DE102004001052A1 - Anzeige- und Signaleinrichtung - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung schlägt Lösungen für die Gestaltung von phantomlichtarmen Anzeige- und Signaleinrichtungen, die das Signallicht nahe der Horizontalebene konzentrieren und sich durch eine gute Absorption des Sonnenlichtes auszeichnen, vor. Sie ist besonders für die Konstruktion von LED-Lichtbalken, LED-Flächenstrahlern und LED-Rundumkennleuchten geeignet. Erfindungsgemäß wird das Licht einer oder mehrerer Lichtquellen kollimiert und von oben derart auf eine Fläche oder auf mehrere Flächen eines transparenten Körpers geleitet, dass das Signallicht an dieser Fläche bzw. an diesen Flächen über Totalreflexion in die Horizontalebene gelenkt wird und das einfallende Sonnenlicht an dieser Fläche in einem großen Winkelbereich durch diese Fläche bzw. diese Flächen gebrochen hindurchgeleitet und anschließend im Signal absorbiert wird. Die beschriebene Fläche des transparenten Körpers kann eben oder konkav ausgebildet sein und vorzugsweise eine Kegelform besitzen.
Description
- Die Erfindung bezieht sich auf Anzeige- und Signaleinrichtungen, die sich durch eine gute Absorption des Sonnenlichtes auszeichnen. Sie ist für die unterschiedlichsten Aufgaben wie z.B. für die Gestaltung von Lichtbalken, Fächenstrahlern, Rundumkennleuchten, Blinklichtern und Anzeigetafeln einsetzbar. Obwohl erfindungsgemäß verschiedene Lichtquellen eingesetzt werden können, ist die Erfindung besonders für den Einsatz von LEDs geeignet.
- Die Erfindung soll weiterhin dazu dienen, das Signallicht nahe der Horizontalebene zu konzentrieren, wobei oft eine enge Lichtstärkeverteilung in Vertikalrichtung und eine Lichtstärkeverteilung in einem größeren Winkel in Horizontalrichtung notwendig ist. Diese Forderung ist in der Signaltechnik für verschiedene Anwendungen, wie z.B. bei Lichtbalken auf Einsatzfahrzeugen und Rundumkennleuchten sinnvoll. Als Beispiel sei hierfür die Patentschrift
GB 2 350 176 - Für die Absorption des Sonnenlichtes zur Unterdrückung des Phantomlichtes in Signalanlagen wurden schon vielfältige Lösungen dargelegt. Einen in Bezug zum vorliegenden Patent relevanten Vorschlag enthält die Patentschrift WO 02/17628, bei der eine Vorsatzoptik für eine LED-Video-Paneele beschrieben wird, wobei das LED-Licht nach außen geleitet wird, indem es durch transparente Lichtkegel geführt und an der Kegelwand teilweise total reflektiert wird. Die Kegel zielen dabei in einem gewissen Winkel nach unten und erzeugen eine rotationssymmetrische Lichtverteilung in diese Richtung. Das auftreffende Sonnenlicht wird absorbiert, indem es an den konvexen kegelfömigen Flächen durch Brechung hindurchdringt und an einer nachfolgenden schwarzen Fläche absorbiert wird. Diese Anordnung ist nicht dafür geeignet, eine enge Bündelung eines Signallichtes nahe der Horizontalebene zu bewirken.
- Es ist Aufgabe der Erfindung, Lösungen für die Gestaltung von Anzeige- und Signaleinrichtungen darzulegen, bei denen eine Absorption des Sonnenlichtes in einem großen Winkelbereich des einfallenden Sonnenlichtes stattfindet und eine enge Bündelung des Signallichtes nahe der Horizontalebene erfolgt. Bei Bedarf soll die Erzeugung einer unsymmetrischen Lichtverteilung mit einer engen Bündelung in Vertikahichtung und einer Lichtstärkeverteilung in einem größeren Winkel in Horizontalrichtung möglich sein. Die Erfindung soll es weiterhin gestatten, einzelne Etagen übereinander anordnen zu können. Für Flächenstrahler mit mehreren Etagen sollte außerdem die Montage der Lichtquellen auf einer gemeinsamen Trägerplatte möglich sein.
- Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass das Signallicht einer oder mehrerer Lichtquellen eng gebündelt wird und von oben derart auf eine Fläche oder auf mehrere Flächen eines transparenten Körpers oder mehrerer transparenten Körper geleitet wird, dass dieses Signallicht an dieser Fläche bzw. an diesen Flächen über Totalreflexion in die Horizontalebene gelenkt wird und das einfallende Sonnenlicht an dieser Fläche bzw. an diesen Flächen in einem großen Winkelbereich durch diese Fläche bzw. diesen Flächen gebrochen hindwchgeleitet und anschließend im Signal absorbiert wird. Dabei kann die beschriebene Fläche eines transparenten Körpers eben ausgebildet sein oder auch eine konkave Form besitzen, um eine Verbreiterung der Lichtstärkeverteilung in Horizontalrichtung zu erzielen. Eine günstige Form ist hierfür die Kegelform. Alle Sonnenstrahlen, die entsprechend dem Brechungsgesetz unter einem Winkel α < arcsin(1/n) zur Flächennormalen auf eine oben beschriebene Fläche innerhalb des transparenten Körpers treffen und somit eine gewisse Neigung zur Horizontalebene aufweisen, werden durch diese Fläche hindwchgelassen und im Signal absorbiert (n ist die Brechzahl des transparenten Körpers). Zur Absorption dieses durch die beschriebenen Flächen gebrochenen Lichtes eignen sich schwarze Körper, welche die durch die Absorption des Sonnenlichtes entstehende Wärme auf ein Gehäuse oder auf einen Träger ableiten sollten. Die Einrichtung zur Ableitung der Wärme kann dabei vorteilhaft gleichzeitig die Wärmeentwicklung der Lichtquellen abführen. Nachfolgend wird der eng gebündelte Lichtstrahl als kollimiert bezeichnet.
- Das Anzeige- bzw. Signallicht kann von oben oder von hinten in den transparenten Körper bzw. die transparenten Körper eingebracht werden. So können in der ersten Variante die Lichtquellen mit der jeweils zugehörigen Kollimation direkt auf einem transparenten Körper aufliegen und das Licht von oben nach unten in den bzw. die transparenten Körper einstrahlen, um anschließend durch die oben beschriebenen Flächen in die Horizontalebene total reflektiert zu werden. In der zweiten Variante wird das Signallicht von hinten in einen transparenten oder mehrere transparente Körper eingeleitet, anschließend durch eine Reflexion nach unten gelenkt, um dann auf die oben beschriebene Fläche zu treffen, an der das Signallicht in die Horizontalebene total reflektiert wird. Um eine kompakte Anordnung zu erzielen, werden hierzu vorzugsweise erfindungsgemäß die transparenten Körper zur Strahlumlenkung so gestaltet, dass sie oben und unten Flächen besitzen, die in ihrer umschließenden Kontur Schrägen aufweisen, so dass beim übereinander Anordnen dieser Körper keine Kollisionen austreten. In einer einfachsten Ausführungsform besitzen die transparenten Körper zwei Flächen, deren Schnittlinien im Vertikalschnitt durch einen kollimierten Strahl unter 45° zur Horizontebene geneigt sind. Die Toleranz im Rahmen der Erfindung wird hierbei mit ± 15° angegeben. Bei dieser zweiten Anordnung können die Lichtquellen mehrerer Etagen auf einer gemeinsamen Trägerplatte angeordnet werden.
- Eine Absorption des Sonnenlichtes nach dem Durchtritt durch die oben beschriebene Fläche, an der das Signallicht in Horizontalebene total reflektiert wird, kann unmittelbar nach der Brechung des Sonnenlichtes erfolgen, indem eine absorbierende Fläche in einem kleinen Abstand zur totalreflektierenden Fläche angeordnet wird.
- Weiterhin kann durch die Neigung und Form der Flächen die Hauptstrahlrichtung in vertikaler Richtung beeinflusst werden. Hier ist es insbesondere auch möglich, den Neigungswinkel der Fläche, an der das Signallicht in die Horizontalebene reflektiert wird, kontinuierlich nach unten hin zu verändern Außerdem kann durch eine umschließende Haube ebenfalls die Strahlichtung verändert werden.
- So können z.B. horizontale Rillen in der Haube als Zylinderlinsen wirken und eine Strahlaufweitung in vertikaler Richtung bewirken.
- Nach erfolgter Reflexion des Signallichtes an den beschriebenen Flächen der transparenten Körper ist die zusätzliche Strahlablenkung beim Lichtaustritt aus diesen Körpern entsprechend dem Brechungsgesetz zu berücksichtigen. Will man eine zusätzliche vertikale Strahlaufweitung beim Austritt aus dem transparenten Körper vermeiden oder minimieren, so muss die Austrittsfläche eine konvexe Form besitzen. Im einfachsten Fall handelt es sich hierbei im Vertikalschnitt um eine Kreisform, wobei der günstigste Mittelpunkt dieses Kreises zur Erzielung einer minimalen Strahlaufweitung durch rückwärtige Verlängerung der Strahlen im gemeinsamen Schnittpunkt derselben zu finden ist. Außerdem bewirkt eine derartige konvexe Fläche, dass gerichtetes Sonnenlicht beim Eintritt in diese Fläche divergent zurückreflektiert wird.
- Erfindungsgemäß können auch senkrechte, absorbierende Flächen in die transparenten Körper eingebracht oder zwischen diesen angeordnet werden, um insbesondere das schräg und unter flachem Winkel einfallende Sonnenlicht zu absorbieren.
- Auf der Grundlage der Erfindung können LED-Signale mit einer Hauptstrahlrichtung realisiert werden, bei denen LEDs auf einer gemeinsamen Trägerplatte angeordnet werden. Auch können phantomlichtarme lichtstarke Anzeigetafeln gestaltet werden, bei denen die LEDs zur Erzeugung von Schriftzügen oder Bildern einzeln angesteuert werden. Um eine kompakte Anordnung ohne zusätzliche Haube zu gestalten, können die transparenten Körper mit reflektierenden und absorbierenden Zwischenschichten in einem Stück in einem Metall-Kunststoff-Verbund hergestellt werden. Dabei ist es auch möglich, Bleche zwischen den einzelnen Etagen zu verwenden, welche nach oben schwarz und nach unten reflektierend sind, um das Sonnenlicht nach erfolgter Brechung an den oben beschrieben Flächen sofort zu absorbieren und andererseits das von hinten eingestrahlte Signallicht nach unten zu reflektieren. Auch ist ein Zweifarben-Spritzgussverfahren mit transparenten und absorbierenden Werkstoffen für die Herstellung möglich.
- Auf der Basis der Erfindung sind weiterhin Rundumkennleuchten mit mehreren angeordneten Etagen realisierbar. Die oben beschriebenen kegelförmigen Flächen können dabei jeweils eine eigene Rotationsachse zur Erzeugung der Kegelform aufweisen, die sich in ihrer Lage zur Rotationsachse der Rundumkennleuchte unterscheidet. Dadurch können auch sehr breite Lichtzonen in der Horizontalebene erzeugt werden, die nacheinander aus- und eingeschaltet werden. Auch ist es möglich, die Etagen in einem Winkel versetzt zueinander anzuordnen und mehrere Lichtquellen gleichzeitig einzuschalten.
- Das beschriebene Signal kann mit LEDs einer Signallichtfarbe sowie unterschiedlicher Farbe versehen sein.
- Nachfolgend wird die Erfindung an Beispielen erläutert.
- In
1 bis3 ist eine Rundumkennleuchte mit transparenten Körpern (1 ) zur Strahlumlenkung dargestellt, wobei in drei Etagen jeweils sechs Hochleistungs-LEDs (2 ) eingesetzt sind, die das Licht über die Kollimatoren (3 ) nach unten strahlen.1 ist eine Schnittdarstellung (A-A) des gesamten Aufbaus mit transparenten Haube (4 ),2 stellt einen einzelnen transparenten Körper (1 ) dar, und3 ist die Draufsicht von1 ohne Haube und ohne einen oberen Tragkörper (5 ), um die Anordnung der LEDs (2 ) zu verdeutlichen. Die baugleichen Etagen sind um jeweils 20° zueinander versetzt, so dass ein Betrieb im 20°-Takt über drei Etagen hinweg möglich ist. Das Licht der LEDs (2 ) wird jeweils von oben kollimiert in die transparenten Körper (1 ) eingestrahlt und über Totalreflexion an den Kegelflächen (6 ), welche mit einem Neigungswinkel von 45° ausgebildet sind, in die Horizontalebene (7 ) gelenkt. Die jeweiligen Rotationsachsen der Kegelflächen (6 ) fallen in diesem Beispiel mit der Gesamtrotationsachse (8 ) des Signals zusammen. Das Umgebungslicht bzw. das direkte Sonnenlicht wird zu einem großen Teil dadurch absorbiert und in seiner Wirkung gemindert, dass alle Sonnenstrahlen (9 ), die unter einem Winkel α < arcsin(1/n) zur Flächennormalen auf eine Kegelfläche (6 ) treffen, nicht an dieser reflektiert werden, sondern mittels Brechung diese Fläche durchdringen und anschließend auf einen schwarzen Kegel (10 ) treffen. Da z.B. bei Polycarbonat mit einer Brechzahl n = 1,585 der Grenzwinkel α zur Totalreflexion ca. 39° beträgt, findet an der Kegelfläche eine Reflexion in den oberen Bereich bzw. vom oberen Bereich in Bezug zur Horizontalebene nur in einem Winkel β1 von ca. 6° statt, was für das kollimierte bzw. eng gebündelte LED-Licht vollkommen ausreichend ist, zumal dieser Winkel beim Austritt aus dem transparenten Körper infolge Brechung auf ca. β2 = 9° erweitert werden kann. Die eintreffende Sonnenstrahlung wird dagegen durch diese Maßnahme genau dann absorbiert, wenn sie unter einem größeren Winkel als β2 auf das Signal trifft. Weitere, insbesondere auch noch flachere auf das Signal treffende Sonnenstrahlen (11 ) werden an den senkrechten Flächen (12 ) absorbiert (siehe3 ). Diese befinden sich zwischen den transparenten Körpern (1 ) und können z.B. durch einen Metall-Spritzguss-Verbund integriert werden und auch zur Wärmeabführung metallisch mit dem Gehäuse verbunden sein. Die Haube (4 ) ist in diesem Beispiel transparent für alle Farben. Sie kann aber alternativ in den Zwischenzonen, in denen das LED-Licht nicht aus dem Signal dringt, eingefärbte Zonen zur Absorption des Sonnenlichtes oder die Farbe des Signallichtes aufweisen.1 enthält außerdem die Kennzeichnung des Radius r1, welcher bewirkt, dass die Strahlablenkung beim Austritt des Signallichtes aus den transparenten Körpern (1 ), also die Differenz zwischen β2 und β1, gering ist. -
4 bis7 stellt eine alternative Form der transparenten Körper zur Strahlumlenkung bei erfindungsgemäßen Rundumkennleuchten dar.6 ist die Draufsicht mit den zugehörigen Schnitten B-B und C-C in4 und7 ,5 ist eine zugehörige perspektivischen Ansicht. Bei dieser Variante fallen die Rotationsachsen (13 ) der einzelnen Segmente (14 ) zur Erzeugung der Kegelfläche nicht mit der Gesamt-Rotationsachse (15 ) zusammen, sondern sie sind jeweils um einen Betrag a von dieser versetzt. Dies wirkt sich durch die stärkere Wölbung der kegelförmigen, total reflektierenden Fläche (16 ) in einer Verbreiterung der Lichtstärkeverteilung in der Horizontalebene aus. Auch hier werden die einzelnen Segmente (14 ) von absorbierenden Flächen (17 ) zur Absorption des Sonnenlichtes eingeschlossen. - In
8 ,9 und10 ist eine weitere erfindungsgemäße Rundumkennleuchte mit zwei Etagen und jeweils zwölf LEDs in einer Etage in Vorderansicht, Draufsicht und Schnittansicht dargestellt. Das Licht der LEDs (18 ) wird hierbei über die Kollimatoren (19 ) zunächst horizontal in transparente Körper (20 ) gelenkt, dann an den Flächen (21 ) nach unten und anschließend an den Flächen (22 ) in Horizontalrichtung total reflektiert. An den Flächen (22 ) erfolgt ebenfalls wiederum der Lichtdurchtritt der Sonnenstrahlen wie oben beschrieben in einem großen Winkelbereich. Die Kegel (23 ) und die Seitenwände (24 ) sind schwarz und absorbieren das Sonnenlicht. Durch die horizontale Lichtabstrahlung der LEDs können mehrere Etagen dicht übereinander angeordnet werden. Auf diese Weise sind hohe Lichtstärken bei kleiner Bauhöhe realisierbar. Die transparenten Körper (20 ) nehmen jeweils einen Winkel von 30° ein. Die zwei Etagen sind um 15° zueinander versetzt. - In
11 bis13 ist ein erfindungsgemäßer Lichtbalken als Aufsatz für Einsatzfahrzeuge dargestellt, wobei11 eine Vorderansicht mit teilweise aufgebrochener Haube,12 eine zugehörige Teil-Draufsicht ohne Haube und13 eine Schnittansicht ist. Die LEDs (25 ) sind hier mit ihren zugeordneten Kollimatoren (26 ) in einer Reihe auf einer Trägerplatte (27 ) angeordnet und strahlen das Signallicht nach unten. Diese Trägerplatte (27 ) ist an einem schwarzen Blech (28 ) befestigt, welches so gebogen ist, dass es auch die durch die konkave, total reflektierende, kegelförmige Fläche (29 ) des transparenten Körpers (30 ) durchtretenden Sonnenstrahlen (31 ) absorbiert. Da dieses Blech (28 ) mit der Grundplatte (32 ) verbunden ist, dient es gleichzeitig zur Wärmeableitung. Die transparenten Körper (30 ) sind durch absorbierende Flächen (33 ) getrennt. Die Haube (34 ) ist in dem Bereich des Lichtdurchtrittes transparent und in den anderen Bereichen in der Farbe des Signallichtes eingefärbt. - In (
14 –17 ) wird ein erfindungsgemäßer matrixförmiger Flächenstrahler beschrieben, bei dem das Signallicht in horizontaler Richtung aus den LEDs strahlt.14 ist eine Vorderansicht und15 die zugehörige Draufsicht.16 stellt eine Schnittansicht durch das Signal dar. Bei dem Signal werden die LEDs (35 ) auf einen gemeinsamen Träger (36 ) montiert. Das Licht der LEDs wird durch Kollimatoren (37 ) eng gebündelt und in jeweils einen transparenten Körper (38 ) geleitet. Die Körper (38 ) besitzen an ihrer Ober- und Unterseite blanke Flächen (39 ,40 ) , an denen das Signallicht durch Totalreflexion zunächst nach unten und dann in Horizontalrichtung umgelenkt wird. Die Austrittsflächen (41 ) wurden leicht konvex gestaltet, um die Wirkung der Sonnenreflexion an diesen Flächen zu reduzieren (Radius r2). Die unteren Flächen (40 ) der transparenten Körper (38 ) sind konisch ausgebildet, um in der Horizontalebene eine verbreiterte Lichtstärkeverteilung zu erzielen. In16 sind die Rotationsachse (42 ) zur Erzeugung der Kegelform und die Kontur zur Erzeugung des Kegels (43 ) dargestellt.17 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Körpers (38 ) von unten. Durch die erfindungsgemäße Form (45°-Schrägen in16 ) der transparenten Körper (38 ) können diese eng übereinander gestapelt werden, so dass eine kompakte Bauform des Signals möglich ist. Das Signallicht tritt in vertikaler Richtung in einem engen Winkel und in der Horizontalebene in einem größeren Winkel aus. Das Sonnenlicht, welches in den transparenten Körper (38 ) eintritt, wird für die meisten Einfallswinkel an den Flächen (40 ) gebrochen und an den schwarzen Blechen (44 ) absorbiert, wobei die Wärmeableitung über den gemeinsamen Träger (36 ) erfolgt. Seitlich und flach einfallendes Sonnenlicht wird zusätzlich durch senkrechte schwarze Flächen (45 ) absorbiert. - In
18 und19 ist ein möglicher Metall-Kunststoff-Verbund für ein derartiges Signal mit perspektivischer Vorder- und Rückansicht dargestellt, der an seiner Vorderseite einen zusammenhängenden Abschluss besitzt, so dass keine zusätzliche Haube notwendig ist. Eingesetzte Bleche (46 ) besitzen nach unten eine hochreflektierende Schicht und nach oben eine lichtabsorbierende Schicht. Das von hinten eingestrahlte LED-Licht wird an der reflektierenden Unterseite eines jeden Bleches (46 ) nach unten reflektiert. Die anschließende erfindungsgemäße Totalreflexion des Signallichtes an der beschriebenen Kegelfläche und der Durchtritt des Sonnenlichtes durch diese Fläche nach erfolgter Brechung desselben ist weiterhin durch den Luftraum (47 ) unterhalb der blanken Kegelfläche und den damit verbundenen Brechzahlunterschied als Voraussetzung für eine Totalreflexion möglich.
Claims (10)
- Anzeige- und Signaleinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass das Signallicht einer oder mehrerer Lichtquellen eng gebündelt wird und von oben derart auf eine Fläche oder auf mehrere Flächen eines transparenten Körpers oder mehrerer transparenten Körper geleitet wird, dass dieses Signallicht an dieser Fläche bzw. an diesen Flächen über Totalreflexion in die Horizontalebene gelenkt wird und das einfallende Sonnenlicht an dieser Fläche bzw. an diesen Flächen in einem großen Winkelbereich durch diese Fläche bzw. diesen Flächen gebrochen hindurchgeleitet und anschließend im Signal absorbiert wird.
- Anzeige- und Signaleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beschriebene Fläche eines tansparenten Körpers eben oder konkav ausgebildet ist.
- Anzeige- und Signaleinrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beschriebene Fläche eines transparenten Körpers eine Kegelform besitzt.
- Anzeige- und Signaleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Anzeige- bzw. Signallicht von oben in den transparenten Körper bzw. die transparenten Körper eingebracht wird, um anschließend durch die beschriebene Fläche in die Horizontalebene total reflektiert zu werden.
- Anzeige- und Signaleinrichtung nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen mit der jeweils zugehörigen Kollimation direkt auf einem transparenten Körper aufliegen und das Licht von oben nach unten in den transparenten Körper einstrahlen.
- Anzeige- und Signaleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Signallicht von hinten in einen transparenten oder mehrere transparente Körper eingeleitet wird, anschließend durch eine Reflexion nach unten gelenkt wird, um dann auf die im Anspruch 1 beschriebene Fläche zu treffen, an der das Signallicht in die Horizontalebene total reflektiert wird.
- Anzeige- und Signaleinrichtung nach Anspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die transparenten Körper zur Strahlumlenkung so gestaltet sind, dass sie oben und unten Flächen besitzen, die in ihrer umschließenden Kontur Schrägen in der Art aufweisen, so dass beim übereinander Anordnen dieser Körper keine Kollisionen auftreten.
- Anzeige- und Signaleinrichtung nach Anspruch 1, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die transparenten Körper zwei Flächen besitzen, deren Schnittlinien im Vertikalschnitt durch einen kollimierten Strahl unter 45° zur Horizontebene geneigt sind. Die Toleranz im Rahmen der Erfindung wird hierbei mit ± 15° angegeben.
- Anzeige- und Signaleinrichtung nach Anspruch 1, 6, 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass Bleche als Zwischenschichten zwischen den einzelnen Etagen verwendet werden, welche nach oben schwarz und nach unten reflektierend sind, um das Sonnenlicht nach erfolgter Brechung an den oben beschrieben Flächen sofort zu absorbieren und andererseits das von hinten eingestrahlte Signallicht nach unten zu reflektieren.
- Anzeige- und Signaleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Gestaltung von Rundumkennleuchten die oben beschriebenen kegelförmigen Flächen jeweils eine eigene Rotationsachse aufweisen, die sich in ihrer Lage zur Rotationsachse der Rundumkennleuchte unterscheidet.
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