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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Andrücken einer Zahnstange an ein mit der Zahnstange in Eingriff stehendes Ritzel, insbesondere bei einer Zahnstangenlenkung für ein Kraftfahrzeug, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Zahnstangenlenkung sowie ein Verfahren zur Montage einer Vorrichtung zum Andrücken einer Zahnstange an ein Ritzel, insbesondere bei einer Zahnstangenlenkung für ein Kraftfahrzeug, gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 8 bzw. 9.
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Eine Vorrichtung und eine damit ausgestattete Zahnstangenlenkung für ein Kraftfahrzeug sind aus der
DE 198 11 917 A1 bekannt. Diese Zahnstangenlenkung weist ein Lenkungsgehäuse auf, in dem eine Zahnstange längsverschieblich gelagert ist. Ein in dem Lenkungsgehäuse drehbar gelagertes Ritzel greift in die Verzahnung der Zahnstange ein und bewirkt bei Drehung der mit dem Ritzel drehfest verbundenen Lenksäule die seitliche Verlagerung der Zahnstange, was wiederum über Spurstangen und Achsschenkel zu einer Verschwenkung der gelenkten Räder des Kraftfahrzeuges führt.
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Der Eingriff des Ritzels in die Zahnstange wird spielfrei gehalten, indem ein gegenüber dem Ritzel an der Zahnstange anliegendes Druckstück unter Federvorspannung die Zahnstange in das Ritzel drückt. Aus dem allgemeinen Stand der Technik ist dabei bekannt, dass das Druckstückspiel über eine Stellschraube eingestellt wird, welche auch die Federvorspannung beeinflusst.
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So wird in der
DE 101 63 282 A1 ein Zahnstangengetriebe beschrieben, mit einer Gegendrückeinrichtung zur Kompensation von Reaktionskräften zwischen der Ritzelwelle und der Zahnstange. Die Gegendrückeinrichtung weist ein Druckstück und eine Justier/Verschlussmutter auf, zwischen denen sich eine Feder abstützt, wobei zwischen dem Justier-/Verschlussmutter und dem Druckstück ein eingestellter Spielspalt ausgebildet ist. Die Justier-/Verschlussmutter besteht aus einem Material, das einen Erweichungs-/Erschmelzungspunkt aufweist. Im in das Gehäuse eingesetzten Zustand, wird die Justier-/Verschlussmutter in lokalen Bereichen erweicht und/oder aufgeschmolzen und die erweichten und/oder aufgeschmolzenen und wiedererstarrten Teilbereiche der Justier-/Verschlussmutter werden mit dem Gehäuse formschlüssig verbunden.
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Das Druckstück muss derart ausgestaltet sein bzw. derart gegen die Zahnstange drücken, dass eine Kopplung der Zahnstange und des Ritzels ohne Spiel der miteinander in Eingriff stehenden Zähne aufrecht erhalten werden kann. Dabei müssen Fehler hinsichtlich der Exzentrität des Ritzels, seines axialen Spiels und des Verschleißes der Zähne berücksichtigt werden. Weiterhin muss der Mechanismus in der Lage sein, Stöße, die von den gelenkten Rädern stammen, wenn diese beispielsweise auf ein Hindernis stoßen, ohne Beschädigungen zu ertragen.
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Auch bei sogenannten Steer-by-wire-Lenkungen und bei Elektrolenkungen, bei denen auf eine drehfeste Verbindung mit der Lenksäule verzichtet werden kann, muss der Eingriff des Ritzels in die Zahnstange spielfrei gehalten werden. Auch in diesem Fall drückt ein gegenüber dem Ritzel an der Zahnstange anliegendes Druckstück unter Federvorspannung die Zahnstange gegen das Ritzel. Bei Elektro- oder Steer-by-wire-Lenkungen sind meist zwei Ritzel und dementsprechend auch zwei Druckstücke vorgesehen.
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Das Druckstück wird in eine Gehäusebohrung des die Zahnstange lagernden Lenkungsgehäuses eingebracht und anschließend mit der Stellschraube gesichert. Zwischen dem Druckstück und der Stellschraube ist dabei in der Regel ein Federelement angeordnet, welches in vielfältiger Art und Weise ausgestaltet sein kann. Hierzu wird beispielsweise auf die gattungsgemäße Schrift verwiesen. Auch hinsichtlich der Ausgestaltung des Druckstücks sind aus dem allgemeinen Stand der Technik vielfältige Lösungen bekannt, wozu beispielsweise auf die
DE 100 14 336 A1 , die
DE 197 17 797 A1 sowie die
DE 44 22 551 C1 verwiesen wird.
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Die Gehäusebohrung weist in ihrem oberen Bereich, in den die Stellschraube eingeschraubt wird, ein Gewinde auf. Durch das Einschrauben der Stellschraube in die Gehäusebohrung wird die Federvorspannung eingestellt, mit der das Druckstück auf die Zahnstange drückt. Zusätzlich dazu dient die Stellschraube in der Regel als Endanschlag für die axiale Bewegung des Druckstücks. Die Stellschraube bestimmt somit das Druckstückspiel.
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Das Einschrauben der Stellschraube bzw. das Einstellen des Druckstückspiels erfolgt beim Stand der Technik dadurch, dass die Stellschraube auf ein definiertes Moment angezogen wird. Anschließend wird das Gewinde der Stellschraube mit dem Gewinde der Gehäusebohrung verstemmt. Danach wird die Stellschraube zum Einstellen des Druckstückspiels nochmals um einige Winkelgrade verstellt. Dabei muss beachtet werden, dass ein definiertes Lösemoment der Stellschraube nicht unterschritten wird.
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Durch das axiale Verstemmen und das anschließende Einstellen des Spiels ist nur noch eine Vorspannung im Gewinde vorhanden, welche sich über die Lebensdauer abbaut, sodass die durch das Verstemmen gewünschte Sicherungswirkung stark zurückgeht. Nachteilig ist darüber hinaus, dass bei dem Verstemmen Schmutz in Form von Spänen anfällt, wodurch die Funktionalität des Systems beeinträchtigt werden kann bzw. die Vorrichtung vor der endgültigen Auslieferung gereinigt werden muss.
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Bei anderen, aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannten Zahnstangenlenkungen wird die Stellschraube durch eine Kontermutter gesichert, welche im Prinzip alle Funktionsanforderungen erfüllt. Dieses Sicherungskonzept ist aber sehr kostenintensiv.
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Wieder andere Lösungen sehen die Sicherung der Stellschraube durch einen Kunststoffring vor, welcher in einer Radialnut in der Stellschraube aufgenommen und beim Einschrauben verformt wird. Diese Verformung soll ein Sicherungsmoment der Stellschraube erzeugen. Bei der Temperaturwechselbelastung, wie sie in Zahnstangenlenkungen von Kraftfahrzeugen auftritt, geht jedoch die elastische Vorspannung des Kunststoffrings verloren und die Stellschraube ist nicht mehr gesichert. Ähnlich verhält sich auch eine Beschichtung der Stellschraube mit einer Kunststoffschicht, was ebenfalls aus einem allgemeinen Stand der Technik bekannt ist.
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Die teilweise zum Einsatz kommenden radialen Verstemmsicherungen haben den Nachteil, dass das Druckstückspiel von 0,05 ± 0,03 mm sehr stark verstellt wird, was mit großer Wahrscheinlichkeit zu Geräuschreklamationen durch zu großes Getriebespiel führt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Andrücken einer Zahnstange an ein Ritzel und ein Verfahren zur Montage einer Vorrichtung zum Andrücken einer Zahnstange an ein Ritzel zu schaffen, wodurch eine auch bei stark wechselnden Temperaturbedingungen beständige Sicherung der Stellschraube gegeben ist. Die Vorrichtung sollte möglichst kostengünstig und das Verfahren möglichst einfach auszuführen sein.
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Hinsichtlich der Vorrichtung wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
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Durch den erfindungsgemäß vorgesehenen Werkstoff ergibt sich eine formschlüssige Verbindung zwischen der Stellschraube und dem Lenkungsgehäuse in jeder beliebigen Stellung dieser beiden Teile zueinander, wodurch eine sehr gute Sicherung der Stellschraube hergestellt ist. Auf diese Weise kann ein mittels der Stellschraube eingestelltes Spiel zwischen der Zahnstange und dem Ritzel äußerst exakt eingehalten werden, und zwar auch bei sehr stark wechselnden Temperaturbedingungen.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass eine Veränderung der bei der Montage eingestellten Position der Stellschraube durch eine Zerstörung des Werkstoffs angezeigt wird. Auf diese Weise können ungerechtfertigte Garantieansprüche ausgeschlossen werden.
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Des weiteren dient der den Formschluss zwischen der Stellschraube und dem Lenkungsgehäuse herstellende Kunststoff auch zur Abdichtung des Lenkgetriebes, sodass ein ansonsten üblicher Dichtungsring zwischen der Stellschraube und dem Lenkungsgehäuse entfallen kann.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Werkstoff ein Kunststoff ist, da hierdurch sowohl eine gute Bearbeitbarkeit als auch ein guter Formschluss erzielt werden kann.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Hohlraum zwischen der Stellschraube und dem Lenkungsgehäuse durch eine nicht rotationssymmetrische Außenkontur der Stellschraube in einem oberhalb ihres Außengewindes liegenden Bereich und eine nicht rotationssymmetrische Innenkontur der Gehäusebohrung in einem der Stellschraube zugewandten, oberhalb ihres Innengewindes liegenden Bereich gebildet ist. Hierdurch kann ein besonders guter Formschluss zwischen dem Kunststoff und den beiden Bauteilen Stellschraube und Lenkungsgehäuse hergestellt werden, da die nicht rotationssymmetrische Außenkontur der Stellschraube und die nicht rotationssymmetrische Innenkontur der Gehäusebohrung eine Verzahnung mit dem eingegossenen Kunststoff bilden.
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Bezüglich der Montagetaktzeit sowie der Medien-, Temperatur- und Festigkeitsanforderungen an den Kunststoff hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, einen Kunststoff zu verwenden, der unter UV-Licht von einem flüssigen in einen festen Aggregatzustand wechselt.
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Ein für den vorliegenden Anwendungsfall besonders gut geeigneter Kunststoff ist ein Urethanmetacrylat, da dieser eine für den vorliegenden Anwendungsfall sehr gut geeignete Aushärtegeschwindigkeit und eine hohe Festigkeit bei Temperaturen über 100°C aufweist.
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Eine Zahnstangenlenkung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einer in einem Lenkungsgehause verschieblich gelagerten Zahnstange, mit einem mit einer Lenkspindel verbundenen, mit der Zahnstange in Eingriff stehendem Ritzel und mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Andrücken der Zahnstange an das Ritzel ist in Anspruch 8 angegeben.
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Eine verfahrensgemäße Lösung der Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen von Anspruch 9.
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Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich in sehr einfacher und damit schneller und kostengünstiger Art und Weise ausführen und stellt eine sichere formschlüssige Verbindung zwischen der Stellschraube und dem Lenkungsgehäuse über den Werkstoff her.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen. Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellt.
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Es zeigt:
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1 eine stark schematisierte Darstellung einer Zahnstangenlenkung mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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2 die erfindungsgemäße Vorrichtung in einem Schnitt nach der Linie II-II aus 3; und
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3 eine Draufsicht auf die Stellschraube und das Lenkungsgehäuse der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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1 zeigt in einer sehr schematischen Darstellung eine Zahnstangenlenkung 1 für ein in seiner Gesamtheit nicht dargestelltes Kraftfahrzeug. Die Zahnstangenlenkung 1 weist in an sich bekannter Weise ein Lenkungsgehäuse 2 auf, in dem eine Zahnstange 3 verschieblich gelagert ist. Die Zahnstange 3, die im vorliegenden Fall einen runden Querschnitt aufweist, die jedoch jeden beliebigen Querschnitt aufweisen kann, wirkt in ebenfalls an sich bekannter Weise auf jeweilige Spurstangen 4, die zur Verstellung von Rädern 5 des Kraftfahrzeugs dienen. Mit der Zahnstange 3 steht zur Bewegung derselben ein Ritzel 6 in Eingriff, welches mit einer sehr schematisch angedeuteten Lenkspindel 7 drehfest verbunden ist.
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Des weiteren weist die Zahnstangenlenkung
1 eine Vorrichtung
8 zum Andrücken der Zahnstange
3 an das Ritzel
6 auf, welche ein in einer Gehäusebohrung
9 des Lenkungsgehäuses
2 angeordnetes Druckstück
10, eine in der mit dem Bezugszeichen ”
11” bezeichneten Axialrichtung des Druckstücks
10 wirkende und das Druckstuck
10 in Richtung der Zahnstange
3 belastende Feder
12 sowie eine die Gehäusebohrung
9 abschließende und auf die Feder
12 wirkende Stellschraube
13 aufweist. Das Druckstück
10 hat in an sich bekannter Weise die Aufgabe, das Verzahnungsspiel zwischen der Zahnstange
3 und dem Ritzel
6 zu begrenzen und die beim Lenken auftretenden Abweiskräfte aufzunehmen und in das Lenkungsgehäuse
2 abzuleiten. Des weiteren dient das Druckstück
10 dazu, Verzahnungsfehler zwischen der Zahnstange
3 und dem Ritzel
6 sowie eventuelle Richtfehler der Zahnstange
3 auszugleichen. Mittels der Stellschraube
13 kann die Vorspannung der Feder
12 eingestellt werden, um das Druckstück
10 nachzustellen und damit in an sich bekannter Weise den Arbeitspunkt der Vorrichtung
8 einzustellen. Insoweit sind die Vorrichtung
8 und deren Wirkungsweise beispielsweise aus der
DE 197 17 797 A1 bekannt und in der Einleitung beschrieben worden, weshalb nachfolgend nicht näher darauf eingegangen werden soll.
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In dem Schnitt nach 2 ist die Vorrichtung 8 zum Andrücken der Zahnstange 3 an das Ritzel 6 detaillierter dargestellt. Auf der der in 2 nicht dargestellten Zahnstange 3 zugewandten Seite des Druckstücks 10 ist eine sogenannte Druckstückfolie 14 vorgesehen, deren Funktion an sich bekannt ist und daher im folgenden nicht näher erläutert wird. Des weiteren ist erkennbar, dass die Feder 12 in einer Ausnehmung 15 angeordnet ist, welche sich sowohl in das Druckstück 10 als auch in die Stellschraube 13 hinein erstreckt. Zur Verbindung mit einem Innengewinde 16 der Gehäusebohrung 9 bzw. des Lenkungsgehäuses 2 weist die Stellschraube 13 ein Außengewinde 17 auf. Hierbei kann es sich beispielsweise um ein metrisches Gewinde handeln, selbstverständlich sind jedoch auch andere Gewindeformen denkbar.
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In einem oberhalb des Außengewindes 17 der Stellschraube 13 liegenden Bereich 18 und in einem oberhalb des Innengewindes 16 der Gehäusebohrung 9 liegenden Bereich 19 ist ein umlaufender Hohlraum 20 gebildet, dessen Funktion unter Bezugnahme auf 3 nachfolgend näher beschrieben wird.
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Aus der Draufsicht gemäß 3, in der die Stellschraube 13 in ihrer Einbaulage in dem Lenkungsgehäuse 2 dargestellt ist, ist erkennbar, dass dieselbe in dem oberhalb des Außengewindes 17 liegenden Bereich 18 eine nicht rotationssymmetrische Außenkontur aufweist. Im vorliegenden Fall weist die Außenkontur der Stellschraube 13 einander abwechselnde Rücksprünge 21 auf. Um dem Hohlraum 20 eine möglichst ungleichmäßige Form zu geben, weist auch die Gehäusebohrung 9 in dem oberhalb des Innengewindes 16 liegenden Bereich 19 eine nicht rotationssymmetrische Innenkontur auf, wozu sie im vorliegenden Fall mehrere sich in das Material des Lenkungsgehäuses 2 hinein erstreckende Rücksprünge 22 aufweist. Sowohl die Rücksprünge 21 der Stellschraube 13 als auch die Rücksprünge 22 der Gehäusebohrung 9 bzw. des Lenkungsgehäuses 2 erstrecken sich dabei auch in der Axialrichtung 11. Die Form des Hohlraums 20 wird somit durch die Außenkontur der Stellschraube 13 und die Innenkontur der Gehäusebohrung 9 festgelegt. Selbstverständlich stellt die Anzahl und die Form der Rücksprünge 21 und 22 lediglich ein Ausführungsbeispiel dar. Gegebenenfalls könnte auch mit einer anderen, vorzugsweise unrunden, nicht rotationssymmetrischen Kontur die nachfolgend beschriebene Wirkung erzielt werden. Beispielsweise könnten auch flächige Bereiche aufweisende Innen- und/oder Außenkonturen verwendet werden.
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Durch ein Verdrehen der Stellschraube 13 wird ein bestimmtes Spiel zwischen der Zahnstange 3 und dem Ritzel 6 eingestellt. Nach dem Einstellen des Spiels zwischen der Zahnstange 3 und dem Ritzel 6 ergibt sich eine bestimmte relative Position zwischen der Stellschraube 13 und dem Lenkungsgehäuse 2, welche bei jeder Vorrichtung 8 unterschiedlich sein kann und welche durch Fixieren der Stellschraube 13 gesichert werden muss. Hierzu wird im vorliegenden Fall in den Hohlraum 20 ein Werkstoff 23 eingegossen, der unter bestimmten Bedingungen von einem flüssigen in einen festen Aggregatzustand wechselt und somit eine formschlüssige Verbindung zwischen der Stellschraube 13 und der Gehäusebohrung 9 bzw. dem Lenkungsgehäuse 2 herstellt. Aufgrund der oben näher beschriebenen Form des Hohlraums 20 ergibt sich somit eine sehr gute formschlüssige Verbindung zwischen diesen beiden Teilen, die auch bei stark wechselnden Temperaturbedingungen jegliche Bewegungen zwischen der Stellschraube 13 und dem Lenkungsgehäuse 2 verhindert. Bei der Herstellung der formschlüssigen Verbindung zwischen der Stellschraube 13 und dem Lenkungsgehäuse 2 wird das zuvor eingestellte Spiel zwischen dem Druckstück 10 und der Stellschraube 13 nicht verändert.
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Als für den Werkstoff 23 besonders gut geeignet hat sich ein Kunststoff 23 erwiesen. Vorzugsweise wird ein Kunststoff 23 verwendet, der unter UV-Licht aushärtet bzw. von seinem flüssigen in seinen festen Aggregatzustand wechselt. Als besonders geeignet hat sich ein Urethanmetacrylat als Kunststoff 23 erwiesen.
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Durch die beschriebene Formschlüssigkeit der Verbindung zwischen der Stellschraube 13 und dem Lenkungsgehäuse 2 mittels des Kunststoffs 23 werden eventuelle Eingriffe an der Stellschraube 13 unmittelbar durch eine Beschädigung des Kunststoffs 23 angezeigt, sodass Manipulationen an der Vorrichtung 8 ausgeschlossen werden können. Sollte dennoch ein Öffnen der Stellschraube 13 erforderlich sein, beispielsweise zu Reparaturzwecken, so kann der Kunststoff 23 mit einem geeigneten Werkzeug zerschlagen und die Stellschraube 13 dennoch geöffnet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zahnstangenlenkung
- 2
- Lenkungsgehäuse
- 3
- Zahnstange
- 4
- Spurstange
- 5
- Räder
- 6
- Ritzel
- 7
- Lenkspindel
- 8
- Vorrichtung
- 9
- Gehäusebohrung
- 10
- Druckstück
- 11
- Axialrichtung
- 12
- Feder
- 13
- Stellschraube
- 14
- Druckstückfolie
- 15
- Ausnehmung
- 16
- Innengewinde
- 17
- Außengewinde
- 18
- Bereich
- 19
- Bereich
- 20
- Hohlraum
- 21
- Rücksprünge
- 22
- Rücksprünge
- 23
- Werk-/Kunststoff
