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Dokumentenidentifikation DE102006019648A1 31.10.2007
Titel Passive Schutzeinrichtung für ein Kraftfahrzeug
Anmelder LANXESS Deutschland GmbH, 51373 Leverkusen, DE;
AUDI AG, 85057 Ingolstadt, DE
Erfinder Lutter, Frank, 40629 Düsseldorf, DE;
Dajek, Ulrich, Dipl.-Ing., 51375 Leverkusen, DE;
Jäschke, Anja, 92339 Beilngries, DE;
Ickes, Alexander, 85051 Ingolstadt, DE
Vertreter Gille Hrabal Struck Neidlein Prop Roos, 40593 Düsseldorf
DE-Anmeldedatum 25.04.2006
DE-Aktenzeichen 102006019648
Offenlegungstag 31.10.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 31.10.2007
IPC-Hauptklasse B60R 21/34(2006.01)A, F, I, 20060425, B, H, DE
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine Einrichtung für die Verringerung von Personenschäden im Fall eines Unfalls mit einem Kraftfahrzeug.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung für die Verringerung von Personenschäden im Fall eines Unfalls mit einem Kraftfahrzeug.

Wird ein Fußgänger bzw. Passant von einem Kraftfahrzeug angefahren, so resultieren Personenschäden durch einen Zusammenprall zwischen der Person und der Karosserie des Kraftfahrzeugs. Etwa 7000 Fußgänger kommen jährlich in Europa bei solchen Kollisionen mit einem Pkw ums Leben. Der weitaus größte Teil stirbt an Kopfverletzungen. Laut Unfallstatistik trat bei 80 % aller tödlich verunglückten Fußgänger der Tod durch Aufschlagen des Kopfes auf die Motorhaube oder die A-Säulen ein. In 95 % der Kollisionen lag die Fahrzeuggeschwindigkeit unter 60 km/h, im statistischen Mittel bei 40 km/h.

Um diese tödlichen Unfälle zu reduzieren, sollen Fahrzeuge so beschaffen sein, dass bei einer Fahrzeuggeschwindigkeit von 40 km/h beim Aufprall eines Passanten auf genau definierten zwei Dritteln einer Motorhaubenfläche der sogenannte Head-Injury-Criterion-Wert (HIC-Wert) kleiner als 1000 und beim restlichen Drittel kleiner als 2000 ist. Der HIC-Wert resultiert aus einer Berechnung der Kopfbeschleunigung und Kopfverzögerung, bezogen auf die Einwirkungszeit. Eine dem Fachmann bekannte Berechnung des HIC-Werts lautet:

Der HIC-Wert ist eine international verwendete Kenngröße für den Schweregrad von Kopfverletzungen. Bei einem HIC-Wert von 1000 beispielsweise beträgt das Risiko lebensgefährlicher Verletzungen 15 % bei einem Wert von 2000 bereits 90 %.

Zur Reduzierung des Problems sind bereits technisch anspruchsvolle Schutzeinrichtungen entwickelt worden. Eine in Millisekunden angehobene Fronthaube und zwei Luftmatratzen-artige Airbags, die vor die Windschutzscheibe platziert werden, sollen Leben retten. Berührt das Bein eines Fußgängers den in den Stoßfänger integrierten Sensor, heben innerhalb von 70 ms zwei Faltenbälge aus Stahl den hinteren Teil der Motorhaube mit Hilfe von Gasgeneratoren um etwa 10 cm an. Dadurch vergrößert sich der Deformationsweg der Haube, so dass die Intensität des Kopfaufpralls gemildert wird. Zugleich wird dadurch vermieden, dass der Fußgänger auf den unteren Bereich der Frontscheibe aufschlägt. In einem zweiten Schritt wird die Wirksamkeit des Systems durch die Entfaltung je eines Airbags rechts und links vor dem Windschutzscheibenrahmen – also vor den sogenannten A-Säulen – noch weiter erhöht. Diese speziellen Airbags sind ähnlich strukturiert wie eine Luftmatratze und verteilen dadurch die Aufprallenergie auf einen größeren Bereich. Auf diese Weise wird selbst bei höheren Aufprallgeschwindigkeiten ein Durchschlagen des Kopfes durch die Scheibe verhindert, obwohl die Airbags mit einem Volumen von nur 7 l vergleichsweise klein sind. Ein solches Schutzsystem wird beispielsweise vom schwedischen Unternehmen Autoliv angeboten.

Die vorgenannten Lösungsgedanken sind mit dem Risiko verbunden, dass Airbag oder Aufspringen der Motorhaube ungewollt aktiviert werden, was Unfälle verursachen kann. Außerdem ist die Lösung technisch aufwendig und teuer.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Einrichtung für ein Kraftfahrzeug, mit der vor allem das Gefährdungspotential reduziert wird.

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des ersten Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Zur Lösung der Aufgabe wird ein Adapter zwischen Karosserie und innerhalb der Karosserie befindlichen, benachbart liegenden inneren Bauteilen des Kraftfahrzeugs eingesetzt, der den freien Weg zwischen inneren Bauteilen und der Karosserie verkürzt. Der Adapter ist aus unten genannten Gründen insbesondere eine Struktur, die im Fall eines Aufpralls eines Kopfes zerbröselt bzw. zerspringt und/oder geknickt bzw. gefaltet wird. Die Struktur ist beispielsweise Teil einer Fronthaube.

Im Fall eines Zusammenpralls zwischen einer aus Blech, Aluminium oder Kunststoff bestehenden Karosserie eines Fahrzeugs und einem Fußgänger reicht die Nachgiebigkeit der Karosserie in der Regel aus, um einen tödlich endenden Zusammenprall zu vermeiden. Regelmäßig befinden sich jedoch angrenzend an die Außenhaut einer Karosserie im Inneren Bauteile wie zum Beispiel ein Motorblock oder Unterkonstruktionen wie Träger, die den Deformationsweg der Karosserie begrenzen. Erreicht die sich infolge eines Zusammenpralls deformierende Karosserie ein solches Bauteil, so werden erst dann die regelmäßig tödlich wirkenden HIC-Werte erreicht.

Überraschend hat sich nun herausgestellt, dass der HIC-Wert durch Vorsehen eines Adapters reduziert wird, der den freien Weg zwischen der Karosserie und einem solchen Bauteil verkürzt. Ein freier Weg im Sinne der Erfindung ist der direkte, kürzeste Weg zwischen einem Bauteil und der angrenzenden Karosserie, der frei von weiteren Teilen ist.

Durch den Adapter wird zu einem früheren Zeitpunkt die aus dem Zusammenprall resultierende Energie auf einen Passanten bzw. eine Person übertragen. Es wird dann also zu einem früheren Zeitpunkt die Person bzw. der Kopf einer Person stark abgebremst. Der HIC-Wert wird besser, weil früher nach dem Aufprall eine Maximalbeschleunigung zur Wirkung kommt, die dann aber besonders schnell abklingt bzw. den Fußgängerkopf durchfährt. Es hat sich gezeigt, dass durch die so erreichte frühere Energieübertragung der HIC-Wert reduziert wird, selbst wenn kurzfristig ein höherer Impuls bzw. eine höhere maximale Beschleunigung infolge des früheren Abbremsens auftritt.

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, im Fall von benachbart an die Karosserie liegenden inneren Bauteilen dafür Sorge zu tragen, dass die Beschleunigung und einer damit einhergehenden Energieübertragung nicht über einen längeren Zeitraum sowie verhältnismäßig flach ansteigend wirkt, sondern das Maximum der Beschleunigung bzw. Energieübertragung möglichst früh erreicht wird.

Um das Gefährdungspotential zu reduzieren, umfasst der Adapter in einer vorteilhaften Ausgestaltung eine Struktur, die im Fall eines Aufpralls zerbröselt bzw. zerspringt und/oder geknickt bzw. gefaltet wird. Es wird so dafür Sorge getragen, dass im Fall eines Aufpralls die dadurch freigesetzte Energie das Zerbröseln und/oder Knicken einleitet und so sofort nach Erreichen eines kurzen Maximums abgebaut wird. Der Zeitraum der Energieübertragung wird so kurz gehalten und dennoch der Zeitpunkt der maximalen Energieübertragung sehr früh erreicht. Der HIC-Wert wird so reduziert.

Um eine Struktur bereitzustellen, die durch Knicken eine Energie möglichst sofort und dann aber rasch abfallend überträgt, weist diese Rippen auf, die mit der Karosserie einen im wesentlichen rechten Winkel einschließen. Schlägt ein Kopf eines Fußgängers nun auf eine Karosserie auf, so werden diese Rippen geknickt. Die vorhandene kinetische Energie leitet also zunächst einmal das Knicken ein, so dass in diesem Moment auch relativ viel Energie auf den Kopf des Passanten übertragen wird. Unmittelbar im Anschluss daran fällt die Energieübertragungskurve jedoch rasch ab, da die eingefalteten Rippen nun einen geringeren Widerstand bieten.

Alternativ oder ergänzend wird mit einer zerbröselnden Struktur eine vergleichbare Wirkung erzielt. Schlägt ein Kopf eines Fußgängers auf eine Karosserie auf, so zerbröselt die Struktur. Die beim Zusammenprall entstehende Energie leitet also zunächst einmal das Zerbröseln ein, so dass in diesem Moment auch relativ viel Energie auf den Passanten übertragen wird. Unmittelbar im Anschluss daran fällt die Energieübertragungskurve jedoch rasch ab.

Von besonderem Vorteil ist aus vorgenannten Gründen das Vorhandensein einer Rippenstruktur, die einerseits mit der Karosserie einen im wesentlichen rechten Winkel einschließt und andererseits aus einem solchen Material besteht, welches im Fall eines Zusammenpralls zerbröselt. Besonders gut wird dann die angestrebte Energieübertragungskurve erzielt, da diese dann „knickend zerbröselt". Die Rippen sind bevorzugt gleichmäßig über der Oberfläche des Adapters verteilt, um so unabhängig vom Aufprallort die gewünschte Reduzierung des HIC-Wertes zu erzielen.

Um den gewünschten knickenden und/oder zerbröselnden Effekt definiert einzuleiten, kann auch eine leicht zickzackförmige Rippenstruktur vorgesehen sein, um so planmäßig und vorhersehbar das Knicken oder Falten einzuleiten. Die Hauptrichtung der Rippenstruktur verläuft dann wieder im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche der angrenzenden Karosserie, wobei die angrenzende Karosserie insbesondere durch die Fronthaube gebildet wird.

Materialien, die im Sinne der Erfindung zerbröseln bzw. zerspringen können, sind Glas, sowie spröde Kunststoffe wie Duroplaste, Thermoplaste sowie verstärkte Thermoplaste, durch Druckguss gefertigte Metalle wie Aluminium oder Magnesium mit einer Bruchdehnung von wenigen Prozent. Die Bruchdehnung, die diese Materialien dann aufweisen sollen, beträgt dann beispielsweise bis zu 10, vorteilhaft bis zu 5 Prozent. Das Verhalten von spröden Materialien lässt sich verhältnismäßig schlecht reproduzierbar einstellen. In einer Ausgestaltung der Erfindung werden daher zähere Materialien bevorzugt, die eine deutlich höhere Bruchdehnung von vorzugsweise mehr als 50% aufweisen. In Frage kommen entsprechende Metalle und Kunststoffe und zwar insbesondere Stähle, Polyamid 6, Polyamid 6.6 oder PBT. Aus diesen Materialien werden dann vor allem solche Strukturen bereitgestellt, die durch Knicken den gewünschten Energieverlauf erreichen. Durch Verwendung dieser Materialien kann die Energieverlaufskurve reproduzierbarer eingestellt werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die im Fall eines Aufpralls zerbröselnden oder knickenden Rippen der Struktur durch Hohlräume voneinander getrennt. Der Abstand zwischen zwei benachbart liegenden Rippen ist dann bevorzugt wenigstens so groß wie die Rippen hoch sind. Besonders bevorzugt ist der Abstand zwischen zwei benachbart liegenden Rippen wenigstens doppelt so breit. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass genügend Freiraum zwischen den Rippen verbleibt, damit das Material der Rippen seitlich wegknicken kann bzw. Raum zu Verfügung steht, der das zerbröselnde oder zerspringende Material aufnehmen kann, um so die gewünschte frühzeitige Energieübertragung sowie das Abfallen der Übertragungskurve nach dem Maximum im Fall eines Aufpralls zu erhalten.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden Rippen der Struktur durch gut komprimierbare Schäume oder Schwämme voneinander getrennt. Durch die Komprimierbarkeit wird erreicht, dass im Fall eines Zerknickens oder Zerbröselns durch Komprimieren des Schwamms oder Schaums der vorgenannte Freiraum bereitgestellt wird. Zugleich übernimmt der Adapter dann aber auch isolierende Aufgaben. Er kann so zur Schallisolierung beitragen und zwar vor allem, wenn dieser an eine Motorhaube angrenzt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird der Adapter ausschließlich an den Stellen eingesetzt, bei denen der freie Weg ohne Vorsehen des Adapters zwischen der Karosserie und einem benachbart liegenden inneren Bauteil des Fahrzeugs bis zu sieben Zentimeter beträgt. Es hat sich nämlich herausgestellt, dass bei freien Wegen von mehr als sieben Zentimetern die Nachgiebigkeit der Karosserie regelmäßig ausreicht, um zu geringen HIC-Werten zu gelangen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der verbleibende freie Weg zwischen einem benachbart liegenden inneren Bauteil des Fahrzeugs und der Karosserie auf bis zu 10 mm, vorteilhaft auf bis zu 7 mm reduziert. Es hat sich herausgestellt, dass bei Einhalten dieses maximal vorgesehen freien Wegs die gewünschte Energieabsorptionskurve erzielt wird, um den HIC-Wert deutlich abzusenken.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der freie Weg nicht auf Null reduziert, sondern ein freier Weg von bevorzugt wenigstens 5 mm bewusst vorgesehen, Es hat sich herausgestellt, dass auf der einen Seite ein sehr kleiner freier Weg vorgesehen sein kann und dennoch eine deutliche Reduzierung des HIC-Wertes erreicht wird. Auf der anderen Seite leiten kleinere Stöße nicht ungewollt ein Knicken oder Zerbröseln einer Struktur des Adapters ein, was sogar äußerlich unbemerkt bleiben könnte. Insgesamt würde sich daher das Gefährdungspotential erhöhen, wenn nicht bewusst ein kleiner Freiraum verbleibt.

Vor allem um wie angestrebt die freie Weglänge zu reduzieren, wird der Adapter in einer Ausführungsform nach oben und/oder nach unten hin an die Form und den Verlauf des jeweils angrenzenden Bauteils angepasst. So entspricht seine äußere Form in einer Ausführungsform zu einem angrenzenden Motorblock hin der Form des angrenzenden Teils des Motorblocks. Entsprechend entspricht die Form des Adapters zur Karosserie hin der Form bzw. dem Verlauf der Karosserie.

Die Rippenstruktur des Adapters ist einer Ausgestaltung bevorzugt 20 bis 50 mm, bevorzugt wenigsten 35 mm hoch. Es steht damit Material von wenigsten 20 bis 50 mm Höhe für das Zerbröseln bzw. Knicken zur Verfügung.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Adapter direkt am Bauteil befestigt. Dies ist vor allem dann von Vorteil, wenn der Adapter darüber hinaus an eine Motorhaube grenzt. Die Handhabung der Motorhaube wird durch den Adapter nicht unerwünscht erschwert.

Ist ein Teil der Karosserie betroffen, das nicht Teil einer Klappe ist, so kann der Adapter bevorzugt auch an der Karosserie befestigt sein, da dies in der Regel technisch einfach umgesetzt werden kann.

In einer Ausgestaltung der Erfindung grenzt ein Adapter an eine Motorhaube an, da vor allem Kollisionen zwischen Mensch und Motorhaube besonders gefährlich sind.

Der Einsatz eines Adapters reduziert also das Gefährdungspotential für einen Fußgänger auf technisch einfach und sichere Weise erheblich. Das Vorsehen eines Adapters ermöglicht es ferner, preiswert einen passiven Schutz bereitzustellen, obwohl aufgrund von zum Beispiel unterschiedlichen Motoren die Geometrien innerhalb eine Fahrzeugs ständig anders sind. Der Adapter benötigt vorteilhaft wenig Bauraum.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Karosserie ergänzend eine Rippenstruktur wie der Adapater auf und zwar insbesondere anstelle von der Stabilisierung dienenden Verstrebungen. Dies unterstützt das Absenken des HIC-Werts. Auch diese Rippenstruktur verteilt sich vorteilhaft gleichmäßig über die Fläche, durch die ein Fußgänger gefährdet werden kann.

Die Erfindung betrifft ferner eine Struktur Fronthaube für ein Kraftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass die Fronthaube eine Struktur (4) zur Reduzierung des HIC-Wertes umfasst, die im Fall eines Aufpralls eines Kopfes auf die Fronthaube (2) zerbröselt bzw. zerspringt und/oder geknickt bzw. gefaltet wird, wobei die Struktur vorzugsweise durch Rippen gebildet wird.

Die Struktur weist vorzugsweise einzeln oder in Kombination miteinander die vorgenannten Merkmale des Adapters auf und zwar aus den jeweils genannten Gründen.

Nachfolgend erläutern wir die Erfindung anhand eines Ausführungs- und Vergleichsbeispiels. Allerdings ist die Erfindung nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt.

Ein folgender erster dem Stand der Technik entsprechender Aufbau wurde per Computer simuliert. Ein Kopf 1 weist ein Gewicht von 4,8 kg auf. Der Kopf schlägt mit einer Geschwindigkeit von 35 km/h auf ein eingespanntes, im Vergleich zum innerhalb der Karosserie liegenden Bauteil 3 nachgiebiges Blech 2 auf. Das Blech 2 besteht aus Stahl und ist 0,7 mm dick und ist Teil der Karosserie. Das unnachgiebige, starre Bauteil 3 ist hinter dem Blech im Inneren der Karosserie angeordnet. Der Abstand zwischen dem Bauteil 3 und dem Blech 2 beträgt 55 mm.

Die Computersimulation ergab einen HIC-Wert von 41000. Die gestrichelte Linie in 2 gibt den zeitlichen Verlauf der Geschwindigkeit des Kopfes wieder. Aufgetragen ist die Geschwindigkeit in [km/h·10] gegen die Zeit t in [sec]. Die durchgezogene als Funktion aufgetragene Linie in 2 verdeutlicht die Beschleunigung des Kopfes 1 während des Aufpralls. Aufgetragen ist die Beschleunigung in [g = 9,81 m/s2] gegen die Zeit t in [sec]. In 2 sind ferner die Integrationsgrenzen t1 und t2 für die Ermittlung des HIC-Werts als senkrechte Linien eingezeichnet. Die Integrationsgrenzen ergeben sich aus der eingangs genannten Formel. t1 und t2 werden so berechnet, dass in dem sich daraus ergebenden Zeitfenster ein maximaler HIC Wert entsteht, Der resultierende HIC-Wert beträgt 41000.

Der in 3 gezeigte zweite Aufbau bezieht sich auf die vorliegende Erfindung. Im Unterschied zur in 1 gezeigten Situation ist ein durch Rippen gebildeter Adapter 4 zur Reduzierung des HIC-Wertes zwischen dem starren, unnachgiebigen Bauteil 3 und dem eingespannten nachgiebigen Blech 2 angebracht und zwar am Bauteil 3. Die 4 zeigt eine Aufsicht auf die Rippen, die wabenförmig verlaufen. Es verbleiben Hohlräume 5 zwischen den Rippen, die jedoch vorteilhaft mit Schall absorbierenden Materialien auszufüllen sind. Jede Rippe einer sechseckigen Wabe ist 3,2 mm dick, 45 mm hoch und 145 mm lang. Jede Rippe besteht aus PA6 GF30. Zwischen der Struktur 4 und dem Bauteil 3 ist ein freier Weg von 10 mm verblieben.

Die Darstellung in 5 korrespondiert mit der Darstellung aus 2. Gezeigt wird die Geschwindigkeit des Kopfes 1 während des Aufpralls durch eine gestrichelte Linie, die gegen Zeit t in Sekunden aufgetragen ist. Die durchgezogene Linie bzw. Funktion zeigt den Verlauf der Beschleunigung. Trifft der Kopf auf das Blech auf, so wird die Geschwindigkeit des Kopfes im Unterschied zur Situation nach 2 kontinuierlich reduziert. Es wird so ein wesentlich günstigerer HIC-Wert von 1519 erreicht, der trotz Vorhandenseins eines Bauteils die u. a. geforderte Grenze von 2000 unterschreitet.


Anspruch[de]
Kraftfahrzeug mit einer Karosserie (2) und einem innerhalb der Karosserie liegenden Bauteil (3), dadurch gekennzeichnet, dass ein Adapter (4) zur Reduzierung des HIC-Wertes zwischen dem Bauteil und der Karosserie angeordnet ist. Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, bei dem der Adapter eine Struktur umfasst, die bei einem Aufprall zerbröselt, zerspringt, geknickt und/oder gefaltet wird. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Adapter Rippen (4) aufweist, die mit der angrenzenden Karosserie (2) einen im wesentlichen rechten Winkel bildet. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Rippen (4) aus einem Material bestehen, welches eine Bruchdehnung von bis zu zehn Prozent, vorteilhaft von bis zu fünf Prozent aufweist. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Rippen aus einem Material bestehen, dass eine Bruchdehnung von mehr als 50 % aufweist. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Adapter eine Vielzahl von Rippen aufweist, die durch Hohlräume (5) voneinander getrennt sind. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Adapter eine Vielzahl von Rippen aufweist, die durch Schäume oder Schwämme voneinander getrennt sind. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Adapter ausschließlich dort eingesetzt ist, wo der andernfalls freie Weg zwischen Karosserie und innen liegendem Bauteil kleiner als sieben Zentimeter ist. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der infolge des Adapters (4) verbleibende freie Weg zwischen Karosserie (2) und Bauteil (3) zwischen fünf und zehn Millemeter liegt. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Adapter (4) eine 20 bis 50, bevorzugt eine wenigstens 35 mm hohe Rippenstruktur umfasst. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Adapter eine Vielzahl von gleichmäßig verteilten Rippen (4) umfasst. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Adapter (4) an einem innen liegenden Bauteil (3) befestigt ist. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Karosserie (2), an die ein Adapter angrenzt, eine Motorhaube ist. Fronthaube für ein Kraftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass die Fronthaube eine Struktur (4) zur Reduzierung des HIC-Wertes umfasst, die im Fall eines Aufpralls eines Kopfes auf die Fronthaube (2) zerbröselt bzw. zerspringt und/oder geknickt bzw. gefaltet wird, wobei die Struktur vorzugsweise durch Rippen gebildet wird,






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