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Dokumentenidentifikation DE102006028455A1 27.12.2007
Titel Wellgetriebevorrichtung mit exzentrischer Übersetzung
Anmelder ZF Lenksysteme GmbH, 73527 Schwäbisch Gmünd, DE
Erfinder Markowetz, Christoph, 73527 Schwäbisch Gmünd, DE
DE-Anmeldedatum 21.06.2006
DE-Aktenzeichen 102006028455
Offenlegungstag 27.12.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.12.2007
IPC-Hauptklasse F16H 1/32(2006.01)A, F, I, 20060621, B, H, DE
Zusammenfassung Wellengetriebevorrichtung mit einem kreisförmigen, starr ausgebildeten Innenzahnrad, einem kreisförmigen, flexiblen Außenzahnrad (10) sowie einem Wellengenerator (11), welcher das Außenzahnrad (10) in partiellem Eingriff mit dem Innenzahnrad radial biegt und die Eingriffsposition der beiden Zahnräder in Umfangsrichtung verlagert, wobei der Wellengenerator (11) eine Nabe (12) aufweist, auf der ein zylindrisches Lager (13) angeordnet ist, und wobei Wälzelemente (14) zwischen der Innenseite des Außenzahnrades (10) und der Außenseite des zylindrischen Lagers (13) eine Abrollbewegung ausführen, durch welche die radiale Biegung des Außenzahnrades (10) erzeugbar ist. Damit wird eine Wellengetriebevorrichtung geschaffen, welche höhere erreichbare Genauigkeiten und eine geringere Geräuschemission bietet.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wellgetriebevorrichtung mit einem kreisförmigen, starr ausgebildeten Innenzahnrad, einem kreisförmigen, flexiblen Außenzahnrad sowie einem Wellengenerator, welcher das Außenzahnrad in partiellen Eingriff mit dem Innenzahnrad radial biegt und die Eingriffsposition der beiden Zahnräder in Umfangsrichtung verlagert.

Derartige Wellgetriebevorrichtungen kommen bei Antrieben von technischen Mechaniken zum Einsatz, wobei diese im Allgemeinen als „Harmonic Drive" bezeichnet und vertrieben werden.

In den 2a und 2b ist eine gattungsgemäße Wellgetriebevorrichtung dargestellt. Diese weist ein starres, kreisförmiges mit einer Innenverzahnung 23 ausgebildetes Innenzahnrad 24 auf, ein flexibles, kreisförmiges Außenzahnrad 26 mit einer Außenverzahnung 25, das in dem Innenzahnrad 24 derart angeordnet ist, dass die jeweilige Verzahnung zwei sich gegenüberstehenden Positionen ineinander greift, wobei die periodische Wechselbewegung der Verzahnungen 23 und 25 durch einen Wellengenerator 20 hervorgerufen wird. Der Wellengenerator 20 umfasst zunächst eine starre Nabe 21, welche eine elliptische Außenkontur aufweist. Auf der elliptischen Außenkontur ist ein Flexlager angeordnet, wobei der Innenring des Flexlagers auf der elliptischen Außenkontur der Nabe 21 mittels einer Welle-Nabe-Verbindung aufgebracht ist und zwischen dem elliptischen Innenring des Flexlagers 22 Wälzkörper angeordnet sind, welche gleich beabstandet eine umlaufenden Ellipsenbewegung im Außenring des Flexlagers hervorrufen. Somit wird im Betrieb das flexible Außenzahnrad 26 in eine elliptische Gestalt gebogen, wodurch die Verzahnungsbereiche des flexiblen Außenzahnrades 26 an jedem Ende der elliptischen Hauptachse dazu gebracht werden, mit den entsprechenden Zähnen des starren Innenzahnrades 24 zu kämmen. Wenn der Wellgenerator 20 durch einen Motor gedreht wird, bewegen sich die Positionen, in denen die beiden Zahnräder 24 und 26 miteinander kämmen, um den Umfang herum, wodurch eine relative Rotation erzeugt wird, die sich aufgrund der Differenz in der Anzahl von Zähnen der Innenverzahnung 23 bezogen auf die Außenverzahnung 25 ergibt. Im Allgemeinen beträgt die Differenz in der Anzahl von Zähnen bei den beiden Zahnrädern zwei Zähne, und bei Anbringung eines Innenzahnrades 24 an einem Antriebsgehäuse wird die rotationsgemäße Ausgangsleistung des Motors von dem externen Zahnrad, welches durch das Außenzahnrad 26 verkörpert ist, abgenommen, wobei die Drehzahl aufgrund der Differenz in der Anzahl von Zähnen stark vermindert wird, und das Übersetzungsverhältnis mit einem Faktor größer 100, minimal größer 50 oder in Ausnahmefällen größer als 30 ist.

Nachteilhafterweise ist für diese Anordnung gemäß dem Stand der Technik ein Flexlager 22 erforderlich, welches besondere Spezifikationen erfüllen muss, um die elliptische Wellenbewegung in Umlaufrichtung auszuführen. Hierbei sind sehr hohe Passgenauigkeiten erforderlich, wobei das Flexlager erhebliche Kosten im Gesamtsystem der Wellgetriebevorrichtung hervorruft. Ferner muss eine erhebliche Geräuschentwicklung festgestellt werden, welche durch nur endlich erreichbare Genauigkeiten des Flexlagers sowie des darauf angeordneten und ebenfalls die umlaufende Ellipsenbewegung ausführenden Außenzahnrades 26 hervorgerufen werden.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Wellgetriebevorrichtung zu schaffen, welche die bisher bekannte Anordnung eines Flexlagers vermeidet und durch höhere erreichbare Genauigkeiten eine geringere Geräuschemission bietet.

Diese Aufgabe wird durch eine Wellgetriebevorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es vorteilhaft, dass der Wellengenerator eine Nabe aufweist, auf der ein zylindrisches Lager angeordnet ist und wobei Wälzelemente zwischen der Innenseite des Außenzahnrades und der Außenseite des zylindrischen Lagers eine Abrollbewegung ausführen, durch welche die radiale Biegung des Außenzahnrades erzeugbar ist.

Die Erfindung geht dabei von dem Gedanken aus, dass zunächst das Flexlager eingespart werden kann. Das erfindungswesentliche zylindrische Lager ersetzt das Flexlager, wobei auch im Betrieb die Zylinderform der Lagerschalen des zylindrischen Lagers in ihrer Form bleiben. Die an sich bekannte Ausführung einer Nabe innerhalb des Wellengenerators wird erfindungsgemäß dahingehend weiter entwickelt, dass die Nabe als Einzelelement zunächst einen zylinderförmigen Außendurchmesser aufweist. Auf diesen zylinderförmigen Außendurchmesser wird das zylindrische Lager aufgebracht, indem dieses beispielsweise über einen Passsitz auf die Nabe aufgeschoben wird. Das zylindrische Lager weist zueinander gleich große Wälzkörper auf, so dass der Innenring sowie der Außenring des zylindrischen Lagers auch im Betrieb der Wellengetriebevorrichtung äquidistant zueinander angeordnet sind. Auf dem Außenring des Lagers befinden sich außenseitig Wälzkörper, welche zwischen diesem und der Innenseite des Außenzahnrades eine Wälzbewegung ausführen. Somit verlaufen auf zwei unterschiedlichen Bahnen jeweilige Wälzkörper innerhalb des erfindungsgemäßen Wellengenerators, wobei zunächst die Wälzkörper des zylindrischen Lagers auf einer kleineren Umlaufbahn verlaufen, wohingegen die Wälzelemente zwischen dem Außenring des Lagers sowie dem Außenzahnrad auf einer größeren zweiten Bahn umlaufen.

Aus konstruktiven Gründen ist es von besonderem Vorteil, dass die Wälzelemente, d.h. vorzugsweise die Kugellagerkugeln, zueinander ungleiche Durchmesser aufweisen, wobei wenigstens ein Wälzelement einen größeren Durchmesser aufweist, als die übrigen Wälzelemente. Zur Erzeugung der Wellenbewegung des Außenzahnrades sind Wälzelemente an den Stellen in Richtung der Hauptachse vorgesehen, welche einen größeren Durchmesser aufweisen. Durch den größeren Durchmesser der Wälzelemente vergrößert sich innerhalb dieses Umfangsbereiches der Außendurchmesser des Außenzahnrades, so dass gemäß der Funktion der Wellengetriebevorrichtung die umlaufende Ellipsenbewegung innerhalb des Außenzahnrades hervorgerufen werden kann.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Wälzelemente Durchmesserdifferenzen zueinander aufweisen, die gleichförmige Abstufungen bilden, um eine Ellipsenform des Außenzahnrades zu schaffen. So kann eine gleichförmige Abstufung der Durchmesser der jeweiligen benachbart zueinander angeordneten Wälzkörper vorgesehen sein, wobei das Wälzelement mit dem größten Durchmesser am jeweiligen Ende der elliptischen Hauptachse angeordnet sind, und die Durchmesser der Wälzelemente beabstandet zur Hauptachse stufenweise kleiner werden. Somit ist das flexible Außenzahnrad in gleichen Winkelabschnitten jeweils auf Wälzelemente abgestützt, und bildet die geforderte Ellipsenform.

Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass die Wälzelemente auf dem Umfang des Wellengenerators in den Umfangsegmenten angeordnet sind, in denen das Außenzahnrad radial nach außen gebogen ist, um in der Verzahnung des Innenzahnrades zu kämmen. Die Umfangssegmente sind dabei jeweils bilateralsymmetrisch gegenüberstehend zueinander angeordnet, so dass sie sich jeweils am Ende der elliptischen Hauptachse befinden.

Gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Wälzelemente auf dem Umfang des Wellengenerators ungleich verteilt angeordnet sind. Gemäß einer ungleichen Verteilung der Wälzelemente sind diese nur oder hauptsächlich in Richtung der elliptischen Hauptachse angeordnet, wobei eins, zwei, drei oder eine sonstige Anzahl von Wälzelementen jeweils linksseitig sowie rechtsseitig von der Hauptachse in den beiden Endrichtungen angeordnet sind. An den Stellen, an denen sich das Außenzahnrad auf der Nebenachse der Ellipse befinden, welche schmaler ausgebildet ist, als die Hauptachse, sind keine Wälzelemente angeordnet.

Gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung ist vorgesehen, dass sich zwischen dem Lager und dem Außenzahnrad eine Hohlwelle konzentrisch zur Nabe erstrecht. Dabei ist die Hohlwelle mit dem zylindrischen Lager durch einen Pressverband verbunden. Die Hohlwelle übernimmt dabei unter anderem die Aufgabe der Führung des Außenzahnrades, welche insbesondere an den Stellen erforderlich ist, an denen keine Wälzkörper zwischen dem Außenring des zylindrischen Lagers und dem Außenzahnrad angeordnet sind. Ferner kann jedoch auch vorgesehen sein, dass Wälzelemente auf den Umfangssegmenten angeordnet sind, in denen das Außenzahnrad nicht radial nach außen gebogen ist, um eine Führung des sich drehenden Außenzahnrades auf der Hohlwelle zu schaffen. Diese Wälzelemente weisen dabei einen kleineren Durchmesser auf, als die Wälzelemente, die auf oder benachbart zur elliptischen Hauptachse angeordnet sind.

Aus konstruktiven Gründen ist vorteilhaft, dass die Hohlwelle eine elliptische Außenkontur aufweist, um die ellipsenförmige Biegung des Außenzahnrades zu unterstützen. Die Herstellung der Ellipsenform der Hohlwelle kann vorteilhafterweise durch entsprechende Fräsprozesse sowie Schleifprozesse ausgebildet werden. Durch die Anwendung von durch Fräs- und Schleifprozessen kann eine hohe Genauigkeit der Hohlwelle realisiert werden. Vorteilhafterweise weist dabei die Hohlwelle Aussparungen auf, in denen die Wälzelemente eingesetzt und geführt sind. Die Hohlwelle nimmt dabei die Funktion eines Kugelkäfigs wahr, so dass die Wälzelemente in ihrer Position geführt sind. Die Aussparungen können als radial zur Mittelachse der Hohlwelle hin verlaufende zylindrische Bohrungen ausgebildet werden, wobei auch hier eine entsprechende spanende Bearbeitung, wie beispielsweise ein Aufreiben der Bohrungen möglich ist, um eine hohe Passgenauigkeit gegenüber den Wälzelementen zu schaffen, welche in den Aussparungen angeordnet sind. Somit verbleiben die Wälzelemente an ihren jeweiligen Position, so dass diese konstruktiv die elliptische Form ergeben, und die elliptische Form während des Betriebes der Wellengetriebevorrichtung unverändert bleibt.

Durch die Anordnung der Wälzelemente in der Hohlwelle mit entsprechend hohen Maßgenauigkeiten kann die Geräuschentwicklung im Betrieb der Wellengetriebevorrichtung erheblich reduziert werden. Die Wälzelemente wälzen auf dem Außenring des zylindrischen Lagers sowie auf der Innenseite des Außenzahnrades ab, und sind durch die Hohlwelle in ihrer Position geführt. Die Antriebswelle, d.h. die Eingangswelle mit einer hohen Drehzahl wird durch die Hohlwelle verkörpert, wobei die Nabe an entsprechenden raumfesten Komponenten des Gesamtsystems angeordnet werden kann, in welcher die Wellengetriebevorrichtung eingesetzt wird. Der Abtrieb der Wellengetriebevorrichtung wird durch das flexible Außenzahnrad gebildet, welche die gegenüber der Hohlwelle niedrige Drehzahl aufweist. Das zylindrische Lager ist vorgesehen, um die Hohlwelle gegenüber den restlichen Komponenten in ihrer Drehbewegung zu lagern.

Vorteilhafterweise sind die Wälzelemente als Kugelelemente und/oder als Rollenelemente und/oder als Nadelelemente ausgebildet. In Abhängigkeit von der Breite des Wellengenerators und den auftretenden Flächenpressungen kann es vorteilhaft sein, anstatt der Kugelelemente zylindrisch ausgebildete Wälzkörper zu verwenden, welche entweder als Rollenelemente oder als Nadelelemente beschaffen sein können. Der Vorteil bei Rollenelementen oder Nadelelementen liegt in der Linienberührung zwischen dem Außenring des zylindrischen Lagers und dem Außenzahnrad, so dass auftretende Hertzsche Pressungen vermindert werden können. Hingegen bietet sich beim Einsatz von Kugelelementen der Vorteil, das auftretende Reibwiderstände geringer sind und die Wärmeentwicklung weniger stark ausgebildet ist, als bei rollen- oder nadelförmigen Wälzelementen. Ebenso ist es denkbar, zwei Ebenen vorzusehen, auf denen jeweils parallel zueinander die Wälzelemente paarweise angeordnet werden, um die Tragfähigkeit der Lageranordnung zu erhöhen. Die Aussparungen in der Hohlwelle werden dabei an die Form der Wälzelemente angepasst. Es ist auch möglich, die Aussparungen in der Hohlwelle selbst größer zu gestalten, als die jeweiligen Abmessungen der Wälzkörper, und zwischen den Wälzelementen und den Wandungen der Aussparungen in der Hohlwelle Distanzelemente einzusetzen, welche als Kugelkäfig fungieren. Damit lässt sich eine mögliche Geräuschentwicklung weiter vermindern, wobei zusätzlich Vorteile hinsichtlich auftretender Reibung und eines Verschleißes erzielt werden können.

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen sind in den Unteransprüchen angegeben oder werden nachfolgend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:

1 eine schematische Darstellung eines Wellengenerators gemäß der vorliegenden Erfindung;

2a eine Darstellung einer Wellgetriebevorrichtung gemäß dem Stand der Technik, wobei diese insbesondere einen Wellengenerator zeigt, der auf herkömmliche Weise ausgebildet ist; und

2b einen Wellengenerator gemäß dem Stand der Technik in einer Draufsicht.

Bei den Figuren handelt es sich lediglich um eine beispielhafte Ausführung der vorliegenden Erfindung.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Wellengenerators 11 gemäß der vorliegenden Erfindung. Dieser umfasst zunächst eine Nabe 12, welche eine zentrisch angeordnete Bohrung aufweist. Auf der Nabe 12 ist ein zylindrisches Lager 13 schematisch dargestellt, wobei das zylindrische Lager 13 sowohl als Gleitlager als auch als Wälzlager ausgebildet sein kann. Das Wälzlager lagert eine Hohlwelle 15, welches auf dieses aufgepresst ist. Der Verband aus der Nabe 12, dem zylindrischen Lager 13 sowie der Hohlwelle 15 ist innenseitig in ein flexibles Außenzahnrad 10 eingesetzt, wobei zwischen dem – hier nicht weiter detailliert dargestellten – Außenring des zylindrischen Lagers 13 und dem Außenzahnrad 10 Wälzelemente 14, 14' angeordnet sind. Die Wälzelemente 14, 14' wälzen auf dem Außenring des zylindrischen Lagers 13 sowie der Innenseite des Außenzahnrades 10 ab. Dabei befinden sich die Wälzelemente 14 in Aussparungen 16, welche in die Hohlwelle 15 eingebracht sind. Das Wälzelement 14' ist im Durchmesser größer ausgebildet als die übrigen Wälzelemente 14, so dass die Hüllkurve der äußeren Punkte der Wälzelemente auf dem Umfang des Wellengenerators 11 eine Ellipse bilden, um diese auf das Außenzahnrad zu übertragen. Wird nun die Hohlwelle 15 in Rotation versetzt, so wird im flexiblen Außenzahnrad 10 eine umlaufende Ellipsenbewegung hervorgerufen. Damit wird die elliptische Gestalt, in die das Außenzahnrad 10 gebogen wird, in eine Umlaufbewegung gebracht, so dass sich die Position der Hauptachse der Ellipse, welche sich in der Bildebene in der Senkrechten befindet, dreht.

Dabei ist das flexible Außenzahnrad 10 in seitlicher Richtung auf einer Führungsfläche 17 auf dem Umfang der Hohlwelle 15 durch einen Gleitkontakt geführt, wobei sich auch in diesem Umfangssegment Wälzkörper befinden können, die einen kleineren Durchmesser aufweisen.

Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausbildung des Wellengenerators 11 kann dieses ohne ein Flexlager ausgeführt werden, wobei lediglich ein handelsübliches zylindrisches Lager 13 zum Einsatz kommt, welches sich in seiner zylindrischen Gestalt auch im Betrieb der Wellengetriebevorrichtung nicht verändert. Die Erzeugung der Ellipsenform und die Überführung des flexiblen Außenzahnrades 10 in eine elliptische Gestalt wird durch unterschiedlich große Wälzelemente 14, 14' hervorgerufen, wobei gemäß 1 die Wälzelemente 14' geringfügig größer ausgebildet sind, als die Wälzelemente 14. Beispielhaft sind jeweils ein linksseitiges sowie ein rechtsseitiges Wälzelement 14 benachbart zum größer ausgeführten Wälzelement 14' dargestellt, wobei sich die Erfindung nicht auf die dargestellte Anzahl von Wälzelementen beschränkt. Ferner können stufenweise geringere Durchmesser der Wälzelemente vorgesehen sein, so dass diese kaskadenförmig bzw. stufenförmig kleiner werden, je weiter sie von der Hauptachse, d.h. von der Vertikalen in der Bildebene der 1 entfernt angeordnet sind.

Die vorliegenden Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene, bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.

10
Außenzahnrad
11
Wellengenerator
12
Nabe
13
zylindrisches Lager
14
Wälzelement
15
Hohlwelle
16
Aussparung
17
Führungsfläche
20
Wellengenerator
21
Nabe
22
Flexlager
23
Innenverzahnung
24
Innenzahnrad
25
Außenverzahnung
26
Außenzahnrad


Anspruch[de]
Wellgetriebevorrichtung mit einem kreisförmigen, starr ausgebildeten Innenzahnrad, einem kreisförmigen, flexiblen Außenzahnrad (10) sowie einem Wellengenerator (11), welcher das Außenzahnrad (10) in partiellen Eingriff mit dem Innenzahnrad radial biegt und die Eingriffsposition der beiden Zahnräder in Umfangsrichtung verlagert, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellengenerator (11) eine Nabe (12) aufweist, auf der ein zylindrisches Lager (13) angeordnet ist, und wobei Wälzelemente (14) zwischen der Innenseite des Außenzahnrades (10) und der Außenseite des zylindrischen Lagers (13) zum Ausführen einer Abrollbewegung und zum Erzeugen einer radialen Biegung des Außenzahnrades (10) vorgesehen sind. Wellgetriebevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzelemente (14) zueinander ungleiche Durchmesser aufweisen, wobei wenigstens ein Wälzelement (14') einen größeren Durchmesser aufweist als die übrigen Wälzelemente (14). Wellgetriebevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen dem Lager (13) und dem Außenzahnrad (10) eine Hohlwelle (15) konzentrisch zur Nabe (12) erstreckt, wobei die Hohlwelle (15) mit dem zylindrischen Lager (13) durch einen Pressverband verbunden ist. Wellgetriebevorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlwelle (15) Aussparungen (16) aufweist, in denen die Wälzelemente (14, 14') eingesetzt und durch diese geführt sind. Wellgetriebevorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzelemente (14) auf dem Umfang des Wellengenerators (11) ungleich verteilt angeordnet sind. Wellgetriebevorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzelemente (14) auf dem Umfang des Wellengenerators (11) in Umfangssegmenten angeordnet sind, in denen das Außenzahnrad (10) radial nach außen gebogen ist, um in der Verzahnung des Innenzahnrades zu kämmen. Wellgetriebevorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzelemente (14) Durchmesserdifferenzen zueinander aufweisen, die gleichförmige Abstufungen bilden, um eine Ellipsenform des Außenzahnrades (10) zu schaffen. Wellgetriebevorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Wälzelemente (14) auf Umfangssegmenten angeordnet sind, in denen das Außenzahnrad (10) nicht radial nach außen gebogen ist, um eine Führung des sich drehenden Außenzahnrades (10) gegenüber der Hohlwelle (15) zu schaffen. Wellgetriebevorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlwelle (15) eine elliptische Außenkontur aufweist, um die ellipsenförmige Biegung des Außenzahnrades (10) zu unterstützen. Wellgetriebevorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzelemente (14, 14') als Kugelelemente und/oder als Rollenelemente und/oder als Nadelelemente ausgebildet sind.






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