DE69718127T2 - Kodiervorrichtung für Drehgeschwindigkeitsmessaufnehmer sowie Wälzlager damit - Google Patents

Kodiervorrichtung für Drehgeschwindigkeitsmessaufnehmer sowie Wälzlager damit

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Impulserzeugungseinrichtung für Wälzlager, bei dem ein umlaufendes Element des Lagers den Impulsgeber trägt, der durch einen mehrpolig magnetisierten Ring gebildet ist, der dazu vorgesehen ist, ein veränderliches Magnetfeld vor einem Aufnehmer hervorzurufen, der an einem feststehenden Element befestigt ist. Eine derartige Einrichtung ermöglicht es, die Drehzahl des umlaufenden Elements zu erfassen, das den Impulsgeber trägt. Solche Einrichtungen finden ihre Verwendung auf zahlreichen Gebieten, wie z. B. in Elektromotoren, in denen sie ihre Funktion unter erschwerten Bedingungen hinsichtlich der Drehzahl und der Temperatur erfüllen müssen. Der mehrpolige Ring ist im Allgemeinen aus einem thermoplastischen Werkstoff hergestellt, der mit magnetischen Partikeln gefüllt ist (Kunststoff mit magnetischen Partikeln) und den aktiven Teil des Impulserzeugers bildet.
  • Es ist ein Träger aus Metall vorgesehen, der dazu dient, zum einen den Impulsgeber zu tragen und zum anderen die Befestigung des Impulserzeugers mit dem umlaufenden Element sicherzustellen, dessen Drehzahl erfasst werden soll. Der mehrpolige Ring wird zumeist unmittelbar auf den Träger aus Metall aufgespritzt oder aufgegossen, und zwar durch Spritzgießen in eine Form, die den metallischen Träger enthält.
  • Dieser Typ eines Impulserzeugers, dessen aktives Teil mit einem magnetische Partikeln enthaltenden Kunststoff verwirklicht ist, weist allerdings gewisse Nachteile auf, insbesondere bei hohen Drehzahlen und bei hoher Temperatur.
  • Der magnetische Partikel aufweisende Kunststoff enthält nämlich ein Gemisch aus magnetisierten Partikeln mit verhältnismäßig hoher Dichte, beispielsweise Ferritpartikel, und einem Bindemittel aus einem Kunststoff, wobei der Anteil an Partikeln gegenüber der Gesamtmasse des aktiven Teils in der Größenordnung von 80 bis 90% beträgt, um eine ausreichende Magnetisierung zu erzielen, die die Erzeugung eines brauchbaren Signals in Höhe des Aufnehmers ermöglicht. Ein derartiger Kunststoff mit magnetischen Partikeln weist einen niedrigen Elastizitätsmodul auf und ist folglich verhältnismäßig spröde.
  • In den herkömmlichen Impulserzeugern ruft das Aufstecken des Impulserzeugers auf einen äußeren zylindrischen Sitz in dem mehrpoligen Ring Zugspannungen hervor, denen das Material unzureichend standhält.
  • Aus der französischen Patentanmeldung 2 718 499 ist ein Impulsgeber bekannt, dessen aktives Teil über eine Gummieinlage auf einem Träger aus Metall befestigt ist, wobei der metallische Träger auf dem umlaufenden Ring eines Wälzlagers befestigt wird. Die Gummieinlage verhindert, dass die Verformung des Trägers zur Gänze übertragen wird. Allerdings ist sie unter gewissen Drehzahl- und Temperaturbedingungen nicht in der Lage, das Auftreten von schädlichen Spannungen in dem aktiven Teil des Impulserzeugers zu verhindern.
  • In den Anwendungen mit hohen Drehzahlen, beispielsweise 10.000 bis 30.000 U/min bei einem Durchmesser von 50 bis 120 mm, ist der Kunststoff mit magnetischen Partikeln, aus dem der Ring hergestellt ist, aufgrund der Zentrifugalkraft, der die magnetischen Partikel ausgesetzt sind, erheblichen inneren Spannungen unterworfen. Dieses Phänomen kann sich im Falle einer zu hohen Temperatur noch verschärfen, da diese sich in zweifacher Hinsicht ungünstig auf den Kunststoff mit magnetischen Partikeln auswirkt. Erstens verschlechtert die (hohe) Temperatur die mechanischen Eigenschaften des Bindemittels, und zweitens können die unterschiedlich starke Ausdehnungen des Kunststoffs mit magnetischen Partikeln, aus dem der Ring hergestellt ist, und des metallischen Trägers des Rings dazu führen, dass sich der Ring in radialer Richtung von seinem Träger löst.
  • Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile der oben erwähnten Einrichtungen zu beseitigen und ferner einen Impulsgeber zu schaffen, dessen Befestigung auf dem Bereich, der den Impulsgeber trägt, keine Zugspannungen in dem aktiven Teil hervorruft.
  • Die beanspruchte Impulserzeugungseinrichtung ist dem aus der EP-A-213 732 bekannten Stand der Technik insofern ähnlich, als sie für einen Drehzahlgeber eines umlaufenden Teils eines Lagers vorgesehen ist, das auf einem stillstehenden Teil des Lagers gelagert ist, von der Bauart mit einem Aufnehmer, der an einem Element befestigt ist, das in Bezug auf das stillstehende Teil fest ist und vor dem drehend und mit einem geringen Spalt ein einen Rotor bildendes Element vorbeiläuft, das mit einem magnetischen Impulsgeber versehen ist, der in der Lage ist, in dem Aufnehmer ein periodisches Signal zu erzeugen, dessen Frequenz der Drehzahl des Rotorelementes proportional ist, wobei der Impulsgeber einen ringförmigen aktiven Teil aufweist, der mit einem Kunststoff mit magnetischen Partikeln ausgeführt ist und der mit einem aktiven Bereich versehen ist, der derart angeordnet ist, um drehend vor dem Aufnehmer vorbeizulaufen. Der Impulsgeber weist gemäß der Erfindung einen Versteifungsteil auf, zu dem zwei ringförmige Elemente gehören, die mit dem aktiven Teil zu beiden Seiten des aktiven Bereichs in Berührung stehen. Die ringförmigen Elemente sind dementsprechend in der Lage, die in dem aktiven Bereich erzeugten inneren Radialkräfte aufzunehmen und das Auftreten von Zugspannungen in dem aktiven Teil zu begrenzen. Eine derartiger Impulsgeber ist in der Lage, starken Radialbeschleunigungen, insbesondere unter hoher Temperatur, standzuhalten.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich jedes ringförmige Element zwischen dem aktiven Bereich und einer radialen Stirnfläche des Impulsgebers, wobei der aktive Bereich zylindrisch ist. Die ringförmigen Elemente können mit dem aktiven Bereich auf gleicher Höhe liegen.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung sind die ringförmigen Elemente aus einem nichtmagnetischen Material hergestellt und weisen im Vergleich zu dem aktiven Teil des Impulsgebers einen höheren Elastizitätsmodul und einen niedrigen Ausdehnungskoeffizienten auf. Auf diese Weise sind die ringförmigen Elemente in der Lage, die Verformungen des aktiven Teils des Impulsgebers erheblich zu begrenzen, die durch Kräfte hervorgerufen werden, die durch das Aufstecken des Impulsgebers auf dessen Befestigungsbereich oder eine temperaturbedingte Ausdehnung des Impulsgebers entstehen.
  • Hinzu kommt, dass, falls der aktive Teil des Impulsgebers dazu neigt sich auszudehnen, dieses sich gegen die Innenseite der ringförmigen Elemente stemmt und dementsprechend innerhalb des mit magnetischen Partikeln ausgeführten Kunststoffs Druckkräfte auftreten, die jeder Rissbildung des Materials entgegenwirken.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung weisen die ringförmigen Elemente die Gestalt einer Schale mit L-förmigem Querschnitt auf.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weisen die ringförmigen Elemente einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf.
  • Vorteilhafterweise umfasst die Impulserzeugungseinrichtung einen Träger, der sich auf einen Bereich des einen Rotor bildenden Elements befestigen lässt. Der Träger besteht im Wesentlichen aus Metall und kann geeignet ausgebildet sein, um den aktiven Teil des Impulsgebers während des Aufsteckens oder während einer Ausdehnung des den Rotor bildenden Elements nicht zu verformen. Der Träger kann mit einem der ringförmigen Elemente einstückig ausgebildet sein.
  • Der aktive Teil des Impulsgebers kann auf die ringförmigen Elemente aufgespritzt oder aufgegossen sein. In einer Abwandlung können die ringförmigen Elemente an den aktiven Teil des Impulsgebers angeklebt oder auch auf den aktiven Teil des Impulsgebers aufgesteckt sein.
  • Weiter ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Wälzlager zu schaffen, dass mit einem Impulsgeber für einen Drehzahlsensor versehen ist, der dazu dient, die Drehzahl des umlaufenden Rings bezüglich des stillstehenden Rings des Wälzlagers zu erfassen, wobei der Impulsgeber von der Art ist, wie sie weiter oben beschrieben ist.
  • Zufolge der Erfindung ist ein Impulsgeber geschaffen, der selbst bei hohen Temperaturen mechanisch stabil bleibt und gleichzeitig einfach und kostengünstig herzustellen ist.
  • Die Erfindung wird klarer verständlich nach dem Lesen der ausführlichen Beschreibung einiger erfindungsgemäßer Ausführungsformen, die als in keiner Weise beschränkende Beispiele zu bewerten und anhand der nachstehenden Zeichnungen veranschaulicht sind:
  • Fig. 1 zeigt in einem axialen Längsschnitt eine Ansicht eines Wälzlagers, das mit einem Impulsgeber gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung versehen ist;
  • Fig. 2 stellt eine Teilansicht des Impulsgebers nach Fig. 1 dar;
  • Fig. 3 zeigt im Längsschnitt eine Teilansicht eines Impulsgebers gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung; und
  • Fig. 4 zeigt eine Teilansicht eines Impulsgebers gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung, im Längsschnitt.
  • Wie in Fig. 1 dargestellt, enthält das Wälzlager 1 einen Außenring 2, einen Innenring 3, eine Reihe von Kugeln 4, die zwischen dem Außenring 2 und dem Innenring 3 angeordnet sind und die durch einen Käfig 5 gehalten werden, eine Dichtungseinrichtung 6 auf einer seiner Seiten und auf der gegenüberliegenden Seite einen Drehzahlmesser 7, der an dem Außenring 2 befestigt ist, und einen Impulsgeber 8, der an dem Innenring 3 befestigt ist.
  • Der Aufnehmer 7 umfasst einen Sensorabschnitt 9, der auf Veränderungen eines Magnetfelds anspricht, beispielsweise eine Hall-Effekt-Sonde, einen Trägerblock 10 aus Kunststoff, und ein aus Metall gefertigtes Element 11, das in einem Bereich des Außenrings 2 eingesteckt ist. Ein an den Sensorabschnitt 9 angeschlossenes Kabel 12 ermöglicht es, Daten über die Drehzahl an nicht gezeigte Prozessormittel zu übertragen.
  • Der Impulsgeber 8 (Fig. 1 und 2) umfasst einen aus Metall gefertigten Träger 13, ein aktives Teil 14, das aus einem Kunststoff mit magnetischen Partikeln hergestellt ist, und zwei ringförmige Versteifungselemente 15. Der Träger 13 weist einen rohrförmigen Abschnitt 13a auf, der auf einen Bereich des Innenrings 3 aufgesteckt ist. Ein erster radialer Abschnitt 13b erstreckt sich ausgehend von einem Ende des rohrförmigen Abschnitts 13a nach außen, und ein zweiter radialer Abschnitt 13c erstreckt sich von dem ersten radialen Abschnitt 13b nach innen. Die radialen Abschnitte 13b und 13c stehen miteinander in Berührung. Der Träger 13 kann mittels Stanzen und Biegen oder Tiefziehen aus einer Blechscheibe hergestellt werden. Das Ende des zweiten radialen Abschnitts 13c mit kleinem Durchmesser kann gegen den Rand des Innenrings 3 in der Weise in Anlage kommen, um den Impulsgeber 8 beim Aufstecken in Bezug auf den Innenring 3 genau zu positionieren.
  • Das ringförmige aktive Teil 14 ist auf den Träger 13 aufgespritzt bzw. aufgegossen und steht mit den einen größeren Durchmesser aufweisenden Enden der radialen Abschnitte 13b und 13c in Berührung. Die zylindrische Außenumfangsfläche des aktiven Teils 14 bildet den aktiven Bereich 16, der mit einem geringen Spalt dem Aufnehmer 7 gegenüberliegend angeordnet ist.
  • Die ringförmigen Elemente 15 sind identisch und symmetrisch beiderseits des aktiven Teils 14 angebracht. Jedes ringförmige Element 15 ist in Gestalt einer Hülse mit einem L-förmigen Querschnitt ausgebildet und weist einen radialen Abschnitt 15a, der mit den Rändern 14a, 14b des aktiven Teils 14 in Berührung steht, und einen zylindrische Abschnitt 15b auf, der mit dem aktiven Teil 14 in Berührung steht und auf gleicher Höhe mit dem aktiven Bereich 16 endet. Um das durch das aktive Teil 14 erzeugte Magnetfeld nicht zu beeinträchtigen, sind die beiden ringförmigen Elemente 15 aus einem nichtmagnetischen Metall hergestellt.
  • Im Betrieb wird durch das Vorbeilaufen des aktiven Bereichs 16 des einen mehrpoligen Ring bildenden aktiven Teils 14 vor dem Aufnehmer 7 diesem ermöglicht, eine Veränderung des Magnetfelds zu erfassen, die er in ein elektrisches Signal umsetzen kann, das zu der Drehzahl des umlaufenden Innenrings 3 des Wälzlagers 1 proportional ist. Beim Erreichen hoher Drehzahlen ist das aktive Teil 14 einer nach außen gerichteten Radialbeschleunigung ausgesetzt, die durch die Zentrifugalkraft hervorgerufen wird und die insbesondere auf die magnetischen Partikel wirkt, da diese eine höhere Dichte aufweisen als das Bindemittel. Die ringförmigen Elemente 15 können mittels ihres zylindrischen Abschnitts 15b die in dem aktiven Teil 14 erzeugten inneren Radialkräfte aufnehmen und die Entstehung von übermäßigen Zugspannungen verhindern, die eine Rissbildung und ein Brechen des Kunststoffs mit magnetischen Partikeln verursachen könnten.
  • Zum anderen wird jede Gefahr einer Ablösung des aktiven Teils 14 von dessen Träger 13 verhindert.
  • Im Falle einer Erwärmung verformen sich die ringförmigen Elemente 15 aufgrund ihres geringen Ausdehnungskoeffizienten weniger stark als das aktive Teil 14, wodurch sie auch hier in die Lage versetzt sind, eine übermäßige Verformung des aktiven Teils 14 zu verhindern und, wie vorhergehend, die inneren Radialkräfte aufzunehmen. Darüber hinaus wird auf diese Weise die Gefahr eines Ablösens des aktiven Teils 14 bezüglich dessen Träger 13 beschränkt, die sich aufgrund einer stark unterschiedlichen Ausdehnung bei einem Anstieg der Temperatur ergeben würde. Im Falle einer Ausdehnung des Innenrings 3 ist der rohrförmige Abschnitt 13a des Trägers 13 zwar in der Lage nachzugeben, allerdings überträgt sich diese Verformung aufgrund der radialen Steifigkeit, die durch die beiden radialen Abschnitte 13b und 13c gegeben ist, nur wenig auf das aktive Teil 14. Ebenso verhält es sich während des Aufsteckens des rohrförmigen Abschnitts 13a auf den Innenring 3.
  • Der in Fig. 3 dargestellte Impulsgeber 8 ähnelt weitgehend jenem nach Fig. 2, jedoch enthält dieser nur ein einziges ringförmiges Element 15 auf der einen Seite und ein Versteifungs- und Trägerelement 17 auf der anderen Seite, das die Funktionen des Trägers und eines der ringförmigen Elemente der vorausgehenden Ausführungsform erfüllt. Zu dem Element 17 gehören ein erster rohrförmiger Abschnitt 17a, der geeignet ist, um auf den Innenring eines Wälzlagers aufgesteckt zu werden, ein erster radialer Abschnitt 17b, der es ermöglicht, die Übertragung der Verformung des ersten rohrförmigen Abschnitts 17a auf das aktive Teil 14 zu verhindern, ein zweiter rohrförmiger Abschnitt 17c, der sich ausgehend von dem ersten axialen Abschnitt 17b in Richtung auf das Innere des Wälzlagers erstreckt und mit der zylindrischen Bohrung des aktiven Teils 14 in Berührung steht, ein zweiter radialer Abschnitt 17d, der dem radialen Abschnitt 15a der vorausgehenden Ausführungsform entspricht, und ein dritter rohrförmiger Abschnitt 17e, der zu dem zylindrischen Abschnitt 15b der vorausgehenden Ausführungsform äquivalent ist. Diese Art eines Impulsgebers lässt sich, insbesondere durch Aufspritzen oder Gießen, noch einfacher herstellen, da der Impulsgeber nur zwei Elemente aus Metall aufweist, die zweckmäßigerweise selbstverständlich aus einem nichtmagnetischen Werkstoff hergestellt sind.
  • In Fig. 4 wurden die Bezugszeichen von Elementen, die denjenigen in den obigen Figuren ähneln, um die Zahl 10 erhöht. Der Impulsgeber 18 umfasst einen Träger 23, der verhältnismäßig dick ist und einen T-förmigen Querschnitt aufweist. Der Träger 23 ist dazu vorgesehen, um auf einen Bereich eines Lagerinnenrings befestigt zu werden. Die zylindrische Außenfläche 23a des Trägers 23 ist mit einer Schicht 28 versehen, die aus einem Elastomer mit hoher Elastizität verwirklicht ist und an ihren axialen Enden mit zwei Rippen 28a ausgebildet ist, die sich in radialer Richtung nach außen erstrecken. Das aktive Teil 24 des Impulsgebers 18 ist rund um die Schicht 28 angebracht und aufgrund der Rippen 28a in axialer Richtung in Bezug auf die Schicht fixiert. Der Impulsgeber 18 enthält ferner zwei mit einem im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt ausgebildete, ringförmige Elemente 25, die zu beiden Seiten des aktiven Bereichs 26 befestigt sind und mit diesem bündig liegen. Die ringförmigen Elemente 25 liegen außerdem auf gleicher Höhe mit den seitlichen Radialflächen 24a und 24b des aktiven Teils 24.
  • Diese Ausführungsform ermöglicht es, einen besonders kompakten Impulsgeber 18 zu schaffen, der mit sehr einfach gestalteten ringförmigen Elementen 25 versehen ist und die gleichen Vorzüge in Bezug auf das mechanische und temperaturabhängige Verhalten wie bei den vorausgehenden Ausführungsformen beibehält, und zwar aufgrund der elastischen Schicht 28, die bei einer Verformung des Trägers 23 verhindert, dass es zu einer Übertragung dieser Verformung auf das aktive Teil 24 kommt, die in dem Letzteren Zugspannungen hervorrufen würde.
  • Zufolge der Erfindung ist dementsprechend ein Impulsgeber geschaffen, der besonders zuverlässig ist und dauerhaft ein Signal mit guter Qualität zur Verfügung stellt.
  • Die ringförmigen Versteifungselemente ermöglichen, dass sich der Impulsgeber auf ein umlaufendes Element aufstecken und mit hoher Drehzahl betreiben lässt, wobei sie die inneren Zugspannungen in dem aktiven Teil begrenzen.
  • Selbst im Falle einer zufälligen Rissbildung in dem aktiven Teil, das den mehrpoligen Ring bildet, verhindern die ringförmigen Versteifungselemente ein durch die Zentrifugalkraft hervorrufbares Bersten des aktiven Teils, und das aktive Teil liefert weiter sein magnetisches Signal. Da die ringförmigen Versteifungselemente aus einem nichtmagnetischen Werkstoff hergestellt sind und den aktiven Bereich des Impulsgebers ausgespart lassen, beeinträchtigen sie das Signal nicht. Der erfindungsgemäße Impulsgeber entschärft außerdem temperaturbedingte Probleme, indem die ringförmigen Versteifungselemente es ermöglichen, die Verformungen des aktiven Teils des Impulsgebers bei hoher Temperatur zu begrenzen und die unerwünschten Effekte der unterschiedlichen Ausdehnung des aktiven Teils des Impulsgebers und seines Trägers zu reduzieren.

Claims (1)

1. Impulserzeugungseinrichtung für einen Drehzahlgeber eines umlaufenden Teils eines Lagers, das auf einem stillstehenden Teil des Lagers gelagert ist, von der Bauart mit einem Aufnehmer (7), der an einem Element befestigt ist, das in Bezug auf das stillstehende Teil fest ist und vor dem drehend und mit einem geringen Spalt ein einen Rotor bildendes Element vorbeiläuft, das mit einem magnetischen Impulsgeber (8) versehen ist, der in der Lage ist, in dem Aufnehmer ein periodisches Signal zu erzeugen, dessen Frequenz der Drehzahl des Rotorelementes proportional ist, wobei der Impulsgeber einen ringförmigen aktiven Teil (14) aufweist, der mit einem Kunststoff mit magnetischen Partikeln ausgeführt ist und der mit einem aktiven Bereich (16) versehen ist, der derart angeordnet ist, um drehend vor dem Aufnehmer vorbeizulaufen, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Versteifungsteil aufweist, zu dem zwei ringförmige Elemente (15) gehören, die mit dem aktiven Teil in Berührung stehen, von beiden Seiten des aktiven Bereichs angeordnet und in der Lage sind, mit Hilfe eines zylindrischen Abschnitts die in dem aktiven Bereich erzeugten inneren Radialkräfte aufzunehmen.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich jedes ringförmige Element (15) zwischen dem aktiven Bereich und einer radialen Stirnfläche des Impulsgebers erstreckt, wobei der aktive Bereich zylindrisch ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ringförmigen Elemente (15) mit dem aktiven Bereich auf gleicher Höhe liegen.
4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ringförmigen Elemente (15) aus einem nichtmagnetischen Material hergestellt sind und im Vergleich zu dem aktiven Teil des Impulsgebers einen höheren Elastizitätsmodul und einen niedrigen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen.
5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ringförmigen Elemente (15) die Gestalt einer Schale mit L-förmigem Querschnitt aufweisen.
6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die ringförmigen Elemente (25) einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweisen.
7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Träger (17) aufweist, der dazu vorgesehen ist, an einer Lagerfläche des einen Rotor bildenden Elementes befestigt zu werden, wobei der Träger mit einem der ringförmigen Elemente (15) einstückig ausgebildet ist.
9. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der aktive Teil des Impulsgebers auf den ringförmigen Elementen (15) aufgespritzt ist.
9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die ringförmigen Elemente (15) auf dem aktiven Teil des Impulsgebers aufgeklebt sind.
10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die ringförmigen Elemente (15) auf dem aktiven Teil des Impulsgebers aufgepresst sind.
11. Wälzlager, das mit einer Impulserzeugungseinrichtung für einen Drehzahlsensor zur Erfassung der Drehzahl eines umlaufenden Rings bezüglich seines stillstehenden Rings versehen ist, wobei die Impulserzeugungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgeführt ist.
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