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Die Erfindung betrifft eine Schraubverbindung mit einem Gewindebolzen und einer mit diesem verschraubbaren Mutter, wobei das Außengewinde des Gewindebolzens und das Innengewinde der Mutter eine gleichgroße Steigung und einen gleichgroßen Flankenwinkel haben und für die Mutter ein Werkstoffverwendet ist, der mindestens im Bereich des Innengewindes weicher ist als ein für den Gewindebolzen mindestens im Bereich des Außengewindes verwendeter Werkstoff. Die Erfindung betrifft ferner eine Mutter aus Kunststoff für eine derartige Schraubverbindung.
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Eine Schraubverbindung der angegebenen Art ist aus
DE 198 57 225 A1 bekannt. Sie dient zur Befestigung eines Fahrpedalmoduls an der Karosserie eines Kraftfahrzeugs und ist für automatische Anschraubvorgänge bestimmt. Bei dieser Schraubverbindung hat der Gewindebolzen ein metrisches Normgewinde mit einem Flankenwinkel von 60 Grad und das Innengewinde der Mutter hat vor dem Aufschrauben auf den Gewindebolzen einen Außendurchmesser, der kleiner ist als der Außendurchmesser des Außengewindes des Gewindebolzens. Hierbei müssen Innen- und Außengewinde sehr maßhaltig sein, damit die Mutter nicht überlastet wird.
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Die deutsche Offenlegungsschrift
DE 29 03 845 A1 offenbart unterschiedliche Ausführungen einer Schraubverbindung mit nicht ganz vollständig geschnittenem Gewinde. Bei den beschriebenen Ausführungen ist jedoch der Flankenwinkel des Innengewindes der Mutter und der Flankenwinkel des Außengewindes des Bolzens unterschiedlich, damit die Verformung der Gewindespitzen des Außengewindes des Bolzens während des Festschraubens nicht zu einem Festfressen zwischen dem Bolzen und der Mutter führt. Durch diese unterschiedlichen Flankenwinkel wird die Haltbarkeit der Schraubverbindung reduziert.
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Weiterhin ist aus
FR 1 34 35 18 A eine selbstsichernde Mutter bekannt, bei der das Innengewinde einen, verglichen mit dem Normgewinde, geringfügig kleineren Innendurchmesser und geringfügig kleineren Außendurchmesser hat. Hierdurch soll beim Verschrauben mit einem Gewindebolzen mit entsprechendem Normgewinde ein ausreichendes Drehmoment gegen Lösen erzeugt werden. Die bekannte Gestaltung ist zur Lösesicherung von Muttern aus Kunststoff wegen der höheren Elastizität und dem Kaltfließverhalten von Kunststoffen nicht geeignet.
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Aus
JP 09-112522 A ist ein Gewindebolzen aus Kunststoff bekannt, dessen Außengewinde ein Trapezgewinde ist, das verschieden breite Flanken und eine radial äußere Begrenzungsfläche hat, die zur Mittelachse des Gewindebolzens geneigt ist, um das Einpressen des Gewindebolzens in eine Aufnahmebohrung zu erleichtern.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schraubverbindung der eingangsgenannten Art zu schaffen, bei der die mit dem Gewindebolzen verschraubte Mutter durch ein Reibmoment gegen Lösen gesichert ist, wobei zum Verschrauben der Mutter mit dem Gewindebolzen nur ein relativ kleines Drehmoment benötigt wird. Weiterhin soll verhindert werden, dass die Mutter beim Aufschrauben brechen kann.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Schraubverbindung mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Schraubverbindung und sind in den Ansprüchen 2 bis 9, eine für die Schraubverbindung besonders geeignete Mutter ist in den Ansprüchen 10 bis 16 angegeben.
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Nach der Erfindung umfasst die Schraubverbindung einen Gewindebolzen und eine mit diesem zu verschraubende Mutter, wobei der Gewindebolzen mit einem Außengewinde versehen ist, das in der Art eines Trapezgewinde seine Gewinderippe mit radial nach außen konvergierenden, im Profil geraden Flanken und eine zwischen diesen liegenden radial äußere Begrenzungsfläche aufweist, die Mutter eine Bohrung hat, die zumindest auf einem Teil ihrer Länge mit einem durch eine Gewindenut gebildeten Innengewinde versehen ist, wobei die Gewindenut in der Art eines Trapezgewindes radial nach außen konvergierende, im Profil gerade Flankenabschnitte hat, welche radial nach außen stufenlos in einen den Gewindegrund der Gewindenut bildenden runden Abschnitt übergehen, für die Mutter ein Werkstoff verwendet ist, der mindestens im Bereich des Innengewindes weicher ist als ein für den Gewindebolzen mindestens im Bereich des Außengewindes verwendeter Werkstoff, das Außengewinde des Gewindebolzens und das Innengewinde der Mutter eine gleich große Steigung und einen gleich großen Flankenwinkel haben, wobei der Außendurchmesser des Außengewindes des Gewindebolzen größer ist als der Durchmesser eines koaxialen imaginären Zylinders, dessen Mantelfläche die Flankenabschnitte des Innengewindes der Mutter vor dem Verschrauben mit dem Gewindebolzen von dem den Gewindegrund der Gewindenut bildenden runden Abschnitt trennt, so dass bei dem Verschrauben der Mutter mit dem Gewindebolzen das Außengewinde des Gewindebolzens im Bereich des Gewindegrunds des Innengewindes der Mutter Werkstoff verdrängt, wobei zwischen der radial äußeren Begrenzungsfläche der Gewinderippe des Gewindebolzens und dem Gewindegrund der Gewindenut der Mutter ein Hohlraum zur Aufnahme von verdrängtem Werkstoff frei gehalten ist. Hierbei ist der Außendurchmesser des Innengewindes der Mutter der Durchmesser eines imaginären Zylinders, der koaxial zum Innengewinde liegt und dessen Mantellinien den Gewindegrund des Innengewindes berühren und der Außendurchmesser des Außengewindes des Gewindebolzens gleich dem Zweifachen des größten Radius der radial äußeren Begrenzungsfläche der Gewinderippe des Außengewindes.
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Die Schraubverbindung nach der Erfindung ermöglicht ein leichtes und zuverlässiges Verschrauben und die Erzielung eines hohen Selbsthemmungsmoments nach dem Verschrauben. Die radiale Belastung der Mutter bleibt verhältnismäßig klein und die Form des Innengewindes verringert die Bruchgefahr der Mutter.
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In einer Ausgestaltung der Schraubverbindung kann die radial äußere Begrenzungsfläche der Gewinderippe des Außengewindes des Gewindebolzens Teil einer Zylinderfläche sein, wobei der Außendurchmesser des Außengewindes des Gewindebolzens kleiner ist als der Außendurchmesser des Innengewindes der Mutter.
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Bevorzugt ist jedoch eine Ausgestaltung der Schraubverbindung, bei der die radial äußere Begrenzungsfläche der Gewinderippe des Außengewindes des Gewindebolzens zur Mittelachse des Gewindebolzens derart geneigt ist, dass der Außendurchmesser der dem Einschraubende zugekehrten Gewindeflanke kleiner ist als der Außendurchmesser der dem Einschraubende abgekehrten Gewindeflanke, wobei der Außendurchmesser des Innengewindes der Mutter etwa gleich dem Außendurchmesser des Außengewindes des Gewindebolzens oder kleiner als dieser ist. Hierbei haben die wirksamen tragenden Flanken von Mutter und Gewindebolzen eine größere Breite, so dass die Schraubverbindung höher belastbar ist. Als vorteilhaft hat sich erwiesen, wenn die radial äußere Begrenzungsfläche der Gewinderippe derart geneigt ist, dass eine die radial äußere Begrenzungsfläche berührende radiale Gerade die Mittelachse des Gewindebolzens in einem Winkel von etwa 30 Grad schneidet.
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Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung kann der Durchmesser eines imaginären Zylinders, der die geneigte radial äußere Begrenzungsfläche der Gewinderippe in der Mitte schneidet, kleiner sein als der Außendurchmesser des Innengewindes der Mutter. Hierdurch entsteht zwischen der radial äußeren Begrenzungsfläche und dem Gewindegrund des Innengewindes der Mutter ein Hohlraum, der von der Gewinderippe verdrängtes Material aufnehmen kann. Ein zu starkes Klemmen der Mutter beim Verschrauben und zu eine hohe Belastung der Mutter wird dadurch vermieden.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass vor dem Verschrauben der Mutter mit dem Gewindebolzen das Innengewinde der Mutter einen ursprünglichen Kerndurchmesser hat, der größer ist als ein Kerndurchmesser des Außengewindes des Gewindebolzens, so dass mindestens ein Teil des verdrängten Werkstoffs in einem vor dem Verschrauben zwischen dem ursprünglichen Kerndurchmesser der Mutter und dem Kerndurchmesser des Bolzens vorhandenen Bereich aufgenommen werden kann.
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Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung umfasst die Schraubverbindung eine Mutter aus Kunststoff mit einer Bohrung, die zumindest auf einem Teil ihrer Länge mit einem durch eine Gewindenut gebildeten Innengewinde versehen ist, wobei die Gewindenut ein Gewindeprofil hat, das in der Art eines Trapezgewindes gerade, radial nach außen konvergierende Flankenabschnitte hat, welche radial nach außen stufenlos in einen den Gewindegrund der Gewindenut bildenden runden Abschnitt übergehen. Eine solche Mutter ist bruchfest und kann durch Urformen einfach und kostengünstig in einem Stück herstellt werden. Zur Erzielung hoher Anzugsmomente kann der Flankenwinkel der Flankenabschnitte der Mutter beträgt 25 bis 35 Grad, insbesondere 30 Grad betragen.
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Von besonderem Vorteil ist es, wenn die Bohrung der Mutter ein Einschraubende mit einem Einführabschnitt aufweist, der einen Innendurchmesser von solcher Größe hat, dass die Mutter mit dem Einführabschnitt axial auf einen Gewindebolzen mit dem Innengewinde der Mutter zugeordneten Außengewinde aufsteckbar ist, wobei in dem Einführabschnitt ein Rastvorsprung von solcher Form und Größe vorgesehen sind, dass die Mutter durch rastende Verankerung auf dem Außengewinde eines Gewindebolzens fest haltbar ist. Der Rastvorsprung kann hierbei eingeschlossener Ringwulst mit zur Bohrungsachse radialer Mittelebene sein. Dies hat den Vorteil, dass die Mutter und der Gewindebolzen in jeder beliebigen Drehlage verrastet werden können.
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Um das Zusammenführen von Mutter und Gewindebolzen zu erleichtern, kann die Mutter kann außerdem einen konisch nach außen erweiterten Zentrierabschnitt, der sich nach außen an den Einführabschnitt anschließt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, das in der Zeichnung dargestellt ist. Es zeigen
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1 eine perspektivische Ansicht einer Mutter nach der Erfindung,
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2 einen Querschnitt der Mutter gemäß 1,
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3 einen vergrößerten Ausschnitt des Einschraubendes der Mutter gemäß 1 mit darin angeordnetem Einschraubende eines Gewindebolzens,
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4 einen vergrößerten Querschnitt des Eingriffsbereichs zwischen dem Innengewinde der Mutter gemäß 1 und dem Außengewinde des dazu gehörigen Gewindebolzens,
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5 eine Befestigung von zwei Teile unter Verwendung einer Schraubverbindung nach der Erfindung.
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Bei der in 1 dargestellten Mutter 1 handelt es sich um ein einteiliges Formteil, dass aus Kunststoff hergestellt ist. Die Mutter hat einen Körper 2 mit einer Außenkontur in Form eines sechskantigen Prismas, dass einen Werkzeugeingriffsbereich 3 bildet. An einem Ende des Körpers 2 ist ein kreisscheibenförmiger Flansch 4 angeformt, der zur Abstützung der Mutter 1 an einem zu befestigenden Bauteil dient. Das andere Ende des Körpers 2 ist mit Schrägflächen 5 versehen, um das Aufstecken eines Werkzeugs zu erleichtern.
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Wie aus 2 zu ersehen ist die Mutter 1 von einer zum Werkzeug Eingriffsbereich 3 koaxialen Bohrung 6 durchdrungen, die drei verschiedene Abschnitte aufweist. Ein erster Abschnitt 7 erstreckt sich durch den größten Teil des Körpers 2 und ist mit einem Innengewinde 8 versehen, das durch eine in die Wand der Bohrung 6 eingetiefte, sich längs einer Schraubenlinie erstreckende Gewindenut 9 gebildet ist. Das Innengewinde 8 der Mutter 1 hat einen Außendurchmesser Da, der gleich dem Durchmesser eines imaginären zum Innengewinde koaxialen Zylinders ist, dessen Mantellinien den Gewindegrund der Gewindenut 9 berühren. Der Kerndurchmesser Dk des Innengewindes 8 ist der Durchmesser der Bohrung 6 im Abschnitt 7, in welche die Gewindenut 9 eingetieft ist.
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Auf der dem Flansch 4 zugekehrten Seite schließt sich an den Abschnitt 7 ein zylindrischer Einführabschnitt 10 an, dessen Innendurchmesser De etwas größer ist, als der Außendurchmesser des Innengewindes 8. In einem Abstand x von dem Abschnitt 7 weist der Einführabschnitt 10 einen nach innenerhabenen Ringwulst 11 auf, dessen Mitte in einer zur Bohrungsachse radialen Ebene liegt. Der Innendurchmesser Dr des Ringwulstes 11 ist kleiner als der Außendurchmesser Da, und größer als der Kerndurchmesser Dk des Innengewindes 8.
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Auf den Einführabschnitt 10 folgt in Richtung des Flansches 4 ein Zentrierabschnitt 12, der nach außen kegelförmig erweitert ist und zum Zentrieren der Mutter 1 gegenüber einem Gewindebolzen dient.
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3 veranschaulicht das Zusammenwirken des Ringwulstes 11 mit dem Einführende eines in den Einführabschnitt 10 eingeführten Gewindebolzen 20. Der Gewindebolzen 20 hat ein Außengewinde 21, das von einer entlang einer Schraubenlinie verlaufenden Gewinderippe 22 gebildet wird. Die Gewinderippe 22 hat nach Art eines Trapezgewindes zwei Flanken 23, 24, die radial nach außen konvergieren. Der Flankenwinkel der Flanken 23, 24 beträgt im Wesentlichen 30°, wobei Winkelhalbierende in einer zur Bolzenachse senkrechten Ebene liegt. Die Flanke 23 ist dem Einführende des Gewindebolzens 20 zugekehrt und die Flanke 24 dem Einführende abgekehrt. Abweichend von einem üblichen und genormten Trapezgewinde hat die Gewinderippe 22 eine radial äußere Begrenzungsfläche 25, die zur Mittelachse des Gewindebolzens 20 derart geneigt ist, dass die radiale Ausdehnung der Flanke 23 kleiner ist als die radiale Ausdehnung des Flanke 24. Die Neigung der Begrenzungsfläche 25 hat hierbei eine solche Größe, dass eine Gerade G, die in der Längsmittelebene des Gewindebolzens 20 liegt und die Begrenzungsfläche 25 berührt, die Mittelachse des Gewindebolzens 20 in einem Winkel von etwa 30° schneidet. Infolge dieser Gestaltung ist der Außendurchmesser da des Außengewindes 21 gleich dem Zweifachen des größten Radius der äußeren Begrenzungsfläche 25, das ist der Radius der Kante an der die Begrenzungsfläche 25 mit der Flanke 24 zusammentrifft.
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Die Mutter 1 und der Gewindebolzen 20 sind so aufeinander abgestimmt, dass der Innendurchmesser De des Einführabschnitts 10 der Mutter 1 größer ist als der Außendurchmesser Da des Außengewindes 21. Der Innendurchmesser des Ringwulstes 11 hingegen ist so viel kleiner als der Außendurchmesser da des Außengewindes 21, dass der Gewindebolzen 20 mit dem Anfangsabschnitt der Gewinderippe 22 von Hand aber nur mit einer gewissen Kraft durch den Ringwulst 11 hindurch in den Einführabschnitt 10 hinein gedrückt werden und in den Bereich zwischen dem Ringwulst 11 und dem Gewindeabschnitt 7 gelangen kann. Das Hineindrücken wird durch die Neigung der Begrenzungsfläche 25 erleichtert, da der Ringwulst 11 beim Eindrücken des Gewindebolzens 20 mit der Begrenzungsfläche 25 in Kontakt kommt und über diese hinweg gleiten kann. Will man jedoch die Mutter 1 in der Gegenrichtung von dem Gewindebolzen 20 abziehen, so gelangt die steile Flanke 24 mit der scharfen Kante an ihrem äußeren Rand mit dem Ringwulst 11 in Kontakt, so dass eine wesentlich höhere Kraft erforderlich ist, um Mutter 1 von dem Ende des Gewindebolzens 20 wieder abzuziehen. Der Ringwulst 11 in dem Einführabschnitt 10 ermöglicht daher eine Verbindung zwischen der Mutter 1 mit dem Gewindebolzen 20 durch axiales Zusammenstecken und ohne das Erfordernis eines Schraubvorgangs. Die Haltekraft der Steckverbindung ist zwar deutlich kleiner als die Haltekraft der Schraubverbindung, sie reicht aber aus, um mit der Mutter zu befestigende Bauteile allein durch Aufstecken der Mutter vormontieren zu und durch auch bei Überkopfmontage die Mutter an dem Gewindebolzen festhalten zu können. Personen, die eine Montage ausführen, können daher durch Zusammenstecken von Mutter und Bolzen ein Bauteil vormontieren eine und haben dann die Hände frei, um bei Bedarf das Bauteil auszurichten und dann das Montagewerkzeug zum Festzuschrauben der vormontierten Muttern zu holen.
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4 zeigt die Profile des Innengewindes 8 der Mutter 1 und des Außengewindes 21 des Gewindebolzens 20 in einer überlagerten, konzentrischen Anordnung, welche mit der Eingriffslage der Gewinde beim Verschrauben der Mutter 1 mit dem Bolzen 20 entspricht, ohne jedoch die Verformung des Innengewindes zu zeigen, welche die Gewinderippe 22 beim Eindringen in die Gewindenut 9 hervorruft. Die Gewindenut 9 der Mutter 1 hat symmetrisch zu einer Radialebene angeordnete Flanken 13, 14, die radial nach außen konvergieren und einen Flankenwinkel von im Wesentlichen 30° miteinander bilden. An der Mantellinie eines imaginären konzentrischen Zylinders mit dem Durchmesser Di geht das gerade Profil der Flanken 13, 14 stufenlos in einen runden Abschnitt 15 über, der den Gewindegrund der Gewindenut 9 bildet. Die Mitte des runden Abschnitts 15 bildet den Scheitel des Gewindegrunds und bestimmt den Außendurchmesser Da des Innengewindes 8. Radial nach innenen den die Flanken 13, 14 an dem Kerndurchmesser Dk.
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Die Flanken 13, 14 der Gewindenut 9 haben die gleiche Neigung wie die Flanken 23, 24 der Gewinderippe 22. Der Abstand der Flanken 13, 14 kann gleich oder auch toleranzbedingt etwas kleiner sein als der Abstand der Flanken 23, 24. In 4 ist ein geringfügig kleinerer Flankenabstand gezeigt. Hierdurch bewirkt die Gewinderippe 22 beim Eindringen in die Gewindenut 9 eine leichte Stauchung vornehmlich der Flanke 13. Für hier bei verdrängtes Material ist Raum zwischen dem Kerndurchmesser Dk des Innengewindes 8 und dem kleineren Kerndurchmesser dk des Außengewindes 21 vorhanden. Verdrängtes Material kann außerdem zwischen der Begrenzungsfläche 25 der Gewinderippe 22 und dem runden Abschnitt 15 der Gewindenut 9 aufgenommen werden, da die Gewinderippe 22 wegen der Neigung der Begrenzungsfläche 25 die Gewindenut 9 nicht ausfüllt, sondern zwischen der Begrenzungsfläche 25 und dem Abschnitt 15 der Gewindenut 9 ein freier Hohlraum 17 vorhanden ist.
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Der Außendurchmesser da der Gewinderippe 22, der durch die von der Flanke 24 und der Begrenzungsfläche 25 gebildete Kante 26 bestimmt ist, hat etwa die gleiche Größe wie der Außendurchmesser Da der Gewindenut 9. Die Gewinderippe 22 gräbt sich daher beim Verschrauben in den sich an die Flanke 14 anschließenden Bereich des Abschnitts 15 ein, wobei auch hierdurch verdrängtes Material der Mutter 1 von dem Hohlraum 17 aufgenommen werden kann.
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Durch die beim Zusammenschrauben bewirkte Verformung der Gewindenut 9 durch die Gewinderippe 22 wird ein Reibmoment erzeugt, durch welches die Schraubverbindung zwischen der Mutter 1 und dem Gewindebolzen 20 gegen Lösen gesichert ist. Die beschriebene Gestaltung der Gewindenut 9 und der Gewinderippe 22 hat den Vorteil, dass die radiale Belastung der Mutter beim Verschrauben relativ klein bleibt, so dass die Gefahr eines Bruchs der Mutter wirksam vermieden wird. Weiterhin kann durch eine Änderung des Durchmessers Di und des Außendurchmessers Da der Gewindenut auf einfache Weise das Reibmoment den gewünschten Anforderungen angepasst werden. Durch die im Vergleich zu symmetrischen Gewinden größere Steilheit und die relativ große Anlagefläche der Flanke 24 der Gewinderippe 22 wird weiterhin die Erzielung eines hohen Anzugsmoments ermöglicht.
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In 5 ist eine bevorzugte Anwendung der vorstehend beschriebenen Schraubverbindung gezeigt. Die Mutter 1 dient hierbei zur Befestigung eines Bauteils 30, z. B. eines Unterbodens, an einem Trägerteil 31, das z. B. am Boden eines Fahrzeugs angeordnet ist. Die Mutter 1 ist hierzu mit ihrem Flansch 4 in einem Schlitz 32 des Bauteils 30 vormontiert. An das Trägerteil 31 ist ein Gewindebolzen 20 aus Metall angeschweißt, der sich von dem Trägerteil 31 nach unten erstreckt. Üblicherweise sind weitere Befestigungsstellen am Bauteil 30 und am Trägerteil 31 vorgesehen, die in analoger Weise mit einer Mutter 1 und einem Gewindebolzen 20 versehen sind.
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Zur Befestigung wird das Bauteil 30 zunächst von unten an das Trägerteil 31 herangeführt und so gegenüber dem Trägerteil 31 ausgerichtet, dass an den einzelnen Befestigungsstellen der Gewindebolzen 20 jeweils in den Zentrierabschnitt 12 der Mutter 1 gelangt. Durch weiteres Annähern des Bauteils 30 an das Trägerteil 31 wird die Mutter 1 gegenüber dem Gewindebolzen 20 zentriert und dabei auch das Bauteil 30 weiter ausgerichtet. Das Bauteil 30 wird dann an den Befestigungsstellen jeweils fest an das Bauteil 31 angedrückt, wodurch an jeder Befestigungsstelle der Gewindebolzen 20 in den Einführabschnitt 10 der Mutter 1 so weit eindringt, bis das Ende des Gewindebolzens 20 an das Innengewinde 8 der Mutter 1 anstößt. Bei diesem Vorgang gleitet der Anfangsabschnitt der Gewinderippe 22 über den Ringwulst 11 hinweg und hält dadurch die Mutter 1 und das von ihr gehaltene Bauteil 31 an dem Gewindebolzen 20 fest. In der so erreichten Vormontagestellung kann die Position des Bauteils 30 relativ zum Trägerteil 31 nachjustiert werden und das Werkzeug zum Anschrauben der Muttern geholt werden. Das Anschrauben kann von Hand oder mit Hilfe eines Montageautomats erfolgen. Letzteres wird dadurch begünstigt, dass das mit der Mutter nach der Erfindung erreichbare Anzugsmoment deutlich höher ist als das beim Anschrauben auftretende Reibmoment. Nach dem Anschrauben gewährleistet das durch die Gestalt der ineinander greifenden Gewinde erzielte Reibmoment eine hohe Selbsthemmung, durch die ein Losdrehen der Mutter unter Betriebbedingungen vermieden wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19857225 A1 [0002]
- DE 2903845 A1 [0003]
- FR 1343518 A [0004]
- JP 09-112522 A [0005]