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EP1002602B1 - Vorrichtung und Verfahren für die Herstellung eines Motorblocks - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren für die Herstellung eines Motorblocks Download PDF

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Publication number
EP1002602B1
EP1002602B1 EP99110195A EP99110195A EP1002602B1 EP 1002602 B1 EP1002602 B1 EP 1002602B1 EP 99110195 A EP99110195 A EP 99110195A EP 99110195 A EP99110195 A EP 99110195A EP 1002602 B1 EP1002602 B1 EP 1002602B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
liner
seat
seat surfaces
cylinder liners
cylinder
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP99110195A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1002602A1 (de
Inventor
Matthias Baranzke
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nemak Dillingen GmbH
Original Assignee
Hydro Aluminium Alucast GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hydro Aluminium Alucast GmbH filed Critical Hydro Aluminium Alucast GmbH
Priority to SI9930710T priority Critical patent/SI1002602T1/xx
Publication of EP1002602A1 publication Critical patent/EP1002602A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1002602B1 publication Critical patent/EP1002602B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B22D19/0009—Cylinders, pistons

Definitions

  • the invention relates to a device for producing an engine block, with the composite with casting material included in a mold, each held on a seat Cylinder liners, the seat having seating surfaces engaging at the ends of the sleeve, and a corresponding method for the production of an engine block.
  • the mold mentioned at the outset is therefore partly due to the mold cavity of the mold adjacent cylinder liners formed, which after solidification of the casting material are integrated in the engine block and detached from the mold during demolding.
  • the liners are preheated, preferably inductively. In doing so, and to a lesser extent even when pouring them in later, they expand, which results in an undesirable mobility of the cylinder liners in their seats the consequence that the liners provided by their in the engine block manufactured Position may differ. Both undesirable parallel shifts occur inclinations of the sleeve axis.
  • the device achieving this object according to the invention is characterized in that that the seats are conical in such a way that the bush ends in the event of thermal expansion of the cylinder liners in preparation and during casting remain in contact with the seats.
  • the independent claims 1 and 11 are 2-part version delimited from US5771955 (or US5365997).
  • the invention ensures that when the liner expands thermally regardless of the state of expansion with their ends always against the conical seats which means that in addition to sealing against liquid casting material, centering the liner is guaranteed.
  • the sleeve axis can neither move in parallel still tend.
  • tan ⁇ l / d
  • d 2r belongs to a length l Rifle diameter called.
  • the cylinder liners have the Inclined conical end surfaces. Are advantageous by such matched Seat and sleeve end surfaces formed guides that improve the centering effect. By adapting the surfaces to each other relatively easily can slide during the casting process, the mold by the thermal expansion of the Liners are not damaged.
  • the end surfaces can over the seat surfaces protrude beyond, whereby a ring undercut is formed in each case, the can be filled through the casting material and for a particularly tight integration of the Liner in the casting material.
  • Aluminum or an aluminum alloy are preferably used as the casting material for the block and as material for the liner cast iron aluminum or an aluminum alloy into consideration.
  • the cylinder liners can be provided on the outside with a profile through which both axial displacements and rotations are made more difficult and the liners so that they are particularly firmly embedded in the casting material.
  • a coating can also be provided through which a metallic connection between the liners and the casting material.
  • a coating could e.g. consist of AlSi5, AlSi9 or Zn.
  • parts 1 to 4 of a casting mold which can be joined together are provided with the reference numerals Manufacture of a multi-cylinder engine block called.
  • the molds consist of sand, to which a synthetic resin binder has been added.
  • part of a cylinder liner 5 is visible for one of the cylinders. From Gray cast iron existing cylinder liner 5 forms another part of the casting mold. Corresponding it borders with its outer surface on a mold cavity 6 to be poured, which is otherwise limited by the mold parts 1 to 4 mentioned.
  • the mold cavity 6 includes the most hatched areas in Figures 1 and 2.
  • Burn-out domes 7, 8 and 9 extend in the mold cavity 6, one at the Mandrel 9 adjacent, double hatched area for removing the casting material in the Postprocessing is provided.
  • the mold part 2 comprises a slightly conical dome 12 on which the cylinder liner 5 sits on.
  • the dome 12 has a lateral surface facing the inside of the sleeve 11 on.
  • Seating surfaces 13 and 14 form a seat for the cylinder liner 5, the conical Seat 14 on the mold part 1 and the conical seat 13 on the mold part 2 is shaped.
  • the mandrel 12 of the mold part 2 extends into a to the cylinder liner 5 coaxial recess 15.
  • the reference numeral 16 is a core arranged in the mold cavity 6 for the formation a coolant cavity.
  • the reference number 17 indicates an area which like the area 10 for removing casting material by machining post-processing is provided. Also a part of the cylinder liners facing the mandrel 12 5 will be removed later.
  • the liner 5 has at its ends next to each on the seat surfaces 13 and 14 adapted conical surfaces on a gradation 18 to Establishing a firm connection between the casting material and the cylinder liner contributes and in particular counteracts axial displacements of the liner.
  • the mentioned conical surfaces could form over the conical seats protrude annular undercut that can be filled with casting material.
  • the mold is made by assembling the mold parts 1 to 4 and the cylinder liner 5 assembled, wherein the mold cavity 6 is formed.
  • the to the mold cavity 6 adjacent cylinder liner 5 is immobile in its through the conical seats 13 and 14 formed seat held.
  • the liners are placed on an induction heater (not shown) heated up, causing them to expand.
  • the inside of the liner is removed with this expansion 5 from the jacket seat surface 11 of the dors 12 by the amount ⁇ r. i.e. the inner radius r the box grows by ⁇ r. Simultaneously with this expansion of the sleeve 5, the Length l of the sleeve 5 on its inner radius by the amount ⁇ l1 + ⁇ l2.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Cylinder Crankcases Of Internal Combustion Engines (AREA)

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die Herstellung eines Motorblocks, mit zum Verbund mit Gußmaterial in eine Gießform einbezogenen, jeweils an einem Sitz gehalterten Zylinderlaufbüchsen, wobei der Sitz an den Büchsenenden angreifende Sitzflächen aufweist, sowie ein entsprechendes Verfahren für die Herstellung eines Motorblocks.
Die eingangs erwähnte Gießform ist also zum Teil durch die an den Formhohlraum der Gießform angrenzenden Zylinderlaufbüchsen gebildet, welche nach Erstarrung des Gußmaterials in den Motorblock eingebunden sind und beim Entformen von der Gießform gelöst werden. Um eine zu schnelle Abkühlung des beim Eingießen mit den Laufbüchsen in Berührung kommenden Gußmaterials und dadurch mangelnde Einbindung der Laufbüchsen in den Motorblock zu vermeiden, werden die Laufbüchsen, vorzugsweise induktiv, vorgeheizt. Dabei und in geringerem Maße auch noch beim späteren Eingießen dehnen sie sich aus, woraus eine unerwünschte Beweglichkeit der Zylinderlaufbüchsen in ihren Sitzen resultiert mit der Folge, daß die Laufbüchsen von ihrer im hergestellten Motorblock vorgesehenen Position abweichen können. Dabei treten sowohl unerwünschte Parallelverschiebungen als auch Neigungen der Büchsenachse auf.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen neue Gießform der eingangs erwähnten Art zu schaffen, welche die Herstellung von Motorblöcken mit gegenüber dem Stand der Technik höherer Präzision ermöglicht.
Die diese Aufgabe lösende Vorrichtung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Sitzflächen derart konisch ausgebildet sind, daß die Büchsenenden bei Wärmeausdehnung der Zylinderlaufbüchsen in Vorbereitung und während des Gießens in Anlage gegen die Sitzflächen verbleiben. Die unabhängigen Ansprüche 1 und 11 sind 2-teiliger Fassung gegenüber US5771955 (bzw. US5365997) abgegrenzt.
Vorzugsweise sind die Sitzflächen konisch mit einem Neigungswinkel α1 bzw. α2 zur Büchsenquerschnittsebene ausgebildet, und die Bedingung tan α1 + tan α2 = l/r ist erfüllt, worin I die sich zwischen Angriffspunkten an den Sitzflächen erstreckende axiale Büchsenlänge und r den zugehörigen Radius bezeichnen.
Durch die Erfindung ist gewährleistet, daß bei Wärmeausdehnung der Laufbüchse diese unabhängig vom Ausdehnungszustand mit ihren Enden stets gegen die konischen Sitzflächen anliegt wodurch neben einer Abdichtung gegen flüssiges Gußmaterial eine Zentrierung der Laufbüchsen gewährleistet ist. Die Büchsenachse kann sich weder parallel verschieben noch neigen. Nach Abkühlung und Erstarrung des Gußmaterials sind die Laufbüchsen dann genau in gewünschter Anordnung in den Motorblock eingebunden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Winkel α1 und α2 gleich groß und gleich einem Winkel α, so daß gilt: tan α = l/d , worin d = 2r einen zu einer Länge l gehörigen Büchsendurchmesser bezeichnet. Bei einer Laufbüchse mit konischen Endflächen müssen die Bedingungen tan α1 + tan α2 = l/r und tan α = l/d für jeden Radius r vom Innen- bis zum Außenradius der Laufbüchse und die jeweils zugehörigen Längen l erfüllt sein. Während bei der Ausführungsform mit unterschiedlichen Winkeln α1 und α2 bei der Wärmeausdehnung eine axiale Schwerpunktverschiebung der Zylinderlaufbüchse auftritt kommt es bei gleich großen Winkeln α1 und α2 zu keiner solchen Verschiebung.
In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Zylinderlaufbüchsen entsprechend den Sitzflächen geneigte konische Endflächen auf. Vorteilhaft sind durch derart aneinander angepaßte Sitz- und Büchsenendflächen die Zentrierwirkung verbessernde Führungen gebildet. Indem die aneinander angepaßten Flächen verhältnismäßig leichtgängig aufeinander gleiten, kann während des Gießvorgangs die Gußform durch die Wärmeausdehnung der Laufbüchsen nicht beschädigt werden.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung können die Endflächen über die Sitzflächen hinaus vorstehen, wodurch jeweils eine Ringhinterschneidung gebildet wird, die durch das Gußmaterial ausgefüllt werden kann und für eine besonders feste Einbindung der Laufbüchse in das Gußmaterial sorgt.
Vorzugsweise kommen als Gußmaterial für den Block Aluminium oder eine Aluminiumlegierung und als Material für die Laufbüchse Grauguß Aluminium oder eine Aluminiumlegierung in Betracht.
Die Zylinderlaufbüchsen können außenseitig mit einer Profilierung versehen sein, durch die sowohl axiale Verschiebungen als auch Verdrehungen erschwert und die Laufbüchsen damit besonders fest in das Gußmaterial eingebettet sind.
Zur festen Verbindung der Zylinderlaufbüchsen mit dem Gußmaterial könnte außenseitig auch eine Beschichtung vorgesehen sein, durch die eine metallische Verbindung zwischen den Laufbüchsen und dem Gußmaterial hergestellt wird. Eine solche Beschichtung könnte z.B. aus AlSi5, AlSi9 oder Zn bestehen.
Die Erfindung soll nun anhand von Ausführungsbeispielen und der beiliegenden, sich auf diese Ausführungsbeispiele beziehenden Zeichnungen näher erläutert und beschrieben werden. Es zeigen:
Fig. 1
eine Teilschnittansicht einer erfindungsgemäßen Gießform,
Fig. 2
ein Detail der Teilschnittansicht von Fig. 1,
Fig. 3
eine Ansicht zur Erläuterung der Vorgänge bei der Wärmeausdehnung einer in die Gießform von Fig. 1 einbezogenen Zylinderlaufbüchse, und
Fig. 4
eine der Fig. 3 entsprechende Ansicht zur Erläuterung der Vorgänge bei der Wärmeausdehnung einer Zylinderlaufbüchse in einer Gießform gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel nach der vorliegenden Erfindung.
In den Figuren sind mit den Bezugszeichen 1 bis 4 zusammenfügbare Teile einer Gießform zur Herstellung eines mehrere Zylinder aufweisenden Motorblocks bezeichnet. Die Gießformen bestehen aus Sand, dem ein Kunstharzbindemittel zugesetzt ist. In den Schnittdarstellungen von Fig. 1 und 2 ist ein Teil einer Zylinderlaufbüchse 5 für einen der Zylinder sichtbar. Die aus Grauguß bestehende Zylinderlaufbüchse 5 bildet ein weiteres Teil der Gießform. Entsprechend grenzt sie mit ihrer Außenfläche an einen auszugießenden Formhohlraum 6 an, welcher ansonsten durch die genannten Gießformteile 1 bis 4 begrenzt ist. Der Formhohlraum 6 umfaßt die in Fig. 1 und 2 am engsten schraffierten Bereiche.
In dem Formhohlraum 6 erstrecken sich ausbrennbare Dome 7, 8 und 9, wobei ein an den Dorn 9 angrenzender, doppelt schraffierter Bereich zum Abtragen des Gußmaterials im Rahmen einer Nachbearbeitung vorgesehen ist.
Das Gießformteil 2 umfaßt einen leicht konischen Dom 12, auf welchem die Zylinderlaufbüchse 5 aufsitzt. Der Dom 12 weist eine der Büchseninnenseite zugewandte Mantelfläche 11 auf. Sitzflächen 13 und 14 bilden einen Sitz für die Zylinderlaufbüchse 5, wobei die konische Sitzfläche 14 an dem Gießformteil 1 und die konische Sitzfläche 13 an dem Gießformteil 2 geformt ist. Der Dorn 12 des Gießformteils 2 erstreckt sich in eine zu der Zylinderlaufbüchse 5 koaxiale Ausnehmung 15.
Mit dem Bezugszeichen 16 ist ein in dem Formhohlraum 6 angeordneter Kern für die Bildung eines Kühlmittelhohlraums bezeichnet. Das Bezugszeichen 17 weist auf einen Bereich hin, welcher wie der Bereich 10 zum Abtragen von Gußmaterial durch spanabhebende Nachbearbeitung vorgesehen ist. Auch ein dem Dorn 12 zugewandter Teil der Zylinderlaufbüchsen 5 wird später abgetragen.
Wie insbesondere aus der Fig. 2 hervorgeht, weist die Laufbüchse 5 an ihren Enden neben jeweils an die Sitzflächen 13 und 14 angepaßten Konusflächen eine Abstufung 18 auf, die zur Herstellung einer festen Verbindung zwischen dem Gußmaterial und der Zylinderlaufbüchse beiträgt und insbesondere axialen Verschiebungen der Laufbüchse entgegenwirkt. Die genannten Konusflächen könnten über die konischen Sitzflächen unter Bildung einer ringförmigen, durch Gußmaterial ausfüllbaren Hinterschneidung überstehen.
Die Funktion der in den Fig. 1 und 2 beschriebenen Gießform soll nun unter Einbeziehung von Fig. 3 erläutert werden.
Die Gießform wird unter Zusammenfügung der Gießformteile 1 bis 4 und der Zylinderlaufbüchse 5 zusammengesetzt, wobei der Formhohlraum 6 entsteht. Die an den Formhohlraum 6 angrenzende Zylinderlaufbüchse 5 ist unbeweglich in ihrem durch die konischen Sitzflächen 13 und 14 gebildeten Sitz gehaltert.
In Vorbereitung des Gießens werden die Laufbüchsen über eine (nicht gezeigte) induktionsheizeinrichtung aufgeheizt, wodurch sie sich ausdehnen.
Beim Eingießen von Gußmaterial in den Formhohlraum 6, in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel von Aluminium, kommt es zu einer weiteren Erhitzung und Ausdehnung der Laufbüchsen 5.
Wie Fig. 3 zu entnehmen ist, entfernt sich bei dieser Ausdehnung die Innenseite der Laufbüchse 5 von der Mantelsitzfläche 11 des Dors 12 um den Betrag Δr. d.h. der Innenradius r der Büchse wächst um Δr. Gleichzeitig mit dieser Aufweitung der Büchse 5 vergrößert sich die Länge l der Büchse 5 an ihrem Innenradius um den Betrag Δl1 + Δl2. Diese Längenänderung am Innenradius und alle anderen Änderungen der Längsausdehnung der Büchse 5 bei Wärmeeinwirkung sind im Verhältnis zum jeweiligen Ausgangsradius so bemessen, daß die Büchse 5 mit ihren konischen Endflächen in Anlage gegen die konischen Sitzflächen 13 und 14 verbleibt und durch die konischen Sitzflächen 13 und 14 so geführt ist, daß es weder zu einer unerwünschten Neigung der Büchsenachse noch zu ihrer Parallelverschiebung kommen kann. Die Zylinderlaufbüchse wird daher trotz ihrer Wärmeausdehnung unabhängig vom Ausdehnungszustand stets in einer solchen Position gehalten, daß sie nach Abkühlung des Gußmaterials genau in der vorgesehenen Lage und Position in den Motorblock eingebunden ist.
Die beschriebene Ausdehnung der Zylinderlaufbüchse 5 unter Gleitanlage gegen die konischen Sitzflächen 13 und 14 ist, wie durch die nachfolgende Rechnung gezeigt werden kann, gewährleistet, wenn die Bedingung tan α1 + tan α2 = l/r erfüllt ist.
Für die Änderung Δl der Länge I und Δr des Radius r gilt Δl = α × l bzw. Δr = α × r, worin a ein den Längenausdehnungskoeffizienten enthaltener Faktor ist.
Andererseits gilt für die Längenänderung Δl die Beziehung Δl = Δl1 + Δl2 d.h. die Längenänderung Δl verteilt sich auf die Längenänderung Δl1 und Δl2, wie aus Fig. 3 hervorgeht.
Wie Fig. 3 ferner zu entnehmen ist, gilt Δl1 = Δr × tan α1 sowie Δl1 = Δr × tan α2
Setzt man (4) und (5) und danach (1) und (2) in (3) ein, so gelangt man zu der obengenannten Bedingung.
Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 3 sind die Winkel α1 und α2 annähernd gleich groß. Bei dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel geht der Winkel α1 gegen Null. Die Längenänderung Δl der Länge I ist daher gleich Δl2 und der tan α1 in der obengenannten Beziehung ist gleich Null. Daraus ergibt sich für das Ausführungsbeispiel von Fig. 4 die Bedingung: tan α2 = l/r.
Für den Fall, daß die Winkel α1 und α2 gleich groß und gleich einem Winkel α sind, ergibt sich: 2 tan α = l/r. Daraus erhält man tan α=l/2r = l/ d, wobei d gleich dem Innendurchmesser der Laufbüchse, dem Außendurchmesser oder einem zwischen Innendurchmesser und Außendurchmesser gelegenen Durchmesser ist und l die jeweils zugehörige Büchsenlänge bezeichnet.

Claims (11)

  1. Vorrichtung für die Herstellung eines Motorblocks mit zum Verbund mit Gussmaterial in eine Gießform einbezogenen, jeweils an einem Sitz gehaltenen Zylinderlaufbüchsen (5), dadurch gekennzeichnet, daß der Sitz für eine Zylinderlaufbüchse (5) jeweils zwei Sitzflächen (13,14) aufweist, die an gegenüberliegenden Enden der Zylinderlaufbüchsen (5) angreifen, wobei die Sitzflächen (13,14) konisch mit einem Neigungswinkel zur Büchsenquerschnittsebene derart ausgebildet sind, daß die Büchsenenden bei Wärmeausdehnung der Zylinderlaufbüchsen (5) in Vorbereitung und während des Gießens in Anlage gegen die Sitzflächen (13,14) verbleiben.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungswinkel α1 bzw. α2 der Sitzflächen (13, 14) die Bedingung tan α1 + tan α2 = l/r erfüllt, worin l die sich zwischen Angriffspunkten an den Sitzflächen (13, 14) erstreckende Büchsenlänge und r den zugehörigen Radius bezeichnen.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Winkel α1 und α2 gleich groß sind, so daß gilt: tan α1 = l/d, worin d einen zur Büchsenlänge l zugehörigen Durchmesser bezeichnet und α gleich α1 bzw. α2 ist.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderlaufbüchsen entsprechend den Sitzflächen (13, 14) geneigte konische Endflächen aufweisen.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Endflächen unter Bildung einer durch das Gußmaterial ausfüllbaren Ringhinterschneidung über die Sitzflächen hinaus vorstehen.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gußmaterial Aluminium oder eine Aluminiumlegierung ist.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Büchsenmaterial Grauguß, Aluminium oder eine Aluminiumlegierung ist.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderlaufbüchsen außenseitig profiliert sind.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderlaufbüchsen außenseitig eine Beschichtung zur Herstellung einer metallischen Verbindung zwischen den Laufbüchsen und dem Gußmaterial aufweist.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung AlSi5, AlSi9 oder/und Zn aufweist.
  11. Verfahren für die Herstellung eines Motorblocks, wobei zum Verbund mit Gußmaterial in eine Gießform für den Motorblock Zylinderlaufbüchsen (5) einbezogen und an einem Sitz gehaltert werden, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Sitz für eine Zylinderlaufbüchse (5) jeweils zwei Sitzflächen (13,14) gebildet werden, die an gegenüberliegenden Enden der Zylinderlaufbüchsen (5) angreifen, wobei die Sitzflächen (13, 14) konisch mit einem Neigungswinkel zur Büchsenquerschnittsebene derart ausgebildet werden, daß die Büchsenenden bei Wärmeausdehnung der Zylinderlaufbüchsen (5) in Vorbereitung und während des Gießens in Anlage gegen die Sitzflächen verbleiben.
EP99110195A 1998-11-21 1999-05-26 Vorrichtung und Verfahren für die Herstellung eines Motorblocks Expired - Lifetime EP1002602B1 (de)

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EP1002602A1 EP1002602A1 (de) 2000-05-24
EP1002602B1 true EP1002602B1 (de) 2004-09-29

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AT (1) ATE277706T1 (de)
DE (1) DE19853803C1 (de)
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