DE202013004061U1 - Switching element of a Fahrzeuggangräderwechselgetriebes - Google Patents
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Abstract
Schaltelement (3) eines Fahrzeuggangräderwechselgetriebes, das zu einem Gehäuse (2) beweglich ist und einen Signalgeber zur Positionsbestimmung des Schaltelements (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalgeber durch zwei axial voneinander beabstandete, auf dem Schaltelement (3) fest angeordnete Magnete (4, 5) gebildet ist und dass zwischen den Magneten (4, 5) ein ferromagnetisches Element (13) angeordnet ist, dessen radiale Erstreckung zumindest genauso groß ist wie die der Magnete (4, 5).Switching element (3) of a vehicle gearwheel change gear, which is movable to a housing (2) and has a signal transmitter for determining the position of the switching element (3), characterized in that the signal transmitter by two axially spaced, on the switching element (3) fixedly arranged magnets ( 4, 5) is formed and that between the magnets (4, 5) a ferromagnetic element (13) is arranged, whose radial extent is at least as large as that of the magnets (4, 5).
Description
Gebiet der ErfindungField of the invention
Die Erfindung betrifft ein bewegliches Schaltelement eines Fahrzeuggangräderwechselgetriebes, das zu einem Gehäuse beweglich ist und einen Signalgeber zur Positionsbestimmung des Schaltelements aufweist und eine Schaltvorrichtung mit einem derartigen Schaltelement.The invention relates to a movable switching element of a Fahrzeuggangswellewechselgetriebes, which is movable to a housing and having a signal generator for determining the position of the switching element and a switching device with such a switching element.
Hintergrund der ErfindungBackground of the invention
Eine Schaltvorrichtung der gattungsgemäßen Art kommt insbesondere in Handschaltgetrieben aber auch in automatisierten Schaltgetrieben und in Automatikgetrieben von Kraftfahrzeugen zum Einsatz. Zunehmend ist es im modernen Getriebebau erforderlich, die genaue Position von Schaltelementen, insbesondere von Schaltwellen, bestimmen zu können.A switching device of the generic type is used in particular in manual transmissions but also in automated manual transmissions and in automatic transmissions of motor vehicles. Increasingly, it is necessary in modern gearbox construction to be able to determine the exact position of shifting elements, in particular of shifting shafts.
Gemäß einem vorbekannten Stand der Technik basiert die Lageerkennung eines Schaltelements auf dem Prinzip der Detektierung eines lokal veränderten Magnetfelds unter Ausnutzung des Hall-Effekts. So offenbart die
Mit den vorbekannten Lösungen wird meist nur ein im Wesentlichen schaltender Hallsensor verwendet, der dazu ausgelegt ist, diskrete Schaltstellungen zu detektieren. Im Falle des Einsatzes von Hall-Schaltern erhält man nur binäre Zustandsinformation, keine exakte Position eines Schaltelements; Zwischenpositionen können nicht erfasst werden.With the previously known solutions, only one essentially switching Hall sensor is used, which is designed to detect discrete switching positions. In the case of the use of Hall switches, one obtains only binary state information, no exact position of a switching element; Intermediate items can not be recorded.
Zur Lösung dieses Problems existieren Ansätze für kontinuierliche Wegmessungen, die darauf basieren, die Flussdichte von Magneten oder den Winkelverlauf des Magnetfeldes zu messen.To solve this problem, there exist approaches for continuous displacement measurements that are based on measuring the flux density of magnets or the angular course of the magnetic field.
Die Signale von Magneten, die für die kontinuierliche Wegmessung verwendet werden, weisen jedoch nachteiligerweise hohe Temperaturabhängigkeiten im Falle der Flussdichtemessung auf oder sind durch eine hohe Nichtlinearität im Falle der Winkelverlaufmessung gekennzeichnet. Daher ist ein hoher Aufwand bezüglich der Kompensation, Linearisierung oder Einlernen jeder einzelnen Schaltvorrichtung erforderlich. Ferner sind hohe Anforderungen an die Komponenten zu stellen, deren Serienstreuung nur sehr klein ausfallen darf.However, the signals from magnets used for the continuous path measurement disadvantageously have high temperature dependencies in the case of the flux density measurement or are characterized by a high nonlinearity in the case of the angle measurement. Therefore, a great deal of effort in terms of compensation, linearization or learning each switching device is required. Furthermore, high demands are placed on the components, whose series production may only be very small.
Nachteilig ist weiterhin, dass insbesondere in der Anwendung als integrierte Sensorik in einem Wälzlager die genannten auf Messungen von Magnetfeldern basierenden Sensorsysteme nicht gut geeignet sind, da die ferromagnetischen Eigenschaften der Wälzkörper hier eine zu große und nicht herausrechenbare Störung des Signalverlaufs bewirken.A further disadvantage is that, especially in the application as integrated sensors in a rolling bearing, said sensor systems based on measurements of magnetic fields are not well suited, since the ferromagnetic properties of the rolling elements cause a too large and unexchangeable disturbance of the signal curve.
Aufgabe der ErfindungObject of the invention
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schaltelement mit einem Magnetsystem zur axialen Positionserfassung des Schaltelements zur Verfügung zu stellen, dessen Lage sich unter den im Getriebe vorherrschenden Bedingungen kontinuierlich sicher erfassen lässt. Hiermit soll erreicht werden, dass die genaue axiale Positionserfassung abgesehen von einem Offsetabgleich ohne oder nur mit geringen Korrekturmaßnahmen möglich wird. Des weiteren soll eine Schaltvorrichtung mit einem derartigen Schaltelement und einem ferromagnetische Wälzkörper aufweisenden Wälzlager geschaffen werden, das eine sichere Detektierung des gelagerten Schaltelements ermöglicht.The present invention has for its object to provide a switching element with a magnetic system for the axial position detection of the switching element available whose position can be detected continuously safe under the conditions prevailing in the transmission conditions. This is to ensure that the exact axial position detection is possible without offset correction or only with little corrective measures. Furthermore, a switching device is to be provided with such a switching element and a rolling bearing having ferromagnetic rolling elements, which enables reliable detection of the mounted switching element.
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Schaltelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Auf dem Schaltelement sind zwei Magnete angeordnet, die axial zueinander beabstandet sind. Erfindungsgemäß ist auf der gedachten Verbindungsgeraden durch beide Magnete ein ferromagnetischer Werkstoff angeordnet. Der an dieser Stelle angeordnete ferromagnetische Werkstoff bewirkt, dass die Magnetfeldlinien, die ohne den Werkstoff stärker gewinkelt zur Oberfläche des Schaltelements verlaufen würden, in die Senkrechte „gezogen” werden. Durch diese Parallelisierung der Feldlinien im Polumfeld lassen sich in einem vorbestimmten, radialen Abstand zum Schaltelement Magnetfeldänderungen leichter detektieren. Ferner wird der Effekt, dass axial neben den Polen die Magnetfeldrichtung von der Absolutstärke der Magneten abhängig ist, abgemildert. Die Serienstreuung der Magnete beeinflusst daher den gemessenen Magnetfeldwinkel deutlich weniger, so dass die Winkelfehler der Pole reduziert werden. Dies hat mehrere Vorteile: Zum einen lassen sich günstigere Magnete verbauen, da diese eine größere Serienstreuung aufweisen dürfen; zum anderen kann eine individuelle Sensorkalibrierung entfallen, was die Montagekosten deutlich senkt. Schließlich braucht bei Ausfall eines Sensors lediglich der Sensor selbst getauscht werden, ohne dass ein neuer Kalibriervorgang erforderlich wird.The object is achieved by a switching element having the features of
Die beiden Magnete sind bevorzugt als Permanentmagnete ausgebildet. Sie können beispielsweise als rechteckförmige oder zylindrisch ausgebildete Stabmagneten ausgebildet sein.The two magnets are preferably designed as permanent magnets. They may be formed, for example, as a rectangular or cylindrically shaped bar magnet.
Die beiden Magnete sind vorzugsweise hinsichtlich des von ihnen erzeugten Magnetfeldes gegensinnig zueinander angeordnet. The two magnets are preferably arranged in opposite directions with respect to the magnetic field generated by them.
Die beiden Magnetelemente sind so angeordnet, dass die aus der Mitte der Magnetelemente austretenden Magnetfeldlinien senkrecht zur axialen Bewegungsrichtung des Schaltelements stehen. Sie sind dabei vorzugsweise in gleichem Abstand von der Schaltachse des Schaltelements entfernt angeordnet.The two magnetic elements are arranged so that the magnetic field lines emerging from the center of the magnetic elements are perpendicular to the axial direction of movement of the switching element. They are preferably arranged at the same distance away from the switching axis of the switching element.
Vorzugsweise sind die Magnete allein aufgrund ihres Magnetismus' an dem Schaltelement gehalten und nicht beispielsweise zusätzlich stoff- oder formschlüssig gesichert. Das Schaltelement besteht dazu beispielsweise aus einer Stahllegierung.Preferably, the magnets are held solely on the switching element due to their magnetism and not additionally, for example, material or form-fitting secured. The switching element consists for example of a steel alloy.
In einer Weiterbildung der Erfindung sind die Magnete in Ausnehmungen des Schaltelements angeordnet. Die Ausnehmungen sind als Durchgangsausnehmungen oder Sacklöcher in der Mantelfläche des Schaltelements ausgebildet und weisen vorzugsweise Konturen auf, die komplementär zu denjenigen der Magnete sind. Ein Herausfallen oder ein unbeabsichtigtes Abstreifen der Magnete während der Montage kann dadurch verhindert werden, so dass auf zusätzliche, aufwändige Sicherungsmaßnahmen verzichtet werden kann. Gleichwohl können die Magnete in der Ausnehmung dennoch zusätzlich gesichert, beispielsweise verklebt oder mit Kunststoff verspritzt werden.In a development of the invention, the magnets are arranged in recesses of the switching element. The recesses are formed as through holes or blind holes in the lateral surface of the switching element and preferably have contours that are complementary to those of the magnets. Falling out or unintentional stripping of the magnets during assembly can be prevented, so that can be dispensed with additional, costly security measures. Nevertheless, the magnets can still be additionally secured in the recess, for example glued or sprayed with plastic.
Ein Schaltelement mit Ausnehmungen, die mindestens der radialen Höhe der Magneten entsprechen, hat den Vorteil, dass das ferromagnetische Element durch das Schaltelement selbst gebildet werden kann. Der Herstellungsaufwand ist damit reduziert. Das Schaltelement ist beispielsweise als eine Schaltwelle mit einer zylindrischen Mantelfläche ausgebildet, die zwei voneinander beabstandete Bohrungen als Sacklöcher für die Magnete aufweist. Die Magnete sind kreiszylindrisch mit flachen, radial gerichteten Stirnseiten ausgebildet und in den Bohrungen magnetisch so angeordnet, dass die Polachse ebenfalls radial gerichtet ist. Die Außenkontur der so durch die Schaltwelle und die Magnete gebildeten Schaltanordnung ist daher im Bereich des Sacklochs abgeflacht, wobei sich beidseits der Magneten in Axialrichtung Wände ergeben, die die Magnete einfassen. Im Längsschnitt gesehen ist die Außenkontur somit durch den Hüllkreis der parallel zur Drehachse verlaufenden Mantelfläche der Schaltanordnung gebildet, die lediglich im Bereich der Sacklöcher nach radial innen versetzt ist.A switching element with recesses which correspond at least to the radial height of the magnets has the advantage that the ferromagnetic element can be formed by the switching element itself. The production cost is thus reduced. The switching element is formed, for example, as a switching shaft with a cylindrical outer surface having two spaced holes as blind holes for the magnets. The magnets are circular cylindrical with flat, radially directed end faces and magnetically arranged in the holes so that the polar axis is also directed radially. The outer contour of the switching arrangement thus formed by the switching shaft and the magnets is therefore flattened in the region of the blind hole, resulting in both sides of the magnets in the axial direction walls that surround the magnets. When viewed in longitudinal section, the outer contour is thus formed by the enveloping circle of the lateral surface of the switching arrangement extending parallel to the axis of rotation, which is offset radially inward only in the area of the blind holes.
In einer nächsten Ausgestaltung der Erfindung weist das Schaltelement eine Ausnehmung in Form eines Langlochs auf. Die Magneten sind voneinander beabstandet in dem gleichen Langloch angeordnet, und zwischen die Magnete wird zumindest in einem Teilbereich auf einer gedachten, durch die Magnete verlaufenden Verbindungsgeraden das ferromagnetische Element angeordnet. Eine derartige Lösung eignet sich auch für Schaltelemente, die nicht magnetisierbar sind wie beispielsweise Schaltstangen aus Karbon oder Kunststoff. Das ferromagnetische Element ist in diesem Falle bevorzugt separat von dem Schaltelement hergestellt.In a next embodiment of the invention, the switching element has a recess in the form of a slot. The magnets are spaced from each other in the same slot, and between the magnets, the ferromagnetic element is disposed between the magnets at least in a partial region on an imaginary connecting straight line passing through the magnets. Such a solution is also suitable for switching elements that are not magnetizable, such as switching rods made of carbon or plastic. The ferromagnetic element is preferably made separately from the switching element in this case.
Das Schaltelement ist insbesondere durch eine axial verschiebliche und verdrehbare Schaltwelle zum Wählen und Schalten von Gangstellungen gebildet. Die Schaltvorrichtung kann Bestandteil eines Handschaltgetriebes, eines automatisierten Getriebes oder eines Automatikgetriebes eines Kraftfahrzeugs sein.The switching element is formed in particular by an axially displaceable and rotatable switching shaft for selecting and switching gear positions. The switching device may be part of a manual transmission, an automated transmission or an automatic transmission of a motor vehicle.
Das Magnetfeld des Signalgebers wird durch einen bevorzugt getriebegehäusefesten Sensor detektiert. Der Sensor und die Magnete sind bevorzugt relativ zueinander in einem gleichbleibenden Abstand unter Bildung eines Luftspalts bewegt. Der Sensor steht vorzugsweise mit einer Auswerteeinrichtung in Verbindung, die zur Weiterverarbeitung des gemessenen Signals, beispielsweise der Magnetfeldrichtung, in eine axiale Position ausgebildet ist. Der Sensor kann generell nach Art einer Kompassnadel arbeiten, die die Richtung des Magnetfeldes anzeigt.The magnetic field of the signal generator is detected by a preferably gearbox fixed sensor. The sensor and the magnets are preferably moved relative to each other at a constant distance to form an air gap. The sensor is preferably connected to an evaluation device, which is designed for further processing of the measured signal, for example the magnetic field direction, in an axial position. The sensor may generally operate in the manner of a compass needle indicating the direction of the magnetic field.
Durch das dem vorgeschlagene Konzept wird eine kontinuierliche Messung des Magnetfeldes mit hinreichender Genauigkeit für eine kontinuierliche Positionsbestimmung des Schaltelements ermöglicht. Das gemessene Signal ist bereits linear oder ein gut linearisierbares Signal, das eine genaue axiale Positionsbestimmung des Schaltelements relativ zum Gehäuse zulässt. Hierzu wird das von den zwei Magneten erzeugte Magnetfeld hinsichtlich der Richtung und/oder Stärke von dem Sensor erfasst und hieraus die axiale Lage bestimmt. Die beiden Magneten sind in Messrichtung hintereinander angeordnet, wodurch die Magnetfeldrichtung im Wesentlichen proportional zur axialen Position und unempfindlich gegen Störgrößen ist.By the proposed concept, a continuous measurement of the magnetic field is made possible with sufficient accuracy for a continuous position determination of the switching element. The measured signal is already linear or a good linearisierbares signal that allows accurate axial position determination of the switching element relative to the housing. For this purpose, the magnetic field generated by the two magnets is detected with respect to the direction and / or strength of the sensor and from this determines the axial position. The two magnets are arranged one behind the other in the measuring direction, whereby the magnetic field direction is substantially proportional to the axial position and insensitive to disturbances.
Ermöglicht wird dies durch die Verwendung zweier Magneten, die entgegengesetzt zueinander magnetisiert und in Messrichtung nebeneinander angeordnet sind und vorzugsweise die gleiche Stärke aufweisen. Bei geeignetem Abstand zwischen den Magneten ergibt sich für einen bestimmen Luftspalt über dem Messweg vorteilhaft ein minimaler Linearitätsfehler der Messgröße. Ferner ist der ideale Luftspalt in dieser Konfiguration kleiner als die typischen Luftspalte mit einfachen Magneten, was zusätzlich positiv auf die Integrierbarkeit der Lösung wirkt.This is made possible by the use of two magnets which are magnetized opposite to each other and arranged side by side in the measuring direction and preferably have the same thickness. With a suitable distance between the magnets, a minimum linearity error of the measured variable advantageously results for a specific air gap over the measuring path. Furthermore, the ideal air gap in this configuration is smaller than the typical air gaps with simple magnets, which additionally has a positive effect on the integrability of the solution.
Vorteilhaft ist weiterhin, dass durch das Herausdrängen der Magnetfeldlinien in die Senkrechte sich benachbarte Störungen, z. B. durch Relativbewegungen ferromagnetischer Wälzkörper, deutlich geringer auf das zum Sensorgerichtete Magnetfeld und damit die Signalqualität auswirken. A further advantage is that by pushing out of the magnetic field lines in the vertical adjacent interference, z. B. by relative movements of ferromagnetic rolling elements, significantly lower affect the sensor-directed magnetic field and thus the signal quality.
Für einen optimalen Kennlinienverlauf kann fachmännisch ein Anpassen der Abstände der Magneten voneinander und der Größe des Luftspalts erfolgen.For an optimal characteristic curve can be expertly adjusted the distances of the magnets from each other and the size of the air gap.
Besonders eignet sich die vorgeschlagene Lösung für die kontinuierliche Lageermittlung eines Schaltelements in einem Linearlager eines Getriebes wegen des nur kleinen notwendigen Luftspalts und der Robustheit gegenüber Störungen. Weiterhin wird nur ein geringer Bauraum benötigt, was gleichermaßen vorteilhaft ist.The proposed solution is particularly suitable for the continuous position determination of a switching element in a linear bearing of a transmission because of the only small necessary air gap and robustness against interference. Furthermore, only a small space is needed, which is equally advantageous.
Vorteilhaft ist auch, dass eine Integration der vorgeschlagenen Lösung in bestehende Getriebesysteme möglich ist, ohne deren Umgebungskonstruktion zu ändern; die äußeren Abmessungen der Schaltvorrichtung und somit die mechanischen Schnittstellen bleiben unverändert.It is also advantageous that an integration of the proposed solution in existing transmission systems is possible without changing their environment construction; the outer dimensions of the switching device and thus the mechanical interfaces remain unchanged.
Ein erfindungsgemäßes Schaltelement kann unmittelbar in einem Getriebegehäuse gelagert sein. Vorzugsweise ist es in einem Gehäuse gelagert, in das der Sensor zur Erfassung der Feldlinien der Magnete integriert ist. Das Gehäuse und das Schaltelement mit den Magneten bilden eine Schaltvorrichtung. Die Schaltvorrichtung kann insbesondere mehrere Reihen hintereinander angeordneter, metallischer Wälzkörper aufweisen, welche auf dem Schaltelement unmittelbar benachbart zu den Magneten abwälzen, ohne dass die Messgenauigkeit signifikant beeinträchtigt wird.An inventive switching element can be stored directly in a transmission housing. Preferably, it is mounted in a housing, in which the sensor for detecting the field lines of the magnets is integrated. The housing and the switching element with the magnets form a switching device. The switching device may, in particular, have a plurality of rows of metallic rolling elements arranged one behind the other, which roll on the switching element immediately adjacent to the magnets, without the measuring accuracy being significantly impaired.
Vorzugsweise ist das Gehäuse ein Metall- oder Kunststoffgehäuse, das mit einer Ausnehmung für einen oder mehrere Sensoren versehen ist. In einer Variante weist das Gehäuse eine Lagerschale auf, in die der Sensor eingelassen ist. Die Lagerschale kann als MID-Bauteil, also als Spritzgussbauteil mit einr Leiterplatte, ausgeführt sein, was eine leichte Anpassung an unterschiedliche Umgebungskonstruktionen gestattet. Die Lagerschale oder das Gehäuse können gleichzeitig eine Adapterfunktion erfüllen und eine zur Außenkontur des beispielsweise rechteckigen Schaltelements unähnliche Außenfläche aufweisen, die eine Anordnung in einer externen Bohrung oder einem anders gestalteten Sackloch ermöglicht.Preferably, the housing is a metal or plastic housing, which is provided with a recess for one or more sensors. In a variant, the housing has a bearing shell, in which the sensor is embedded. The bearing shell can be designed as an MID component, that is to say as an injection-molded component with a printed circuit board, which allows easy adaptation to different environmental constructions. The bearing shell or the housing can simultaneously fulfill an adapter function and have an outer contour, which is dissimilar to the outer contour of, for example, a rectangular switching element, which allows an arrangement in an external bore or a differently designed blind hole.
Sofern das Gehäuse nicht selbst metallisch ist, kann es eine metallische Hülse aufweisen, die die Außenlaufbahn für die Wälzkörper bildet. Im Bereich des Sensors kann ein Fenster in der Hülse vorgesehen sein. Eine ferromagnetische Außenlaufbahn kann ebenso günstigen Einfluss auf die Magnetfeldlinien haben und die Messgenauigkeit weiter verbessern.If the housing is not itself metallic, it may have a metallic sleeve, which forms the outer raceway for the rolling elements. In the region of the sensor, a window can be provided in the sleeve. A ferromagnetic outer raceway can also have a favorable influence on the magnetic field lines and further improve the measuring accuracy.
Kurze Beschreibung der FigurenBrief description of the figures
In den Figuren ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen:In the figures, an embodiment of the invention is shown. Show it:
Ausführliche Beschreibung der FigurenDetailed description of the figures
In
Die Ermittlung der axialen Position x der Schaltwelle
Die Funktionsweise der Sensorik ist in
Zur Sensorik gehört des Weiteren ein Sensor
Aufgrund des von den beiden Magneten
Dies ist in
Die Ermittlung der axialen Position x aus dem gemessenen Winkel α erfolgt in einer Auswerteeinrichtung
Zwischen zwei Wälzkörperreihen sind zwei Magnete
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Schaltvorrichtungswitching device
- 22
- Gehäusecasing
- 33
- Schaltelementswitching element
- 44
- erster Magnetfirst magnet
- 55
- zweiter Magnetsecond magnet
- 66
- Sensorsensor
- 77
- Luftspaltair gap
- 88th
- Auswerteeinrichtungevaluation
- 99
- Schaltgabelshift fork
- 1010
- Ausnehmungrecess
- 1111
- Ausnehmungrecess
- 1212
- Rastvertiefunglatching depression
- 1313
- ferromagnetisches Elementferromagnetic element
- 1414
- Formfedershaped spring
- 1515
- Mantelflächelateral surface
- 1616
- Wälzkörperrolling elements
- xx
- axiale Positionaxial position
- x1 x 1
- erste axiale Positionfirst axial position
- x2 x 2
- zweite axiale Positionsecond axial position
- ss
- Abstanddistance
- AA
- Achse des SchaltelementsAxis of the switching element
- TT
- lokale Richtung des Magnetfeldeslocal direction of the magnetic field
- αα
- lokaler Winkel des Magnetfeldeslocal angle of the magnetic field
- SS
- SüdpolSouth Pole
- NN
- NordpolNorth Pole
- MM
- Messbereichmeasuring range
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- EP 1350991 B1 [0003] EP 1350991 B1 [0003]
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DE202013004061U DE202013004061U1 (en) | 2013-04-04 | 2013-04-04 | Switching element of a Fahrzeuggangräderwechselgetriebes |
Applications Claiming Priority (2)
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R207 | Utility model specification |
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R150 | Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years | ||
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R152 | Utility model maintained after payment of third maintenance fee after eight years | ||
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