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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft einen Bauteilverbund zweier der Stromleitung dienender Bauteile nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Bauteilverbunds sowie die Verwendung eines erfindungsgemäßen Bauteilverbunds.
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Ein Bauteilverbund nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der
DE 10 2009 002 135 A1 bekannt und dient dem Verbinden zweier, der Stromführung bzw. Stromleitung dienender Bauteile mittels einer Presspassverbindung. Dabei ist in dem ersten Bauteil, beispielsweise einer elektrischen Anschlussfahne oder ähnlichem, eine Durchgangsöffnung ausgebildet, in die das zweite Bauteil mit einem stiftförmigen Ende eingepresst wird. Derartige Bauteilverbunde haben sich in der Praxis allgemein bewährt, insbesondere, solange die erforderlichen Einpresskräfte aufgrund der Dimensionierung zwischen dem Innendurchmesser der Durchgangsöffnung und dem Durchmesser des zweiten Bauteils im Verbindungsabschnitt nicht allzu hoch sind. Überschreiten die Einpresskräfte jedoch eine bestimmte Höhe, so ist es bei bestimmten Bauteilgeometrien des zweiten Bauteils oftmals schwierig, die benötigten Einpresskräfte auf das erste Bauteil auszuüben. Dies rührt daher, dass das Einpressen durch Aufbringen einer Druckkraft auf das zweite Bauteil erfolgt, und dass bei relativ dünnen bzw. langen zweiten Bauteilen die Gefahr des Knickens des zweiten Bauteils bzw. der Beschädigung des zweiten Bauteils besteht. Insbesondere bei Bauteilen, die aus unterschiedlichen Materialien bestehen und unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, besteht zusätzlich die Problematik, dass zur Gewährleistung genügend hoher Verbindungskräfte bzw. genügend geringer Übergangswiderstände über einem großen Temperaturbereich relativ hohe Presskräfte erzeugt werden müssen. Derartige, aus unterschiedlichen Materialien bestehende Bauteile (z.B. eine Materialpaarung bestehend aus Kupfer und Aluminium) kommen insbesondere bei der elektrischen Kontaktierung von Polen bei Lithium-Ionen-Batterien vor.
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Offenbarung der Erfindung
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Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Bauteilverbund nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass eine Beanspruchung des zweiten Bauteils durch Druckkräfte beim Einpressen des Verbindungsabschnitts in die Durchgangsöffnung des ersten Bauteils vermieden wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Bauteilverbund mit den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass der Verbindungsabschnitt im eingebauten Zustand in Montagerichtung mit einem Halteabschnitt vorzugsweise über das erste Bauteil im Bereich der Durchgangsöffnung hinausragt, und dass der Halteabschnitt zumindest einen gegenüber der Querschnittsfläche der Durchgangsöffnung im Querschnitt reduzierten Bereich für ein Montagehilfsmittel aufweist. Eine derartige Ausbildung des Bauteilverbunds bzw. des zweiten Bauteils ermöglicht es, das zweite Bauteil durch Aufbringen einer Zugkraft mit seinem Verbindungsabschnitt in Wirkverbindung mit der Durchgangsöffnung des ersten Bauteils zu bringen. Es werden somit erfindungsgemäß keinerlei Druckkräfte, die je nach Geometrie des zweiten Bauteils zu einer Beschädigung bzw. zu einem Knicken des zweiten Bauteils führen können, auf das zweite Bauteil ausgeübt.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Bauteilsverbunds sind in den Unteransprüchen angeführt.
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Um ein Montagehilfsmittel verwenden zu können, das eine relativ einfache Konstruktion aufweist und gleichzeitig eine relativ einfache Fertigung des zweiten Bauteils ermöglicht, wird in einer bevorzugten konstruktiven Ausgestaltung des Halteabschnitts vorgeschlagen, dass der Halteabschnitt des zweiten Bauteils zwei Bereiche mit unterschiedlichen Querschnittsflächen aufweist, einen ersten Bereich auf der dem Verbindungsabschnitt zugewandten Seite, und einen zweiten Bereich, der vorzugsweise das stirnseitige Ende des zweiten Bauteils ausbildet, wobei der zweite Bereich eine größere Querschnittsfläche aufweist als der erste Bereich. Dadurch wird eine Ausgestaltung des Montagehilfsmittels ermöglicht, bei der dieses den Verbindungsabschnitt im Bereich des ersten Bereichs umgreift und sich axial an dem zweiten Bereich, insbesondere dessen einer Stirnfläche, abstützt.
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Um einerseits Beschädigungen bzw. Deformationen der Bauteile, insbesondere im Verbindungsbereich zwischen den Bauteilen zu vermeiden, und andererseits ein vereinfachtes Handling des Montagehilfsmittels zu ermöglichen, bei der dieses beispielsweise nach Beendigung des eigentlichen Montageprozesses nicht umständlich außer Kontakt mit dem zweiten Bauteil gebracht werden muss, wird in einer weiteren Ausgestaltung des Bauteilverbunds vorgeschlagen, dass der erste Bereich eine Sollbruchstelle ausbildet, die beim Überschreiten einer definierten Zugkraft auf das zweite Bauteil in Montagerichtung abschert. Dadurch lässt sich, insbesondere im Zusammenhang mit einer entsprechenden Geometrie zwischen den beiden Bauteilen eine Montage ermöglichen, bei der das zweite Bauteil zunächst mit einer reduzierten Kraft zur Ausbildung der Verbindung mit seinem Verbindungsabschnitt in die Durchgangsöffnung des ersten Bauteils eingeführt wird, und dass nach Abschluss des eigentlichen Montageprozesses eine Erhöhung der Zugkraft auf das zweite Bauteil erfolgt, so dass der Endbereich des zweiten Bauteils gezielt abschert und dadurch das Montagehilfsmittel freigibt.
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Eine derartige Sollbruchstelle kann beispielsweise dadurch ausgebildet werden, dass der erste Bereich eine konstante Querschnittsfläche aufweist. In diesem Fall wird die benötigte Zugkraft zum Abscheren des ersten Bereichs durch die Größe der Querschnittsfläche bestimmt, wobei das Abscheren grundsätzlich in einem beliebigen Abschnitt des ersten Bereichs erfolgen kann.
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Ein gezieltes Abscheren des ersten Bereichs lässt sich demgegenüber erzielen, wenn in dem ersten Bereich ein eine Kerbwirkung erzeugender Teilbereich ausgebildet ist. Es kann somit beispielsweise vorgesehen sein, dass der erste Bereich eine konstante, relativ große Querschnittsfläche aufweist mit Ausnahme in dem Teilbereich, in dem beispielsweise eine radial umlaufende Ringnut (bei einer runden Querschnittsfläche des ersten Bereichs) ausgebildet ist.
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Um die Montage des Bauteilverbunds zu erleichtern, und insbesondere eine axiale Endposition des zweiten Bauteils am ersten Bauteil zu definieren, ist es in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass das zweite Bauteil auf der dem Halteabschnitt abgewandten Seite einen Axialanschlag (insbesondere in Form eines Absatzes) aufweist, der im eingebauten Zustand an dem ersten Bauteil anliegt, und dass der Axialanschlag eine Querschnittsfläche aufweist, die die Durchgangsöffnung zumindest bereichsweise überragt.
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Ein bevorzugter Einsatzbereich des Bauteilverbunds besteht bei Bauteilen, die aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Derartige unterschiedliche Materialien weisen üblicherweise auch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, so dass sich mittels des erfindungsgemäßen Bauteilverbunds bei mechanisch relativ geringer Belastung des zweiten Bauteils während des Montageprozesses relativ hohe Füge- bzw. Verbindungskräfte zwischen den beiden Bauteilen erzielen lassen.
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In alternativer Ausgestaltung des Bauteilverbunds ist es auch möglich, dass das zweite Bauteil einen Hohlraum für das Hilfswerkzeug aufweist, der von der Wand des Bauteils radial begrenzt ist, und dass am stirnseitigen Ende des Hohlraums wenigstens ein radial nach innen ragender Haltebereich für das Hilfswerkzeug angeordnet ist.
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Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Bauteilverbunds, wobei das zweite Bauteil mit seinem Verbindungsabschnitt durch Aufbringen einer Zugkraft in Montagerichtung in die Durchgangsöffnung des ersten Bauteils eingebracht wird. Dabei ist es vorgesehen, dass während der Montage eine Ultraschallschwingeinrichtung in Wirkverbindung mit zumindest einem der beiden Bauteile angeordnet wird. Ein derartiges Montageverfahren hat den Vorteil, dass sich die Montagekräfte reduzieren lassen und darüber hinaus ein gewisser stoffschlüssiger Anteil bei der Verbindung zwischen den beiden Bauteilen erzielbar ist, wodurch der elektrische Übergangswiderstand und die Korrosionsneigung ggf. reduziert werden.
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Bevorzugt ist die Verwendung eines erfindungsgemäßen Bauteilverbunds bei der elektrischen Kontaktierung von Batteriepolen von Lithium-Ionen-Zellen. Dabei sind insbesondere keinerlei zusätzliche Verbindungselemente, wie beispielsweise Schrauben oder ähnliches, oder die Anwendung von zusätzlichen Schweißverbindungen erforderlich, um trotz Verwendung unterschiedlicher Materialien für die Batteriepole und den mit den Batteriepolen verbundenen Bauteilen die erforderlichen Verbindungskräfte zu erzielen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
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Diese zeigt in:
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1 einen ersten erfindungsgemäßen Bauteilverbund zweier der Stromleitung dienender Bauteile in teilweise geschnittener Seitenansicht,
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2 und 3 einen gegenüber der 1 modifizierten Bauteilverbund vor und am Ende des Verbindens der beiden Bauteile, ebenfalls in teilweise geschnittener Seitenansicht,
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4 bis 6 jeweils in Draufsicht und in Seitenansicht unterschiedliche Geometrien aufweisende zweite Bauteile und
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7 Und 8 einen weiteren, modifizierten Bauteilverbund mit einem bereichsweise hülsenförmigen zweiten Bauteil vor und nach dem Fügevorgang in teilweise geschnittener Seitenansicht.
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Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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In der 1 ist ein erster erfindungsgemäßer Bauteilverbund 10 zweier, der Stromleitung dienender Bauteile 1, 2 dargestellt. Bei den Bauteilen 1, 2 kann es sich beispielsweise um Bauteile 1, 2 handeln, die aus dem gleichen Material bestehen, oder aber um Bauteile 1, 2, die aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Für den Fall, dass die Bauteile 1, 2 aus unterschiedlichen Materialien bestehen, weist das Bauteil 2 vorzugsweise einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten auf als das Bauteil 1. Beispielhaft, jedoch nicht einschränkend, handelt es sich bei den Bauteilen 1, 2 um Teile einer elektrischen Verbindung bei Zellen einer Lithium-Ionen-Batterie. So kann es bei dem Bauteil 1 beispielsweise um ein aus Kupfer bestehendes Verbindungselement handeln, das zwei Pole der Lithium-Ionen-Batterie miteinander verbindet, während es sich bei dem Bauteil 2 um einen aus Aluminium bestehenden Pol der Lithium-Ionen-Batterie handelt.
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Das Bauteil 1 ist im dargestellten Zeichnungsausschnitt als flaches Bauteil mit rechteckförmiger Querschnittsfläche ausgebildet. Das Bauteil 1 weist eine Aufnahme für das zweite Bauteil 2 in Form einer Durchgangsöffnung 11 auf. Beispielhaft weist die Durchgangsöffnung 11 einen Durchmesser d auf, der über die gesamte Dicke bzw. Höhe des Bauteils 1 konstant ausgebildet ist. Es liegt jedoch auch im Rahmen der Erfindung, dass die Durchgangsöffnung 11 im Querschnitt nicht rund, sondern beispielsweise mehreckig ausgebildet ist.
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Das Bauteil 2 ist im dargestellten Ausschnitt der Zeichnung stiftförmig ausgebildet und weist einen zylindrischen Bereich 12 mit einem Durchmesser D auf, wobei der Durchmesser D derart an den Durchmesser d der Durchgangsöffnung 11 angepasst ist, das zwischen den beiden Bauteilen 1, 2 eine Presspassverbindung ausgebildet wird, d.h. der Durchmesser D des Bauteils 2 etwas größer ausgebildet ist als der Durchmesser d der Durchgangsöffnung 11 des Bauteils 1.
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An einem Endbereich des Bauteils 2 weist dieses einen Halteabschnitt 13 mit zwei axial aneinander anschließenden Bereichen 14, 15 auf. Der erste Bereich 14 schließt sich an den zylindrischen Bereich 12 an und ist beispielhaft ebenfalls zylindrisch ausgebildet. Sein Durchmesser D1 ist kleiner als der Durchmesser D des zylindrischen Bereichs 12. An den ersten Bereich 14 schließt sich auf der dem zylindrischen Bereich 12 abgewandten Seite der zweite Bereich 15 mit einem Durchmesser D2 an, dessen Durchmesser D2 größer ist als der Durchmesser D1, jedoch kleiner als der Durchmesser D der Durchgangsöffnung 11.
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In der in der 1 dargestellten Position der beiden Bauteile 1, 2 nimmt das zweite Bauteil 2 seinen Montageendzustand ein, bei der ein Teilbereich des zylindrischen Bereichs 12 einen Verbindungsabschnitt 16 ausbildet, der in elektrisch leitendem Kontakt mit der Durchgangsöffnung 11 angeordnet ist. Auf der dem Halteabschnitt 13 zugewandten Seite ragt der Verbindungsabschnitt 16 vorzugsweise geringfügig über die Oberseite 17 des ersten Bauteils 1 hinaus, er kann jedoch auch geringfügig unterhalb der Oberseite 17 des ersten Bauteils 1 angeordnet sein.
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Um die beiden Bauteile 1, 2 miteinander verbinden zu können, findet ein Montagewerkzeug 20 Verwendung. Das Montagewerkzeug 20 besteht zumindest aus einem Montagehilfsmittel 21 und ein das Montagehilfsmittel 21 beispielhaft radial umgebendes Niederhalteelement 22. Das Niederhalteelement 22 ist im einfachsten Fall hülsenförmig ausgebildet und liegt mit seiner dem ersten Bauteil 1 zugewandten Stirnfläche an der Oberseite 17 des Bauteils 1 auf. Das Montagehilfsmittel 21 besteht beispielhaft aus zwei, in einer Richtung senkrecht zur Längsachse 23 in Richtung der Doppelpfeile 24 bewegbaren Greifelementen 25, 26. Die dem Bauteil 2 zugewandten Endabschnitte 27, 28 der Greifelemente 25, 26 sind radial nach innen umgebogen, so dass diese in Wirkverbindung mit der dem zylindrischen Bereich 12 zugewandten Stirnfläche des zweiten Bereichs 15 des Halteabschnitts 13 angeordnet werden können. Wesentlich ist auch, dass der äußere Abstand b zwischen den beiden Greifelementen 25, 26 in der in der 1 dargestellten Montagestellung geringer ist als der Durchmesser d der Durchgangsöffnung 11.
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Die Montage der beiden Bauteile 1, 2 mittels des Montagewerkzeugs 20 geschieht wie folgt: Zunächst werden die beiden Greifelemente 25, 26 mit ihren Endabschnitten 27, 28 durch die Durchgangsöffnung 11 hindurchgeführt (nicht dargestellt), um anschließend von der der Oberseite 17 gegenüberliegenden Seite des ersten Bauteils 1 in Wirkverbindung mit dem zweiten Bauteil 2 gebracht zu werden. Dies erfolgt durch Umgreifen des zweiten Bereichs 15 des Halteabschnitts 13 mittels der Endabschnitte 27, 28. Anschließend wird das Montagehilfsmittel 21 in der durch den Pfeil 30 kennzeichnenden Montagerichtung bewegt, so dass der Verbindungsabschnitt 16 unter Ausbildung der Presspassverbindung in Kontakt mit der Durchgangsöffnung 11 gelangt. Dabei wird durch Anlage des Niederhalteelements 22 die benötigte Gegenkraft beim Durchziehen des Verbindungsabschnitts 16 des zweiten Bauteils 2 durch die Durchgangsöffnung 11 aufgebracht. Nachdem das Bauteil 2 die in der 1 dargestellte Endposition erreicht hat, können die beiden Greifelemente 25, 26 voneinander wegbewegt werden, um außer Kontakt mit dem zweiten Bauteil 2 zu gelangen. Um die axiale Endposition des zweiten Bauteils 2 zum ersten Bauteil 1 zu detektieren, kann vorteilhafterweise eine Kraft-Weg-Überwachungseinrichtung (nicht dargestellt) verwendet werden. Darüber hinaus kann beispielsweise das Montagehilfsmittel in Wirkverbindung mit einer Ultraschallschwingeinrichtung 29 angeordnet sein, um die benötigten Zug- bzw. Einzugskräfte zu reduzieren und/oder um eine bessere elektrische Kontaktierung zwischen den beiden Bauteilen 1, 2 auszubilden.
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In den 2 und 3 ist ein gegenüber der 1 modifizierter Bauteilverbund 10a dargestellt, bei dem das Bauteil 2a, im Gegensatz zum Bauteil 2, auf der dem Halteabschnitt 13a abgewandten Seite einen im Durchmesser vergrößerten Bereich 31 aufweist, an den sich über einen Absatz 32 der Verbindungsabschnitt 16 anschließt. Der Absatz 32 dient in der in der 3 dargestellten Endposition der beiden Bauteile 1, 2a als Axialanschlag zur Begrenzung der Axialbewegung des Bauteils 2a relativ zum Bauteil 1. Der Halteabschnitt 13a weist in dem ersten Bereich 14a eine derartige Querschnittsfläche auf, dass entsprechend der 3 beim Erreichen der Endposition des zweiten Bauteils 2a ein Abscheren des Halteabschnitts 13a im ersten Bereich 14a erfolgt. Dies ist deshalb möglich, da der Absatz 32 ein weiteres Einziehen des Bauteils 2a in die Durchgangsöffnung 11 des ersten Bauteils 1 verhindert, und die Zugkraft F auf das zweite Bauteil 2a größer ist als die über den ersten Bereich 14a übertragbare Zugkraft auf das zweite Bauteil 2a.
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In nicht dargestellter, abgewandelter Ausführungsform ist es auch denkbar, den ersten Bereich 14a mit einem größeren Durchmesser bzw. mit einer größeren Querschnittsfläche auszustatten und in dem ersten Bereich 14a eine Sollbruchstelle auszubilden, die beispielsweise aufgrund einer erhöhten Kerbwirkung ein gezieltes Abscheren im ersten Bereich 14a ermöglicht.
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Bei dem in den 4 bis 6 dargestellten, modifizierten Bauteilen 2b, 2c und 2d ist der Halteabschnitt 13b, 13c und 13d jeweils unterschiedlich gestaltet. So ist der zweite Bereich 15b beim Halteabschnitt 13b kreisförmig ausgebildet, während der zweite Bereich 15c beim Halteabschnitt 13c stegförmig ausgebildet ist. Auch der zweite Bereich 15d beim Haltebereich 13d ist stegförmig ausgebildet, weist jedoch gegenüber dem zweiten Bereich 15c eine geringere Breite auf.
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Zuletzt ist in den 7 und 8 ein nochmals modifizierter Bauteilverbund 10b vor und nach dem Verbinden der beiden Bauteile 1, 2e dargestellt, bei dem das zweite Bauteil 2e in dem dargestellten Bereich hülsenförmig ausgebildet ist. Insbesondere weist es auf der dem Bauteil 1 zugewandten Seite einen von der Wand des Bauteils 2e radial begrenzten Hohlraum 33 auf, in den zur Montage des zweiten Bauteils 2e mit dem Bauteil 1 das Montagehilfsmittel 21 mit radial nach außen ragenden Endabschnitten 27, 28 eingreifen kann, wobei radial nach innen ragende Haltebereiche 34, 35 des zweiten Bauteils 2e, die den Halteabschnitt 13e ausbilden, hintergriffen werden. Am Ende des Montageprozesses (8) des zweiten Bauteils 2e mit dem ersten Bauteil 1 scheren beim Überschreiten einer bestimmten Zugkraft F die Bereiche 34, 35 ab bzw. verformen sich derart, dass das Montagehilfsmittel 21 aus dem Hohlraum 33 herausgezogen werden kann.
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Der soweit beschriebene Bauteilverbund 10, 10a und 10b kann in vielfältiger Art und Weise abgewandet bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. Insbesondere soll der Bauteilverbund 10, 10a und 10b nicht auf rund Querschnitte im Bereich der Durchgangsöffnung 11 bzw. des Verbindungsabschnitts 16 beschränkt sein. Wesentlich ist lediglich die Ausbildung der angesprochenen Presspassverbindung zwischen den angesprochenen Bereichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009002135 A1 [0002]
