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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines elektronischen
Servolenksystems eines Kraftfahrzeugs gemäß dem
Oberbegriff von Anspruch 1. Die Erfindung betrifft ebenfalls ein
Computerprogramm und ein Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln,
um ein derartiges Verfahren durchzuführen. Des weiteren
betrifft die Erfindung ein elektronisches Servolenksystem eines
Kraftfahrzeugs.
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Ein
Lenksystem mit Überlagerungsmitteln ist aus der
DE 197 51 125 A1 bekannt.
Dort wird die Bewegung (Zusatzwinkel bzw. Motorwinkel) eines Stellantriebs,
d. h. eines Elektromotors mittels eines Überlagerungsgetriebes
(beispielsweise ein Planetengetriebe) mit dem Lenkradwinkel überlagert.
Mit Hilfe der Überlagerungsmittel ist es möglich,
einen von der Lenkhandhabe vorgegebenen Lenkradwinkel zur Erhöhung
der Fahrstabilität bzw. des Komforts mit einem Zusatzwinkel
zu überlagern, so dass sich fahrdynamikabhängig
bzw. komfortabhängig ein variables Übersetzungsverhältnis
zwischen Lenkradwinkel und mittlerem Lenkwinkel der lenkbaren Räder des
Kraftfahrzeugs einstellt. Dadurch ist es sicherheitstechnisch z.
B. möglich, ein Kraftfahrzeug, welches auszubrechen droht,
durch eine entsprechende Korrektur des Lenkwinkels wieder in eine
stabile Fahrsituation zurückzuführen. Die Überlagerungsmittel
können andere Fahrdynamiksysteme (z. B. ein elektronisches
Stabilitätsprogramm (ESP) oder ein Antiblockiersystem (ABS))
unterstützen. Komforttechnisch ist es auch möglich,
einem Lenkradwinkel beispielsweise einen geschwindigkeitsabhängigen Zusatzwinkel
zu überlagern. Dadurch kann bei niedrigen Fahrzeuggeschwindigkeiten
ein relativ kleines Übersetzungsverhältnis eingestellt
werden, d. h. eine relativ kleine Drehung der Lenkhandhabe führt
zu einem relativ großen Lenkwinkel der Räder.
Bei hohen Fahrzeuggeschwindigkeiten kann dagegen ein relativ großes Übersetzungsverhältnis
eingestellt werden, damit sich die Fahrstabilität des Kraftfahrzeugs erhöht.
Auch das erfindungsgemäße elektrische Servolenksystem
weist Überlagerungsmittel auf.
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Außerdem
ist aus der
DE 100
13 711 A1 ein Lenksystem bekannt, das unter anderem einen
Servoantrieb zur Momentenunterstützung (Servolenkung) aufweist.
Der Grad der Momentenunterstützung ist bei dem beschriebenen
Lenksystem abhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit. Während
bei langsamer Fahrzeuggeschwindigkeit die Momentenunterstützung
größer ist (z. B. um beim Rangieren des Fahrzeugs
das Lenkrad ohne großen Kraftaufwand betätigen
zu können), wird die Momentenunterstützung bei
höheren Geschwindigkeiten (z. B. um die Fahrstabilität
bei einer Autobahnfahrt zu erhöhen) gesenkt. Der Servoantrieb
kann elektrisch oder hydraulisch arbeiten. Bei dem erfindungsgemäßen elektronischen
Servolenksystem kann die Momentenunterstützung elektrisch
variiert werden. Das in der
DE 100 13 711 A1 beschriebene Lenksystem
weist neben dem Servoantrieb auch Überlagerungsmittel auf,
welche einen Zusatzwinkel erzeugen und den von der Lenkhandhabe
vorgegebenen Lenkradwinkel mit diesem Zusatzwinkel überlagern.
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Die
Spurstangensummenkraft steigt bei allen Kraftfahrzeugen bzw. Personenkraftwagen
beim Lenken im Stand, d. h. bei einer Fahrgeschwindigkeit von wenigstens
annähernd null zum Endanschlag hin deutlich an. Bereits
bei sehr langsamer Fahrt sinkt diese Kraft jedoch sehr deutlich
ab. Ein Servolenksystem muss die maximale Kraft beim Lenken im Stand
unterstützen können, damit im Stand vom Fahrer
bis an den Endanschlag gelenkt werden kann. Demzufolge muss der
Servoantrieb ebenfalls entsprechend dimensioniert werden, um die
geforderte Leistung erbringen zu können.
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Ausgehend
davon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren zum Betrieb eines elektronischen Servolenksystems eines
Kraftfahrzeugs, der eingangs erwähnten Art zu schaffen,
welches eine bezüglich maximaler Unterstützungsleistung
kleinere Dimensionierung des elektronischen Servolenksystems bzw.
des Servoantriebs zulässt.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in Anspruch
1 genannten Merkmale gelöst. Die Aufgabe wird bezüglich
des Computerprogramms durch Anspruch 4, bezüglich des Computerprogrammprodukts
durch Anspruch 5 und bezüglich des elektronischen Servolenksystems
durch Anspruch 6 gelöst.
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Dadurch,
dass bei einer Lenkposition in einem Bereich vor einem mechanischen
Endanschlag einer Zahnstange des Lenkgetriebes und bei einer Fahrgeschwindigkeit
des Kraftfahrzeugs von wenigstens annähernd null die Momentenunterstützung
des elektrischen Servoantriebs derart deaktiviert wird, dass keine
weitere Positionierung der Zahnstange bzw. kein weiterer Zahnstangenhub
in Richtung des mechanischen Endanschlags der Zahnstange erfolgt,
wobei gleichzeitig eine indirekte Lenkübersetzung durch
die Überlagerungsmittel eingestellt wird, kann in vorteilhafter
Weise der elektrische Servoantrieb bzw. der Servomotor des erfindungsgemäßen elektronischen
Servolenksystems kleiner bzw. schwächer, d. h. kostengünstiger
und platzsparender ausgelegt werden. Die maximal benötigte
Unterstützungskraft kann reduziert werden, ohne dass der Fahrer
Einbußen bemerkt. Der maximale Lenk- bzw. Zahnstangenhub
ist nicht im Stand relevant, sondern bei langsamer Fahrt, um einen
entsprechenden Wendekreis zu erhalten.
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Durch
das erfindungsgemäße Verfahren wird sozusagen
der Software-Endanschlag bzw. der virtuelle durch das elektronische
Servolenksystem vorgegebene Endanschlag im Stand des Kraftfahrzeugs nicht
an den tatsächlichen mechanischen Endanschlag positioniert,
sondern in einem Bereich davor. Bereits bei einigen Millimetern
vor dem mechanischen Endanschlag, wird beim Drehen im Stand nicht mehr
die maximale Spurstangensummenkraft erreicht, sondern ca. 1 bis
2 kN weniger. Darüber hinaus wird in diesem Bereich über
das Überlagerungsgetriebe bzw. die Überlagerungsmittel
eine sehr indirekte bzw. große Übersetzung eingestellt,
so dass der Fahrer den virtuellen Endanschlag nicht bemerkt. Bei
einer indirekten Lenkübersetzung bewegt sich das Lenkritzel
bzw. die Zahnstange deutlich weniger als das Lenkrad des Fahrers.
Der Lenkradwinkel entspricht demjenigen, der bei konstanter Übersetzung und
vollem Hub erreicht werden würde.
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Vorteilhaft
ist es demnach, wenn die Lenkübersetzung derart indirekt
eingestellt wird, dass der Lenkradwinkel im Wesentlichen demjenigen
Lenkradwinkel entspricht, welcher bei konstanter Lenkübersetzung
und normaler Positionierung der Zahnstange zum mechanischen Endanschlag
bzw. vollständigem Zahnstangenhub vom Fahrer eingestellt würde.
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Vorteilhaft
ist außerdem, wenn bei einer Fahrgeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs
von größer null unmittelbar die Momentenunterstützung
des elektrischen Servoantriebs derart aktiviert wird, dass in Abhängigkeit
der aktuellen Fahrgeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs eine Korrektur
der Position der Zahnstange bzw. ein Zahnstangenhub in Richtung des
mechanischen Endanschlags der Zahnstange erfolgt, wobei die Überlagerungsmittel
derart gesteuert bzw. geregelt werden, dass der Lenkradwinkel im Wesentlichen
konstant bleibt. Sobald das Fahrzeug anfährt, wird der
Software-Endanschlag der elektronischen Servolenkung (EPS) zum mechanischen
Endanschlag hin verschoben, wobei die Position direkt abhängig
von der Fahrgeschwindigkeit ist. Bei geringer Fahrgeschwindigkeit,
welche z. B. der Leerlaufdrehzahl im ersten Gang entsprechen kann
(ca. 5–10 km/h) wird der volle Lenkhub erreicht. So kann
der optimale Wendekreis erzielt werden und der Fahrer bemerkt den
Vorgang nicht.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines elektronischen
Servolenksystems eines Kraftfahrzeugs ist vorzugsweise als Computerprogramm
auf einem bzw. verteilt auf mehreren Steuergeräten des
elektronischen Servolenksystems realisiert, wobei auch andere Lösungen
selbstverständlich in Frage kommen. Dazu ist das Computerprogramm
in einem Speicherelement des wenigstens einen Steuergeräts
gespeichert. Durch Abarbeitung auf einem Mikroprozessor des Steuergeräts
wird das Verfahren ausgeführt. Das Computerprogramm kann auf
einem computerlesbaren Datenträger (Diskette, CD, DVD,
Festplatte, USB-Memorystick oder dergleichen) oder einem Internetserver
als Computerprogrammprodukt gespeichert sein und von dort aus in das
Speicherelement des Steuergeräts übertragen werden.
Ein derartiges Computerprogramm bzw. Computerprogrammprodukt mit
Programmcodemitteln ist in Anspruch 4 bzw. Anspruch 5 angegeben.
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Anspruch
6 betrifft ein elektronisches Servolenksystem eines Kraftfahrzeugs.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen
Ansprüchen. Nachfolgend ist anhand der Zeichnung prinzipmäßig
ein Ausführungsbeispiel der Erfindung angegeben.
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Es
zeigt:
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1 eine
vereinfachte schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen
elektronischen Servolenksystems, welches von einem erfindungsgemäßen
Verfahren betrieben wird; und
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2 ein
Schaubild eines Übersetzungsverlaufs und einer Position
eines Endanschlags im Stand und bei Fahrt, sowie gemessene Verläufe
der Spurstangensummenkraft.
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1 zeigt
ein elektronisches Servolenksystem 1 eines nicht dargestellten
Kraftfahrzeugs. Das elektronische Servolenksystem 1 weist
eine als Lenkrad 2 ausgebildete Lenkhandhabe auf. Das Lenkrad 2 ist über
eine Gelenkwelle bzw. Lenksäule 3 mit einem Lenkgetriebe 4 verbunden.
Das Lenkgetriebe 4 dient dazu, einen Drehwinkel δLS der Lenksäule 3 in einen
Radlenkwinkel δFm von lenkbaren Rädern 5a, 5b des
Kraftfahrzeugs umzusetzen. Das Lenkgetriebe 4 weist eine
Zahnstange 6 und ein Ritzel 7 auf, an welches
die Lenksäule 3 angreift. Das elektronische Servolenksystem 1 umfasst
darüber hinaus Überlagerungsmittel 8,
die einen als Elektromotor 9 ausgebildeten Stellantrieb
bzw. Zusatzwinkelsteller und ein von diesem angetriebenes Überlagerungsgetriebe 10 aufweisen.
Das Überlagerungsgetriebe 10 ist als Planetengetriebe
ausgebildet. In weiteren Ausführungsbeispielen könnte
das Überlagerungsgetriebe 10 auch als Wellgetriebe
oder dergleichen ausgebildet sein. Durch das Lenkrad 2 wird
ein Lenkradwinkel δS als Maß für
einen gewünschten Radlenkwinkel δFm der
lenkbaren Räder 5a, 5b des Kraftfahrzeugs
vorgegeben. Mit Hilfe des Elektromotors 9 wird dann ein Überlagerungswinkel
bzw. Zusatzwinkel δM generiert
und durch das Überlagerungsgetriebe 10 mit dem
Lenkradwinkel δS bzw. dem Drehwinkel δLS der Lenksäule 3 überlagert.
Der Zusatzwinkel δM wird grundsätzlich
zur Verbesserung der Fahrdynamik des Kraftfahrzeugs bzw. des Komforts
erzeugt. Die Summe aus Lenkradwinkel δS und Zusatzwinkel δM ergibt den Eingangswinkel des Lenkgetriebes 4 bzw.
im vorliegenden Ausführungsbeispiel den Ritzelwinkel δG.
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Die Überlagerungsmittel 8 weisen
ein elektronisches Steuergerät 11 auf, welches
unter anderem der Regelung des Zusatzwinkels δM und
des abgegebenen Moments des Elektromotors 9 dient. Auf dem
elektronischen Steuergerät 11 läuft dazu
ein Regelungsverfahren ab, welches als Regelungsstruktur bzw. als
Computerprogramm auf einem nicht dargestellten Mikroprozessor des
Steuergeräts 11 ausgeführt ist. Der Elektromotor 9 wird
mit einem elektrischen Ansteuersignal δMd,
welches dem Sollwert des von dem Elektromotor 9 zu erzeugenden
Zusatzwinkels δM entspricht, angesteuert.
Die Ansteuerung bzw. Regelung des Elektromotors 9 erfolgt üblicherweise
in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs,
d. h. das Übersetzungsverhältnis zwischen dem
Lenkradwinkel δS und dem Ritzelwinkel δG bzw. dem Radlenkwinkel δFm der Räder 5a, 5b wird
durch die Überlagerung des Lenkradwinkels δS mit verschiedenen, geschwindigkeitsabhängigen
Zusatzwinkeln δM in Abhängigkeit
von der Fahrzeuggeschwindigkeit eingestellt. Dadurch ist es beispielsweise
möglich, bei niedrigen Fahrzeuggeschwindigkeiten ein relativ
kleines Übersetzungsverhältnis vorzugeben, bei
welchem eine relativ geringe Drehung des Lenkrads 2 zu
einem relativ großen Radlenkwinkel δFm der
Räder 5a, 5b führt. Ebenso ist es
bei einer hohen Fahrzeuggeschwindigkeit aus Stabilitätsgründen
denkbar, ein relativ großes Übersetzungsverhältnis
vorzugeben. Damit die vorstehend angeführten Steuerungs-
bzw. Regelungsfunktionen ausgeführt werden können,
erhält das Steuergerät 11 unter anderem
als Eingangssignal die aktuelle Fahrzeuggeschwindigkeit (z. B. über
einen CAN-Bus des Kraftfahrzeugs).
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Den Überlagerungsmitteln
8 nachgeordnet, weist
das elektronische Servolenksystem
1 einen elektrischen
Servoantrieb
12 auf, welcher unter anderem der variablen
Momentenunterstützung dient. Der elektrische Servoantrieb
12 weist
einen Elektromotor
13 zur Realisierung der Momentenunterstützung über
ein Riemengetriebe
14 auf. Das Riemengetriebe
14 weist
ein Antriebsritzel und eine Riemenscheibe zur Übertragung
der Momentenunterstützung über ein Kugelumlaufgetriebe
(nicht dargestellt) auf die Zahnstange
6 des elektrischen
Servolenksystems
1 auf. Des weiteren ist ein elektronisches
Steuergerät
15 zur Ansteuerung bzw. Regelung des
Elektromotors
13 vorgesehen. Die Erfindung wird anhand eines
elektrischen Servolenksystems
1 mit einem Riemengetriebe
14 und
einem separaten Kugelumlaufgetriebe zur Übertragung der
Unterstützungskraft auf die Zahnstange
6, wie
beispielsweise aus der
DE 100
52 275 bekannt, beschrieben. Für weitere elektrische
Servolenksystemtechnologien mit Momenten- bzw. Lenkunterstützung
lassen sich gleiche erfindungsgemäße Umsetzungen
erzielen.
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Außerdem
weist das elektronische Servolenksystem 1 Sensoren 16a, 16b, 16c auf,
welche den Lenkradwinkel δS, den
Zusatzwinkel δM und den Ritzelwinkel δG messen bzw. äquivalente Signale
liefern, aus denen diese Winkel δS, δM, δG bestimmt
werden können, wobei der Ritzelwinkel δG auch aus dem Lenkradwinkel δS und dem Zusatzwinkel δM berechnet werden kann. Des weiteren ist
ein Lenkmomentsensor vorgesehen (nicht dargestellt). Die Steuergeräte 11, 15 erhalten
die Ergebnisse der vorstehend genannten Sensoren als Eingangssignale
zur weiteren Verarbeitung bzw. Steuerung oder Regelung der Elektromotoren 9, 13.
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Erfindungsgemäß wird
ein Verfahren zum Betrieb des elektronischen Servolenksystems 1 vorgeschlagen,
bei welchem bei einer Lenkposition in einem Bereich vor einem mechanischen
Endanschlag 21 (siehe 2) der Zahnstange 6 des
Lenkgetriebes 4 und bei einer Fahrgeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs
von wenigstens annähernd null die Momentenunterstützung
des elektrischen Servoantriebs 12 derart deaktiviert wird,
dass keine weitere Positionierung der Zahnstange 6 bzw.
kein weiterer Zahnstangenhub in Richtung des mechanischen Endanschlags 21 der
Zahnstange 6 erfolgt, wobei gleichzeitig eine indirekte
Lenkübersetzung durch die Überlagerungsmittel 8 bzw.
das Überlagerungsgetriebe 10 eingestellt wird.
Sonach wird ein virtueller Endanschlag 20 vorgegeben. Die
Lenkübersetzung wird derart indirekt eingestellt, dass
der Lenkradwinkel δS im Wesentlichen
demjenigen Lenkradwinkel δS entspricht,
welcher bei konstanter Lenkübersetzung und normaler Positionierung
der Zahnstange 6 zum mechanischen Endanschlag 21 bzw.
vollständigem Zahnstangenhub vom Fahrer eingestellt würde.
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Bei
einer Fahrgeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs von größer
null wird unmittelbar die Momentenunterstützung des elektrischen
Servoantriebs 12 derart aktiviert, dass in Abhängigkeit
der aktuellen Fahrgeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs eine Korrektur
der Position der Zahnstange 6 bzw. ein Zahnstangenhub in
Richtung des mechanischen Endanschlags 21 der Zahnstange 6 erfolgt,
wobei die Überlagerungsmittel 8 derart gesteuert
bzw. geregelt werden, dass der Lenkradwinkel δS im
Wesentlichen konstant bleibt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren kann auf einem der
beiden elektronischen Steuergeräte 11, 15 oder
verteilt auf beiden Steuergeräten 11, 15 ausgeführt
werden.
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Darüber
hinaus besteht in weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispielen
die Möglichkeit, das Verfahren auf einem übergeordneten
Steuergerät bzw. System auszuführen und die elektronischen Steuergeräte 11, 15 entsprechend
anzusteuern.
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In 2 ist
ein kombiniertes Schaubild eines durch die Überlagerungsmittel 8 eingestellten Übersetzungsverlaufs 23, 24 und
einer Position eines Endanschlags 20, 21 bei Fahrt
und im Stand des Kraftfahrzeugs, sowie gemessene Verläufe 25, 26 der Spurstangensummenkraft
zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens
beispielhaft dargestellt. Dabei sind auf der vertikalen Achse der
Lenkradwinkel δS und die Spurstangensummenkraft
und auf der horizontalen Achse der Zahnstangenhub, d. h. die Position
der Zahnstange 6 aufgetragen. Die gepunktete vertikale
Linie 20 markiert den virtuellen Endanschlag der Zahnstange 6 im
Stand, während der mechanische Endanschlag der Zahnstange 6 durch die
durchgezogene vertikale Linie 21 angedeutet wird.
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Die
gestrichelte horizontale Linie 22 entspricht dem Lenkradwinkel δS, welcher bei virtuellem und bei mechanischem
Endanschlag 20, 21 der Zahnstange 6 identisch
ist, wodurch für den Fahrer keine Abweichung spürbar
ist. Die Gerade 23 stellt den Übersetzungsverlauf
ab X km/h dar, wobei X diejenige Fahrzeuggeschwindigkeit ist, ab
welcher der virtuelle Endanschlag 20 wieder dem mechanischen Endanschlag 21 entspricht,
also der volle Zahnstangenhub erreicht werden kann. X kann beispielweise in
einem Bereich von ca. 5 bis 10 km/h liegen. Die gepunktete Kurve 24 zeigt
den Übersetzungsverlauf im Stand, d. h. bei 0 km/h. Die
Kurve 25 markiert die gemessene Spurstangensummenkraft
im Stand während die Kurve 26 die gemessene Spurstangensummenkraft
bei 10 km/h zeigt. Ein Pfeil 27 deutet die Interpolation
der Übersetzungsverläufe durch die Überlagerungsmittel 8 und
die Verschiebung des virtuellen Endanschlags 20 zum mechanischen
Endanschlag 21 hin bei einer Änderung der Fahrzeuggeschwindigkeit
zwischen 0 km/h und X km/h an.
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Im
Beispiel beträgt die maximale Spurstangensummenkraft beim
Lenken im Stand (Kurve 25) 13 kN. Auf diese Kraft müsste
das elektronische Servolenksystem 1 ohne Verwendung des
erfindungsgemäßen Verfahrens grundsätzlich
ausgelegt werden. Bei Verwendung des virtuellen Endanschlags 20, welcher
vorliegend 10 mm vor dem mechanischen Endanschlag 21 angeordnet
ist, wird im Stand nur eine maximale Kraft von 11,5 kN benötigt.
Beim langsamen Fahren (hier 10 km/h) beträgt die maximale Kraft
nur noch 5 kN, d. h. beim Anfahren kann der virtuelle Endanschlag 20 sofort
zum mechanischen Endanschlag 21 hin verschoben werden.
Die Auslegung des elektronischen Servolenksystems 1, insbesondere
des elektrischen Servoantriebs 12 kann im Beispiel vorteilhaft
um 1,5 kN, d. h. ca. 12% geringer angesetzt werden.
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- 1
- Elektronisches
Servolenksystem
- 2
- Lenkrad
- 3
- Gelenkwelle/Lenksäule
- 4
- Lenkgetriebe
- 5a,
5b
- lenkbare
Räder
- 6
- Zahnstange
- 7
- Ritzel
- 8
- Überlagerungsmittel
- 9
- Zusatzwinkelsteller/Elektromotor
- 10
- Überlagerungsgetriebe
- 11
- elektronisches
Steuergerät der Überlagerungsmittel
- 12
- elektrischer
Servoantrieb
- 13
- Elektromotor
- 14
- Riemengetriebe
- 15
- Steuergerät
des Servoantriebs
- 16a,
16b, 16c
- Sensoren
- 20
- virtueller
Endanschlag
- 21
- mechanischer
Endanschlag
- 22
- Lenkwinkelverlauf
- 23
- Übersetzungsverlauf
bei Fahrt
- 24
- Übersetzungsverlauf
im Stand
- 25
- gemessene
Spurstangensummenkraft im Stand
- 26
- gemessene
Spurstangensummenkraft bei 10 km/h
- 27
- Pfeil
- δFm
- Radlenkwinkel
bzw. Lenkwinkel
- δG
- Ritzelwinkel
- δS
- Lenkradwinkel
- δM
- Zusatzwinkel
- δMd
- Sollwert
des Zusatzwinkels
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19751125
A1 [0002]
- - DE 10013711 A1 [0003, 0003]
- - DE 10052275 [0019]