DE102022101447A1 - Kolben-Zylinder-Einheit, Verfahren zur Herstellung der Kolben-Zylinder-Einheit - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Kolben-Zylinder-Einheit (100), umfassend einen mit einem Fluid (150) gefüllten Zylinder (110), einen in dem Zylinder (110) verschieblich geführten Kolben (120), eine an dem Kolben (120) befestigte Kolbenstange (130), eine Dichtung (140), und ein Schmiermittel in Kontakt mit der Dichtung (140) und mit dem Zylinder (110), dem Kolben (120) und/oder der Kolbenstange (130). Das Schmiermittel ist ein Polyalphaolefin-Öl oder ein Polyalkylenglykol-Öl. Die Dichtung (140) besteht aus chlorfreiem Acrylnitril-Butadien-Kautschuk. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung der Kolben-Zylinder-Einheit (100).
Description
- Technisches Gebiet
- Die Erfindung betrifft eine Kolben-Zylinder-Einheit, umfassend einen mit einem Fluid gefüllten Zylinder, einen in dem Zylinder verschieblich geführten Kolben, eine an dem Kolben befestigte Kolbenstange, eine Dichtung und ein Schmiermittel in Kontakt mit der Dichtung und mit dem Zylinder, dem Kolben und/oder der Kolbenstange. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung der Kolben-Zylinder-Einheit.
- Stand der Technik
- Die Druckschriften
DE 294 20 29 A1 ,EP 325 80 56 B 1 undWO 2006 007 087 A1 zeigen beispielhaft Kolben-Zylinder-Einheiten der vorgenannten Art in Form von Gasdruckfedern. - Bei bekannten Kolben-Zylinder-Einheiten wird als Schmiermittel üblicherweise ein Mineralöl verwendet. Daraus ergibt sich der Nachteil, dass es bei einer ersten Bewegung des Kolbens im Zylinder der Kolben-Zylinder-Einheit nach einer längeren Standzeit zu einer erhöhten Anfangsreibung und damit verbundenem erhöhten Verschleiß kommt, wodurch die Lebensdauer der Kolben-Zylinder-Einheit beeinträchtigt wird.
- Technische Aufgabe
- Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine kostengünstige und langlebige Kolben-Zylinder-Einheit mit geringer Reibung, insbesondere nach längeren Standzeiten, zu schaffen.
- Technische Lösung
- Die vorliegende Erfindung stellt eine Kolben-Zylinder-Einheit gemäß Anspruch 1 bereit, die die technische Aufgabe löst. Ebenso wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung der Kolben-Zylinder-Einheit gemäß Anspruch 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
- Die Kolben-Zylinder-Einheit umfasst einen mit einem Fluid gefüllten Zylinder. Die Kolben-Zylinder-Einheit ist beispielsweise als Gasdruckfeder oder als Hydraulikdämpfer ausgestaltet. Das Fluid ist beispielsweise ein Gas, insbesondere Stickstoff, das gegenüber einer Umgebung des Zylinders einen Überdruck haben kann. Der Zylinder ist vorzugsweise hohlzylindrisch geformt und kann aus einem Metall, insbesondere aus Stahl, bestehen.
- Die Kolben-Zylinder-Einheit umfasst einen in dem Zylinder, vorzugsweise entlang einer Längsachse des Zylinders, verschieblich geführten Kolben, der den Zylinder vorzugsweise in zwei Kammern teilt. Der Kolben kann aus einem Kunststoff, insbesondere aus einem thermoplastischen Kunststoff, oder aus einem Metall, insbesondere aus Zink oder Aluminium, bestehen.
- Die Kolben-Zylinder-Einheit umfasst eine an dem Kolben befestigte Kolbenstange, die vorzugsweise koaxial zur Mittellängsachse des Zylinders angeordnet ist. Die Kolbenstange kann aus einem Metall, insbesondere aus Stahl, bestehen.
- Die Kolben-Zylinder-Einheit umfasst zumindest eine Dichtung, insbesondere zur für das Fluid dichten Abdichtung des Zylinders gegenüber einer Umgebung des Zylinders und/oder zur für das Fluid dichten Abdichtung der Kammern des Zylinders gegeneinander.
- Die Kolben-Zylinder-Einheit umfasst ein Schmiermittel in Kontakt mit der Dichtung und mit dem Zylinder, mit der Dichtung und dem Kolben und/oder mit der Dichtung und der Kolbenstange zur Reibungsreduzierung zwischen Dichtung und Zylinder und/oder zwischen Dichtung und Kolben und/oder zwischen Dichtung und Kolbenstange.
- Das Schmiermittel ist ein Polyalphaolefin-Öl, auch PAO-Öl genannt, oder ein Polyalkylenglykol-Öl, auch PAG-Öl oder Polyglykol-Öl genannt. Ein Polyalphaolefin-Öl ist ein synthetisches Öl, das zumindest zu 50 %, insbesondere zumindest zu 75 %, bevorzugt zu 85 % bis 95 % aus Polyalphaolefinen besteht. Ein Polyalkylenglykol-Öl ist ein synthetisches Öl, das zumindest zu 50 %, insbesondere zumindest zu 75 %, bevorzugt zu 85 % bis 95 % aus Polyalkylenglykolen besteht.
- Die Dichtung besteht aus Acrylnitril-Butadien-Kautschuk, auch AB-Kautschuk, NBR, Nitrile Butadiene Ruber oder Nitrilkautschuk genannt. Der Acrylnitril-Butadien-Kautschuk ist chlorfrei, das heißt, die Dichtung enthält weder gezielt zugesetztes Chlor oder Chlorverbindungen noch bei der Herstellung der Dichtung, beispielsweise aus Hilfsstoffen wie Reaktionsverzögerern, in die Dichtung übergegangenes Chlor oder Chlorverbindungen.
- Vorteilhafte Wirkungen
- Versuche haben gezeigt, dass die Anfangsreibung der Kolben-Zylinder-Einheit nach einer längeren Standzeit reduziert wird, wenn anstelle eines üblichen Mineralöls ein synthetisches Öl, ausgewählt aus einem Polyalphaolefin-Öl und einem Polyalkylenglykol-Öl als Schmiermittel verwendet wird. Dabei wurde jedoch in Verbindung mit einer üblichen Dichtung aus Acrylnitril-Butadien-Kautschuk eine gegenüber der Verwendung eines Mineralöls erhöhte Korrosion der Kolben-Zylinder-Einheit beobachtet.
- Übliche Dichtungen aus Acrylnitril-Butadien-Kautschuk enthalten Chlorverbindungen, beispielsweise aus - üblicherweise chlorhaltigen - Reaktionsverzögerern, die bei der Herstellung der Dichtungen verwendet werden. Reaktionsverzögerer sind notwendig, um die Dichtung durch Spritzgießen oder Spritzpressen aus einer Acrylnitril-Butadien-Kautschuk-Schmelze herzustellen, ohne dass die Schmelze vorzeitig erstarrt.
- Überraschenderweise zeigt die erfindungsgemäße Kolben-Zylinder-Einheit gegenüber üblichen Kolben-Zylinder-Einheiten eine verringerte Anfangsreibung ohne erhöhte Korrosion, wenn ein Polyalphaolefin-Öl oder ein Polyalkylenglykol-Öl als Schmiermittel verwendet wird und die Dichtung aus chlorfreiem Acrylnitril-Butadien-Kautschuk besteht.
- Somit führt die erfindungsgemäße Kombination von Schmiermittel und Material der Dichtung zu einer kostengünstigen und langlebigen Kolben-Zylinder-Einheit mit verringerter Reibung, insbesondere nach längeren Standzeiten.
- Beschreibung der Ausführungsarten
- Die Dichtung ist vorzugsweise eine Kolbenstangendichtung, wobei die Kolbenstange, insbesondere koaxial zur Mittellängsachse des Zylinders, durch die Dichtung aus dem Zylinder herausgeführt ist, und die Dichtung den Zylinder für das Fluid dicht verschließt. Das zuvor beschriebene Problem der erhöhten Anfangsreibung tritt besonders stark an der Kolbenstangendichtung auf, sodass die genannten Vorteile der Erfindung hier besonders stark hervortreten.
- Die Dichtung ist vorzugsweise halogenfrei. Dadurch, dass die Dichtung nicht nur kein Chlor, sondern auch keine anderen Halogene oder Halogenverbindungen enthält, kann eine Korrosion durch Halogene oder Halogenverbindungen ausgeschlossen werden. In dieser Ausgestaltung enthält die Dichtung weder gezielt zugesetzte Halogene oder Halogenverbindungen noch unbeabsichtigt bei der Herstellung der Dichtung in die Dichtung übergegangene Halogene oder Halogenverbindungen.
- Das Schmiermittel enthält vorzugsweise zumindest ein Schwell-Additiv zur Schwellung der Dichtung enthält, wobei das Schwell-Additiv ein Ester ist. Der Ester ist vorzugsweise in dem Polyalphaolefin-Öl oder Polyalkylenglykol-Öl löslich und zeigt unter Betriebsbedingungen der Kolben-Zylinder-Einheit keine chemischen Wechselwirkungen mit dem Polyalphaolefin-Öl, dem Polyalkylenglykol-Öl oder darin enthaltenen Additven.
- In Kontakt mit einem Polyalphaolefin-Öl oder Polyalkylenglykol-Öl kann eine Dichtung aus Acrylnitril-Butadien-Kautschuk schrumpfen. Ein Schrumpfen kann die Dichtwirkung der Dichtung beeinträchtigen und zu Leckagen führen. Dieser Effekt wird durch das Schwell-Additiv verhindert.
- Das Schmiermittel enthält vorzugsweise zumindest ein Reibungsreduzierungs-Additiv zur Reduzierung von Reibung zwischen der Dichtung und dem Zylinder, dem Kolben und/oder der Kolbenstange, wobei das Reibungsreduzierungs-Additiv eine amphiphile Substanz, ein funktionalisiertes Polymer, eine organische Molybdänverbindung oder ein Fettsäureester ist.
- Das Reibungsreduzierungs-Additiv kann die Reibung beispielsweise reduzieren, indem es eine Grenzschicht zwischen dem Schmiermittel und der Dichtung, dem Zylinder, dem Kolben und/oder der Kolbenstange bildet.
- Das Schmiermittel enthält vorzugsweise zumindest ein Korrosionsschutz-Additiv zur Reduzierung von Korrosion des Zylinders, des Kolbens und/oder der Kolbenstange, wobei das Korrosionsschutz-Additiv ein Sulfonat, ein Cycloalkanat, ein Carboxylat, ein Alkyl-Bernsteinsäurederivat oder ein Polyolester ist.
- Das Korrosionsschutz-Additiv wirkt beispielsweise wie eine Buntmetalldesaktivator und bildet einen wasserundurchlässigen Schutzfilm auf einer Oberfläche des Zylinders, des Kolbens und/oder der Kolbenstange. Das Korrosionsschutz-Additiv kann dazu geeignet sein, saure Reaktionsprodukte, beispielsweise aus dem Abbau von Additiven, zu neutralisieren.
- Wenn das Schmiermittel das Korrosionsschutz-Additiv und das Reibungsreduzierungs-Additiv enthält, kann es zu einer Konkurrenz zwischen den beiden Additiven um die Besetzung der Oberfläche des Zylinders, des Kolbens und/oder der Kolbenstange kommen.
- Aufgrund der geringen Korrosionsneigung der erfindungsgemäßen Kolben-Zylinder-Einheit kann ein guter Korrosionsschutz auch dann erreicht werden, wenn das Schmiermittel nur einen geringen Anteil des Korrosionsschutz-Additivs enthält. Da das Korrosionsschutz-Additiv in diesen Ausgestaltungen nur geringfügig mit dem Polyalphaolefin-Öl, dem Polyalkylenglykol-Öl oder einem Reibungsreduzierungs-Additiv um die Besetzung der Oberfläche des Zylinders, des Kolbens und/oder der Kolbenstange konkurriert, wird in diesen Ausgestaltungen eine besonders geringe Reibung erreicht.
- Auch bei einer erfindungsgemäßen Kolben-Zylinder-Einheit wird vorteilhafterweise nicht vollständig auf das Korrosionsschutz-Additiv verzichtet, da eventuell während des Betriebs der Kolben-Zylinder-Einheit durch hydrodynamische Effekte Wasser in die Kolben-Zylinder-Einheit eindringen kann. Ohne Korrosionsschutz-Additiv könnte dieses Wasser zu Korrosion, insbesondere an einer Innenfläche des Zylinders, führen.
- Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Kolben-Zylinder-Einheit und umfasst ein chlorfreies Herstellen der Dichtung der Kolben-Zylinder-Einheit aus Acrylnitril-Butadien-Kautschuk.
- Das Verfahren umfasst, vorzugsweise nach dem Herstellen, ein Zusammenbauen der Dichtung mit dem Zylinder, dem Kolben und der Kolbenstange der Kolben-Zylinder-Einheit.
- Das Verfahren umfasst, vorzugsweise nach dem Zusammenbauen, ein Einfüllen des Schmiermittels der Kolben-Zylinder-Einheit in die Kolben-Zylinder-Einheit, wobei das Schmiermittel ein Polyalphaolefin-Öl oder ein Polyalkylenglykol-Öl ist.
- Aus den genannten Verfahrensschritten ergeben sich die oben genannten Vorteile und Ausgestaltungsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Kolben-Zylinder-Einheit.
- Das Herstellen umfasst vorzugsweise ein Verzögern einer Erstarrung einer Acrylnitril-Butadien-Kautschuk-Schmelze mit einem chlorfreien Reaktionsverzögerer.
- Die Verwendung eines Reaktionsverzögerers erlaubt es, die Schmelze, beispielsweise durch Spritzgießen oder Spritzpressen, zu der Dichtung zu formen, ohne dass diese vorzeitig erstarrt oder zusätzlich beheizt werden muss, um nicht zu erstarren. Wenn der Reaktionsverzögerer chlorfrei, insbesondere halogenfrei, ist, ergeben sich daraus die oben genannten Vorteile der chlorfreien, insbesondere halogenfreien, Dichtung.
- Die gegenüber chlorhaltigen Reaktionsverzögerern erhöhten Kosten des chlorfreien Reaktionsverzögerers können erfindungsgemäß beispielsweise durch einen geringeren Bedarf an Korrosionsschutz-Additiv und/oder eine durch verringerte Korrosion verlängerte Lebensdauer der Kolben-Zylinder-Einheit kompensiert werden.
- Das Herstellen umfasst ein Spritzgießen oder ein Spritzpressen der Dichtung aus einer Acrylnitril-Butadien-Kautschuk-Schmelze. Diese Verfahren haben die Vorteile, dass die Dichtung dadurch in nahezu beliebiger Form vollautomatisch, schnell und kostengünstig hergestellt werden kann.
- Figurenliste
- Weitere Vorteile, Ziele und Eigenschaften der Erfindung werden anhand nachfolgender Beschreibung und anliegender Zeichnungen erläutert, in welchen beispielhaft erfindungsgemäße Gegenstände dargestellt sind.
-
1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kolben-Zylinder-Einheit. -
2 zeigt die auf die Kolbenstange einer Kolben-Zylinder-Einheit wirkenden Reibkraft mit einem Mineralöl oder einem Polyalkylenglykol-Öl als Schm ierm ittel. -
3 zeigt den Korrosionsgrad von Stahlfingern in Kontakt mit einem Polyalkylenglykol-Öl als Schmiermittel mit einer Dichtung aus chlorhaltigem oder chlorfreien Acrylnitril-Butadien-Kautschuk. - Fig.1
-
1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kolben-Zylinder-Einheit 100 als Längsschnitt entlang einer Hubachse H der Kolben-Zylinder-Einheit, die beispielsweise eine Gasdruckfeder ist. - Die dargestellte Kolben-Zylinder-Einheit 100 umfasst einen mit einem Fluid 150, beispielsweise mit gegenüber einer Umgebung des Zylinders unter einem Überdruck stehendem Stickstoff-Gas, gefüllten Zylinder 110 und einen in dem Zylinder 110 entlang der Hubachse H verschieblich geführten Kolben 120.
- Die dargestellte Kolben-Zylinder-Einheit 100 umfasst eine an dem Kolben 120 befestigte Kolbenstange 130 und eine Dichtung 140. Die Dichtung 140 ist beispielsweise eine Kolbenstangendichtung, wobei die Kolbenstange 130 durch die Dichtung 140 aus dem Zylinder 110 herausgeführt ist, und die Dichtung 140 den Zylinder 110 für das Fluid 150 dicht verschließt.
- Die dargestellte Kolben-Zylinder-Einheit 100 umfasst ein Schmiermittel (nicht gezeigt) zumindest in Kontakt mit der Dichtung 140 und der Kolbenstange 130.
- Das Schmiermittel ist ein Polyalphaolefin-Öl oder ein Polyalkylenglykol-Öl, und die Dichtung 140 besteht aus chlorfreiem Acrylnitril-Butadien-Kautschuk.
- Fig.2
-
2 zeigt die auf die Kolbenstange einer als Gasdruckfeder ausgestalteten Kolben-Zylinder-Einheit aus dem Stand der Technik mit einem Mineralöl (schwarze Säulen) oder einem Polyalkylenglykol-Öl (schraffierte Säulen) als Schmiermittel wirkende Reibkraft F in N. - Dargestellt sind jeweils die Reibkraft F beim ersten Hub 1a, beim zweiten Hub 1b und beim dritten Hub 1c direkt nach der Montage der Kolben-Zylinder-Einheit sowie die Reibkraft F beim ersten Hub 2a, beim zweiten Hub 2b und beim dritten Hub 2c, nachdem die Kolben-Zylinder-Einheit einem Dauerlauftest ausgesetzt und dann für 24 h gelagert wurde, sodass die Oberfläche der Kolbenstange beim ersten Hub jeweils trocken ist.
- Es ist erkennbar, dass die Reibkraft F mit dem Polyalkylenglykol-Öl geringer ist als mit dem Mineralöl. Dieser Effekt ist beim jeweils ersten Hub nach der Montage und nach der Lagerung besonders stark und auch bei den weiteren Hüben noch zu sehen.
- Fig.3
-
3 zeigt den Korrosionsgrad von Stahlfingern in Kontakt mit einem Polyalkylenglykol-Öl als Schmiermittel, in das eine Dichtung aus chlorhaltigem a oder chlorfreien b, c Acrylnitril-Butadien-Kautschuk eingelegt ist. - Der Korrosionsgrad wird mit einem an DIN ISO 7120, Methode B angelehnten Stahlfingertest bestimmt. Dabei wird ein Stift aus Stahl in ein Glas mit der Dichtung, dem Polyalkylenglykol-Öl und Wasser gehängt. Nach einer vorbestimmten Reaktionszeit von beispielsweise 24 h bei konstanter Temperatur von beispielsweise 60 °C wird der Korrosionsgrad auf einer Skala von 0 (keine Korrosion) bis 5 (vollständige Korrosion der Oberfläche des Stahlstiftes) bewertet.
- Während der Stahlstift in Kontakt mit dem Polyalkylenglykol-Öl mit einer chlorhaltigen Dichtung einen hohen Korrosionsgrad zeigt, ist der Korrosionsgrad unter den gleichen Bedingungen in Kontakt mit dem Polyalkylenglykol-Öl mit einer chlorfreien Dichtung wesentlich geringer.
- Bezugszeichenliste
-
- 100
- Kolben-Zylinder-Einheit
- 110
- Zylinder
- 120
- Kolben
- 130
- Kolbenstange
- 140
- Dichtung
- 150
- Fluid
- F
- Reibkraft
- H
- Hubachse
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
-
- DE 2942029 A1 [0002]
- EP 3258056 B [0002]
- WO 2006007087 A1 [0002]
Claims (9)
- Kolben-Zylinder-Einheit (100), umfassend a. einen mit einem Fluid (150) gefüllten Zylinder (110), b. einen in dem Zylinder (110) verschieblich geführten Kolben (120), c. eine an dem Kolben (120) befestigte Kolbenstange (130), d. eine Dichtung (140) und e. ein Schmiermittel in Kontakt mit der Dichtung (140) und mit dem Zylinder (110), dem Kolben (120) und/oder der Kolbenstange (130), dadurch gekennzeichnet, dass f. das Schmiermittel ein Polyalphaolefin-Öl oder ein Polyalkylenglykol-Öl ist, und g. die Dichtung (140) aus chlorfreiem Acrylnitril-Butadien-Kautschuk besteht.
- Kolben-Zylinder-Einheit (100) nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (140) eine Kolbenstangendichtung ist, wobei a. die Kolbenstange (130) durch die Dichtung (140) aus dem Zylinder (110) herausgeführt ist, und b. die Dichtung (140) den Zylinder (110) für das Fluid (150) dicht verschließt. - Kolben-Zylinder-Einheit (100) nach
Anspruch 1 oder2 , dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (140) halogenfrei ist. - Kolben-Zylinder-Einheit (100) nach einem der
Ansprüche 1 bis3 , dadurch gekennzeichnet, dass das Schmiermittel zumindest ein Schwell-Additiv zur Schwellung der Dichtung (140) enthält, wobei das Schwell-Additiv ein Ester ist. - Kolben-Zylinder-Einheit (100) nach einem der
Ansprüche 1 bis4 , dadurch gekennzeichnet, dass das Schmiermittel zumindest ein Reibungsreduzierungs-Additiv zur Reduzierung von Reibung zwischen der Dichtung (140) und dem Zylinder (110), dem Kolben (120) und/oder der Kolbenstange (130) enthält, wobei das Reibungsreduzierungs-Additiv eine amphiphile Substanz, ein funktionalisiertes Polymer, eine organische Molybdänverbindung oder ein Fettsäureester ist. - Kolben-Zylinder-Einheit (100) nach einem der
Ansprüche 1 bis5 , dadurch gekennzeichnet, dass das Schmiermittel zumindest ein Korrosionsschutz-Additiv zur Reduzierung von Korrosion des Zylinders (110), des Kolbens (120) und/oder der Kolbenstange (130) enthält, wobei das Korrosionsschutz -Additiv ein Sulfonat, ein Cycloalkanat, ein Carboxylat, ein Alkyl-Bernsteinsäurederivat oder ein Polyolester ist. - Verfahren zur Herstellung einer Kolben-Zylinder-Einheit (100) nach einem der
Ansprüche 1 bis6 , gekennzeichnet durch folgende Schritte: a. chlorfreies Herstellen der Dichtung (140) der Kolben-Zylinder-Einheit (100) aus Acrylnitril-Butadien-Kautschuk, b. Zusammenbauen der Dichtung (140) mit dem Zylinder (110), dem Kolben (120) und der Kolbenstange (130) der Kolben-Zylinder-Einheit (100) und c. Einfüllen des Schmiermittels der Kolben-Zylinder-Einheit (100) in die Kolben-Zylinder-Einheit (100), wobei das Schmiermittel ein Polyalphaolefin-Öl oder ein Polyalkylenglykol-Öl ist. - Verfahren nach
Anspruch 7 , dadurch gekennzeichnet, dass das Herstellen ein Verzögern einer Erstarrung einer Acrylnitril-Butadien-Kautschuk-Schmelze mit einem chlorfreien Reaktionsverzögerer umfasst. - Verfahren nach
Anspruch 7 oder8 , dadurch gekennzeichnet, dass das Herstellen ein Spritzgießen oder ein Spritzpressen der Dichtung (140) aus einer Acrylnitril-Butadien-Kautschuk-Schmelze umfasst.
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Norm DIN ISO 7120 2000-05-00. Mineralölerzeugnisse und Schmierstoffe - Mineralöle und andere Flüssigkeiten - Bestimmung der Korrosionsschutzeigenschaften in Gegenwart von Wasser (ISO 7120:1987). URL: http://perinorm/Perinorm-Volltexte/2016-11_Grunbestand/CD21DE_02/8379440/8379440.pdf? [abgerufen am 2022-02-25]. |
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