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Die Erfindung betrifft eine Wellenerdungsanordnung, umfassend ein Gehäuse, welches eine Welle aufnimmt, wobei der Welle ein Erdungsring zugeordnet ist, welcher einen elektrisch leitfähigen Kontakt zwischen Welle und Gehäuse herstellt.
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Eine derartige Anordnung ist beispielsweise aus der
DE 10 2016 010926 A1 bekannt und dient der Erdung einer in einem Gehäuse gelagerten Welle. Zur Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit einer Einrichtung, beispielsweise eines Fahrzeugs, stellt der Erdungsring eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen Welle und Gehäuse her, so dass sich elektromagnetische Wellen, insbesondere hochfrequente elektromagnetische Signale nicht über die Welle über das Gehäuse hinaus nach außen ausbreiten können. Derartige elektromagnetische Signale können elektronische Komponenten eines Fahrzeugs oder auch mit dem Fahrzeug mitgeführte elektronische Geräte ungünstig beeinflussen. Durch Spannungsüberschlag können sich insbesondere an Lagern auch mechanische Schäden ergeben.
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Bei den vorbekannten Wellenerdungsanordnungen ist dabei aber erforderlich, dass der Erdungsring unbeeinflusst von Fluiden wie Schmierölen oder Schmierfetten ist. Bei den bislang bekannten Systemen besteht die Gefahr, dass der elektrisch leitfähige Kontakt zwischen Erdungsring und Welle durch den Einfluss von Fluiden unterbrochen wird oder dass der elektrisch leitfähige Ring, der gleitend auf der Welle aufliegt, die elektrisch leitfähigen Eigenschaften verliert. Dadurch kann sich der elektrische Widerstand der Anordnung erhöhen und die Wirkung der Anordnung ist beeinträchtigt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wellenerdungsanordnung bereitzustellen, die robust ist und eine sichere elektrische Kontaktierung von Erdungsring und Welle sicherstellt.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Auf vorteilhafte Ausgestaltungen nehmen die Unteransprüche Bezug.
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Die erfindungsgemäße Wellenerdungsanordnung umfasst ein Gehäuse, welches eine Welle und ein Fluid aufnimmt, wobei der Welle ein Erdungsring zugeordnet ist, welcher einen elektrisch leitfähigen Kontakt zwischen Welle und Gehäuse herstellt, wobei der Erdungsring einen scheibenförmigen Kontaktkörper aufweist, der lippenförmig auf dem Mantel der Welle aufliegt, wobei sich aus dem Kontaktkörper eine erste Kontaktfläche und aus der Welle eine zweite Kontaktfläche ausbildet, wobei zumindest eine der beiden Kontaktflächen mit einer Oberflächenstrukturierung versehen ist.
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Bei der erfindungsgemäßen Wellenerdungsanordnung befindet sich in dem Gehäuse neben der Welle ein Fluid, welches beispielsweise ein Schmieröl oder ein Schmierfett sein kann. Dabei kann das Schmieröl die Welle kontaktieren und auch in Kontakt mit dem Erdungsring gelangen. Durch die in zumindest eine Kontaktfläche eingebrachte Oberflächenstrukturierung ist ein elektrisch leitfähiger Kontakt zwischen Welle und Erdungsring auch dann sichergestellt, wenn das in dem Gehäuse befindliche Fluid zwischen die beiden Kontaktflächen gelangt. Dadurch ist ein elektrisch leitfähiger Kontakt zwischen Welle und Gehäuse auch dann gewährleistet, wenn der Erdungsring mit Fluid beaufschlagt ist. Dadurch ist es möglich, den Erdungsring innerhalb eines Gehäuses anzuordnen. Darüber hinaus ist es denkbar, dass der Erdungsring direkt in dem Gehäuse angeordnet ist und nicht über einen Dichtring oder dergleichen gegenüber dem Fluid abgeschirmt ist.
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Durch diese Ausgestaltung ist es auch denkbar, dass die Welle über ein Kugellager in dem Gehäuse gelagert ist, wobei dem Kugellager auf der dem Gehäuseinneren zugewandten Seite der Erdungsring zugeordnet ist. Durch diese Anordnung leitet der Erdungsring in die Welle eingebrachte elektrische Ströme und elektromagnetische Signale in das Gehäuse ab, bevor diese das Kugellager erreichen. Dadurch können die Kugellager vor dem Einfluss von Funkenerosion durch Spannungsüberschlag und Zirkularströmen geschützt werden. Dadurch verbessert sich die Laufruhe und die Lebensdauer und es ist auch möglich, Wartungsintervalle zu verlängern. Insgesamt lassen sich Ausfälle der Gesamtanordnung vermeiden.
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Dadurch, dass der Erdungsring der erfindungsgemäßen Wellenerdungsanordnung direkt in dem mit Fluid beaufschlagten Gehäuse angeordnet ist, können zusätzliche dynamische Dichtstellen entfallen, die bei herkömmlichen Erdungssystemen den Erdungsring kapseln. Dadurch entfallen reibungserzeugende Dichtstellen, was mit der Erhöhung des Wirkungsgrads des Systems einhergeht.
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Die erfindungsgemäße Wellenerdungsanordnung eignet sich insbesondere zum Einsatz in Fahrzeugen, insbesondere in Elektrofahrzeugen. Dort kann die Wellenerdungsanordnung beispielsweise in Elektromotor- oder Getriebegehäuse angeordnet sein.
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Der Kontaktkörper kann eine Matrix aus Vliesstoff aufweisen. Dabei kann der die Matrix aus Vlies aufweisende Kontaktkörper mit PTFE getränkt und mit elektrisch leitfähigen Partikeln versehen sein. Elektrisch leitfähige Materialien sind beispielsweise Silber und/oder Graphit und können in Form von Fäden, Partikeln oder Pulver vorliegen. Prinzipiell sind auch hochleitfähige Werkstoffe wie Kupfer, Nickel, Gold oder dergleichen denkbar. Je nach Ausgestaltung ist der Vliesstoff bereits elektrisch leitfähig, wobei die Leitfähigkeit durch Zugabe der genannten Zuschläge verbessert werden kann. Bei dieser Ausgestaltung ist der Kontaktkörper einfach und kostengünstig herstellbar und weist neben reibungs- und verschleißarmen Gleiteigenschaften auch eine gute elektrische Leitfähigkeit auf.
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Der Kontaktkörper kann als Scheibe ausgebildet sein, wobei in den Außenumfang radial nach innen verlaufende Ausnehmungen eingebracht sind. Es ist auch denkbar, dass die Ausnehmungen in Richtung der Hauptdrehrichtung orientiert sind. Die Ausnehmungen können in Form von Schlitzen ausgebildet sein.
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Gemäß einer ersten Ausgestaltung ist die Oberflächenstrukturierung in die zweite Kontaktfläche eingebracht. Dementsprechend ist die Oberflächenstrukturierung in den Mantel der Welle eingebracht. Hierbei ist vorteilhaft, dass die Oberflächenstrukturierung besonders dauerhaft ist und nur geringem Verschleiß unterliegt.
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Die Oberflächenstrukturierung kann direkt in die Welle eingebracht sein. Alternativ ist denkbar, dass auf die Welle eine Hülse aufgeschoben ist, wobei die Hülse elektrisch leitfähig und vorzugsweise im Presssitz auf der Welle befestigt ist. Bei dieser Ausgestaltung kann auf die Hülse außenseitig die Oberflächenstrukturierung aufgebracht sein und der Erdungsring ist in Kontakt mit der Hülse.
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Dabei kann die Oberflächenstrukturierung Rillen umfassen, welche in Umfangsrichtung verlaufen. Dabei können sich die Rillen ringförmig oder schraubengangförmig um die Welle herum erstrecken.
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Es hat sich gezeigt, dass durch die Oberflächenstrukturierung sichergestellt ist, dass der Erdungsring stets an der Welle anliegt und dadurch eine elektrische Kontaktierung zwischen Welle und Gehäuse herstellt. Gelangt Fluid, beispielsweise ein Schmieröl in den Bereich der Kontaktflächen, bewirkt die Oberflächenstrukturierung einen Transport des Fluids, so dass das Fluid nicht zwischen den beiden Kontaktflächen verbleibt und dadurch den Erdungsring von der Welle abhebt. Durch die Oberflächenstrukturierung kann dementsprechend eine Pumpwirkung realisiert werden. Durch den beständigen Transport ist sichergestellt, dass der Erdungsring stets an der Welle anliegt. Die vorteilhafte Wirkung stellt sich auch ein, wenn die Oberflächenstrukturierung auch ungerichtet ist und eine beliebige Struktur aufweist, wie sie beispielsweise durch Aufrauen oder Schleifen entsteht.
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Gemäß einer zweiten Ausgestaltung ist die Oberflächenstrukturierung in die erste Kontaktfläche eingebracht. Bei dieser Ausgestaltung ist die Oberflächenstrukturierung dementsprechend in den Kontaktkörper eingebracht. Auch bei dieser Ausgestaltung kann die Oberflächenstrukturierung Rillen umfassen, welche bei dieser Ausgestaltung konzentrisch auf der der Welle zugeordneten Kontaktfläche verlaufen. Die Rillen können in Form von konzentrischen Ringen, Sinuswellen oder in Form einer Spirale in die erste Kontaktfläche eingebracht sein. Bei dieser Ausgestaltung ist vorteilhaft, dass die Oberflächenstrukturierung besonders einfach und kostengünstig in den Kontaktkörper eingebracht werden kann. Dies kann beispielsweise direkt während des Formgebungsprozesses des Kontaktkörpers erfolgen, was dann besonders einfach ist, wenn der Kontaktkörper aus polymerem Werkstoff besteht.
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Es ist insbesondere aber auch denkbar, dass die Oberflächenstrukturierung in die erste Kontaktfläche eingeprägt ist. Dadurch kann die Oberflächenstrukturierung auch nach der Formgebung des Kontaktkörpers in die Kontaktfläche eingebracht werden.
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Gemäß einer dritten Ausgestaltung sind die erste Kontaktfläche und die zweite Kontaktfläche mit einer Oberflächenstrukturierung versehen. Diese Ausgestaltung stellt einen elektrisch leitfähigen Kontakt zwischen Welle und Gehäuse auch unter widrigen Umständen, beispielsweise bei besonders starkem Kontakt mit Fluid sicher.
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Dem Kontaktkörper kann ein Federmittel zugeordnet sein, welches den Kontaktkörper mit elastischer Vorspannung an die Welle andrückt. Das Federmittel stellt einen dauerhaften Kontakt des Erdungsrings mit der Welle sicher. Das Federmittel kann dabei durch eine ringförmige Elastomerlippe ausgebildet sein, die den Kontaktkörper außenumfangsseitig umgibt. Die Elastomerlippe kann mit Fluidförderstrukturen versehen sein. Insbesondere ist denkbar, dass die Elastomerlippe mit einer Aufdickung versehen ist, welche sich in die durch die Ausnehmungen gebildeten Zwischenräume des Kontaktkörpers erstreckt. Es ergibt sich eine besondere gute Förderwirkung, wenn die Elastomerlippe im Bereich der Aufdickung mit Förderstrukturen versehen ist.
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Die in die erste Kontaktfläche und/oder zweite Kontaktfläche eingebrachte Oberflächenstrukturierung kann im Schnitt betrachtet einen wellenartigen Verlauf ausbilden und beispielsweise in Form von Sinuswellen, Rechteckwellen oder trapezförmigen Wellen ausgebildet sein.
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Der Kontaktkörper kann Ausnehmungen aufweisen, in die das Federmittel hineinragt. Bei dieser Ausgestaltung ist es insbesondere denkbar, dass die Oberflächenstrukturierung in das Federmittel eingebracht ist. Hierbei ist insbesondere vorteilhaft, dass die Oberflächenstrukturierung besonders einfach herstellbar ist.
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Eine sichere elektrische Kontaktierung zwischen Kontaktkörper und Welle bei gleichzeitig langer Gebrauchsdauer ergibt sich insbesondere dann, wenn die Höhe der Oberflächenstrukturierung, also die Entfernung zwischen Hochpunkt und Tiefpunkt, zwischen 1 µm und 20 µm beträgt. Besonders bevorzugt beträgt die Tiefe zwischen 5 µm und 15 µm. Die Breite einer rillenförmigen Struktur der Oberflächenstrukturierung, beispielsweise die Entfernung zwischen einem Hochpunkt zum benachbarten Hochpunkt, beträgt vorzugsweise zwischen 50 µm und 200 µm. Besonders bevorzugt beträgt die Breite zwischen 75 µm und 150 µm.
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Dem Erdungsring kann zumindest ein Fluidleitelement zugeordnet sein. Das Fluidleitelement ist dabei entweder dem Gehäuse oder der Welle zugeordnet. Vorzugsweise ist das Fluidleitelement drehfest auf der Welle angeordnet. Bei dieser Ausgestaltung fungiert das Fluidleitelement als Schleuderring, welches strömungsdynamisch die Menge des Fluids begrenzt, welches zwischen die beiden Kontaktflächen eindringen kann. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist beidseitig des Erdungsrings jeweils ein Fluidleitelement angeordnet. Ebenso ist es denkbar, dass der Erdungsring als Kassettenring ausgebildet ist und beidseitig Fluidleitelemente aufweist, zwischen denen ein Erdungsring angeordnet ist. Bei dieser Ausgestaltung ist insbesondere denkbar, dass die Fluidleitelemente drehfest auf der Welle angeordnet sind, während der Erdungsring drehfest am Gehäuse befestigt ist.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der Erdungsring eine Tragstruktur aufweist, die drehfest auf der Welle befestigt ist und an beiden Stirnseiten Fluidleitelemente in Form von Schleuderflächen aufweist. Zwischen den beiden Fluidleitelementen ist ein weiterer Tragkörper angeordnet, der ein Federmittel trägt, der den Kontaktkörper stirnseitig an die Innenseite eines Fluidleitelements andrückt. Diese Ausgestaltung eignet sich für besonders robuste Anwendungen mit hohem Fluidmittelaufkommen.
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Eine der Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Wellenerdungsanordnung werden nachfolgend anhand der Figuren gezeigt. Diese zeigen, jeweils schematisch:
- 1 eine Wellenerdungsanordnung im Schnitt;
- 2 im Detail einen Erdungsring;
- 3 einen Erdungsring mit einem Federkörper in Form einer Elastomerlippe;
- 4 einen Erdungsring mit Fluidleitelementen;
- 5 einen Erdungsring als Kassettenanordnung;
- 6 einen Erdungsring mit einer in das Federmittel eingebrachten Förderstruktur;
- 7 im Detail verschiedene Ausgestaltungen der Oberflächenstrukturierung.
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1 zeigt eine Wellenerdungsanordnung 1, umfassend ein Gehäuse 2, welches eine Welle 3 und ein Fluid 11 aufnimmt. Die Wellenerdungsanordnung 1 ist dabei Bestandteil eines Elektromotors oder Getriebes eines Elektrofahrzeugs. Bei dem Fluid 11 handelt es sich vorliegend um ein Schmieröl.
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Der Welle 3 ist ein Erdungsring 4 zugeordnet, welcher einen elektrisch leitfähigen Kontakt zwischen der Welle 3 und dem Gehäuse 2 herstellt. Der Erdungsring 4 weist einen scheibenförmigen Kontaktkörper 5 auf, der lippenförmig auf dem Mantel der Welle 3 aufliegt. Dabei bildet sich aus dem Kontaktkörper 5 eine erste Kontaktfläche 6 und aus der Welle 3 eine zweite Kontaktfläche 7 aus.
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Der Kontaktkörper 5 umfasst eine Matrix aus Vliesstoff, welches mit PTFE getränkt und elektrisch leitfähigem Material ausgebildet ist. Zur Verbesserung der Leitfähigkeit ist in den Vliesstoff elektrisch leitfähiges Material eingebracht. Das leitfähige Material umfasst nach einer ersten Ausgestaltung Silberpartikel und nach einer zweiten Ausgestaltung Graphitpulver. Eine dritte Ausgestaltung umfasst eine Kombination von Silberpartikel und Graphitpulver. Der Kontaktkörper 5 ist an einem Tragkörper 12 aus elektrisch leitfähigem Material festgelegt, wobei der Tragkörper 12 zweiteilig ausgebildet ist und den Kontaktkörper 5 mittels einer Klemmverbindung fixiert. Der Tragkörper 12 ist an dem Gehäuse 2 festgelegt.
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Bei der vorliegenden Ausgestaltung ist in die zweite Kontaktfläche 7 eine Oberflächenstrukturierung 8 eingebracht. Die Oberflächenstrukturierung 8 umfasst Rillen, welche im Schnitt betrachtet trapezförmig ausgebildet sind. Der Hochpunkt und der Tiefpunkt der Oberflächenstrukturierung 8 (von Berg zu Tal) sind 10 µm voneinander entfernt. Einander benachbarte Hochpunkte sind 100 µm voneinander entfernt.
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Die Rillen sind schraubengangförmig in die Welle 3 eingebracht. Gemäß einer alternativen Ausgestaltung sind die Rillen ringförmig in die Welle 3 eingebracht.
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Dem Kontaktkörper 5 ist ein Federmittel 9 zugeordnet, welches den Kontaktkörper 5 mit elastischer Vorspannung an die Welle 3 andrückt. Bei der vorliegenden Ausgestaltung umfasst das Federmittel 9 eine Vielzahl gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordneter Metallzungen, welche den Kontaktkörper 5 im Bereich der ersten Kontaktfläche 6 an die Welle 3 andrücken.
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2 zeigt eine zweite Ausgestaltung des in 1 gezeigten Erdungsrings 4. Bei dieser Ausgestaltung ist die Oberflächenstrukturierung 8 in die erste Kontaktfläche 6 des Kontaktkörpers 5 eingebracht. Dies ist bei der vorliegenden Ausgestaltung mittels Prägen erfolgt. Die Oberflächenstrukturierung 8 umfasst dabei mehrere konzentrisch angeordnete Kreise mit Erhebungen und Vertiefungen. Alternativ kann die Oberflächenstrukturierung 8 auch spiralförmig ausgebildet sein.
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Gemäß einer dritten Ausgestaltung ist sowohl die Kontaktfläche 7 der Welle 3 als auch die Kontaktfläche 6 des Erdungsrings 4 mit einer Oberflächenstrukturierung 6 versehen. Die Oberflächenstrukturierung 6 kann direkt in die Oberfläche der Welle 3 eingebracht sein. Alternativ kann auf die Welle 3 eine Hülse aufgeschoben sein, wobei die Hülse elektrisch leitfähig ist und wobei in die Hülse außenseitig die Oberflächenstrukturierung 6 eingebracht ist.
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3 zeigt eine dritte Ausgestaltung des in 1 gezeigten Erdungsrings 4. Bei dieser Ausgestaltung ist das Federmittel 9 durch eine Elastomerlippe ausgebildet, welche außenseitig an dem Kontaktkörper 5 zur Anlage gelangt. Die radiale Anpressung des Federmittels 9 wird durch eine Ringwendelfeder verstärkt, welche außenseitig an der Elastomerlippe angeordnet ist.
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4 zeigt eine Weiterbildung der in 1 gezeigten Wellenerdungsanordnung 1. Bei der vorliegenden Ausgestaltung sind beiden Stirnseiten des Erdungsrings scheibenförmige Fluidleitelemente 10 zugeordnet. Beide Fluidleitelemente 10 sind drehfest auf der Welle 3 befestigt.
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5 zeigt eine Wellenerdungsanordnung 1 in Form einer Kassettendichtung. Bei dieser Ausgestaltung weist der Erdungsring 4 eine Tragstruktur auf, die drehfest auf der Welle 3 befestigt ist und an beiden Stirnseiten Fluidleitelemente 10 in Form von Schleuderflächen aufweist. Zwischen den beiden Fluidleitelementen 10 ist ein weiterer Tragkörper 14 angeordnet, der ein Federmittel 9 trägt, der den Kontaktkörper 5 stirnseitig an die Innenseite eines Fluidleitelements 10 andrückt.
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6 zeigt eine Weiterbildung des in 3 gezeigten Erdungsrings 4. Bei der vorliegenden Ausgestaltung ist die Oberflächenstrukturierung 6 in das Federmittel 9 eingebracht ist. Der Kontaktkörper 5 weist eine Vielzahl von Ausnehmungen auf, in die das Federmittel 9 hineinragt, wobei das Federmittel 9 in diesen Bereichen eine Verdickung aufweist. Die Oberflächenstrukturierung 6 des Federmittels 9 ist in den Bereichen der Ausnehmungen angeordnet.
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7 zeigt verschiedene Ausgestaltungen von Oberflächenstrukturierungen 6.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016010926 A1 [0002]
