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Die Erfindung betrifft eine Ventileinheit. Außerdem betrifft die Erfindung ein elektrohydraulisches Ventil mit einer Ventileinheit.
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Aus dem Stand der Technik sind Ventileinheiten für Hydraulikventile bekannt. Diese weisen üblicherweise eine Ventilhülse und einen darin geführten Ventilschieber auf. Beispielsweise zeigen die
DE 10 2014 012 306 A1 , die
DE 10 2005 051 177 A1 oder die
DE 101 50 030 A1 verschiedene Ventile.
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Wird der Ventilschieber in der Ventilhülse bestimmungsgemäß bewegt, so tritt Gleitreibung auf. Um einen Verschleiß zu minimieren und optimales Ventilverhalten zu erreichen, werden üblicherweise verschiedene Materialien für Ventilschieber und Ventilhülse verwendet. So offenbart die
DE 10 2018 115 914 A1 ein elektrohydraulisches Ventil, das einen Ventilschieber aus einem auf Polyetheretherketon basierenden Verbundmaterial und eine Ventilhülse aus einem auf Polyphenylensuflid basierenden Verbundmaterial aufweist.
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Es ist Aufgabe der Erfindung eine Ventilanordnung bereitzustellen, die einfach und kostengünstig herstellbar ist und zuverlässig und langlebig funktioniert. Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs. Die Unteransprüche haben bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
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Die Lösung erfolgt somit durch eine Ventileinheit mit einem Ventilschieber und einer Ventilhülse, in der der Ventilschieber beweglich geführt ist. Der Ventilschieber ist entlang der Ventilhülse verschiebbar, um einen Fluidfluss durch die Ventileinheit unterschiedlich einzustellen. So ist insbesondere ermöglicht, durch unterschiedliche Stellungen des Ventilschiebers innerhalb der Ventilhülse unterschiedliche Fluidpfade durch die Ventileinheit bereitzustellen und zu sperren. Die Ventileinheit ist besonders bevorzugt ein Mehrwegeventil und/oder zur Verwendung als Proportionalventil ausgebildet.
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Der Ventilschieber und die Ventilhülse sind jeweils aus einem Verbundmaterial aufweisend ein Grundpolymer und Verstärkungsfasern ausgebildet. Bei dem Grundpolymer handelt es sich insbesondere um einen amorphen oder teilkristallinen und besonders bevorzugt wasserabweisenden und/oder mediendichten hochtemperaturbeständigen Thermoplasten. Unter einer wasserabweisenden Eigenschaft ist insbesondere zu verstehen, dass bei der höchsten auftretenden Einsatztemperatur eine Wasseraufnahme maximal 1 % des Gewichts des Ventilschiebers und/oder der Ventilhülse beträgt. Weiterhin weist das Verbundmaterial vorteilhafterweise eine gute Formgenauigkeit nach einer urformenden und/oder umformenden Verarbeitung auf.
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Wird der Ventilschieber innerhalb der Ventilhülse bewegt, so entsteht Gleitreibung. Dabei ist insbesondere zu berücksichtigen, dass ein enges Anliegen des Ventilschiebers an der Ventilhülse vorgesehen ist, um eine Dichtigkeit der Ventileinheit zu erreichen. Dies bedeutet, dass durch die Passung von Ventilschieber und Ventilhülse verhindert ist, dass Fluid ungewollt zwischen Ventilschieber und Ventilhülse hindurchgelangt bzw. dass eine solche Leckage minimiert ist. Um einen aus der Gleitreibung resultierenden Verschleiß zu minimieren ist aus dem Stand der Technik bekannt, unterschiedliche Grundpolymere für die Gleitpartner zu verwenden. Erfindungsgemäß ist jedoch vorgesehen, dass im Gegensatz zu dieser etablierten Lehre die Grundpolymere des Ventilschiebers und der Ventilhülse gleichartig, insbesondere identisch sind. Unter gleichartig ist insbesondere zu verstehen, dass die Grundpolymere gleiche sich wiederholende Gruppen aufweisen. Zusätzlich ist vorgesehen, dass der Ventilschieber zumindest eine Kontaktfläche aufweist, mit der der Ventilschieber an der Ventilhülse anliegt, wobei die Kontaktfläche spanabhebend bearbeitet ist. Dadurch lässt sich ein Verschleiß trotz der gleichartigen, insbesondere identischen Grundpolymere minimieren. So ist einerseits erreicht, dass an der Kontaktfläche eine Leckage von Fluid zwischen Ventilschieber und Ventilhülse, andererseits eine Reibung zwischen Ventilschieber und Ventilhülse und damit ein Verschleiß minimiert ist.
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Bei der Herstellung einer Ventilhülse aus einem Verbundmaterial wie zuvor beschrieben bleibt insbesondere eine Randschicht, in der keine oder nur wenige Verstärkungsfasern vorhanden sind und dadurch vorwiegend das Grundpolymer, mit ggf. vorhandenen Zusätzen, vorliegt. Durch die spanabhebende Bearbeitung der Kontaktfläche des Ventilschiebers hingegen werden solche Randschichten entfernt und die Verstärkungsfasern liegen an der Oberfläche, d.h. an der Kontaktfläche, offen vor. Die Verstärkungsfasern, besonders bevorzugt im Falle von Kohlenstofffasern, bieten optimale Gleitreibungseigenschaften. Es hat sich überraschend gezeigt, dass selbst bei gleichartigem, insbesondere identischem, Grundpolymer der Gleitpartner durch die mittels spanabhebender Bearbeitung freigelegten Verstärkungsfasern optimale Gleitreibungseigenschaften erreichbar sind, sodass ein Verschleiß der Ventileinheit minimiert ist. Dadurch kann eine langlebige Ventileinheit einfach und kostengünstig hergestellt werden.
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Besonders vorteilhaft ist im Betrieb der Ventileinheit ein Betriebsmedium innerhalb der Ventilhülse vorhanden. Dieses Betriebsmedium führt zu einer weiteren Absenkung des Verschleißes, da die Flüssigkeitsreibung den Abrieb zwischen Ventilschieber und Ventilhülse minimiert.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Ventilschieber und/oder die Ventilhülse ein Spritzgussteil ist. Durch die Herstellung von Ventilschieber und/oder Ventilhülse mittels Spritzguss lassen sich Ventilschieber und/oder Ventilhülse kostengünstig fertigen. Gleichzeitig lassen sich benötigte Formen und Konturen einfach und aufwandsarm herstellen, wobei insbesondere eine hohe Formgenauigkeit von Ventilschieber und/oder Ventilhülse vorhanden ist. Bei der spritzgießenden Herstellung liegen in den äußersten Randschichten des spritzgegossenen Verbundmaterials die Verstärkungsfasern nicht oder nur in geringen Mengen vor. Insbesondere liegt eine Spritzgusshaut vor, in der die Verstärkungsfasern nicht oder nur minimal vorhanden sind. Bevorzugt bei der Ventilhülse liegen die Verstärkungsfasern somit nicht an der Oberfläche vor. Der Ventilschieber ist bevorzugt nach dem Spritzguss spanabhebend bearbeitet, wobei die spanabhebende Bearbeitung insbesondere nur in Teilbereichen des Ventilschiebers erfolgt, sodass der Charakter des Spritzgussteils außerhalb der bearbeiteten Teilbereiche erhalten bleibt.
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Das Grundpolymer ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung Polyphenylensulfid. Insbesondere weist Polyphenylensulfid eine optimale Medienbeständigkeit auf und eignet sich daher optimal zur Verwendung für den Ventilschieber und/oder die Ventilhülse. Außerdem werden optimale Formgenauigkeiten erreicht, wenn der Ventilschieber und/oder die Ventilhülse durch Spritzguss hergestellt sind.
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Bei den Verstärkungsfasern handelt es sich insbesondere um Kohlenstofffasern und/oder Glasfasern. Diese weisen einerseits eine optimale Kraftübertragbarkeit und andererseits ein geringes Gewicht. Somit können die Verstärkungsfasern vorteilhaft zur Verstärkung des Verbindmaterials verwendet werden. Das Verbundmaterial weist daher ein optimiertes Gewicht sowie eine optimierte Festigkeit auf.
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Besonders vorteilhaft ist vorgesehen, dass die Verstärkungsfasern des Ventilschiebers Kohlenstofffasern und/oder die Verstärkungsfasern der Ventilhülse Glasfasern sind. Der Ventilschieber ist, wie zuvor beschrieben, insbesondere spanabhebend bearbeitet. Dadurch liegen unmittelbar an der Kontaktfläche des Ventilschiebers die Verstärkungsfasern, die Kohlenstofffasern sind. Kohlenstoff weist ideale Gleitreibungseigenschaften auf. Somit ist trotz desselben Grundpolymers kein erhöhter Verschleiß beim Gleiten des Ventilschiebers an der Ventilhülse zu erwarten. Vielmehr ist ein Verschleiß durch den Kohlenstoff der Verstärkungsfasern minimiert. Durch die Verwendung von Glasfasern steigt eine Bindenahtfestigkeit, was insbesondere für die Ventilhülse vorteilhaft ist. Der glasfaserverstärkte Grundpolymer erlaubt eine höhere zulässige Dehnung als bei kohlenstofffaserverstärkten Grundpolymer, wodurch insbesondere die Bindenahtfestigkeit steigt.
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Das Verbundmaterial des Ventilschiebers und/oder der Ventilhülse weist bevorzugt neben dem Grundpolymer und den Verstärkungsfasern Polytetraflourethylen auf. Das Polytetraflourethylen dient insbesondere als Füllstoff des Verbundmaterials. Dadurch wird eine Wasserabweisungseigenschaft und/oder eine Medienbeständigkeit und/oder Reibungseigenschaft des Verbundmaterials verbessert.
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Die Ventilhülse weist bevorzugt eine Gegenkontaktfläche auf, die an der Kontaktfläche des Ventilschiebers anliegt. Die Gegenkontaktfläche ist im Gegensatz zur Kontaktfläche nicht spanabhebend bearbeitet. Somit ist besonders vorteilhaft an den Gegenkontaktflächen eine charakteristische Eigenschaft des Spritzgusses vorhanden. Durch das Fehlen der spanabhebenden Bearbeitung ist insbesondere vermieden, dass die Verstärkungsfasern der Ventilhülse an eine Oberfläche der Ventilhülse, insbesondere an eine Oberfläche der Gegenkontaktfläche gelangen. Somit befindet sich an der Oberfläche der Ventilhülse, insbesondere der Gegenkontaktfläche, stets das Grundpolymer.
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Ein Durchmesserspiel zwischen Ventilschieber und Ventilhülse beträgt insbesondere weniger als 1,5 % des Durchmessers des Ventilschiebers. Bevorzugt beträgt das Durchmesserspiel weniger als 1,0 % des Durchmessers des Ventilschiebers. Das Durchmesserspiel beträgt alternativ oder zusätzlich mindestens 0,1 %, bevorzugt mindestens 0,2 %. Dieses Durchmesserspiel liegt insbesondere an der Kontaktfläche vor, an der der Ventilschieber an der Ventilhülse anliegt. Der Durchmesser des Ventilschiebers entspricht somit dem Durchmesser an der Kontaktfläche. Durch derartige Durchmesserspiele ist einerseits eine ausreichende Dichtigkeit zwischen Ventilschieber und Ventilhülse gegeben, andererseits ist eine optimale Beweglichkeit des Ventilschiebers in der Ventilhülse gewährleistet. Durchmesserspiele wie zuvor beschrieben lassen sich insbesondere durch die Ausbildung von Ventilschieber und/oder Ventilhülse als Spritzgussteil und die spanabhebende Bearbeitung der Kontaktfläche des Ventilschiebers einfach und aufwandsarm erreichen.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass das Verbundmaterial der Ventilhülse einen Volumenanteil zwischen 30% und 50 % von Verstärkungsfasern aufweist. Insbesondere beträgt besagter Volumenanteil zwischen 35 % und 45 %, besonders bevorzugt zwischen 38% und 42 %. Alternativ oder zusätzlich ist bevorzugt vorgesehen, dass das Verbundmaterial des Ventilschiebers einen Volumenanteil zwischen 20 % und 40 % von Verstärkungsfasern aufweist. Insbesondere beträgt besagter Volumenanteil zwischen 25 % und 35 %, besonders bevorzugt zwischen 28 % und 32 %. Eine solche Menge an Verstärkungsfasern erlaubt eine ideale Möglichkeit, Zugkräfte aufzunehmen und dadurch eine lange Lebensdauer der Ventileinheit zu erreichen.
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Die Erfindung betrifft außerdem ein elektrohydraulisches Ventil. Das Ventil weist einen Elektromagneten und eine Ventileinheit wie zuvor beschrieben auf. Ein Anker des Elektromagneten ist mit dem Ventilschieber der Ventileinheit gekoppelt, um den Ventilschieber innerhalb der Ventilhülse in zumindest eine Richtung zu verschieben. Bevorzugt ist eine elastische Rückstellfeder vorgesehen, die auf den Ventilschieber und/oder den Anker wirkt, wodurch der Ventilschieber in eine Ausgangslage rücküberführbar ist. Das elektrohydraulische Ventil dient besonders vorteilhaft zur Schaltung von Hydrauliköl-Strömen, wobei das Hydrauliköl zusätzlich zu einem reibungsvermindernden Effekt zwischen Ventilschieber und Ventilhülse bewirkt.
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Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigt:
- 1 eine schematische Ansicht eines elektrohydraulischen Ventils gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
- 2 eine schematische Ansicht einer Ventileinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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1 zeigt schematisch ein elektrohydraulisches Ventil 6 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das elektrohydraulische Ventil 6 ist insbesondere ein Hydraulikventil und weist als Antrieb des Ventils 6 einen Elektromagnet 7 mit einem Anker 8 auf.
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Weiterhin weist das elektrohydraulische Ventil 6 eine Ventileinheit 1 auf. Eine Ventileinheit 1 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist auch in 2 gezeigt. Die Ventileinheit 1 weist einen Ventilschieber 2 und eine Ventilhülse 3 auf. Die Ventileinheiten 1 in 1 und 2 ermöglichen lediglich andere Ventilschaltungen, der grundsätzliche Aufbau und die verwendeten Komponenten sind jedoch identisch, weswegen die 1 und 2 im Folgenden gemeinsam beschrieben werden. Der Ventilschieber 2 ist in der Ventilhülse 3 geführt und kann entlang einer Längsachse 100 der Ventilhülse 3 verschoben werden, um unterschiedliche Fluidflüsse einzustellen.
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Eine Außenseite der Ventilhülse 3 ist an eine Wand 10 anlegbar, wodurch die Ventilhülse 3 verschiedene Eingänge und/oder Ausgänge für Fluid definiert. Durch entsprechendes Anordnen des Ventilschiebers 2 in der Ventilhülse 3 können unterschiedliche Fluidpfade durch die Ventileinheit 1 freigegeben oder versperrt werden.
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Der Ventilschieber 2 ist mit dem Anker 8 gekoppelt, wodurch der Anker 8 den Ventilschieber 2 in zumindest eine Richtung entlang der Längsachse 100 verschoben werden kann. Die Kopplung erfolgt beispielsweise durch eine Ankerstange 8a. Der Elektromagnet 7 dient somit als Antrieb des Ventilschiebers 2 und dadurch zum Einstellen des Fluidflusses. Der Ventilschieber 2 ist bevorzugt außerdem durch eine Rückstellfeder 9 belastet, wodurch eine Rückstellkraft auf den Ventilschieber 2 und den Anker 8 wirkt, wenn eine Verschiebung durch den Anker 8 erfolgt ist. Somit befindet sich der Ventilschieber 2 stets in demselben Ruhezustand, wenn der Elektromagnet 7 stromlos ist und nur die Rückstellkraft der Rückstellfeder 9 auf den Ventilschieber 2 wirkt.
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Im normalen Betrieb des Ventils 6 und der Ventileinheit 1 erfolgt ein Gleiten des Ventilschiebers 2 entlang der Ventilhülse 3. Der Ventilschieber 2 weist mehrere Kontaktflächen 4 auf, mit denen der Ventilschieber 2 an der Ventilhülse 3 anliegt. Insbesondere liegen die Kontaktflächen 4 des Ventilschiebers 2 an einer Gegenkontaktfläche 5 der Ventilhülse 3 an, wobei die Gegenkontaktfläche 5 insbesondere einer Innenfläche der Ventilhülse 3 entspricht. Zwischen den Kontaktflächen 4 und der Gegenkontaktfläche 5 ist eine Leckage von Fluid minimiert, sodass ein zuverlässiges Schalten der Ventileinheit 1 durch Verschieben des Ventilschiebers 2 ermöglicht ist.
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Die Minimierung der Leckage und die Möglichkeit der Verschiebung des Ventilschiebers 2 wird insbesondere durch ein Durchmesserspiel zwischen Ventilschieber 2 und Ventilhülse 3 an den Kontaktflächen 4 erreicht, das weniger als 1,5 %, bevorzugt weniger als 1,0 %, und/oder mindestens 0,1 %, bevorzugt mindestens 0,2 %, des Durchmessers des Ventilschiebers 2 an den Kontaktflächen 4 beträgt. Um solche Durchmesserspiele zu erreichen und um die Ventileinheit 1 einfach und kostengünstig herzustellen, sind Ventilschieber 2 und Ventilhülse 3 Spritzgussteile, die aus einem Verbundmaterial hergestellt sind. Der Ventilschieber 2 ist aus einem Verbundmaterial mit einem Grundpolymer und mit Kohlenstofffasern als Verstärkungsfasern ausgebildet. Die Ventilhülse 3 ist aus einem Verbundmaterial mit einem Grundpolymer und Glasfasern als Verstärkungsfasern ausgebildet. Bei dem Grundpolymer handelt es sich sowohl bei dem Ventilschieber 2 als auch bei der Ventilhülse 3 um Polyphenylensulfid.
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Der Ventilschieber 2 ist an den Kontaktflächen 4 spanabhebend bearbeitet. Dies führt dazu, dass die Kohlestofffasern des Verbundmaterials des Ventilschiebers 2 an der Kontaktfläche 4 offen vorliegen. Die Gegenkontaktfläche 5 hingegen ist nicht spanabhebend bearbeitet. Somit verbleibt eine Spritzgusshaut, d.h. an der Gegenkontaktfläche 5 liegt vorwiegend oder ausschließlich das Grundpolymer vor. Durch die freiliegenden Kohlenstofffasern an der Kontaktfläche 4 ist trotz gleichartigem, insbesondere identischem, Grundpolymer der Gleitpartner Ventilschieber 2 und Ventilhülse 3 eine optimale Gleitreibung vorhanden, die durch die Verstärkungsfasern, insbesondere den Kohlenstoff der Kohlenstofffasern, optimiert ist. Damit lassen sich Ventilschieber 2 und Ventilhülse 3 einfach und kostengünstig herstellen, wobei ein aufgrund von Gleitreibung auftretender Verschleiß der Ventileinheit 1 minimiert ist. Der Verschleiß ist weiter minimiert durch das Betriebsmedium innerhalb der Ventileinheit 1, das insbesondere Hydrauliköl ist. Das Betriebsmedium führt zu einer Flüssigkeitsreibung die einen Verschleiß weiter reduziert.
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Die Ventilhülse 3 weist bevorzugt Glasfasern als Verstärkungsfasern auf, was zu einer höheren Bindenahtfestigkeit führt. Dies wird dadurch ermöglicht, dass das glasfaserverstärkte Verbundmaterialen eine höhere zulässige Dehnung erlauben als dies bei anderen Fasern als Verstärkung erreichbar ist.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Verbundmaterial der Ventilhülse 3 einen Volumenanteil zwischen 30% und 50 %, bevorzugt zwischen 35 % und 45 %, besonders bevorzugt zwischen 38% und 42 %, und dass das Verbundmaterial des Ventilschiebers 2 einen Volumenanteil zwischen 20% und 40 %, bevorzugt zwischen 25 % und 35 %, besonders bevorzugt zwischen 28% und 32 %, von Verstärkungsfasern aufweist. Somit ist eine Kraftaufnahme durch die Verstärkungsfasern innerhalb des Verbundmaterials optimiert. Das Verbundmaterial eignet sich auf diese Weise optimal zur Verwendung in Ventileinheiten 1.
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Das Verbundmaterial des Ventilschiebers 2 und/oder der Ventilhülse 3 weist bevorzugt außerdem Polytetraflourethylen als Füllstoff auf. Das Verbundmaterial erreicht daher eine optimale Mediendichtheit, eine reiboptimierte Oberfläche und eine wasserabweisende Eigenschaft.
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Neben der vorstehenden schriftlichen Beschreibung der Erfindung wird zu deren ergänzender Offenbarung hiermit explizit auf die zeichnerische Darstellung der Erfindung in den 1 und 2 Bezug genommen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ventileinheit
- 2
- Ventilschieber
- 3
- Ventilhülse
- 4
- Kontaktfläche
- 5
- Gegenkontaktfläche
- 6
- elektrohydraulisches Ventil
- 7
- Elektromagnet
- 8
- Anker
- 8a
- Ankerstange
- 9
- Rückstellfeder
- 10
- Wand
- 100
- Längsachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014012306 A1 [0002]
- DE 102005051177 A1 [0002]
- DE 10150030 A1 [0002]
- DE 102018115914 A1 [0003]
