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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Federelement für
Gummifederachsen sowie auf ein Gummifederachssystem, wie sie insbesondere bei
Landfahrzeugen Anwendung finden.
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Federelemente
der in Rede stehenden Art sind hinlänglich aus dem Stand
der Technik bekannt. So sind Gummifederachssysteme bekannt, welche
z. B. auf einem Vierkant-Rohr basieren, das fest mit dem Rahmen
eines Anhängers verbunden ist. In diesem Vierkant-Achsrohr
befindet sich ein kleineres Vierkant-Rohr, welches gegenüber
dem Achsrohr um 45° gedreht ist. In diesen, zwischen den
beiden Rohren entstehenden Hohlraum sind vier Federelemente eingepresst.
Beim Einfedern des Fahrzeugs wird das kleinere Vierkant-Rohr in
Bezug auf das größere Vierkant-Achsrohr derart
in Rotation versetzt, dass die Federelemente zusammengedrückt
werden, was gleichzeitig Federung und in gewissem Umfang auch Stoßdämpfung
darstellt. Die in diesen Systemen Anwendung findenden Federelemente
sind in der Regel Extrusionsprofile mit kreisrundem Querschnitt.
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Problematisch
bei derartigen Systemen ist jedoch, dass lokal hohe Verformungen
in den Federelementen induziert werden. Hierdurch bedingt werden
bei nur geringfügigen Bauteilschwankungen unterschiedliche
Federsteifigkeiten erzielt. Aus diesem Grunde gelten für
Federelemente des Stands der Technik sehr geringe Fertigungstoleranzen.
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Es
ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Federelement für
Gummifederachsen, insbesondere von Landfahrzeugen sowie ein Gummifederachssystem,
insbesondere von Landfahrzeugen, vorzusehen, welche kostengünstig
produziert mit größerer Fertigungstoleranz eingebaut
werden können sowie eine höhere Betriebssicherheit
aufweisen.
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Diese
Aufgaben werden durch ein Federelement für Gummifederachsen,
insbesondere von Landfahrzeugen, mit den Merkmalen des Anspruchs 1
sowie ein Gummifederachssystem, insbesondere für Landfahrzeuge,
mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen ergeben
sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Erfindungsgemäß ist
eine Federelement für Gummifederachsen, insbesondere von
Landfahrzeugen, vorgesehen, welches als Profilelement ausgebildet
ist und in seinem Querschnitt im Wesentlichen senkrecht zu seiner
Längserstreckung Bereiche mit unterschiedlicher Elastizität
bzw. unterschiedlichem Elastizitätsmodul aufweist. Das
Federelement ist somit besonders zweckmäßigerweise
für Landfahrzeuge, beispielsweise Kraftfahrzeuge, Nutzfahrzeuge, Anhänger,
Reisemobile oder dergleichen, geeignet, kann jedoch auch in anderen
Systemen mit Gummifederachsen Anwendung finden. Hierfür
ist das Federelement vorzugsweise als Profilelement ausgebildet,
d. h. es weist eine Länge bzw. Längserstreckung auf,
die wesentlich größer als die Dicke bzw. Breite desselben
ist. Entsprechend weist das Federelement einen Querschnitt auf,
welcher im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse bzw. Längserstreckung des
Federelements liegt. Entlang des Querschnitts weist das Federelement
zweckmäßigerweise Bereiche mit unterschiedlichem
Elastizitätsmodul auf. In anderen Worten weist das Federelement
entlang seinem Querschnitt zumindest zwei Bereiche mit unterschiedlicher
Steifigkeit bzw. Härte bzw. Federhärte bzw. Elastizität
auf. Hierdurch ist es möglich, die Steifigkeit bzw. Einfederung
bzw. Kompressibilität des Federelements je nach Querschnittsbelastung
variabel zu gestalten, sodass es möglich wird, ein steifes bzw.
federhartes Material an hoch belasteten Bereichen und ein weicheres
bzw. weniger steifes Material in Bereichen geringer Belastung vorzusehen.
Die verschiedenen Charakteristika im Bezug auf das Elastizitätsmodul
bzw. die Steifigkeit bzw. Federhärte lassen sich aufgrund
von verschiedensten Parametern einstellen. So kann dies durch Verwendung
von verschiedenen Materialien oder aufgrund von geometrischen Gegebenheiten
(Löcher, Öffnungen, Materialausdünnungen)
ermöglicht werden. Es versteht sich, dass auch Kombinationen
von verschiedenen Materialien und geometrischen Gegebenheiten zur Schaffung
von verschiedenen Materialcharakteristika in verschiedenen Querschnittsbereichen
vorgesehen sein können.
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Vorteilhafterweise
ist das Federelement aus zumindest zwei Werkstoffen ausgebildet.
In anderen Worten ist das Federelement aus zwei verschiedenen Materialien
ausgebildet, wobei verschiedenste Herstellungsprozesse bzw. -verfahren
Anwendung finden können. Beispielsweise kann das Federelement
aus einem Co-Extrusionsprozess hergestellt sein. Es versteht sich,
dass jedoch auch alternative Herstellungsverfahren, wie Gießen,
Schäumen, ... Anwendung finden können.
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Vorzugsweise
ist das Federelement aus einem ersten Werkstoff, der im Wesentlichen
im Querschnittszentrum vorgesehen ist, und einem zweiten Werkstoff
ausgebildet, der den ersten Werkstoff zumindest teilweise umgibt.
Der erste Werkstoff kann somit bei dieser bevorzugten Ausführungsform
im Wesentlichen im Querschnittszentrum, d. h. in einem Mittel- bzw.
mittleren Bereich bzw. Querschnittsbereich des Federelements vorgesehen
sein. Es versteht sich, dass die Werkstoffe nicht symmetrisch mit Bezug
auf das Querschnittszentrum vorgesehen sein müssen, sondern
in beliebiger Querschnittsform versetzt zu dem Querschnittszentrum
angeordnet sein können. Weiterhin ist das Federelement
zweckmäßigerweise mit einem zweiten Werkstoff,
welchen den ersten Werkstoff zumindest teilweise umgibt, ausgebildet.
Der zweite Werkstoff umgibt den ersten Werkstoff im Querschnitt
gesehen somit zumindest teilweise, d. h. muss den ersten Werkstoff
nicht zwangsweise an den Stirnseitenbereichen des Federelements umgeben.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der zweite Werkstoff den ersten
Werkstoff im Querschnitt gesehen vollständig umgibt bzw.
einschließt bzw. umfasst. Bei einem teilweisen Umgeben
des ersten Werkstoffs durch den zweiten Werkstoff kann der zweite
Werkstoff beispielsweise lediglich in besonders stark beanspruchten
umfänglichen Randbereichen des Federelements vorgesehen
sein.
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Vorteilhafterweise
weist der erste Werkstoff einen geringeren Druckverformungsrest
als der zweite Werkstoff auf. Der Begriff Druckverformungsrest ist
hierbei derart definiert, dass ein Druckverformungsrest von 100%
heißt, dass keine Rückstellkraft bzw. -bewegung
bzw. Materialrückstellung mehr vorhanden ist, wohingegen
ein Wert von 0% den idealen Zustand darstellt. Der Druckverformungsrest
ist in ISO 815 näher definiert. Besonders
vorteilhaft ist der Druckverformungsrest < 10, um ein möglichst geringes
Setzen des Bauteils zu gewährleisten
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Besonders
vorteilhafterweise ist der erste Werkstoff geschäumt. Der
erste Werkstoff kann aus einem offenzelligen bzw. -porigen Material
ausgebildet sein, ist jedoch besonders vorteilhafterweise aus einem
geschlossenzelligen bzw. -porigen Material gebildet. Besonders vorteilhafterweise
ist der Werkstoff ist ein Naturkautschuk oder ein syntetischer Kautschuk,
beispielsweise ein thermoplastischer Elastomer, SBR, NR, EPDM oder
PUR. So ist es besonders vorteilhaft, wenn der erste Werkstoff ein Elastomer
ist.
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Weiterhin
vorteilhafterweise ist der zweite Werkstoff aus einem abrasionsfesten
Material ausgebildet und weist vorzugsweise eine raue Oberfläche auf.
Die nach ISO 4649 definierte Abriebsfestigkeit sollte < 100 sein.
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Zweckmäßigerweise
weist das Federelement weiterhin eine Ausnehmung auf, die sich vorzugsweise
zumindest teilweise entlang der Längserstreckung des Federelements
erstreckt. Die Ausnehmung kann sich somit lediglich teilweise entlang
der gesamten Längserstreckung des Federelements erstrecken,
sodass die Ausnehmung im Wesentlichen eine Kammer in Richtung der
Längserstreckung des Federelements bildet. Zusätzlich
oder alternativ kann die Ausnehmung jedoch auch sich vollständig
entlang der Längserstreckung des Federelements erstrecken,
sodass die Ausnehmung im Wesentlichen einen Durchgang bzw. eine
durchgehende Öffnung zwischen den Stirnseiten des Federelements
ent lang dessen gesamter Längserstreckung bildet. Die Ausnehmung
kann eine beliebige geometrische Querschnittskonfiguration aufweisen.
Besonders vorzugsweise ist die Ausnehmung jedoch im Querschnitt rund,
ganz besonders vorzugsweise kreisrund. Die Ausnehmung kann beliebig
in Relation zum Querschnitt des Federelements angeordnet sein, ist
jedoch besonders vorteilhafterweise im oder nahe des Querschnittszentrums
und/oder in einem äußeren Randbereich des Federelements
vorgesehen.
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Bevorzugt
ist eine Vielzahl von vorzugsweise gleich ausgebildeten Ausnehmungen
vorgesehen.
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Hierbei
können die Ausnehmungen bzw. kann die Ausnehmung am umfänglichen
Randbereich des Federelements vorgesehen sein. Der umfängliche
Randbereich des Federelements ist im Querschnitt ein ringförmiger
Bereich, dessen Außengrenze durch die äußere
Oberfläche bzw. Außenkante des Federelements definiert
wird und dessen Innengrenze etwa auf der Hälfte, vorzugsweise
etwa zwei Drittel und besonders vorzugsweise etwa drei Viertel des
Radius des Federelements liegt.
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Vorteilhafterweise
weist das Federelement an seiner umfänglichen Außenfläche
eine Gleitschicht auf. Hierdurch ist es besonders einfach, das Federelement
in dem Gummifederachssystem zu montieren. Die Gleitschicht kann
durch Coextrosion eines gleitfähigen Materials mit vorzugsweise
höherer Härte oder durch Nachbearbeitung, beispielsweise
durch Auftragen eines Gleitlacks oder vorsehen einer Oberflächechlorierung,
vorgesehen sein. Auch eine gezielte Oberflächenmodifizierung
durch Vorsehen von Mikrorillen kann aufgrund kleinerer Reibfläche
die erforderliche Reibkraft verringern.
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Vorzugsweise
weist das Federelement eine nicht kreisrunde Querschnittskonfiguration
auf. Hierdurch ist es möglich, die Querschnittskonfiguration des
Federelements an die Einbausituation derart anzupassen, dass starke
lokale Verformungen vermieden bzw. reduziert werden können.
Infolgedessen kann das Fertigungsverfahren vereinfacht werden, sodass
höhere Toleranzen zulässig sind. Im Übrigen wird
durch die Reduktion der maximalen Deformationen die Betriebssicherheit
und Lebensdauer des Federelements erhöht. Dies ist besonders
gegeben, da aufgrund der angepassten Querschnittskonfiguration die
Kontaktfläche zu einem Innen- und Außenrohr optimiert
werden kann.
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Bevorzugt
weist das Federelement entlang seiner Längserstreckung
einen zwischen einem ersten und zweiten Endbereich gelegenen Mittelbereich auf,
der eine andere Querschnittskonfiguration als der erste und/oder
zweite Endbereich besitzt.
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Entsprechend
kann der Mittelbereich im Längsschnitt eine wellenförmige
Konfiguration aufweisen. Die wellenförmige Konfiguration
kann kantig sein, ist jedoch vorzugsweise abgerundet, beispielsweise
sinusförmig. In anderen Worten können einzelne
Abschnitte aneinander gereiht sind, welche einen bis zu einem maximalen
Querschnitt jeweils zunehmenden und dann wieder abnehmenden Querschnittsverlauf
aufweisen.
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Vorzugsweise
weist der erste Endbereich einen größeren Querschnitt
als der Mittelbereich auf. So kann der erste Endbereich beispielsweise
zusätzlich die Funktion eines Dichtelements von Außen- und
Innenrohr zueinander erfüllen.
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Weiterhin
erfindungsgemäß ist ein Gummifederachssystem,
insbesondere von Landfahrzeugen, vorgesehen, umfassend ein erstes Rohrelement,
ein zweites Rohrelement und zumindest ein Federelement, wobei das
erste Rohrelement einen Außenquerschnitt aufweist, der
kleiner als der Innenquerschnitt des zweiten Rohrelements ist, um
dieses zumindest teilweise in dem zweiten Rohrelement anzuordnen,
und wobei das zumindest eine Federelement zwischen dem ersten und
zweiten Rohrelement derart angeordnet ist, dass das Federelement
bei einer Rotation des ersten Rohrelements in Bezug auf das zweite
Rohrelement komprimiert wird. Hierbei kann das Federelement insbesondere
entsprechend dem erfindungsgemäßen oben genannten
Federelement ausgebildet sein. Daher können sämtliche
Ausführungsformen, Vorteile und Merkmale des erfindungsgemäßen
Federelements in dem erfindungsgemäßen Gummifederachssystem
vorgesehen sein.
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Weitere
Vorteile und Merkmale des erfindungsgemäßen Federelements
sowie des erfindungsgemäßen Gummifederachssystems
ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten,
beispielhaften Ausführungsformen mit Bezug auf die beigefügten
Figuren, wobei einzelne Merkmale von verschiedenen Ausführungsformen
zu neuen Ausführungsformen kombiniert werden können.
Es zeigen:
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1 eine
Querschnittsansicht einer ersten bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Federelements.
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2 eine
Querschnittsansicht einer zweiten bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Federelements.
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3 eine
Querschnittsansicht einer dritten bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Federelements.
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4 eine
Querschnittsansicht einer beispielhaften Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Gummifederachssystems.
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5 einen
Längsschnitt einer bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Federelements.
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In 1 ist
eine erste bevorzugte, beispielhafte Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Federelements 2 dargestellt.
Das Federelement 2 ist als Profilelement ausgebildet und
weist somit eine Längserstreckung entlang einer Längsachse
X auf, die deutlich größer ist als die Erstreckung
des Federelements 2 in Querschnittsrichtung. Der Querschnitt liegt
hierbei im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse X. Das
Federelement 2 ist aus zwei Werkstoffen ausgebildet, einem
ersten Werkstoff 4 und einem zweiten Werkstoff 6.
Der erste Werkstoff 4 ist hierbei im Wesentlichen im Zentrum
des Querschnitts vorgesehen, d. h. erstreckt sich im Bereich bzw.
um die Längsachse X. Der zweite Werkstoff 6 ist
derart angeordnet, dass dieser den ersten Werkstoff 4 vollständig
umgibt bzw. umschließt bzw. einfasst. Infolgedessen sind
erster Werkstoff 4 und zweiter Werkstoff 6 vorteilhafterweise
im Wesentlichen konzentrisch um die Längsachse X angeordnet.
Es versteht sich, dass der zweite Werkstoff 6 den ersten
Werkstoff 4 nicht vollständig umschließen
muss, sondern lediglich in Abschnitten bzw. Bereichen vorgesehen sein
kann, die einer erhöhten mechanischen Belastung ausgesetzt
sind. Hierfür ist es besonders vorteilhaft, wenn der zweite
Werkstoff 6 aus einem Material ausgebildet ist, welches
abrasionsfest und witterungsbeständig ausgebildet ist.
Um den Einbau des Federelements in einem entsprechenden Gummifederachssystem
zu erleichtern, kann an der umfänglichen Au ßenfläche
U optional zusätzlich eine Gleitschicht vorgesehen sein.
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In
der dargestellten Ausführungsform besteht das Federelement
somit zumindest aus zwei Werkstoffen. Es versteht sich, dass das
Federelement jedoch auch aus einem Kern, der aus einem harten bzw.
steifen Material ausgebildet ist, der wiederum von einem ersten
weichen Werkstoff umschlossen ist, an welchem sich umfänglich
der äußere zweite Werkstoff, der wiederum steif
bzw. hart bzw. widerstandsfähig ist, anschließt.
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Besonders
vorteilhafterweise ist der erste Werkstoff 4 aus einem
geschlossenzelligen bzw. -porigen Material ausgebildet und besonders
zweckmäßigerweise weist dieser elastomere Eigenschaften auf.
So kann der erste Werkstoff 4 beispielsweise geschäumt
sein.
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In 2 ist
eine zweite bevorzugte, beispielhafte Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Federelements dargestellt. Dieses
besteht aus einem im Wesentlichen homogenen Material, wobei am umfänglichen
Randbereich des Federelements 20 eine Vielzahl von Ausnehmungen 8 vorgesehen
ist. Die Ausnehmungen 8 können als in Richtung
der Längsachse X in sich geschlossene Kammern ausgebildet sein,
sind vorteilhafterweise jedoch in Richtung der Längsachse
X des Federelements 20 vollständig durchgehend,
sodass die Ausnehmungen 8 im Wesentlichen Durchgänge
in Richtung der Längsachse X des Federelements 20 bilden.
Aufgrund der Ausnehmungen 8 weist das Federelement 20 in
seinem Randbereich eine andere Elastizität bzw. Steifigkeit bzw.
Federhärte auf, als in seinem mittleren Bereich bzw. Zentrum.
Es versteht sich, dass das Federelement 20 ebenfalls mit
einer Beschichtung an der umfänglichen Außenfläche 4 versehen sein
kann. Darüber hinaus ist es ebenfalls möglich,
das Federelement 20 zusätzlich aus zwei verschiedenen
Werkstoffen auszubilden.
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In 3 ist
eine dritte bevorzugte, beispielhafte Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Federelements 30 dargestellt.
Dieses ist aus einem ersten Werkstoff 4 ausgebildet, der
von einem zweiten Werkstoff 6 umgegeben ist. Zusätzlich
sind Ausnehmungen 8 vorgesehen. Wie ersichtlich, ist das
Federelement 30 derart ausgebildet, dass es eine nicht kreisrunde
Querschnittskonfiguration aufweist. Diese ist besonders vorteilhaft,
da es hierdurch möglich wird, starke lokale Verformungen
durch die Anpassung des Profils an die Einbausituation zu reduzieren.
Dies beeinflusst besonders positiv die Lebensdauer und Betriebssicherheit
des erfindungsgemäßen Federelements. Wie ersichtlich,
sind die Ausnehmungen 8 hierbei insbesondere in äußeren Randbereichen
des Federelements 30 vorgesehen.
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4 zeigt
die Einbausituation eines erfindungsgemäßen Federelements 2, 20, 30 in
einem Gummifederachssystem. Das Gummifederachssystem umfasst ein
erstes Rohrelement 50 sowie ein zweites Rohrelement 52.
Das erste Rohrelement 50 weist hierbei einen Außenquerschnitt
auf, der kleiner als der Innenquerschnitt des zweiten Rohrelements 52 ist,
sodass das erste Rohrelement 50 zumindest teilweise in
dem zweiten Rohrelement 52 angeordnet werden kann. Besonders
vorteilhafterweise ist das erste Rohrelement 50 konzentrisch
zu dem zweiten Rohrelement 52 angeordnet. Bei einer Rotation
des ersten Rohrelements 50 gegenüber dem zweiten Rohrelement 52 um
die Längsachse Y des Gummifederachssystems werden die zwischen
erstem Rohrelement 50 und zweitem Rohrelement 52 angeordneten
Federelemente 2, 20, 30 komprimiert,
sodass das Achssystem gefedert und gedämpft wird.
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In 5 ist
eine Ausführungsform des Federelements im Längsschnitt,
d. h. einem Schnitt entlang der Längsachse X dargestellt.
Das Federelement weist einen mittleren bzw. Mittelbereich 10 auf, der
zwischen einem ersten Endbereich 12 und einem zweiten Endbereich 14 angeordnet
ist. Der Mittelbereich 10 weist besonders bevorzugt im
Längsschnitt eine wellenförmige Konfiguration
auf, mittels welcher besonders vorteilhafterweise das Kippen des
ersten Rohrelements 50 in Bezug auf das zweite Rohrelement 52 verhindert
werden kann. Der erste Endbereich 12 weist einen größeren
Querschnitt als der Mittelbereich 10 auf, sodass der Endbereich 12 im
Wesentlichen als Dichtbereich wirken kann. An dem dem ersten Endbereich 12 gegenüberliegenden
zweiten Endbereich 14 ist eine Konfiguration vorgesehen,
die eine Abdeckung ausbildet. Hierfür ist der zweite Endbereich 14 mit
einem quer zur Längsachse X verlaufenden, vorzugsweise
ebenen bzw. planen Abschnitt ausgebildet, der die Abdeckung nach
außen ausbildet. Es versteht sich, dass der zweite Endbereich 14 ebenfalls
beliebig andere Konfigurationen aufweisen kann.
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- 2
- Federelement
- 4
- erster
Werkstoff
- 6
- zweiter
Werkstoff
- 8
- Ausnehmung
- 10
- Mittelbereich
- 12
- erster
Endbereich
- 14
- zweiter
Endbereich
- 20
- Federelement
- 30
- Federelement
- 50
- erstes
Rohrelement
- 52
- zweites
Rohrelement
- U
- Außenfläche
- X
- Längsachse
- Y
- Längsachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - ISO 815 [0009]
- - ISO 4649 [0011]