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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ventil zum alternierenden Befüllen eines ersten Arbeitsraums und eines zweiten Arbeitsraums eines Kolben-Zylinder-Systems mit einem Arbeitsfluid, wobei das Ventil einen ersten Schaltabschnitt und einen zweiten Schaltabschnitt aufweist. Mit derartigen Ventilen kann die Bewegungsrichtung des Kolbens im Zylinder je nachdem, welcher Arbeitsraum befüllt wird, wahlweise geändert werden. Als Arbeitsfluide kommen Hydraulikflüssigkeiten wie Öl oder Druckluft in Frage. Derartige Ventile zur Verwendung mit Druckluft sind beispielsweise aus der
DE 10 2010 013 107 und der
DE 102 53 340 bekannt, wobei das in der DE 102 53 340 gezeigte Ventil mehrere Schaltabschnitte in Form von 3/2-Wegeventilen aufweist.
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Kolben-Zylinder-Systeme, die mit Hydraulikflüssigkeit betrieben werden, kommen insbesondere dann zum Einsatz, wenn große Kräfte bereitgestellt werden müssen, beispielsweise in Baumaschinen, während druckluftbetriebene Kolben-Zylinder-Systeme insbesondere dann eingesetzt werden, wenn der Kolben schnell bewegt werden muss, beispielsweise bei Vorrichtungen, die in Produktionsprozessen benötigt werden. Je nach Anwendungsbereich ist das Verhalten der Ventile bei Ausfall der Arbeitsfluid- und Stromversorgung oder bei Betätigen des Not-Aus von besonderer Bedeutung. Die Ventile bzw. die Schaltabschnitte werden üblicherweise mittels eines strombetriebenen Stellelements in die gewünschte Arbeitsstellung und mit einem mechanisch wirkenden Rückstellelement zurück in die Ausgangsstellung gebracht. Fällt nun die Stromversorgung aus oder wird das Not-Aus betätigt, so arbeiten nur noch die unabhängig vom Funktionieren der Stromversorgung wirkenden Rückstellelemente, so dass die Ventile in die Ruhestellung gestellt werden. Ein Ausfall der Stromversorgung muss aber nicht notwendigerweise auch einen Ausfall der Arbeitsfluidversorgung mit sich bringen, so dass der Kolben unerwünschte Bewegungen ausführt. So können die beweglichen Teile von Baumaschinen wie Schaufeln und Ausleger in eine Position gebracht werden, aus der sie nur schwer wieder entfernt werden können. Im ungünstigsten Fall können sogar Personen gefährdet werden, die sich in der Umgebung der Baumaschine aufhalten. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn die Bereitstellung von Hydraulikflüssigkeit von der Stromversorgung abhängt. Ist die Schaufel mit Erde oder Steinen beladen, kann der Kolben die notwendige Haltekraft nicht mehr aufbringen und die Schaufel und der Ausleger sinken unkontrolliert zu Boden. in Produktionsprozessen können aufgrund der unerwünschten Bewegungen Produkte zerstört werden. In beiden Fällen ist ein aufwendiger Neustart der jeweiligen Maschinen und Vorrichtungen notwendig, der zeit- und kostenintensiv ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Ventil anzugeben, welches bei einer Unterbrechung der Stromversorgung dafür sorgt, dass der Kolben unabhängig von seiner Belastung in der Stellung verharrt, die er zu Beginn der Unterbrechung eingenommen hat.
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Gelöst wird die Aufgabe mit einem eingangs genannten Ventil, bei dem der erste Schaltabschnitt als 5/3-Wegeventil mit einer Offenstellung ausgebildet ist, und der zweite Schaltabschnitt als 4/2-Wegeventil mit einer Sperrstellung ausgebildet ist, welche das 4/2-Wegeventil in der Ruhestellung einnimmt, in die das 4/2-Wegeventil mittels eines mechanisch wirkenden Rückstellelements vorgespannt wird, wobei der zweite Schaltabschnitt bezogen auf das in den ersten oder zweiten Arbeitsraum strömende Arbeitsfluid stromabwärts des ersten Schaltabschnitts angeordnet ist. Unter Ruhestellung soll die Stellung verstanden werden, in welcher sich das erfindungsgemäße Ventil befindet, wenn es nicht in irgendeiner Weise betätigt wird. Die mechanisch wirkenden Rückstellelemente, beispielsweise als eine Feder ausgeführt, wirken unabhängig davon, ob die Stromversorgung funktioniert ist oder nicht.
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Das Ventil weist insgesamt einen Eingang auf, an welchem das Arbeitsfluid mit einem bestimmten Druck in das Ventil eingebracht werden kann. Weiterhin sind vier Ausgänge vorhanden, über welche das Arbeitsfluid aus dem Ventil austreten kann.
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Der erste Schaltabschnitt, der als 5/3-Wegeventil ausgebildet ist, weist den Eingang, zwei Ausgänge und zwei Anschlüsse auf. Mit zwei Ausgängen ist das Ventil mit der Umgebung verbunden, so dass das Arbeitsfluid abgelassen werden kann. Mit den zwei Anschlüssen ist der erste Schaltabschnitt über Verbindungen mit dem zweiten Schaltabschnitt verbunden. Je nach Stellung kann das Arbeitsfluid über die beiden Anschlüsse in den ersten Schaltabschnitt eintreten oder ihn verlassen. In der Offenstellung kann kein Arbeitsfluid in das Ventil eindringen, sondern das Arbeitsfluid kann über die beiden Ausgänge in die Umgebung abgegeben werden.
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Der zweite Schaltabschnitt ist als 4/2-Wegeventil ausgebildet und weist zwei innere Anschlüsse auf, mit denen der zweite Schaltabschnitt mit dem ersten Schaltabschnitt verbunden ist. Weiterhin weist der zweite Schaltabschnitt zwei äußere Anschlüsse auf, mit denen das Ventil mit dem ersten und dem zweiten Arbeitsraum des Kolben-Zylindersystems verbunden ist.
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Durch Betätigen des 5/3-Wegeventils aus der Offenstellung kann wahlweise der erste oder der zweite Arbeitsraum mit Arbeitsfluid befüllt werden, wodurch der Kolben in die gewünschte Richtung bewegt wird.
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Sollte es zu einer Unterbrechung der Stromversorgung kommen, verschiebt sich das 4/2-Wegeventil in die Sperrstellung, so dass kein Arbeitsfluid den zweiten Schaltabschnitt in irgendeine Richtung durchqueren kann. Folglich kann kein weiteres Arbeitsfluid dem ersten oder zweiten Arbeitsraum zugeführt oder aus ihm abgeführt werden, unabhängig davon, in welcher Stellung sich das 5/3-Wegeventil befindet. Hierdurch wird bewirkt, dass der Kolben in der Position bleibt, in welcher er sich zu Beginn der Unterbrechung der Stromversorgung befunden hat. Eine unkontrollierte Bewegung des Kolbens ist ausgeschlossen und zwar unabhängig davon, ob die Arbeitsfluidversorgung von der Stromversorgung abhängt oder nicht. Da das das Volumen des Arbeitsfluids, das sich im ersten oder zweiten Arbeitsraum befindet, nicht geändert wird, kann sich der Kolben auch bei Belastung nicht oder nur innerhalb der von der Kompressibilität des verwendeten Arbeitsfluids vorgegebenen Grenzen bewegen. Es wird ein Beitrag zur Berechenbarkeit der Reaktion des Kolben-Zylindersystems und somit auch zur Betriebssicherheit der mit dem Kolben-Zylindersystem betriebenen Vorrichtungen geleistet.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das 4/2-Wegeventil manuell aus der Ruhestellung verstellbar. Wie oben ausgeführt, verharrt der Kolben bei einer Unterbrechung der Stromversorgung in der Stellung, in welcher er sich bei Beginn der Unterbrechung befunden hat. Sind nun alle Gefahren, die von einer unkontrollierten Bewegung des Kolbens ausgehen können, entfernt worden, beispielsweise Personen in der unmittelbaren Umgebung der Vorrichtung oder gefährdete Produkte, die mit der Vorrichtung bearbeitet werden, so kann manuell das 4/2-Wegeventil betätigt werden und der Kolben unter Aufsicht bewegt werden, beispielsweise, um ihn in eine Endstellung zu bringen, um die Vorrichtung oder die Maschine wieder neu zu starten.
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In einer Weiterbildung nimmt das 5/3-Wegeventil in der Ruhestellung die Offenstellung ein. In der Offenstellung kann das Arbeitsfluid das 5/3-Wegeventil durchqueren und das Ventil in die Umgebung verlassen. Es kann aber kein weiteres Arbeitsfluid in das Ventil eingebracht werden. Es kann folglich kein zusätzlicher Druck im ersten oder im zweiten Arbeitsraum aufgebaut werden, wodurch bei einer manuellen Betätigung des 4/2-Wegeventils unerwünschte Bewegungen des Kolbens erzeugt werden könnten. Wird das 4/2-Wegeventil manuell betätigt, wird der noch vorhandene Druck im ersten und/oder zweiten Arbeitsraum abgelassen, so dass der Kolben keine Kraft mehr aufbringen kann. Der Kolben und die mit ihm verbundene Einheit können nun von Hand oder, falls nötig, mit einem Werkzeug in die gewünschte Richtung bewegt werden, was den Neustart der betreffenden Vorrichtung erleichtert.
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In einer vorteilhaften Ausbildung ist das 5/3-Wegeventil mittels eines mechanisch wirkenden weiteren Rückstellelements in die Ruhestellung verstellbar. Vorzugsweise nimmt dabei das 5/3-Wegeventil die Offenstellung ein. Wie bereits dargelegt, hat diese Ausgestaltung den Vorteil, dass durch Betätigen des zweiten Schaltabschnitts die Flüssigkeit aus den Arbeitsräumen abgeführt und folglich der Druck im Kolben-Zylinder-System abgebaut werden kann. Wird das 5/3-Wegeventil mit den mechanisch wirkenden weiteren Rückstellelementen in die Ruhestellung gestellt, in der es die Offenstellung einnimmt, muss der erste Schaltabschnitt nicht betätigt werden, wenn der Druck im Kolben-Zylinder-System abgebaut werden soll. Es genügt die Betätigung des zweiten Schaltabschnitts aus der Ruhestellung in die zweite Stellung. Somit wird eine Vereinfachung der Bedienung des erfindungsgemäßen Ventils erreicht.
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Vorzugsweise sind das 5/3-Wegeventil und das 4/2-Wegeventil jeweils mittels einer Magnetanordnung aus der Ruhestellung verstellbar. Magnetanordnungen, die beispielsweise elektrische Spulen umfassen, können an einen elektronischen Regelkreis angeschlossen werden, so dass der Kolben computergesteuert bewegt werden kann, so dass ein gewisses Bewegungsprofil abgearbeitet werden kann. Weiterhin ist es möglich, die Bewegungsrichtung des Kolbens sehr schnell zu ändern, insbesondere, wenn als Arbeitsfluid Druckluft eingesetzt wird. So können insbesondere in Produktionsprozessen hohe Taktzahlen realisiert werden, was zu einer kostengünstigen Fertigung der gewünschten Produkte führt.
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Das erfindungsgemäße Ventil wird im Folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels im Detail erläutert. Es zeigen
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ventils anhand eines Schaltplans in einer ersten Stellung, das an ein Kolben-Zylinder-System angeschlossen ist, und
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2 das in 1 gezeigte Ausführungsbeispiel in einer zweiten Stellung.
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In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ventils 10 anhand eines Schaltplans dargestellt. Das Ventil 10 umfasst einen ersten Schaltabschnitt 12 und einen zweiten Schaltabschnitt 14. Der erste Schaltabschnitt 12 ist als 5/3-Wegeventil 15 ausgebildet, was bedeutet, dass der erste Schaltabschnitt 12 fünf Anschlusspunkte aufweist und drei Stellungen einnehmen kann. Konkret weist der erste Schaltabschnitt 12 einen Eingang 16 auf, über den ein nicht dargestelltes Arbeitsfluid, beispielsweise Hydraulikflüssigkeit oder Druckluft, in das Ventil 10 eingebracht werden kann. Das Arbeitsfluid kann dabei mit einer nicht dargestellten Fördereinrichtung zum Eingang 16 gefördert werden. Weiterhin weist der erste Schaltabschnitt 12 einen ersten Anschluss 18 und einen zweiten Anschluss 20 auf, über die das Arbeitsfluid je nach Stellung den ersten Schaltabschnitt 12 verlassen oder in den ersten Schaltabschnitt 12 eingebracht werden kann. An die beiden Anschlüssen 18, 20 schließen sich Leitungen oder Kanäle 22 an, über die der erste Schaltabschnitt 12 mit dem zweiten Schaltabschnitt 14 verbunden ist. Weiterhin weist der erste Schaltabschnitt 12 einen ersten Ausgang 24 und einen zweiten Ausgang 26 auf, über die das Arbeitsfluid aus dem Ventil 10 an die Umgebung abgegeben werden kann.
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Der zweite Schaltabschnitt 14 ist als 4/2-Wegeventil 28 ausgebildet, so dass er folglich vier Anschlusspunkte aufweist und zwei Stellungen einnehmen kann. Der zweite Schaltabschnitt 14 weist einen ersten inneren Anschluss 30 und einen zweiten inneren Anschluss 32 auf, die mit den Leitungen oder Kanälen 22 die Verbindung zum ersten Schaltabschnitt 12 herstellen. Je nach Schaltstellung des ersten und des zweiten Schaltabschnitts 12, 14 kann das Arbeitsfluid über die inneren Anschlüsse 30, 32 in den zweiten Schaltabschnitt 14 eingebracht oder aus ihm abgeführt werden. Ferner weist der zweite Schaltabschnitt 14 einen ersten äußeren Anschluss 34 und einen zweiten äußeren Anschluss 36 auf, die mit weiteren Leitungen oder Kanälen 38 mit einem ersten Arbeitsraum 40 und einem zweiten Arbeitsraum 42 eines Kolben-Zylinder-Systems 44 verbunden sind. Je nach Schaltstellung des ersten und des zweiten Schaltabschnitts 12, 14 kann das Arbeitsfluid über die äußeren Anschlusse 34, 36 in den ersten oder zweiten Arbeitsraum 40, 42 eingebracht oder aus ihm abgeführt werden.
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Das Kolben-Zylinder-System 44 umfasst einen Zylinder 46, in welchem ein Kolben 48 den ersten und den zweiten Arbeitsraum 40, 42 fluiddicht abschließt und bewegbar angeordnet ist.
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Bezogen auf die Strömungsrichtung, in die sich das Arbeitsfluid vom Eingang 16 in den ersten oder zweiten Arbeitsraum 40, 42 bewegt, ist der zweite Schaltabschnitt 14 stromabwärts vom ersten Schaltabschnitt 12 angeordnet.
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Der erste Schaltabschnitt 12 umfasst eine erste Magnetanordnung 50 und eine zweite Magnetanordnung 52 sowie ein mechanisch wirkendes erstes weiteres Rückstellelement 54 und ein zweites weiteres Rückstellelement 56, die jeweils an den gegenüberliegenden Enden des ersten Schaltabschnitts 12 angeordnet sind und den ersten Schaltabschnitt 12 in entgegengesetzte Richtungen entlang des Pfeils P bewegen können. Der zweite Schaltabschnitt 14 weist eine dritte Magnetanordnung 58 und ein mechanisch wirkendes Rückstellelement 60 auf. Die Rückstellelemente 54, 56, 60 können baugleich und als Feder ausgebildet sein.
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Sind die erste und die zweite Magnetanordnung 50, 52 deaktiviert, so heben sich die Rückstellkräfte des ersten und des zweiten weiteren Rückstellelements 54, 56 auf und das 5/3-Wegeventil 15 wird in eine Mittelstellung gestellt, die auch gleichzeitig die Ruhestellung darstellt. In der Ruhestellung befindet sich das 5/3-Wegeventil 15 in einer Offenstellung, was bedeutet, dass die zwei Anschlüsse 18, 20 mit den zwei Ausgängen 24, 26 verbunden sind. Es wird folglich kein Arbeitsfluid in das Ventil 10 eingebracht.
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Werden im Betrieb des Ventils 10 die erste und die zweite Magnetanordnung 50, 52 so aktiviert, dass der erste Schaltabschnitt 12 in Bezug auf 1 nach rechts bewegt wird, wird der Eingang 16 mit dem ersten Anschluss 18 verbunden. Folglich strömt das Arbeitsfluid über den Eingang 16 zum ersten Anschluss 18 und von dort über die Leitung 22 zum ersten inneren Anschluss 30 des zweiten Schaltabschnitts 14. In 1 befindet sich der zweite Schaltabschnitt 14 in einer Sperrstellung, so dass das Arbeitsfluid den zweiten Schaltabschnitt 14 nicht passieren kann. Der zweite Schaltabschnitt 14 wird durch Aktivieren der dritten Magnetanordnung 58 aus der Ruhestellung in die zweite Stellung gesteift, in der es den Durchgang für das Arbeitsfluid freigibt. Befindet sich das 4/2-Wegeventil 28 in der zweiten Stellung, strömt das Arbeitsfluid vom ersten äußeren Ausgang 34 in den ersten Arbeitsraum 40, so dass sich der Kolben 48 in Bezug auf 1 nach rechts bewegt.
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Um den Kolben 48 in die entgegengesetzte Richtung nach links zu bewegen, muss der erste Schaltabschnitt 12 mittels der ersten und zweiten Magnetanordnung 50, 52 nach links verschoben werden. Der zweite Schaltabschnitt 14 muss jedoch in der zweiten Stellung verbleiben. Das Arbeitsfluid strömt nun vom Eingang 16 zum zweiten Anschluss 20 und von dort über den zweiten inneren Anschluss 32 und den zweiten äußeren Anschluss 36 in den zweiten Arbeitsraum 42, so dass der dort herrschende Druck erhöht und der Kolben 48 nach links bewegt. Durch die Bewegung des Kolbens nach links wird das Arbeitsfluid aus dem ersten Arbeitsraum 40 gedrückt und verlässt das Kolben-Zylinder-System 44 und das Ventil 10 über den ersten äußeren Anschluss 34 und den ersten inneren Anschluss 30 des zweiten Schaltabschnitts 14 sowie den ersten Anschluss 18 und den ersten Ausgang 24 des ersten Schaltabschnitts 12.
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Wird die Stromversorgung unterbrochen, werden die Magnetanordnungen 50, 52, 58 wirkungslos, so dass die beiden Schaltabschnitte 12, 14 ausschließlich von den mechanisch wirkenden Rückstellelementen 54, 56, 60 zurück in die Ruhestellungen gestellt werden. Dadurch, dass sich erfindungsgemäß der zweite Schaltabschnitt 14 in der Ruhestellung in der Sperrstellung befindet, kann das Arbeitsfluid weder in die beiden Arbeitsräume 40, 42 eindringen noch sie verlassen. Folglich verbleibt der Kolben 48 in der Stellung, die er zu Beginn der Unterbrechung der Stromversorgung eingenommen hat, unabhängig davon, ob der Kolben 48 belastet wird oder nicht. Der erste Schaltabschnitt 12 wird mit den weiteren Rückstellelementen 54, 56 in die Mittelstellung gebracht, welche die Offenstellung darstellt und in welcher der erste und der zweite Anschluss 18, 20 mit dem ersten und dem zweiten Ausgang 24, 26 verbunden sind.
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In 2 ist die Situation dargestellt, in welcher der zweite Schaltabschnitt 14 manuell aus der Ruhestellung in die zweite Position gestellt ist. Dies kann entweder mittels der dritten Magnetanordnung 58 geschehen oder manuell. Im dargestellten Beispiel soll angenommen werden, dass die Stromversorgung unterbrochen ist. Da die Magnetanordnungen 50, 52, 58 in diesem Fell wirkungslos sind, stellen die mechanisch wirkenden Rückstellelemente 54, 56, 60 den ersten und den zweiten Schaltabschnitt 12, 14 in die Ruhestellungen, wie es in 1 dargestellt ist. Da der zweite Schaltabschnitt 14 den Durchgang des Arbeitsfluids sperrt, bleibt der Kolben 48 in der Stellung, in welcher er sich zu Beginn der Unterbrechung der Stromversorgung befunden hat. Sind sämtliche gefährdete Personen und/oder Gegenstände in der Umgebung der mit dem Kolben-Zylinder-System 44 betriebenen Vorrichtungen in Sicherheit gebracht worden, kann der zweite Schaltabschnitt 14 manuell in die in 2 dargestellte Stellung gebracht werden. Die beiden Arbeitsräume 40, 42 sind nun mit der Umgebung verbunden, so dass der Druck in den Arbeitsräumen 40, 42 abgebaut wird. Folglich lässt sich der Kolben 48 manuell oder, falls nötig, mit einem Werkzeug in eine Stellung verstellen, die sich beispielsweise für den Neustart der mit dem Kolben-Zylinder-System 44 betriebenen Vorrichtung besonders eignet.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Ventil
- 12
- erster Schaltabschnitt
- 14
- zweiter Schaltabschnitt
- 15
- 5/3-Wegeventil
- 16
- Eingang
- 18
- erster Anschluss
- 20
- zweiter Anschluss
- 24
- erster Ausgang
- 26
- zweiter Ausgang
- 28
- 4/2-Wegeventil
- 30
- erster innerer Anschluss
- 32
- zweiter innerer Anschluss
- 34
- erster äußerer Anschluss
- 36
- zweiter äußerer Anschluss
- 38
- Leitung, Kanal
- 40
- erster Arbeitsraum
- 42
- zweiter Arbeitsraum
- 44
- Kolben-Zylinder-System
- 46
- Zylinder
- 48
- Kolben
- 50
- erste Magnetanordnung
- 52
- zweite Magnetanordnung
- 54
- erstes weiteres Rückstellelement
- 56
- zweites weiteres Rückstellelement
- 58
- dritte Magnetanordnung
- 60
- Rückstellelement
- P
- Pfeil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010013107 [0001]
- DE 10253340 [0001]
