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Die Erfindung betrifft einen Drehzahlwandler, mit dem eine konstante Drehzahl oder eine stetig ansteigende oder stetig fallende Drehzahlveränderung realisierbar ist. Bevorzugt arbeitet dieser Drehzahlwandler kupplungslos und verfügt über einen ununterbrochenen Kraftfluss zwischen dem Eingang und dem Ausgang.
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Drehzahlwandler unter Verwendung von Differentialgetrieben sind bekannt.
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In der
DE 26 35 946 A wird ein Drehmomentwandler beschrieben, bei dem zwei differenziell rückgekoppelte Differentialgetriebe genutzt werden, um unabhängig von der Eingangsdrehzahl die Ausgangsdrehzahl zu verändern.
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Bei der
GB 473 677 werden zwei Differentialgetriebe eingesetzt, um die Drehzahl stufenweise und kontinuierlich zu reduzieren.
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Die
FR 2 631 899 verwendet drei Differentialgetriebe, wobei ein Differentialgetriebe eine Blockadefunktion hat und ein weiteres eine Abbremsfunktion. Dabei kommen zwei Planetenräder zum Einsatz, die gegenläufig drehen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, mit einem Drehzahlwandler, unabhängig von einer Eingangsdrehzahl eine konstante, stetig ansteigende oder stetig fallende Ausgangsdrehzahl zu generieren, um so Drehzahlverläufe zu steuern.
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Gelöst wird diese Aufgabe mit dem Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Der erfindungsgemäße Drehzahlwandler, bei dem eine Eingangsdrehzahl in eine konstante oder stetig steigende oder stetig fallende Ausgangsdrehzahl gewandelt wird, besteht aus mindestens drei in Reihe angeordneten Differentialgetrieben, von denen die beiden äußeren Differentialgetriebe (Master, Slave) gleich sind und jedes der Differentialgetriebe jeweils einen Korb (k), zwei Antriebsräder (a, e) sowie mindestens ein Ausgleichsrad (c) aufweisen, zwei Übersetzungsgetrieben und
einem Steuergetriebe,
wobei die Körbe von zwei äußeren Differentialgetriebe (Master, Slave) mit jeweils einem Antriebsrad (a, e) des zwischen diesen angeordneten Differentialgetriebes (Kern) gekoppelt sind.
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Jeweils ein Antriebsrad (a) der äußeren Differentialgetriebe (Master, Slave) sind miteinander über ein Übersetzungsgetriebe gekoppelt, so dass diese Antriebsräder gegenläufig (+n, –n) und mit gleicher Drehzahl (n1) drehen.
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Die Drehzahl des Korbes (k) des mittleren Differentialgetriebes (Kern) ist durch ein Übersetzungsgetriebe im Verhältnis 2:1 übersetzbar und mit dieser Drehzahl sind die beiden anderen Antriebsräder (e) der äußeren Differentialgetriebe (Master, Slave) gleichläufig antreibbar.
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Das Steuergetriebe ist in eine Kopplung zwischen einem Übersetzungsgetriebe und einem äußeren Differentialgetriebe (Master, Slave) oder in eine Kopplung zwischen den äußeren Differentialgetrieben (Master, Slave) und dem mittleren Differentialgetriebe (Kern) angeordnet oder kann zugeschaltet werden und wandelt die Eingangsdrehzahl in das Steuergetriebe in eine der drei Steuerstufen
- – Übersetzungsverhältnis 1:1, um eine konstante Ausgangsdrehzahl des Drehzahlwandlers zu erreichen, oder
- – Übersetzungsverhältnis mit einem Wert größer 1, um einen stetigen Drehzahlanstieg der Ausgangsdrehzahl des Drehzahlwandlers zu erreichen, oder
- – Übersetzungsverhältnis mit einem Wert kleiner 1, um einen stetigen Drehzahlabfall der Ausgangsdrehzahl des Drehzahlwandlers zu erreichen.
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Ein derartiger Drehzahlwandler befindet sich im Leistungsgleichgewicht, solange durch das Steuergetriebe eine Übersetzung von 1:1 realisiert wird, d. h. eine vorhandene Ausgangsdrehzahl wird konstant beibehalten.
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Durch das Umschalten des Steuergetriebes auf ein Übersetzungsverhältnis > 1 oder < 1 wird dieses Gleichgewicht gestört und ein stetiger Drehzahlanstieg oder ein stetiger Drehzahlabstieg realisiert.
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Wird wieder ein Gleichgewicht hergestellt durch das Umschalten des Steuergetriebes auf ein Übersetzungsverhältnis 1:1 wird die erreichte Drehzahl weiter kontinuierlich abgegeben, unabhängig von Schwankungen der Eingangsdrehzahl. Diese darf nur nicht den Wert Null annehmen.
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Um verschiedene Anstiege α der Drehzahl realisieren zu können, ist in einer Ausgestaltung vorgesehen, innerhalb der Steuerstufen > 1 und/oder < 1 verschiedene Übersetzungsverhältnisse realisierbar zu machen. Dadurch kann der Anstieg α der Drehzahlkurve über der Zeit ab dem Umschalten auf ein anderes Übersetzungsverhältnis innerhalb einer Steuerstufe steiler oder flacher werden.
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Bevorzugt werden Übersetzungsverhältnisse für die Steuerstufen < 1, > 1 gewählt, die dem Verhältnis 1:1 angenähert sind, um flache Anstiege α bei der Ausgangsdrehzahl zu generieren.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Eingangsdrehzahl und die Ausgangsdrehzahl gemessen und verarbeitet werden, um den Drehzahlanstieg zu limitieren oder die Einhaltung eines vorbestimmten Drehzahlverlaufs zu prüfen.
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Die Erfindung soll anhand der Zeichnungen erläutert werden. Es zeigen:
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1: den Aufbau des Drehzahlwandlers,
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2: vereinfachte Darstellung,
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3: den Drehzahlwandler mit einem kupplungslosen Steuergetriebe,
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4: den Drehzahlwandler mit einem stufenlos verstellbaren Steuergetriebe,
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5: den Drehzahlwandler mit einem speziellen Steuergetriebe und
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6: gesteuerte Drehzahlverläufe.
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1 zeigt den Drehzahlwandler 1 mit seinen Anschlüssen für eine von einem Motor kommende Eingangsdrehzahl N1, N2, N3 oder N4 sowie die Anschlüsse zur Last mit den Ausgangsdrehzahlen N1, N2, N3 oder N4. Dabei schließen sich gleiche Anschlüsse für den Ein- und Ausgang aus. Das bedeutet, dass wenn N1 die Eingangsdrehzahl ist, kann die Ausgangsdrehzahl nur N2, N3 oder N4 sein.
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Ferner wird gezeigt, dass das Steuergetriebe 12 die vom Motor oder aus einer Drehzahlwandlerkopplung kommende Eingangsdrehzahl in das Steuergetriebe 12 übersetzt im Verhältnis 1:1, < 1 oder > 1 und diese übersetzte Drehzahl über eine Welle W1 oder W2 auf ein Antriebsrad a oder e eines der Differentialgetriebe 2, 3, 4 abgibt.
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Dabei ist es vorteilhaft, das Steuergetriebe 12 an der selben Kupplung anzuordnen, an der auch der Motor angeschlossen ist.
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Das Kernstück des Drehzahlwandlers bilden drei miteinander gekoppelte und in Reihe angeordnete Differentialgetriebe 2, 3, 4 und die beiden Übersetzungsgetriebe 9, 13, von denen das Übersetzungsgetriebe 13 die Eingangsdrehzahl in dieses Übersetzungsgetriebe 1:1 umdreht und das Übersetzungsgetriebe 9 im Verhältnis 2:1 übersetzt.
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Zum Wandeln einer Eingangsdrehzahl in mindestens eine Ausgangsdrehzahl unter Verwendung von mindestens drei in Reihe angeordneten Differentialgetriebe 2, 3, 4, von denen die beiden äußeren Differentialgetriebe 2, 3 gleich sind und jedes der Differentialgetriebe 2, 3, 4 jeweils einen Korb k, zwei Antriebsräder a, e sowie mindestens ein Ausgleichsrad c aufweisen, ist vorgesehen, dass die Differentialgetriebe 2, 3, 4 in ein Leistungsgleichgewicht gebracht werden, indem durch das Übersetzungsgetriebe 13 die Eingangsdrehzahl in zwei gleichgroße und gegenläufige Drehzahlen für die Antriebsräder a der äußeren Differentialgetriebe 2, 3 gewandelt wird, die Korbdrehzahl der Körbe k der Differentialgetriebe 2, 3 auf die Antriebsräder a, e des mittleren Differentialgetriebes 4 übertragen wird und die Korbdrehzahl des mittleren Differentialgetriebes 4 im Verhältnis 2:1 übersetzt und gleichläufig auf die Antriebsräder e der äußeren Differentialgetriebe 2, 3 zurückgekoppelt wird,
wobei durch ein übersetzendes Steuergetriebe 12, das in den Leistungsfluss eingekoppelt, oder einkoppelbar ist,
- – das Leistungsgleichgewicht gestört wird, indem das Steuergetriebe 12 im Verhältnis ungleich 1:1 übersetzt, was bei einem Übersetzungsverhältnis größer 1 einen stetigen Drehzahlanstieg und bei einem Übersetzungsverhältnis kleiner 1 einen stetigen Drehzahlabfall der Ausgangsdrehzahl des Drehzahlwandlers generiert, oder
- – ein Leistungsgleichgewicht wieder hergestellt wird, indem das Steuergetriebe 12 auf ein Übersetzungsverhältnis von 1:1 umgeschaltet wird, was eine konstante Ausgangsdrehzahl des Drehzahlwandlers generiert.
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Zum besseren Verständnis soll in den folgenden Ausführungen N1 die Eingangsdrehzahl sein und N2 als Ausgangsdrehzahl dienen. Ferner wird das Steuergetriebe 12 in die Kopplung nach N1 gelegt. Eine solche Darstellung wurde in den 2–4 gewählt.
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In der Darstellung der 2 ist der Eingang des Drehzahlwandlers 1 in die Kopplung der Antriebsräder a der Differentialgetriebe 2, 3 integriert. In dieser Kopplung befindet sich auch das Steuergetriebe 12 und das Übersetzungsgetriebe 13.
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Beispiel 1
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Die Steuerstufe des Steuergetriebes 12 übersetzt im Verhältnis 1:1. Die Eingangsdrehzahl N1 beträgt 100. Die Ausgangsdrehzahl N2 ist 0. Dann drehen die Antriebsräder a der Differentialgetriebe 2 und 3 mit den Drehzahlen +100 und –100 wegen der Umkehr der Eingangsdrehzahl im Übersetzungsgetriebe 13.
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Die Drehzahl N2 und damit die der Antriebsräder e der Differentialgetriebe 2 und 3 ist 0. Die Körbe k der Differentialgetriebe 2, 3 und damit die Antriebsräder a und e des Differentialgetriebes 4 drehen mit N3 = +50 bzw. N4 = –50, d. h. der Korb k des Differentialgetriebes 4 dreht nicht.
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Das bedeutet, unabhängig von der Eingangsdrehzahl N1, verändert sich die Ausgangsdrehzahl N2 nicht. Liegt bereits eine Ausgangsdrehzahl N2 an, wird diese kontinuierlich beibehalten. Der Drehzahlwandler befindet sich im Leistungsgleichgewicht.
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Beispiel 2
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Die Steuerstufe des Steuergetriebes 12 übersetzt um einen Wert < 1. Die Eingangsdrehzahl N1 beträgt 100. Die Ausgangsdrehzahl N2 ist 0. Durch die Steuerstufe wird die Eingangsdrehzahl in der Getriebekopplung zum Differentialgetriebe 2 von +100 auf z. B. +80 gewandelt.
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Dann dreht das Antriebsrad a des Differentialgetriebes 2 mit +80, während das Antriebsrad a des Differentialgetriebes 3 mit –100 dreht wegen der Umkehr der Eingangsdrehzahl im Übersetzungsgetriebe 13.
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Die Drehzahl N2 und damit die der Antriebsräder e der Differentialgetriebe 2, 3 ist 0.
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Damit drehen die Körbe k der Differentialgetriebe 2, 3 mit N3 = +40 bzw. N4 = –50 und damit das Antriebsrad a des Differentialgetriebes 4 mit +40 und das Antriebsrad e des Differentialgetriebes 4 mit –50.
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Durch das Ausgleichsrad c des Differentialgetriebes 4 wird diese Differenz ausgeglichen, indem der Korb k des Differentialgetriebes 4 mit –5 dreht.
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Diese Drehzahl wird durch das Übersetzungsgetriebe 9 im Verhältnis 2:1 übersetzt, was bedeutet, dass die Ausgangsdrehzahl N2 = –10 beträgt.
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Diese Drehzahl liegt jetzt aber gleichzeitig und gleichläufig an den Antriebsrädern e der Differentialgetriebe 2 und 3 an, während an den Antriebsrädern a der Differentialgetriebe 2, 3 weiter die o. g. Drehzahlen von +80 bzw. –100 anliegen.
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Der Ausgleich in den Differentialgetrieben 2, 3 führt dazu, dass der jeweilige Korb k der Differentialgetriebe 2, 3 und damit das Antriebsrad a des Differentialgetriebes 4 mit N3 = (80 – 10)/2 = +35 dreht, während das Antriebsrad e mit N4 = (–100 – 10)/2 = –55 dreht.
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Der Ausgleich im Differentialgetriebe 4 bedeutet -55 + 35 = –20/2 = –10, d. h. dass der Korb k des Differentialgetriebes 4 mit –10 = N2/2 dreht.
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Diese Drehzahl wird übersetzt im Verhältnis 2:1, so dass N2 = –20 ist. Diese Drehzahl liegt gleichzeitig und gleichläufig an den Antriebsrädern e der Differentialgetriebe 2, 3 an, so dass sich der Drehzahländerungszyklus fortsetzt. Diese stetige Veränderung der Drehzahl lässt sich ändern, indem auf eine Steuerstufe 1:1 umgestellt wird, was zu einer Beibehaltung der erreichten Drehzahl führt oder auf eine Steuerstufe größer 1, was zu einer stetigen Veränderung in die andere Richtung führt. Der Wechsel der Steuerstufen wird in Auswertung der gemessenen Drehzahlen angesteuert, denn einer stetigen Drehzahlerhöhung sind technische Grenzen durch die Materialeigenschaften gesetzt und der Zweck der Drehzahlwandlung ist ja, eine bestimmte Drehzahl oder einen bestimmten Drehzahlverlauf über die Zeit zu realisieren.
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Mit der Größe des Wertes der Steuerstufe (Übersetzungsverhältnis) wird über den Anstieg α der Drehzahl entschieden, somit über eine optimale Anpassungen an den vorgesehenen Antrieb.
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3 zeigt den Drehzahlwandler 1 mit einem besonderen Steuergetriebe 12, das gewährleistet, dass eine ständige Verbindung zwischen dem Steuergetriebeeingang und dem Steuergetriebeausgang besteht.
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Das Steuergetriebe 12 weist hier zwei Differentialgetriebe 5, 6 auf, wobei die steuergetriebeeingangsseitige Welle mit dem Differentialgetriebekorb k des Differentialgetriebes 6 und die steuergetriebeausgangsseitige Welle mit dem Differentialgetriebekorb k des anderen Differentialgetriebes 5 in Wirkverbindung stehen.
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Die Antriebsräder a, e der jeweiligen Differentialgetriebe 5, 6 kämmen jeweils mit mindestens einem Ausgleichsrad c des jeweiligen Differentialgetriebekorbes k und jedes Antriebsrad a, e des einen Differentialgetriebes 6 ist mit jeweils einem Antriebsrad a, e des anderen Differentialgetriebes 5 getriebetechnisch über Kopplungswellen W3 oder W4 verbunden, wobei die Kopplungswellen W3, W4 jeweils über eine Feststelleinrichtung und/oder Bremse Z, Y verfügen und mindestens eine Kopplungswelle W3 oder W4 ein Übersetzungsgetriebe 7 aufweist, hier beide, nämlich 25:24 bzw. 23:24.
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Ein derartiges Kopplungsgetriebe kann die drei Steuerstufen mit den Übersetzungsverhältnissen
- – Übersetzungsverhältnis 1:1, um eine konstante Ausgangsdrehzahl des Drehzahlwandlers 1 zu erreichen,
- – Übersetzungsverhältnis mit einem Wert größer 1, um einen stetigen Drehzahlanstieg der Ausgangsdrehzahl N2 des Drehzahlwandlers zu erreichen,
- – Übersetzungsverhältnis mit einem Wert kleiner 1 um einen stetigen Drehzahlabfall der Ausgangsdrehzahl N2, des Drehzahlwandlers 1 zu erreichen
einstellen, ohne dass der Kraftfluss unterbrochen werden muss.
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Bei dieser dargestellten Ausführung sind die Übersetzungsverhältnisse der Steuerstufen festgelegt und damit der Anstieg der Drehzahlveränderung.
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Die Eingangsdrehzahl N1 und die Ausgangsdrehzahl N2 werden mittels der Drehzahlmesser 10, 11 gemessen und rechentechnisch ausgewertet werden, um über die Steuerstufenschaltung einen vorgesehenen Drehzahlverlauf über der Zeit zu generieren.
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Der Anstieg der Drehzahl nach oben wird über diesen Weg auch limitiert.
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4 zeigt ein Steuergetriebe 12, bei dem das Übersetzungsverhältnis in den Steuerstufen veränderbar ist, so dass auch der Anstieg der Drehzahlveränderung innerhalb einer Steuerstufe < 1 oder > 1 veränderbar ist. Ein solches Getriebe könnte ein CVT-Getriebe sein.
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5 zeigt den Drehzahlwandler 1 in einer üblicherweise verwendeten Form. Die Differentialgetriebe 2, 3 und 4 sind hier verschachtelt und das Übersetzungsgetriebe 9 ist in die verschachtelten Differentialgetriebe 2, 3 und 4 integriert. Mögliche Ausgangsdrehzahlen sind hier N2/2, N3 und N4. N2/2 deshalb, weil die Korbdrehzahl des Korbes k des Differentialgetriebes 4 abgegriffen wird und nicht wie in den vorangegangenen Figuren die durch das Übersetzungsgetriebe 9 2:1-übersetzte rückgekoppelte Drehzahl N2.
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In einer vorteilhaften Ausführung werden bei diesem Drehzahlwandler 1 und dessen Kopplung mit dem Steuergetriebe 12 sowie im Steuergetriebe 12 Kopplungswellen W in Form von Koaxialwellen, nachfolgend ebenfalls mit W bezeichnet, eingesetzt.
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Insoweit wird mit dieser Anordnung des Drehzahlwandlers 1 mit dem Steuergetriebe 12 eine größere Kompaktheit als in 3 erreicht
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Die Eingangsdrehzahl n von N1 wird hier über ein Ritzel auf zwei gegenläufig mit gleicher Drehzahl drehende Zahnräder übertragen, um einen gegenläufigen und mit gleicher Drehzahl +– n drehenden Antrieb für die Antriebsräder a der äußeren Differentialgetriebe 2, 3 zur Verfügung zu haben.
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Über die Koaxialwelle W1(3) erfolgt der direkte Antrieb des Antriebsrades a des Differentialgetriebes 3 mit –n vom Eingang N1 aus.
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Diese Welle W1(3) bildet deshalb auch die innere Welle auf der die anderen Wellen koaxial angeordnet sind.
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Die gegenläufige Eingangsdrehzahl +n wird durch das Steuergetriebe 12 mit einem Übersetzungsverhältnis von 1:1, < 1 oder > 1 übersetzt und über die Koaxialwelle W1(2) auf das Antriebsrad a des Differentialgetriebes 2 übertragen.
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Der Korb k des Differentialgetriebes 5 dreht mit der zu wandelnden Drehzahl +n und überträgt diese über das Ausgleichsrad c auf die Antriebsräder a und e als n1 und von dort auf die Koaxialwellen W3(5) und W4(5).
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Diese Drehzahl n1 wird jeweils über zwei Übersetzungsgetriebe 7.1–7.2 bzw. 8.1–8.2 auf die entsprechenden Koaxialwellen W3(6) und W4(6) der Antriebsräder a und e des Differentialgetriebes 6 als n < 1 und n > 1 übertragen. Im Differentialgetriebe 6 werden diese Drehzahlen zusammengeführt und über die Koaxialwelle W1(2) auf das Antriebsrad a des Differentialgetriebes 2 als n1 übertragen.
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Die Übersetzungsgetriebe 7.1 und 7.2 haben hier ein Übersetzungsverhältnis von 29:30 bzw. 31:30, was zu einer Gesamtdrehzahländerung von 899:900 führt, somit < 1 aber sehr nahe an 1. Bei den Übersetzungsgetrieben 8.1 bzw. 8.2 betragen die Übersetzungsverhältnis 30:29 bzw. 30:31, was zu einer Gesamtdrehzahländerung von 900:899 führt, somit ebenfalls nahe an 1.
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Durch das Arbeiten mit Übersetzungsverhältnissen für < 1 und > 1, die dem Wert 1:1 angenähert sind, fällt der erzielbare Anstieg α der Ausgangsdrehzahl N2, N3, N4 bezogen auf die Zeit sehr flach aus.
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Dies hat besonders Bedeutung bei Antrieben von großen Lasten z. B. von Schiffen, Kranen, Generatoren.
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Durch Bremsen Z und Y lässt sich einstellen, welches der Übersetzungsgetriebe 7.1–7.2 bzw. 8.1–8.2 aktiv sein soll.
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Die Drehzahl der Übersetzungsgetriebe 7.2 und 8.2 wird über die Koaxialwellen W4(6) oder W3(6) auf die Antriebsräder a, e des Differentialgetriebes 6 übertragen und von dessen Korb k über die Koaxialwelle W1(2) auf das Antriebsrad a des Differentialgetriebes 2 im Drehzahlwandler 1.
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Ist keine Bremse Y, Z aktiv, wird über die Übersetzungsgetriebe 7.1–7.2 und 8.1–8.2 und das Differentialgetriebe 6 die Drehzahl +n an das Antriebsrad a des Differentialgetriebes 2 abgegeben, was dem Zustand: Übersetzungsverhältnis des Steuergetriebes 12 von 1:1 entspricht.
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6 zeigt wie auf rein mechanischem Wege nahezu gradlinige Drehzahlverläufe realisierbar sind. In der 6 bedeuten It = Bremse aktiviert für eine Drehzahlübersetzung > 1 im Steuergetriebe 12 und Pt = Bremse deaktiviert, also 1:1 Übersetzung.
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In der linken Darstellung X1 sind die Steuerstufen 1:1 des Steuergetriebes 12 kürzer gewählt als in der rechten Darstellung X2. Die Dauer der Schaltstufe > 1 ist jeweils konstant. Im Ergebnis zeigt die resultierende Kurve einen wesentlich flacheren Anstieg α an.
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Das bedeutet, dass mittels einer Software gesteuert über die Wechsel in den Schaltstufen ein nahezu geradliniger und mit dem gewünschten Anstieg α vollziehbarer Drehzahlverlauf realisierbar ist.
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Da wie anhand der 3 und 5 gezeigt das Realisieren einer Schaltstufe im Steuergetriebe 12 durch das Zu- oder Abschalten einer Feststelleinrichtung oder einer Bremse Y oder Z erfolgt, ist dies auch ohne größeren technischen Aufwand realisierbar. Dabei muss in Rechnung gestellt werden, dass aufgrund der Anordnung der Feststelleinrichtung oder Bremse zwischen zwei Differentialgetrieben beim Feststellen/Bremsen keine Leistung vernichtet wird, sondern diese sofort umverteilt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Drehzahlwandler
- 2
- Differentialgetriebe (Master)
- 3
- Differentialgetriebe (Slave)
- 4
- Differentialgetriebe (Kern)
- 5
- Differentialgetriebe im Steuergetriebe
- 6
- Differentialgetriebe im Steuergetriebe
- 7
- Übersetzungsgetriebe
- 8
- Übersetzungsgetriebe
- 9
- Übersetzungsgetriebe (zwei Ausgänge, 2:1, gleichläufig)
- 10
- Drehzahlmesser
- 11
- Drehzahlmesser
- 12
- Steuergetriebe
- 13
- Übersetzungsgetriebe (zwei Ausgänge mit gleicher Drehzahl, gegenläufig)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 2635946 A [0003]
- GB 473677 [0004]
- FR 2631899 [0005]