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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, welche 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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DE 936 835 B offenbart ein torionselastisches Federungselement, bestehend aus einem außenseitig polygonen Innenteil, der konzentrisch in einem innenseitig polygonen Außenteil von gleicher Kantenzahl liegt, wobei Innenteil und Außenteil durch Zwischenlagerung der entsprechenden Anzahl elastischer Walzen, die einerseits an den Flächen des Innenteils und andererseits in den Kanten des Außenteils liegen.
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DE 1 038 416 A offenbart eine Federbuchse die aus einem Metallzylinder mit in seinem Inneren vorgesehenen elastischen Polster mit mittiger Bohrung besteht.
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DE 76 15 588 U offenbart einen Drehschwingdämpfer bestehend aus mindestens zwei koaxial ineinandersteckbaren, polygonalen Achsteilen, von denen eines mit der Antriebsseite und eines mit der Abtriebsseite verbunden ist, und einem oder mehreren, zwischen den Achsteilen angeordneten Gummikörpern.
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DE 1 816 960 U offenbart Torsionsfedern aus Gummi oder elastischem Material die zur Speicherung von Energie in einem Anlasser für einen Verbrennungsmotor Verwendung finden.
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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 13 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Erfindungsgemäß ist ein 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 in 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 entlang 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 Oberflächenchlorierung, 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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Erfindungsgemäß 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 weist der Mittelbereich im Längsschnitt eine wellenförmige Konfiguration auf. Die wellenförmige Konfiguration kann kantig sein, ist jedoch vorzugsweise abgerundet, beispielsweise sinusförmig. In anderen Worten können einzelne Abschnitte aneinander gereiht sein, 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 Außenfläche 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 indem 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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Bezugszeichenliste
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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