellt werden soll, werden die Schaltmuffen 18 wieder in die in 3 gezeigte dritte Position geschaltet.
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Wenn das Fahrzeug abgestellt wird, werden die Schaltmuffen 18 in die in 1 gezeigte erste Position gebracht.
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In 4 ist eine zweite Ausführungsform des Differenzialgetriebes gezeigt. Für die von der ersten Ausführungsform bekannten Bauteile werden dieselben Bezugszeichen verwendet, und es wird insofern auf die obigen Erläuterungen verwiesen.
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Der Unterschied zwischen der ersten und der zweiten Ausführungsform bestehet darin, dass bei der zweiten Ausführungsform lediglich ein einziger Rastmechanismus 28 vorhanden ist.
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In 5 ist eine dritte Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Für die von den vorhergehenden Ausführungsformen bekannten Bauteile werden dieselben Bezugszeichen verwendet, und es wird insoweit auf die obigen Erläuterungen verwiesen.
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Der Unterschied zwischen der dritten und der vierten Ausführungsform besteht darin, dass bei der vierten Ausführungsform ein Verriegelungsmechanismus 34 verwendet wird, der einen verstellbaren Riegel 36 aufweist. Diesem ist ein Riegelaktuator 38 zugeordnet, hier in der Form eines Hubmagneten.
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Die Schaltgabel 24 ist hier mit Verriegelungsausnehmungen 40 versehen, die sich von den Rastausnehmungen 32 dadurch unterscheiden, dass die Schaltgabel 24 nur dann verstellt werden kann, wenn der Riegel 36 die Verriegelungsausnehmung 40 freigibt. Hierdurch ergibt sich eine höhere Funktionssicherheit.
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In 6 ist ein Ausführungsbeispiel des Aktuators 26 zur Verstellung der Schaltmuffen 18 gezeigt.
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Die synchrongegenläufige Bewegung der beiden Schaltgabeln 24 wird mittels eines zweiarmigen Schalthebels 42 erzielt, der eine Rotationsachse R und zwei einander diametral gegenüberliegende Anlenkungspunkte A aufweist.
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Der Außenumfang des Schalthebels 42 ist hier kreisförmig ausgeführt, wobei im Außenumfang die Rastausnehmungen 32 bzw. Verriegelungsausnehmungen 40 vorgesehen sein können.
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An den Anlenkungspunkten A sind hier Schaltstangen 44 angelenkt, in die jeweils ein Federmechanismus 46 integriert ist. Der Federmechanismus 46 ermöglicht eine Relativbewegung zwischen dem entsprechenden Anlenkungspunkt und der Schaltstange 44, sodass der Hebel 42 auch dann weiterverstellt werden kann, wenn die Schaltstange 44 in ihrer aktuellen Position blockiert ist, weil die Schaltmuffe 18 aufgrund einer Zahn-auf-Zahn-Position gerade nicht weitergeschaltet werden kann. Der von den Federmechanismen 46 bereitgestellte Federweg entspricht also mindestens dem Hub von einer Position der Schaltmuffen 18 zur nächsten. Die Federmechanismen 46 wirken in beiden Richtungen, so dass sie auch dann ansprechen, wenn eine der Schaltmuffen aufgrund einer hohen Vorspannung im Antriebsstrang aktuell nicht vom Aktuator aus ihrer Position in die nächste verschoben werden kann.
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In 6 ist der Aktuator 26 in einer Position gezeigt, die der ersten Position der Schaltmuffen 18 entspricht, also einem Eingriff in die Parksperrenverzahnungen 16. Ausgehend von dieser Position wird der Schalthebel 42 um 90° im Uhrzeigersinn weiterverstellt, wodurch die Schaltmuffen 18 in die zweite Position verstellt werden. Durch Weiterdrehen des Schalthebels 42 um weitere 90° im Uhrzeigersinn gelangen die Schaltmuffen 18 in die dritte Position, in der sie die Zwischenwellen 5 mit den Abtriebswellen 7 koppeln.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011100060 A1 [0004]
- DE 102016220267 A1 [0004]
