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Die Erfindung betrifft eine Feder mit einer Mehrzahl von Windungen, insbesondere eine Spiral- oder Schraubenfeder nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Erfindung betrifft weiter ein Federrohling nach Patentanspruch 13, insbesondere zur Verwendung als Feder.
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Solche Federn finden bevorzugt Anwendung in Kraftfahrzeugen. Bekannt ist es bereits, solche Federn, wie beispielsweise in 1 dargestellt als Hohlfeder 20 auszubilden, oder aber, wie in 2 dargestellt, als Massivfeder 21 aus einem Vollmaterial. In beiden Darstellungen sind die Enden der dortigen Federn angeschliffen, um eine möglichst ebene Auflagefläche der Feder auf einem Federteller zu gewährleisten. Dabei hat die Massivfeder 21 den Nachteil, dass sie mit einem hohen Gewicht korrespondiert, sodass damit ein höherer Energieverbrauch beim Betrieb eines Kraftfahrzeuges gegeben ist, als bei Verwendung einer Hohlfeder. Die Hohlfeder weist allerdings den Nachteil auf, dass während des Betriebes in den Hohlraum Feuchtigkeit eindringen kann, die zu unerwünschter Korrosion, was zu einer geringeren Lebensdauer der Feder führt und auch ein Sicherheitsrisiko darstellen kann.
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Ferner ist aus der
DE 103 41 167 A1 eine Hohlfeder zum Einsatz in Kraftfahrzeugen bekannt, deren eines Ende geschlossen ist und deren anderes Ende eine Öffnung zum Einbringen eines Druckmediums aufweist. Diese Feder dient dazu, mittels des Druckmediums unterschiedliche Federkennlinien zu realisieren. Allerdings ist der Aufbau dieser Feder komplex und auch nicht für alle Anwendungszwecke in Fahrzeugen wirtschaftlich sinnvoll, da meistens nur eine Federkennlinie zum Abfangen einer vorbestimmten Last notwendig ist.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Feder nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 derart weiterzubilden, dass eine deutliche Gewichtsreduzierung gegenüber Massivfedern bei einer akzeptablen Lebensdauer und ökonomischer Her- stellung der Feder erreicht wird.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Feder mit allen Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen,
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Die erfindungsgemäße Feder mit einer Mehrzahl von Windungen weist einen Federkörper und wenigstens einem Federende auf. Der Federkörper ist dabei als Hohlrohr ausgebildet und wenigstens ein Federenden aus einem Vollmaterial hergestellt, wobei der Federkörper mit dem Federende kraft- und/oder stoffschlüssig verbunden ist.
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Feder ist es nun möglich, die Vorteile einer Hohlfeder – Energieverbrauchminimierung durch geringeres Gewicht – und einer Massivfeder – hohe Lebensdauer, da zumindest von einer Seite keine Feuchtigkeit in Hohlräume eintreten kann – zu kombinieren. Zudem werden betriebsbedingte Spannungsspitzen an angeschliffenen Federenden vermieden, die beim Anschleifen von Hohlrohren auftreten. Die erfindungsgemäße Feder wird dabei aus einem Hohlrohr hergestellt, welches den Federkörper der Feder bildet, wobei die Federenden auf die Enden des vorzugsweise als geschweißt gezogenes Rohr hergestellten Federkörpers aufgesetzt sind und diese verschließen, sodass keine Feuchtigkeit in das Innere des Hohlrohrs des Federkörpers eindringen kann. Nachdem die Enden des Hohlrohrs des Federkörpers durch die aus einem Vollmaterial bestehenden Federenden verschlossen wurden, wird der so hergestellte Federrohling zur weiteren Behandlung zu der Feder mit einer Mehrzahl von Windungen gebogen. Nachfolgend oder vor dem Biegen kann die Feder noch weiteren Behandlungen wie beispielsweise einem Härten, einem Beschichten, einem Schleifen oder dergleichen unterzogen werden.
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Nach einer ersten Ausgestaltung der Erfindung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass die Federenden an ihrem zum Federkörper hinweisenden Ende Zapfen aufweisen, die in Enden des als Hohlrohr ausgebildeten Federkörpers eingeführt sind. Durch diese Maßnahme ist es in einfacher Weise möglich, die Federenden mittels dieser Zapfen kraft- und/oder stoffschlüssig mit dem Federkörper zu verbinden.
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Vorzugsweise beträgt dabei die Länge eines Federelementes etwa 5% bis 15%, vorzugsweise etwa 10% der Gesamtlänge der Feder, während die Länge des Federkörpers in etwa 70% bis 90%, vorzugsweise etwa 80% der Gesamtlänge der Feder beträgt. Durch diese Ausgestaltung ist es sichergestellt, dass Federenden und Federkörper prozesssicher miteinander verbunden werden können und eine ausreichend dauerhafte und betriebsfeste Verbindung zwischen Federenden und Federkörper gegeben ist.
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Dabei hat es sich als sinnvoll erwiesen, dass die Länge der Zapfen in etwa 15% bis 50%, vorzugsweise 25% bis 40% der Länge eines Federendes beträgt. Auch durch diese Maßnahme ist sichergestellt, dass die feste, insbesondere und feuchtigkeitsdichte Verbindung zwischen Federenden und Federkörper während des Betriebes der erfindungsgemäßen Federn in einem Kraftfahrzeug dauerhaft sichergestellt ist.
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Da die aus Vollmaterial hergestellten Federenden eine andere, insbesondere höhere Steifigkeit als der aus einem Hohlrohr gebildete Federkörper aufweisen, ist es zur Minimierung beziehungsweise Reduzierung eines Steifigkeitssprunges im Verbindungsbereich der Federenden mit dem Federkörper vorgesehen, dass die Zapfen zu den Federenden hin verjüngende, offene Hohlräume aufweisen.
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Dabei hat es sich als sinnvoll erwiesen, dass diese offenen Hohlräume sich über 40% bis 90%, vorzugsweise 45% bis 75% der Länge der Zapfen erstrecken. Durch diese Ausgestaltung der Zapfen beziehungsweise der Hohlräume ist ein relativ geringer Steifigkeitssprung im Verbindungsbereich der Federenden und des Federkörpers realisiert und die Steifigkeit der Feder wird über die Längserstreckung der Zapfen, von deren offenem Ende in Richtung der Federenden kontinuierlich erhöht.
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Vorzugsweise ist der Federkörper mit den Federenden durch Löten, Kleben, Verschweißen, Aufpressen, Aufschrumpfen oder dergleichen kraft- und/oder stoffschlüssig verbunden. Diese Verbindungstechniken gewährleisten ein sicheres kraft- und/oder stoffschlüssiges Verbinden des Federkörpers mit den Federenden. Ein derartiges Fügen kann auch eventuell in Kombination mit einer weiteren Wärmebehandlung des Rohres vor dem Biegen eines Federrohlings zur Feder erfolgen. Insbesondere wird bei einem Löten der Verbindungsbereich gleichzeitig homogenisiert, sodass das Hohlrohr des Federkörpers nicht separat normalisiert oder angelassen werden muss.
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Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung sind die Federenden angeschliffen, wobei sich dieser Anschliff über mindestens 50%, vorzugsweise 75%, besonders bevorzugt über 100% einer Windung der Feder erstrecken. Durch diese Ausgestaltung der Erfindung ist es in besonders einfacher Weise ermöglicht, dass die Federenden zur Darstellung einer ebenen Auflagefläche auf einem Federteller ausgebildet sind.
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Bevorzugt weist die Feder genau zwei Federenden auf, die mit dem Federkörper verbunden sind. Hierdurch wird eine Hohlraumkorrosionsgefahr vollständig beseitigt, da der Hohlraum nun vollständig verschlossen ist. Auf anderweitige konstruktive oder verfahrenstechnische Maßnahmen kann damit verzichtet werden. Die Lagerung der Feder ist in diesem Fall vorteilhaft mittels zweier flacher Standardfedertellern möglich.
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Ferner hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass der Federkörper und die Federenden aus dem gleichen Material, vorzugsweise aus einem hochfesten Stahl besonders bevorzugt aus einem Manganborstahl hergestellt sind. Die Ausgestaltung aus einem gleichen Material betrifft natürlich auch die zu den Federenden gehörenden Zapfen. Hierdurch ist es verfahrenstechnisch in verhältnismäßig einfacher Weise möglich, die Federenden mit dem Federkörper zu verbinden, da beide die gleichen Materialeigenschaften aufweisen.
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Allerdings ist es natürlich auch möglich, dass der Federkörper und die Federenden inklusive der Zapfen aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sind, wobei vorzugsweise die Federenden aus einem festeren und insbesondere verschleißfesterem Material als der Federkörper hergestellt sind.
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Der Prozess beziehungsweise das Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Feder stellt sich so dar, dass in einem ersten Schritt ein Hohlrohr für den Federkörper zur Verfügung gestellt wird. Anschließend werden die aus einem Vollmaterial bestehenden Federenden mit dem Federkörper gefügt, beispielsweise durch Löten, Kleben, Schweißen, insbesondere Reibschweißen, mechanischem Fügen, wie beispielsweise Einpressen oder Aufschrumpfen. Auch eine Kombination der Fügeverfahren ist vorstellbar. Nachdem die Federenden mit dem Federkörper verbunden sind, wird der so entstandene Federrohling zur Feder gewickelt beziehungsweise gebogen. Im Anschluss daran kann noch ein Vergüten, Abschleifen, Strahlen, Schleifen oder dergleichen erfolgen.
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Die erfindungsgemäßen Federn können dabei derart gestaltet sein, dass die Windungen einen konstanten Durchmesserverlauf aufweisen. Allerdings ist es auch möglich, dass Federn mit Windungen ungleichen Durchmessers hergestellt werden, wobei dies natürlich mit einem wirtschaftlich höheren Aufwand verbunden ist.
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Weitere Ziele, Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger sinnvoller Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
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Es zeigen:
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1: eine Hohlfeder nach dem Stand der Technik,
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2: eine Massivfeder nach dem Stand der Technik,
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3: eine seitliche Ansicht eines Federendes einer erfindungsgemäßen Feder,
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4: eine Draufsicht auf das Federende der 3,
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5: eine perspektivische Ansicht des Federendes der 3 und 4,
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6: ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Feder und
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7 bis 11: verschiedene Ausführungsformen eines Federrohlings vor dem Wickeln zu einer erfindungsgemäßen Feder.
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Die 6 zeigt eine mögliche Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Feder. Dabei besteht die Feder aus einem Federkörper 1, an dessen Enden Federenden 2 und 3 durch ein geeignetes Fügeverfahren, wie beispielsweise Kleben, Löten, Schweißen, Aufschrumpfen, Aufpressen oder dergleichen kraft- und/oder stoffschlüssig angeordnet sind. In der Darstellung gemäß der 6 ist dabei nur das Federende 2 angezogen, da das Federende 3 durch die Vielzahl von Windungen der Feder verdeckt ist. In dem Ausführungsbeispiel der 6 ist bei dem Federende 2 zu erkennen, dass dieses angeschliffen ist und ein Anschliff 8 aufweist. Entsprechend weist das hier nicht angezogene Federende 3 einen entsprechenden Anschliff 9 auf. Die Anschliffe 8 und 9 dienen dazu, das die Feder mit ihren Federenden 2 und 3 ebene Auflageflächen zur Auflage auf einem Federteller aufweist und somit sicher auf einem Federteller aufgesetzt werden können.
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In den 3 bis 5 sind die Federenden 2 und 3 in verschiedenen Darstellungen (der besseren Anschaulichkeit exponiert vom Federkörper 1) gezeigt. Deutlich zu erkennen ist hierbei, dass die Federenden 2 und 3 an ihrem einen Ende jeweils einen Zapfen 4 und 5 und an ihrem anderen Ende einen Anschliff 8 und 9 aufweisen. Die Zapfen 4 und 5 dienen dabei dazu, in den als Hohlrohr ausgebildeten Federkörper 1 eingesteckt zu werden. Obwohl in den Darstellungen gemäß den 3 bis 5 die Federenden 2 und 3 einen entsprechenden Anschliff 8 und 9 aufweisen, ist es nicht notwendig, die Federenden 2 und 3 anzuschleifen. Insbesondere dann nicht, wenn die Auflage für die Feder nicht als ebener Federteller, sondern derart ausgeformt ist, dass die Feder in dieser Auflage mit ihren Federenden 2, 3 sicher gehalten ist. Andererseits erlaubt der Anschliff 8 und 9 den Einsatz einfacher günstiger Standardfederteller durch die im gebogenen oder gewickelten Zustand der Feder flache Gestaltung der Federenden.
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In den 7 bis 11 sind verschiedene Ausführungsformen für Federrohlinge 22 für erfindungsgemäße Federn vor einem Wickeln zur erfindungsgemäßen Feder schematisch und nicht maßstabsgetreu dargestellt.
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11 zeigt dabei die einfachste Form eines Federrohlings 22 für eine erfindungsgemäße Feder. Der Federrohling 22 besteht dabei aus dem als Hohlrohr ausgebildeten Federkörper 1 und den Federenden 2 und 3. Die Federenden 2 und 3 weisen dabei jeweils einen Zapfen 4 und 5 auf, mit dem die Federenden 2 und 3 in den als Hohlrohr ausgebildeten Federkörper 1 eingesteckt sind. Die Zapfen 4 und 5 sind dabei ebenso wie die Federenden 2 und 3 aus einem Vollmaterial hergestellt und über ihre axiale Längserstreckung mit den Innenwänden des Hohlrohrs des Federkörpers 1 verbunden. Diese Verbindung kann dabei kraft- und/oder stoffschlüssig erfolgen. Hierbei sind insbesondere bekannte Fügeverfahren wie beispielsweise Schweißen, Kleben, Löten, Aufschrumpfen, Aufpressen oder dergleichen denkbar.
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Der gesamte Federrohling 22 weist dabei eine Länge L1 auf, die sich aus der Länge L2 des Federkörpers 1 und der Länge L3 der Federenden 2 und 3 zusammensetzt. Die Länge L3 der Federenden 2 und 3 beinhaltet dabei nicht eine Länge L4 der Zapfen 4 und 5. Der Bereich der Länge L4 der Zapfen 4 und 5 bildet dabei den Überlappungsbereich der Federenden 2 und 3 mit dem Federkörper 1.
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In einer speziellen Ausführungsform beträgt die Länge L1 des Federrohlings 22 in etwa 2000 mm, die sich aus jeweils der Länge L3 der Federenden 2 und 3 von etwa jeweils 200 mm und der Länge L2 des Federkörpers 1 von etwa 1600 mm zusammensetzt. Die Länge L4 des Überlappungsbereiches beträgt in diesem Ausführungsbeispiel in etwa 50 mm, was in etwa 25% der Länge L3 der Federenden 2 und 3 entspricht.
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Das Ausführungsbeispiel eines Federrohlings 22 der 10 entspricht im Wesentlichen dem der 11. Allerdings ist dabei zur Verhinderung von Feuchtigkeitseintritt ein Lot 11 in die sich über den Umfang des Federrohlings 22 erstreckende Spalte im Verbindungsbereich der Federenden 2 und 3 und des Federkörpers 1 eingebracht.
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In der 9 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Federrohlings 22 dargestellt, wobei die stoff- und kraftschlüssige Verbindung zwischen den Zapfen 4 und 5 der Federenden 2 und 3 und des Hohlrohrs des Federkörpers 1 durch ein eingebrachtes Lot 10 gebildet ist. Auch in diesem Ausführungsbeispiel entsprechen die Maße der Längen L1, L2, L3 und L4 genau wie die des Ausführungsbeispiels der 10 dem des Ausführungsbeispiels der 11.
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Die 7 und 8 zeigen zwei weitere Ausführungsbeispiele eines Federrohlings 22 einer erfindungsgemäßen Feder. Diese Ausführungsbeispiele entsprechen im Wesentlichen denen der Ausführungsbeispiele der 9 bis 11, wobei auch hier die Längen L1, L2, L3 und L4 entsprechend ausgebildet sein können. Im Gegensatz zu den Ausführungsbeispielen der 9 bis 11 enthalten die Zapfen 4 und 5 der Federenden 2 und 3 hier allerdings offene Hohlräume 6 und 7, welche sich zu den Federenden 2 und 3 hin verjüngen. Durch diese Maßnahme können Steifigkeitssprünge reduziert beziehungsweise minimiert werden, die durch die unterschiedlichen Steifigkeiten des als Hohlmaterial ausgebildeten Federkörpers und der als Vollmaterial ausgebildeten Federenden auftreten. In 9 ist zusätzlich eine Fase 23 an der Stirnseite der Zapfen 4 und 5 des jeweiligen Federendes 2, 3 dargestellt, welche der einfachen Einführung der Federenden 2, 3 in den Federkörper 1 dient.
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Die Steifigkeit der Feder wird daher im Überlappungsbereich der Federenden 2 und 3 mit dem Federkörper 1 nach einem minimalen Steifigkeitssprung über die axiale Längserstreckung der offenen Hohlräume 6 und 7 kontinuierlich erhöht, bis die Hohlräume 6 und 7 sich derart verjüngt haben, dass der Zapfen im Weiteren nur noch aus Vollmaterial besteht.
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Die Zapfen 4 und 5 bestehen daher nur teilweise aus einem Vollmaterial. Das Vollmaterial des Zapfens erstreckt sich dabei über die Länge L5. In dem Ausführungsbeispiel gemäß der 7 beträgt die Länge L5 des Vollmaterials des Zapfens in etwa 3/8 der Länge L4 des Zapfens. Diese Ausgestaltung gewährleistet einen sicher Halt der Zapfen 4 und 5 der Federenden 2 und 3 nach dem Verbinden mit dem Hohlrohr des Federkörpers 1. Werden hierbei für die Längen L1, L2, und L3 die gleichen Maße wie in den Ausführungsbeispielen der 9 bis 11 und die beträgt die Länge L4 der Zapfen 4 und 5 in etwa 80mm, so beträgt diese Länge L5 in etwa 30mm.
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In dem Ausführungsbeispiel gemäß der 8 erstrecken sich die offenen Hohlräume 6 und 7 der Zapfen 4 und 5 weiter in Richtung der Federenden.
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In allen hier dargestellten Ausführungsbeispielen der 7 bis 11 besteht dabei der Federrohling in seiner Gesamtlänge L1 aus etwa 20% Vollmaterial und zu etwa 80% aus dem Hohlrohr des Federkörpers 1. Durch diese Ausgestaltung ist eine deutliche Gewichtsreduzierung gegenüber Massivfedern erreicht, wobei die Enden des Hohlrohrs des Federkörpers 1 durch die Federenden 2 und 3 verschlossen sind. Nach dem die Federrohlinge gemäß den 7 bis 11 hergestellt werden, werden sie weiter behandelt. Insbesondere können bereits jetzt die Anschliffe 8 und 9 auf die Federenden 2 und 3 aufgebracht werden und auch weitere Behandlungen, beispielsweise Wärmebehandlungen oder dergleichen durchgeführt werden. Abschließend oder vor diesen weiteren Behandlungen werden die so entstandenen Federrohlinge zu den erfindungsgemäßen Federn gewickelt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Federkörper
- 2
- Federende
- 3
- Federende
- 4
- Zapfen
- 5
- Zapfen
- 6
- offener Hohlraum
- 7
- offener Hohlraum
- 8
- Anschliff
- 9
- Anschliff
- 10
- Lot
- 11
- Lot
- L1
- Länge der Feder
- L2
- Länge des Federkörpers
- L3
- Länge des Federendes
- L4
- Länge des Zapfens
- L5
- Länge des Vollmaterials des Zapfens
- 20
- Hohlfeder
- 21
- Massivfeder
- 22
- Federrohling
- 23
- Fase
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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