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Die Erfindung betrifft ein (mehrteiliges) Zahnrad für ein Planetengetriebe, mit zwei miteinander über eine formschlüssige Welle-Nabe-Verbindung drehfest verbundenen Verzahnungsbestandteilen, wobei ein erster Verzahnungsbestandteil einen Wellenabschnitt der Welle-Nabe-Verbindung ausbildet und ein zweiter Verzahnungsbestandteil einen Nabenabschnitt der Welle-Nabe-Verbindung ausbildet. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Planetengetriebe mit diesem Zahnrad.
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Gattungsgemäße mehrteilige Zahnräder für Planetengetriebe sind aus dem Stand der Technik bereits bekannt. In diesem Zusammenhang offenbart die
DE 10 2012 202 446 A1 ein Getrieberad, insbesondere ein Sonnenrad, für ein Differenzialgetriebe.
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Aus dem Stand der Technik sind somit bereits Zahnräder in mehrteiliger Ausführung bekannt, deren verschiedene Verzahnungsbestandteile im Montageprozess einerseits relativ schwierig zu bearbeiten sind und andererseits die gewünschte Relativposition zueinander häufig schwierig aufrecht erhalten können.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu beheben und insbesondere ein mehrteiliges Zahnrad zur Verfügung zu stellen, das hinsichtlich seines Herstellaufwandes deutlich reduziert ist sowie hinsichtlich seiner einzelnen Verzahnungsbestandteile eine gleichbleibende Relativposition ermöglicht.
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Dies wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Wellenabschnitt und/oder der Nabenabschnitt eine polygone Oberflächenkontur aufweisen/aufweist, wobei die zumindest eine Oberflächenkontur aus mehreren, in Umfangsrichtung unmittelbar ineinander übergehenden Abflachungen gebildet ist.
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Dadurch lässt sich die formschlüssige Welle-Nabe-Verbindung / Drehverbindung relativ kostengünstig umsetzen. Aufwändige, bisher übliche Verzahnungsprofile, wie Kerb-/ Passverzahnungen werden vermieden.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind mit den Unteransprüchen beansprucht und nachfolgend näher erläutert.
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Insbesondere ist es bevorzugt, zumindest den Wellenabschnitt mit dieser polygonen Oberflächenkontur (erste Oberflächenkontur) auszubilden. Dadurch wird die Fertigung des ersten Verzahnungsbestandteils deutlich erleichtert, da dieser nicht mit zwei unterschiedlichen Verzahnungen zu versehen ist.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn die Abflachungen / jeweils zwei benachbarte Abflachungen in Umfangsrichtung lückenlos / rücksprungslos ineinander übergehen. Somit wird weiter ausgeschlossen, dass unter der polygonen Oberflächenkontur insbesondere keine Verzahnung, wie eine Pass- oder Steckverzahnung, gemeint ist. Vielmehr ist mit der Oberflächenkontur somit eine Kontur gemeint, die frei von sich in radialer Richtung (tendenziell) nach innen erstreckenden Aussparungen / Kerben / Verzahnungsfüßen ist.
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Die erste Oberflächenkontur / der Wellenabschnitt bildet folglich bevorzugt einen gedachten, umlaufenden Kranz aus, der hohl ausgebildet ist und lediglich eine Erstreckung in tangentialer Richtung / Umfangsrichtung sowie in axialer Richtung aufweist. Dadurch ist eine Oberflächenkontur gegeben, die besonders einfach spanlos herstellbar ist.
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Zudem ist es von Vorteil, wenn die Abflachungen als ebene Oberflächenbereiche ausgebildet sind.
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In einer weiter bevorzugten Ausführung ist es umgesetzt, dass die erste polygone Oberflächenkontur (unter Ausbildung einer Außenkontur) des Wellenabschnittes komplementär zu einer zweiten polygonen Oberflächenkontur (unter Ausbildung einer Innenkontur) des Nabenabschnittes ausgebildet ist und formschlüssig in Drehrichtung die zweite Oberflächenkontur aufnimmt. Somit ist eine besonders leistungsfähige formschlüssige Verbindung umgesetzt.
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Ist der erste Verzahnungsbestandteil mittels eines Sicherungsringes relativ zu dem zweiten Verzahnungsbestandteil axial gesichert, ist ein kostengünstig hergestelltes Sicherungselement verwendet. In diesem Zusammenhang ist es insbesondere vorteilhaft, wenn der Sicherungsring in eine Ringnut eines den Nabenabschnitt durchdringenden Endbereiches des Wellenabschnittes eingerastet ist. Auf einer dem Sicherungsring abgewandten axialen Seite ist der Nabenabschnitt dann bevorzugt unmittelbar an einer Stirnseite eines Verzahnungsabschnittes des ersten Verzahnungsbestandteils, welcher Verzahnungsabschnitt axial an den Wellenabschnitt anschließt, axial abgestützt.
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Alternativ zu einer formschlüssigen axialen Sicherung mittels des Sicherungsringes ist es jedoch auch prinzipiell möglich, die beiden Verzahnungsbestandteile stoffschlüssig oder kraftschlüssig axial zu verbinden / sichern. Im Falle einer stoffschlüssigen Verbindung ist eine die beiden Verzahnungsbestandteile verbindende Verschweißung bevorzugt. Im Falle einer stoffschlüssigen Verbindung ist ein die beiden Verzahnungsbestandteile verbindender Pressverbund bevorzugt, wobei der Wellenabschnitt in den Nabenabschnitt eingepresst / mittels eines Presssitzes zusätzlich gehalten ist.
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Sind die beiden Verzahnungsbestandteile außenverzahnt und/oder mit unterschiedlichen Verzahnungsdurchmessern ausgebildet (d.h. Zahnrad ist gestuft ausgebildet), ergibt sich ein Zahnrad, das besonders für den Einsatz als Planetenrad geeignet ist.
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Diesbezüglich ist des Weiteren zweckmäßig, wenn die beiden Verzahnungsbestandteile jeweils eine Schrägverzahnung aufweisen. Dadurch wird das Zahnrad besonders effektiv eingesetzt, da es eine erforderliche axiale Abstützung der Verzahnungsbestandteile zueinander mit sich bringt.
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In diesem Zusammenhang ist es wiederum zweckmäßig, wenn sich die Schrägverzahnungen der unterschiedlichen Verzahnungsbestandteile hinsichtlich ihres Neigungs- / Verzahnungswinkels unterscheiden.
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Weiter bevorzugt sind die Schrägverzahnungen jedoch gleich ausgerichtet / orientiert.
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Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn die erste Oberflächenkontur des Wellenabschnittes und/oder die zweite Oberflächenkontur des Nabenabschnittes gehärtet sind/ist.
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Der Herstellaufwand des Zahnrades wird insbesondere dann weiter gesenkt, wenn der erste Verzahnungsbestandteil (im Bereich seines Wellenabschnittes) unter Ausbildung der ersten Oberflächenkontur umformtechnisch, bevorzugt kalt- oder warmumformtechnisch, besonders bevorzugt fließpresstechnisch bearbeitet ist. Prinzipiell ist eine solche Bearbeitung auch zur Ausbildung der zweiten Oberflächenkontur an dem zweiten Verzahnungsbauteil (im Bereich des Nabenabschnittes), gemäß einer weiteren Ausführung, denkbar. Weiter bevorzugt ist das zweite Verzahnungsbauteil jedoch als ein Sinterteil oder Schmiedeteil ausgeführt / sintertechnisch hergestellt. Auch der erste Verzahnungsbestandteil kann prinzipiell als Sinterteil oder Schmiedeteil ausgeführt sein.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Zahnrad mit zwei miteinander über eine formschlüssige Welle-Nabe-Verbindung drehfest verbundenen Verzahnungsbestandteilen, wobei ein erster Verzahnungsbestandteil einen Wellenabschnitt der Welle-Nabe-Verbindung ausbildet und ein zweiter Verzahnungsbestandteil eine formschlüssig mit dem Wellenabschnitt in einer Drehrichtung verbundenen Nabenabschnitt der Welle-Nabe-Verbindung ausbildet, wobei eine Oberflächenkontur des Wellenabschnittes und/oder des Nabenabschnittes nicht spanabhebend / nicht spanend / spanlos bearbeitet / ausgebildet ist. Insbesondere trifft dies auch für die zuvor beschriebenen ersten und zweiten Oberflächenkonturen der Wellen- und Nabenabschnitte zu. Somit wird der Herstellaufwand des Zahnrades deutlich gesenkt.
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Zudem betrifft die Erfindung ein Planetengetriebe mit mehreren als Planeten eingesetzten erfindungsgemäßen Zahnrädern nach zumindest einer der zuvor beschriebenen Ausführungen, wobei die ersten Verzahnungsbestandteile Teil einer ersten Planetenstufe und die zweiten Verzahnungsbestandteile Teil einer zweiten Planetenstufe sind. Dadurch sind die Zahnräder besonders effizient eingesetzt.
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In anderen Worten ausgedrückt, ist erfindungsgemäß eine Welle-Nabe-Verbindung für einen zweiteilig gestuften Planeten realisiert. Eine Polygonverbindung ist zur Verbindung zweier Zahnräder (Verzahnungsbestandteile) eingesetzt. Die axiale Sicherung wird über einen Sicherungsring gewährleistet. Somit sind die beiden Zahnräder über eine formschlüssige Welle-Nabe-Verbindung miteinander verbunden. Wenigstens ein Formschlusselement (Wellenabschnitt und/oder Nabenabschnitt) weist bevorzugt eine nicht spanabhebend bearbeitete Oberfläche / Oberflächenkontur auf. Diese ist weiter bevorzugt durch Kalt- oder Warmumformen, insbesondere Fließpressen, erzeugt. Alternativ ist auch ein Sintern zur Ausbildung der Oberfläche möglich. Die Verzahnungen sind weiter bevorzugt gleich ausgerichtet, weisen aber einen unterschiedlichen Flanken- / Neigungswinkel auf.
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Die Erfindung wird nun nachfolgend anhand von Figuren in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine Längsschnittdarstellung eines erfindungsgemäßen als Planetenrad ausgebildeten Zahnrades nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, wobei besonders gut die axiale Sicherung zweier Verzahnungsbestandteile des Zahnrades über einen Sicherungsring erkennbar ist,
- 2 eine Seitendarstellung des Zahnrades nach 2 in einem ungeschnittenen Zustand,
- 3 eine Querschnittdarstellung des Zahnrades nach den 1 und 2 entlang der in 1 mit „III-III“ gekennzeichneten Schnittlinie, wobei insbesondere eine Polygonform verschiedener Oberflächenkonturen eines Wellenabschnittes eines ersten Verzahnungsbestandteiles sowie eines Nabenabschnittes eines zweiten Verzahnungsbestandteiles erkennbar sind,
- 4 eine perspektivische Explosionsdarstellung des Zahnrades nach den 1 bis 3,
- 5 eine perspektivische Darstellung des zusammengebauten Zahnrades nach den 1 bis 3 von einer Seite eines Sicherungsringes, der zur axialen Sicherung der beiden Verzahnungsbestandteile zueinander vorgesehen ist, sowie
- 6 eine perspektivische Darstellung des in 3 bereits geschnitten dargestellten Zahnradabschnittes.
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Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist ein erfindungsgemäßes Zahnrad 1 nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel in seinem prinzipiellen Aufbau gut erkennbar. Das Zahnrad 1 ist als ein mehrteiliges Zahnrad 1 ausgeführt. Das Zahnrad 1 weist somit zwei Teilzahnräder / Zahnradteile auf, die nachfolgend als Verzahnungsbestandteile 3 und 4 bezeichnet sind. Somit bildet das Zahnrad 1 eine Zahnradeinheit / Zahnradanordnung aus. Die beiden Verzahnungsbestandteile 3 und 4 des Zahnrades 1 sind mittels einer formschlüssigen Welle-Nabe-Verbindung 2 drehfest miteinander verbunden. Die beiden Verzahnungsbestandteile 3 und 4 sind daher über einen Formschluss in Drehrichtung / drehfest verbunden.
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Das Zahnrad 1 ist im Betrieb in einem hier der Übersichtlichkeit halber nicht weiter dargestellten Planetengetriebe eingesetzt. Das Planetengetriebe ist weiter bevorzugt wiederum in einer elektrischen Antriebsachse (E-Achse) eingesetzt. Die Antriebsachse weist neben dem Planetengetriebe einen Elektromotor auf, der seitens seines Rotors mit einem Bestandteil des Planetengetriebes (vorzugsweise mit einem Planetenträger oder einem Sonnenrad) drehgekoppelt ist. Das Zahnrad 1 ist konkret als ein Planetenrad des Planetengetriebes ausgeführt. In dem Planetengetriebe sind mehrere dieser Zahnräder 1 in Form der Planetenräder in Umfangsrichtung verteilt angeordnet. Durch die beiden Verzahnungsbestandteile 3 und 4 bildet das Zahnrad 1 zwei Planetenteilräder (erstes Planetenteilrad durch ersten Verzahnungsbestandteil 3 und zweites Planetenteilrad durch zweiten Verzahnungsbestandteil 4) unterschiedlicher Planetenstufen aus. Der erste Verzahnungsbestandteil 3 des jeweiligen Zahnrades 1 ist in diesem Planetengetriebe Bestandteil einer ersten Planetenstufe, wohingegen der zweite Verzahnungsbestandteil 4 Bestandteil einer zweiten Planetenstufe ist.
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Wie des Weiteren in 1 erkennbar ist, ist an dem ersten Verzahnungsbestandteil 3 ein Wellenabschnitt 5 ausgebildet. Dieser Wellenabschnitt 5 bildet die Welle der Welle-Nabe-Verbindung 2 aus. Eine Nabe der Welle-Nabe-Verbindung 2 ist durch einen Nabenabschnitt 6 an dem zweiten Verzahnungsbestandteil 4 gebildet. Wellenabschnitt 5 und Nabenabschnitt 6 sind im montierten Zustand nach 1 derart ineinander geschoben, dass sie drehfest ineinander greifen und somit eine drehfeste formschlüssige Verbindung zwischen den beiden Verzahnungsbestandteilen 3 und 4 bilden.
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Wie besonders gut in 3 sowie in Zusammenschau der 4 bis 6 erkennbar, weist sowohl der Wellenabschnitt 5 als auch der Nabenabschnitt 6 jeweils eine polygone Oberflächenkontur 7, 8 auf. Die erste Oberflächenkontur 7 an dem Wellenabschnitt 5 in Form einer Außenkontur ist komplementär zu einer zweiten Oberflächenkontur 8 an dem Nabenabschnitt 6 in Form einer Innenkontur ausgebildet. Die beiden Oberflächenkonturen 7, 8 sind so hinsichtlich ihres Durchmessers / ihrer Größe aufeinander abgestimmt, dass sie ineinander eingeschoben sind, und sich in Umfangsrichtung / in Drehrichtung formschlüssig aneinander abstützen. Jede Oberflächenkontur 7, 8 (3) weist mehrere Abflachungen 9 auf. Die einzelnen Abflachungen 9 der ersten Oberflächenkontur 7 liegen jeweils an einer Abflachung 9 der zweiten Oberflächenkontur 8 an.
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Die Abflachungen 9 sind durch abgeflachte Oberflächenbereiche gebildet. Die Abflachungen 9 gehen unmittelbar entlang des Umfangs / in Umfangsrichtung ineinander über. Die Abflachungen 9 gehen somit lückenlos / rücksprungslos ineinander über. Unter einer Abflachung 9 ist hier insbesondere eine ebene Oberfläche zu verstehen, wie in 3 ersichtlich ist. Prinzipiell ist unter einer Abflachung 9 jedoch jeglicher Oberflächenbereich zu verstehen, der auch gekrümmt verläuft, jedoch im Querschnitt betrachtet einen größeren Radius aufweist als eine gedachte, durch die umfangsseitigen Enden des Oberflächenbereichs verlaufende konzentrisch zu einer Mittelachse 13 des Zahnrades 1 verlaufende Kreislinie ausgebildet ist. Somit bilden sowohl die erste Oberflächenkontur 7 als auch die zweite Oberflächenkontur 8 jeweils im Querschnitt betrachtet ein Mehreck / Vieleck, hier ein Zwölfeck, aus, dessen Seiten stets mit positivem Winkel aneinander anschließen.
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In 4 ist der Wellenabschnitt 5 in alleiniger Betrachtung erkennbar. Der Wellenabschnitt 5 bildet einen Längsabschnitt des ersten Verzahnungsbestandteils 3 aus, der unverzahnt ist. An diesen Wellenabschnitt 5 schließt in axialer Richtung (in Bezug auf die Mittelachse 13) ein Verzahnungsabschnitt 14 an, der einen weiteren Längsabschnitt des ersten Verzahnungsbestandteils 3 ausbildet. Der Verzahnungsabschnitt 14 bildet eine erste Außenverzahnung 15a des Zahnrades 1 aus. Der Verzahnungsabschnitt 14 ist im montierten Zustand, wie in 2 erkennbar, zu einer zweiten Außenverzahnung 15b des Zahnrades 1 in axialer Richtung benachbart angeordnet. Die zweite Außenverzahnung 15b ist an einer radialen Außenseite des scheibenförmigen zweiten Verzahnungsbestandteils 4 ausgebildet. Die Außenverzahnungen 15a, 15b weisen unterschiedliche Verzahnungsdurchmesser auf. Die erste Außenverzahnung 15a weist einen kleineren Verzahnungsdurchmesser auf als die zweite Außenverzahnung 15b. Beide Außenverzahnungen 15a, 15b sind als Schrägverzahnungen 11, 12 des Zahnrades 1 ausgebildet. Eine erste Schrägverzahnung 11 des ersten Verzahnungsbestandteils 3 weist einen anderen (hier einen kleineren) Neigungswinkel aus als eine zweite Schrägverzahnung 12 des zweiten Verzahnungsbestandteils 4. Das Zahnrad 1 ist daher gesamtheitlich als gestuftes Zahnrad 1 ausgeführt. Beide Schrägverzahnungen 11, 12 sind gleich ausgerichtet. In weiteren Ausführungen sind die Außenverzahnungen 15a, 15b alternativ auch jeweils als Geradverzahnung ausgebildet.
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Der Wellenabschnitt 5 ist in diesem Ausführungsbeispiel über ein Fließpressverfahren hergestellt / fließgepresst ausgebildet. Dadurch wird wesentlich der Herstellaufwand des Zahnrades 1 verringert. Insbesondere wird durch das Fließpressverfahren unmittelbar die erste Oberflächenkontur 7 mit ausgebildet. Die erste Oberflächenkontur 7 ist daher spanungslos, vorzugsweise aus einer zuvor kreisrunden Außenumfangsseite des ersten Verzahnungsbestandteils 3 heraus ausgebildet. Alternativ kann die erste Oberflächenkontur 7 ebenso durch konventionelles Fräsen / Schleifen hergestellt werden.
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In diesem Ausführungsbeispiel ist der zweite Verzahnungsbestandteil 4 als Sinterteil ausgebildet und somit die zweite Oberflächenkontur 8 sintertechnisch hergestellt. Die zweite Oberflächenkontur 8 / der Nabenabschnitt 6 an dem zweiten Verzahnungsbestandteil 4 kann prinzipiell nach weiteren Ausführungen jedoch ebenfalls mittels eines solchen Fließpressverfahrens ausgestaltet sein. Somit ist auch die zweite Oberflächenkontur 8 spanungslos hergestellt. Alternativ kann die zweite Oberflächenkontur 8 ebenso durch konventionelles Fräsen / Schleifen hergestellt werden.
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Die Oberflächenkonturen 7, 8 bilden somit formlich nicht spanend, d.h. spanlos, ausgebildete Oberflächen (erste Oberflächenkontur 7 als radiale Außenoberfläche, zweite Oberflächenkontur 8 als radiale Innenoberfläche) aus. Die Form der Oberflächenkonturen 7, 8 ist daher spanlos ausgeformt. Die Oberflächenkonturen 7, 8 sind jedoch weiter oberflächenbehandelt, insbesondere gehärtet, wodurch die Oberflächenbeschaffenheit zwar geändert wird, die Form / Kontur jedoch beibehalten bleibt.
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In 5 ist ersichtlich, dass ein Sicherungsring 10 zur axialen Sicherung der beiden Verzahnungsbestandteile 3 und 4 zueinander dient. Der Sicherungsring 10 ist an einem dem Verzahnungsabschnitt 14 abgewandten Endbereich 16 des Wellenabschnittes 5 verankert. Der Sicherungsring 10 ist in eine Ringnut 17 im Wellenabschnitt 5 formschlüssig eingerastet. Der Sicherungsring 10 ist als Sprengring ausgeführt. Der Sicherungsring 10 stützt daher den Nabenabschnitt 6 / den zweiten Verzahnungsbestandteil 4 zu einer ersten axialen Seite hin relativ zu dem Wellenabschnitt 5 / dem ersten Verzahnungsbestandteil 3 ab. Wie des Weiteren in 1 ersichtlich ist, ist der Nabenabschnitt 6 / der zweite Verzahnungsbestandteil 4 zu einer, der ersten axialen Seite abgewandten, zweiten axialen Seite über einen radialen Absatz 18 relativ zu dem Wellenabschnitt 5 / dem ersten Verzahnungsbestandteil 3 abgestützt. Dieser Absatz 18 ist unmittelbar durch eine axiale Stirnseite des Verzahnungsabschnittes 14 mit ausgebildet. Daher sind die beiden Verzahnungsbestandteile 3 und 4 wieder lösbar miteinander verbunden. Die Welle-Nabe-Verbindung 2 ist daher ebenfalls als eine formschlüssige sowie wieder lösbare Verbindung umgesetzt.
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Der Vollständigkeit halber sei darauf hingewiesen, dass die zuvor bezeichneten Herstellverfahren lediglich exemplarisch sind. Der Wellenabschnitt 5 sowie der Nabenabschnitt 6 sind jeweils prinzipiell mittels jeglichem umformtechnischen, wie kalt- oder warmumformtechnischen Herstellverfahren ausbildbar. Auch können die Wellen- und Nabenabschnitte 5, 6 jeweils prinzipiell auch mittels eines Sinterprozesses ausgebildet werden, wobei dann bevorzugt der jeweilige Verzahnungsbestandteil 3, 4 in diesem Sinterprozess ausgebildet wird.
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In anderen Worten ausgedrückt, wird erfindungsgemäß ein zweiteiliger Planet (Zahnrad 1) durch eine Polygonverbindung formschlüssig verbunden, um durch diese Verbindung im Betrieb Drehmoment zu übertragen. Axial wird der Planet 1 wahlweise durch einen Sicherungsring 10 oder auch Verschweißung gesichert. Beim Fügen der Formverbindung 2 kann auch ein Pressverband angedacht werden. Dann müsste vor dem Fügen die Nabe 6 erwärmt, aufgepresst und abgekühlt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zahnrad
- 2
- Welle-Nabe-Verbindung
- 3
- erster Verzahnungsbestandteil
- 4
- zweiter Verzahnungsbestandteil
- 5
- Wellenabschnitt
- 6
- Nabenabschnitt
- 7
- erste Oberflächenkontur
- 8
- zweite Oberflächenkontur
- 9
- Abflachung
- 10
- Sicherungsring
- 11
- erste Schrägverzahnung
- 12
- zweite Schrägverzahnung
- 13
- Mittelachse
- 14
- Verzahnungsabschnitt
- 15a
- erste Außenverzahnung
- 15b
- zweite Außenverzahnung
- 16
- Endbereich
- 17
- Ringnut
- 18
- Absatz
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012202446 A1 [0002]
- DE 102009052791 A1 [0003]