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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines lokal aufgeweiteten rohrförmigen Elements gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Rohre sind ein wichtiges Halbzeug zur Herstellung zahlreicher Werkstücke für den Maschinen-, Fahrzeug- und Apparatebau. Insbesondere im Fahrzeugbau entstand und entsteht im Zuge der Entwicklung von Leichtbauweisen ein zunehmender Bedarf an Leichtbauwerkstücken, die ein weites Spektrum unterschiedlicher Werkstückgeometrien überdecken; es reicht von längsachsenbetonten Werkstücken mit partiellen Aufweitungen über Hinter-achsträger bis hin zu räumlich gebogenen Bauteilen mit einem der Beanspruchung angepassten Querschnittsverlauf.
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Wirkmedienbasierte Rohrumformverfahren bieten gute Voraussetzungen zur Formgebung vieler dieser Werkstücke. Das Umformprinzip besteht stets darin, einen rohrförmigen Rohling durch Einbringen eines fluiden Wirkmediums mit einem hydrostatischen Innendruck zu beaufschlagen. Diese Rohrbearbeitungstechnologie wird als Innenhochdruckumformen (IHU) bezeichnet.
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Durch aufweitendes Innenhochdruckumformen werden längsachsenbetonte Werkstücke hergestellt, die längs ihrer Achse eine oder mehrere Querschnittserweiterungen (Aufwei-tungen) aufweisen. Diese Aufweitungen werden durch die gleichzeitige Wirkung einer in Rohrlängsachse wirkenden Axialkraft und des hydrostatischen Innendrucks hervorgerufen. In der Aufweitzone herrschen dabei je nach Werkstückgeometrie und Aufweitverhältnis jeweils Zug-Druckbeanspruchungen oder auch reine Zugbeanspruchungen.
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Ein konkretes Anwendungsbeispiel für durch aufweitendes Innenhochdruckumformen hergestellte Fahrzeugelemente sind (neben z. B. Lenksäulen, Kettenrädern und Ausgleichswellen) vor allem sogenannte "gebaute" hohle Nockenwellen. Sie sind gegenüber konventionellen (in einem Stück aus Gusseisen gegossenen oder in Ausnahmefällen auch aus Stahl geschmiedeten) massiven Nockenwellen immer weiter auf dem Vormarsch, da sie sich vorteilhafterweise durch geringere Kosten, ein niedrigeres Gewicht, die Einsetzbarkeit höherfester Werkstoffe für die Nocken (gehärteter Kugellagerstahl, Sinterstähle), eine höhere Flexibilität in der Fertigung, aber auch durch die einfachere Umsetzbarkeit neuer No-ckengeometrien (wie etwa Nocken mit negativen Radien) auszeichnen.
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So offenbart die
DE 10 2007 012 756 A1 ein Verfahren zum Herstellen gebauter Nockenwellen, bei dem ein rohrförmiger Rohling (Rohrkörper) auf eine Bezugsachse zunächst zentriert eingespannt und dann die Funktionselemente (insbesondere Nocken- oder Lagerringe) mit Ihren Durchgangslöchern auf den rohrförmigen Rohling zentriert aufgeschoben werden, sodass sich zwischen dem Außendurchmesser des Rohlings und dem Innendurchmesser der Funktionselemente ein Fügespalt einstellt. Anschließend wird ein Wirkmedium in den Hohlraum des Rohrkörpers eingebracht, um einen Innendruck aufzubauen. Wenn dieser Innendruck die Fließgrenze des inneren Fügepartners (Rohrkörpers) überschreitet, beginnt dessen plastische Aufweitung. Nachdem der Fügespalt, also der Abstand zwischen den beiden Fügepartnern, überwunden ist, kommt es zum Kontakt mit dem äußeren Fügepartner (Funktionselement, wie z. B. Nockenring) und dem sich anschließenden gemeinsamen Aufweiten. Die Aufweitung des äußeren Fügepartners (Funktionselements, wie z. B. Nockenrings) erfolgt jedoch lediglich rein elastisch.
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Nach dem Erreichen des maximalen Innendrucks (Fügedrucks) für einen bestimmten Zeitraum erfolgt die vollständige Druckrücknahme und beide Fügepartner (Rohrkörper und aufgebrachtes Funktionselement) federn gemeinsam zurück. Durch die plastische Deformation des inneren Fügepartners (Rohrkörpers) wird der Rückfederungsweg des äußeren Fügepartners (Funktionselements, wie z. B. Nockenrings) allerdings begrenzt, sodass sich ein fester Presssitz zwischen dem Rohrkörper und dem Funktionselement einstellt.
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Ein entscheidender Vorteil des vorbeschriebenen Verfahrens des Innenhochdruckfügens gegenüber konventionellen Fügeverfahren, bei denen die aufzubringenden Funktionselemente entweder thermisch auf die Rohrwelle aufgeschrumpft oder die aufzubringenden Funktionselemente mechanisch auf die in den Sitzbereichen für die Funktionselemente mit einem vergrößerten Durchmesser versehene Rohrwelle axial aufgeschoben werden, ist die Möglichkeit, die Funktionselemente, insbesondere die Nockenringe, nicht nur durch Kraftschluss (mit begrenzten Klemmkräften), sondern auch durch einen entsprechenden Formschluss (mittels eines Hinterschnitts) auf dem Rohr zu fixieren, sodass im Betrieb selbst hohe Drehmomente problemlos übertragen werden können.
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Beim vorbeschriebenen Innenhochdruckfügen kann der rohrförmige Rohling mit den aufzubringenden Bauteilen in ein Gesenk eingelegt und nach Schließen des Gesenks über seine ganze Länge global mit einem Innenhochdruck beaufschlagt werden oder aber der freiliegende Rohling kann durch die Verwendung von geeigneten Sonden oder Lanzen nur in einzelnen Längsabschnitten innerhalb der aufzubringenden Bauteile mit Innenhochdruck beaufschlagt und dabei plastisch umgeformt werden.
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Wird das Hauptaugenmerk auf die industrielle Umsetzung von Leichtbau gelegt, so wird überwiegend das letztgenannte Fügen mittels einer Sonde oder Lanze eingesetzt. Die Platzanforderungen an die Fügeanlage und das Hydraulikaggregat (Druckerzeugungseinheit, Steuertechnik etc.) sind hierbei nämlich im Vergleich zu den massiv bauenden hydraulischen Pressen in der Karosserieteilfertigung äußerst gering, um die Vorteile einer kraft- und formschlüssigen Verbindung zu erreichen. Zudem wird zum Fügen mittels Sonde oder Lanze lediglich ein lokal hohes Druckniveau, aber im Gegensatz zum Innenhochdruckfügen in geschlossenen Gesenken mittels globaler Druckbeaufschlagung nahezu kein Volumenstrom benötigt. Weiterhin ist für die meisten derzeitigen Anwendungen das Rohr als standardisiertes Ausgangsprodukt verfügbar.
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Damit ausschließlich in den Längsabschnitten, welche den aufzubringenden Bauteilen (z. B. Nockenringen oder weiteren Komponenten wie Ausgleichsmassen oder Lagerringen) zugeordnet sind, eine Aufweitung des rohrförmigen Rohlings erfolgt, muss das zum Fügen verwendete Werkzeug (Sonde oder Lanze) so gestaltet sein, dass eine lokale Aufweitung und eine sichere Abdichtung des Kompressionsraums gewährleistet ist. Das fluide Wirkmedium wird hierzu über eine axiale Bohrung durch den zylindrischen Körper der Sonde oder Lanze geleitet. Die in Position gebrachte Sonde oder Lanze schließt bzw. kammert das durch die Bohrung eingeleitete Wirkmedium in axialer Richtung über O-Ringe o. ä. Dichtungselemente in seinem Wirkraum ein und begrenzt dieses somit im Wesentlichen auf den jeweiligen Längsabschnitt der auszuformenden Aufweitung.
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Eine zur lokalen Aufweitung eingesetzte längsverfahrbare Hochdrucksonde stellt allerdings ein konstruktionell sehr aufwendiges und daher relativ teures und im Betrieb mit einem erhöhten Fehler- und Ausfallrisiko behaftetes Hilfsmittel dar. Bei langen Nockenwellen ist überdies die Vorbereitungszeit vor dem Fügen, beispielsweise durch das langsame Einfahren der Hochdrucksonde in den Rohrkörper, sehr langwierig und reduziert daher die Produktivität dieses teuren Hilfsmittels. Außerdem treten aufgrund der geringen Dauerhaltbarkeit der Dichtungselemente der Sonde bei sehr hohen Drücken immer wieder Dichtigkeitsprobleme auf. Weiter von Nachteil ist der hohe apparative Aufwand, der für die Erzeugung einer Relativbewegung zwischen dem Rohrkörper und der Hochdrucksonde betrieben werden muss.
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Im Ergebnis zieht das lokale Aufweiten mittels Hochdrucksonden somit neben einem hohen Aufwand an Investitionskosten und Fertigungsvorbereitung auch eine verlängerte Prozesskette und dadurch eine erweiterte Störanfälligkeit nach sich, was sich insbesondere für einen Einsatz in einer flexiblen, kleinserientauglichen Prozesskette nachteilig auswirken kann.
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In Anbetracht der vorstehenden Probleme ist es die Aufgabe der Erfindung ein Verfahren anzugeben, dass einerseits eine kostengünstige und prozesssichere Herstellung von lokal aufgeweiteten rohrförmigen Elementen (auch in der Kleinserienfertigung) ermöglicht und dabei jedoch die durch das Innenhochdruckfügen bekannten Vorteile einer stabilen kraft- und formschlüssigen Verbindung zwischen den Fügepartnern weiterhin beibehält.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines lokal aufgeweiteten rohrförmigen Elements umfasst als grundlegende Schritte, dass ein rohrförmiger Rohling vorgesehen wird, dass ein Wirkmedium in den Hohlraum des rohrförmigen Rohlings eingebracht wird und dass der rohrförmige Rohling schließlich zwischen den Enden desselben in wenigstens einem Abschnitt lokal aufgeweitet wird zur Bildung eines lokal aufgeweiteten rohrförmigen Elements mit wenigstens einem lokal aufgeweiteten Abschnitt.
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Erfindungsgemäß zeichnet sich das Verfahren zur Herstellung eines lokal aufgeweiteten rohrförmigen Elements dadurch aus, dass der rohrförmige Rohling lokal unterschiedliche Fließspannungen aufweist und der sich im Hohlraum des rohrförmigen Rohlings durch Einbringen des Wirkmediums einstellende Innendruck derart auf diese lokal unterschiedlichen Fließspannungen abgestimmt wird, dass nur in dem wenigstens einen lokal aufzuweitenden Abschnitt eine plastische Umformung des rohrförmigen Rohlings zur Bildung des wenigstens einen lokal aufgeweiteten Abschnitts erfolgt.
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Unter Fließspannung ist diejenige mechanische Spannung (Zugkraft dividiert durch momentane Querschnittsfläche) des Werkstoffs des rohrförmigen Rohlings zu verstehen, ab der die Spannungs-Dehnungs-Kurve vom anfänglich elastischen linearen Verlauf abweicht, das heißt, ab der eine Dehnung des Werkstoffs anfängt plastisch (irreversibel) zu werden. Die Fließspannung repräsentiert somit einen wesentlichen, sich unmittelbar auf das Umformergebnis auswirkenden Einflussfaktor.
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Durch die lokal unterschiedlichen Fließspannungen des Rohlings und einen darauf abgestimmten, während der Innenhochdruckumformung maximal aufgebauten Wirkmediendruck ergibt sich die Möglichkeit, lokal unterschiedliche Deformationen (Durchmesseraufweitungen) des Rohlings zu erzielen, ohne dabei auf eine zusätzlich in das Rohr einzuführende, axial abdichtendende Fügesonde oder ein sonstiges Hilfsmittel angewiesen zu sein. Somit können vorteilhafterweise Werkzeugkomponenten und Prozessschritte eingespart werden.
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Vorteilhafterweise kann beim erfindungsgemäßen Verfahren das lokale Aufweiten des Rohlings über eine globale Druckbeaufschlagung des Hohlraums durch ein gleichmäßig über die gesamte Rohrlänge wirkendes fluides Wirkmedium erfolgen. Um gleichzeitig alle lokal begrenzten Aufweitungen in einem einzigen Umformschritt auszubilden, übersteigt der im Innenhohlraum des rohrförmigen Rohlings aufgebaute Wirkmediendruck die jeweils in den lokal aufzuweitenden Abschnitten des Rohlings vorliegende Fließspannung. Durch eine derartige Abstimmung von Innendruck und Fließspannung kann die Zykluszeit gegenüber der schrittweisen lokalen Innenhochdruckumformung mittels Sonden oder Lanzen deutlich verkürzt werden. Im Ergebnis eröffnet sich durch das erfindungsgemäße Verfahren somit ein erhebliches Einsparpotential bei der Herstellung lokal aufgeweiteter rohrförmiger Elemente.
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Weiter von Vorteil ist, dass durch die erfindungsgemäß vorgesehene Formgebung mit einem aktiven Wirkmedium auch komplex geformte Aufweitungen des Rohrs erzeugt werden können. In Kombination mit einer entsprechenden Form der Durchgangsöffnung eines auf den Rohrkörper aufgeschobenen Bauteils (z. B. eines Nockenrings) können Hinterschnitte gebildet werden, sodass sich neben einem Kraftschluss vorteilhafterweise auch ein Formschluss mit dem aufgeschobenen Bauteil einstellt.
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Vorzugsweise besteht der rohrförmige Rohling aus einem wärmebehandelbaren Werkstoff und die lokal unterschiedlichen Fließspannungen werden somit durch eine entsprechende Wärmvorbehandlung des rohrförmigen Rohlings gezielt eingestellt.
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Um lokal unterschiedliche Durchmesseraufweitungen des Rohlings während der Innenhochdruckumformung zu erreichen, wird der Rohling vor der Beaufschlagung mit Innenhochdruck einer lokal unterschiedlichen Wärmebehandlung unterzogen, sodass entlang des Rohlings lokal unterschiedliche Gefüge und somit Härten entstehen. Zwischen Härte und Fließspannung besteht wiederum ein annähernd proportionaler Zusammenhang, mit der Folge, dass durch eine entsprechende Wärmevorbehandlung auf die im Rohling lokal vorliegenden Fließspannungen gezielt Einfluss genommen werden kann. Beispielsweise kann der Rohling hierzu im Anschluss an eine homogene Erwärmung mit lokal unterschiedlichen Abkühlgeschwindigkeiten abgekühlt werden. Infolgedessen resultieren entlang des rohrförmigen Rohlings unterschiedliche Härten und somit Fließspannungen. Die Wärmevorbehandlung ermöglicht somit bauteilangepasste Lösungen für die lokalen Fließeigenschaften von Rohrwerkstoffen.
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In einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Wärmevorbehandlung des rohrförmigen Rohlings dahingehend, dass nur die nicht aufzuweitenden Abschnitte des rohrförmigen Rohlings lokal gehärtet werden, wohingegen die lokal aufzuweitenden Längsabschnitte des rohrförmigen Rohlings die Ausgangsfestigkeit des Grundwerkstoffs des rohrförmigen Rohlings beibehalten.
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Durch die lokale Härtung können entlang des Rohlings "weiche" und "harte" Längsabschnitte ausgebildet werden. Die "weichen" Längsabschnitte stellen die Zonen dar, die bei der späteren Innenhochdruckumformung unter Einwirkung des Wirkmediendrucks jeweils lokal aufzuweiten sind, wohingegen die "harten" Längsabschnitte die Zonen darstellen, die bei der späteren Innenhochdruckumformung unter Einwirkung des Wirkmediendrucks nicht aufzuweiten, sondern in ihrem ursprünglichen Durchmesserzustand zu belassen sind.
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In einer alternativen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Wärmevorbehandlung des rohrförmigen Rohlings dahingehend erfolgen, dass dieser insgesamt gehärtet wird und die lokal aufzuweitenden Abschnitte durch ein lokales Anlassen wieder entsprechend entfestigt werden.
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Durch Anlassen (auch Tempern genannt) wird die Härte und somit Fließspannung in den Abschnitten des Rohlings, in denen eine plastische Aufweitung bewirkt werden soll, vermindert. In den übrigen, nicht aufzuweitenden Abschnitten des rohrförmigen Rohlings erfolgt jedoch kein Anlassen und die durch eine entsprechende vorhergehende Wärmebehandlung erzielte Härte wird somit beibehalten. In diesen gehärteten, aber nicht angelassenen Rohrabschnitten reicht die bei Beaufschlagung durch das Wirkmedium in den Rohling eingeleitete Spannung nicht aus, um den Rohrwerkstoff zum Fließen zu bringen und somit eine irreversible Durchmesseraufweitung hervorzurufen.
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Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass sich durch Einbringen des Wirkmediums über die gesamte Länge des rohrförmigen Rohlings ein definierter Innendruck einstellt, wobei die durch diesen Innendruck in den rohrförmigen Rohling eingebrachte Spannung in wenigstens einem Längsabschnitt des rohrförmigen Rohlings die dort vorliegende Fließspannung überschreitet, sodass in diesem wenigstens einen Längsabschnitt eine plastische Umformung des rohrförmigen Rohlings zur Bildung eines lokal aufgeweiteten Längsabschnitts erfolgt, und in den übrigen Längsabschnitten des rohrförmigen Rohlings die dort jeweils vorliegende Fließspannung nicht überschreitet, sodass in diesen übrigen Längsabschnitten des rohrförmigen Rohlings keine plastische Umformung erfolgt.
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Somit kann durch ein vollständiges Befüllen des Innenhohlraums des Rohlings mit einem fluiden Wirkmedium (z. B. Flüssigkeit oder Gas) über die gesamte Länge des Rohlings ein gleichmäßiger globaler Innendruck aufgebaut werden, der auf die (beispielsweise durch eine entsprechende Wärmevorbehandlung) entlang der Länge des Rohlings lokal unterschiedlichen Fließspannungen derart abgestimmt ist, dass sich alle gewünschten Durchmesseraufweitungen rationell in einem einzigen Umformschritt realisieren lassen. Hierzu übersteigt die durch den eingestellten globalen Innendruck in den Rohrwerkstoff eingebrachte Spannung die in den aufzuweitenden Längsabschnitten des Rohlings vorliegende Fließspannung, um dort eine irreversible plastische Aufweitung des Rohrdurchmessers zu bewirken. In den übrigen Längsabschnitten des Rohlings erreicht die durch den Innendruck eingebrachte Spannung jedoch nicht die Fließspannung des Rohrwerkstoffs. Infolgedessen treten in diesen übrigen Längsabschnitten nur elastische (reversible) Deformationen auf und nach Druckentnahme federt das rohrförmige Element hier somit wieder in seine ursprüngliche unaufgeweitete (z. B. zylindrische) Querschnittsform zurück.
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Vor Einbringen des Wirkmediums wird gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wenigstens ein Nabenelement auf den rohrförmigen Rohling aufgeschoben oder der rohrförmige Rohling in wenigstens ein Nabenelement eingeschoben und der rohrförmige Rohling wenigstens in dem durch das wenigstens eine Nabenelement geführten Längsabschnitt lokal aufgeweitet, um einen Sitz zu bilden, der eine kraft- und formschlüssige Verbindung zwischen dem lokal aufgeweiteten rohrförmigen Element und dem Nabenelement sicherstellt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich somit vorteilhafterweise auch als Innenhochdruck-Fügeverfahren zum Verbinden eines rohrförmigen Grundkörpers mit wenigstens einem darauf aufzubringenden Nabenelement einsetzen. Dabei erfährt der durch eine Durchgangsöffnung des Nabenelements geführte Längsabschnitt des Rohrkörpers bei der Beaufschlagung des Rohrinnenhohlraums mit einem Innendruck eine plastische Deformation, die zu einer irreversiblen Aufweitung des Rohrdurchmessers führt. Gleichzeitig wird durch die plastische Aufweitung des Rohrkörpers das umgebende Nabenelement elastisch reversibel deformiert. Nach Druckrücknahme erfolgt die Rückfederung des Nabenelements, welche jedoch aufgrund des plastisch aufgeweiteten Rohrkörpers begrenzt ist, wodurch sich ein kraftschlüssiger Presssitz zwischen den beiden Fügepartnern ergibt. Durch eine entsprechende Gestaltung der Durchgangsöffnung des Nabenelements lässt sich bei der plastischen Aufweitung des zugeordneten Längsabschnitts des Rohrkörpers zudem ein Hinterschnitt erzeugen, um zusätzlich zum Kraftschluss einen Formschluss bereitzustellen. Im Ergebnis kann damit eine hochfeste zur Übertragung großer Kräfte und Drehmomente geeignete Verbindung geschaffen werden.
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Bevorzugt ist das lokal aufgeweitete rohrförmige Element ein Nockenwellenrohr und das wenigstens eine Nabenelement ein Nockenring oder eine sonstige Komponente für eine Nockenwelle, wie eine Ausgleichsmasse oder ein Zahnrad, wobei der wenigstens eine lokal aufgeweitete Abschnitt einen Nockensitz oder einen sonstigen Komponentensitz zum kraft- und formschlüssigen Halten des Nockenrings oder der sonstigen Komponente bildet.
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Erfindungsgemäß können alle aufgeschobenen Nockenringe gleichzeitig zur Bildung einer Nockenwelle drehfest mit dem Nockenwellenrohr verbunden werden. Ausgehend von einem rohrförmigen Rohling werden die gelochten Nockenringe (auch Nockenelemente oder Nockenscheiben genannt) hierzu zunächst aufgeschoben und zueinander axial positioniert. Dies kann in einem speziellen IHU-Werkzeug oder bereits im jeweiligen Haubenmodul für den Verbrennungsmotor erfolgen. Durch ein in den Hohlraum des Rohlings eingefülltes Wirkmedium und dem nach Abdichtung erfolgenden Druckaufbau werden in einem einzigen Umformschritt die erforderlichen Rohraufweitungen erzeugt, wodurch die Nockensitze sowie die Verbindungen zwischen Nocken und rohrförmigem Halbzeug ausgebildet werden. Gleichzeitig oder anschließend können durch den aufgebauten Innendruck eventuell auch Lagersitze und weitere Geometrieelemente in das Nockenwellenrohr eingeformt und die finale Nockenwellengeometrie kalibriert werden.
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Generell liegen weitere Anwendungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Verfahrens in der Verbindung zweier Bauteile mit dominierendem Formschluss (wie beispielsweise klassische Verzahnungen oder Polygonverbindungen).
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Der zur Herstellung der gebauten Nockenwelle verwendete rohrförmige Rohling weist bevorzugterweise in den Längsabschnitten, die die späteren Nockensitze oder Komponentensitze bilden, eine niedrigere Fließspannung auf als in den übrigen Längsabschnitten.
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Eine vorherige Wärmebehandlung des zur Bildung des Nockenwellenrohrs eingesetzten Rohlings kann dahingehend erfolgen, dass bereits fertig bearbeitete Abschnitte durch ein Härteverfahren auf eine große Zugfestigkeit und damit entsprechend große Fließspannung eingestellt werden und nur die Bereiche der späteren Nockensitze entsprechend weich, d. h. mit signifikant geringerer Zugfestigkeit und entsprechend niedriger Fließspannung eingestellt werden. Der im Hohlraum des zur Herstellung des Nockenwellenrohrs verwendeten Rohlings aufgebaute Innendruck muss dann nach erfolgter Positionierung im Haubenmodul oder in einem IHU-Werkzeug so eingestellt werden, dass in den Bereichen mit geringer Fließspannung eine Umformung zur Ausbildung des Kraft- und Formschlusses im Nockennest gewährleistet ist, während die weiteren Bereiche mit hoher Fließspannung keine Umformung erfahren.
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Nach einer besonders effizienten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, Nockenringe und eventuell sonstige Komponenten für die Nockenwelle zunächst in ein Haubenmodul für einen Verbrennungsmotor einzulegen und den rohrförmigen Rohling dann durch diese Nockenringe und eventuell weitere Komponenten in das Haubenmodul einzuschieben, wobei das lokale Aufweiten des rohrförmigen Rohlings in diesem in das Haubenmodul eingeschobenen Zustand erfolgt.
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Ein derartiges haubenintegriertes Herstellungsverfahren gestattet es vorteilhafterweise, auf speziell ausgebildete zusätzliche Innenhochdruckumformwerkzeuge zum Halten und Anordnen des Nockenwellenrohrs und der darauf zu befestigenden Bauteile (u. a. Nockenringe) während der Beaufschlagung des Nockenwellenrohr-Innenhohlraums mit einem Wirkmedium zu verzichten.
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Die Erfindung schlägt hierzu vor, in rationeller Weise die auf das Nockenwellenrohr zu befestigenden Bauteile (u. a. Nockenringe) zunächst in das entsprechende Haubenmodul (Zylinderkopfhaube) einzulegen und den rohrförmigen Rohling für das Nockenwellenrohr durch die Durchgangsöffnungen der Bauteile (u. a. Nockenringe) und entsprechende hauben-seitige Lageraufnahmen in das Haubenmodul (Zylinderkopfhaube) einzuschieben. Erst jetzt – also in einem in das Haubenmodul eingeschobenen, vormontierten Zustand – wird der rohrförmige Rohling einer Umformung unterzogen, um eine Pressverbindung zwischen dem lokal aufgeweiteten Nockenwellenrohr und den Bauteilen (u. a. Nockenringen) herzustellen.
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In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung wird der rohrförmige Rohling vor dem Einschieben in das Haubenmodul auf Fertigmaß bearbeitet, insbesondere in den nicht aufzuweitenden funktionsbedingten Längsabschnitten, wie Lagersitzen.
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Nach der wirkmedienbasierten Umformung liegt die Nockenwelle somit in einem fertig montierten und bearbeiteten Zustand mit aufgepressten Funktionselementen vor. Eine Nachbearbeitung der Nockenwelle ist nicht mehr notwendig.
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In noch einer weiter bevorzugten Ausgestaltung werden die Nockenringe und eventuell sonstige Komponenten für die Nockenwelle vor dem Einlegen in das Haubenmodul insbesondere in der Außenkontur fertig bearbeitet.
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Aufgrund der Besonderheit, dass das Nockenwellenrohr in den fertig bearbeiteten Nockenringen ausgeformt wird, können auch komplexe Fügegeometrien ohne Tolerierungsprobleme und mit einstellbarem Passfugendruck zwischen den Fügepartnern hergestellt werden. Ein entfestigendes Wiederanlassen der gehärteten Nockenringe kann bei diesem Verfahren ebenfalls ausgeschlossen werden, da der Umformprozess kalt erfolgt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen noch weiter erläutert. Es zeigt:
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1 einen für das erfindungsgemäße Verfahren vorbereiteten rohrförmigen Rohling;
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2a und 2b Querschnittsdarstellungen des rohrförmigen Rohlings mit aufgeschobenem Nockenring vor und nach erfolgter plastischer Durchmesseraufwei-tung; und
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3 ein Haubenmodul mit eingebauter Nockenwelle in einer schematischen Längsschnittdarstellung.
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Die Figuren zeigen die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer sogenannten "gebauten" Nockenwelle 9 bestehend aus einem hohlen, lokal aufgeweiteten Nockenwellenrohr 2 und drehfest auf entsprechenden Nockensitzen 6 des Nockenwellenrohrs 2 aufgebrachten Nockenringen 7. Jeweils ein Ventilstößel 13 wird durch einen Nockenring 7 betätigt, wenn sich die Nockenwelle 9 gemäß 3 im Haubenmodul 8 dreht.
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Als Ausgangshalbzeug für das Nockenwellenrohr 2 wird gemäß 1 ein rohrförmiger Rohling 1 verwendet, der aus einem geschweißten oder nahtlos gezogenen Rohrstück besteht. Im Zuge der Herstellung der Nockenwelle 9 werden gemäß 2a zunächst die Nockenringe 7 mit ihren Durchgangsöffnungen 11 in axialer Richtung zentriert auf den rohrförmigen Rohling 1 aufgeschoben, bis sie ihre in 3 gezeigte axiale Position zur Betätigung der jeweils zugeordneten Ventilstößel 13 erreicht haben. Wie aus 2a ersichtlich, verbleibt zwischen der inneren Umfangsfläche der Durchgangsöffnung 11 des Nockenrings 7 und der äußeren Umfangsfläche des Rohlings 1 dabei jeweils ein Ausgleichs- und Fügespalt.
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Der Rohling 1 wird nach Aufschieben der Nockenringe 7 und nach entsprechender axialer Abdichtung über seine gesamte Länge vollständig vom Wirkmedium (z. B. einer Druckflüssigkeit) gefüllt. Hierdurch baut sich im Hohlraum 3 des Rohlings 1 ein gleichmäßiger globaler Innendruck auf. Durch diesen globalen Innendruck werden in den Werkstoff des Rohlings 1 Spannungen eingebracht, die zu entsprechenden, nachfolgend näher erläuterten Formänderungen führen.
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In den jeweils durch die Nockenringe 7 geführten Längsabschnitten 4 des Rohlings 1 erfolgt gemäß dem Übergang von 2a nach 2b eine plastische Durchmesseraufweitung des Rohlings 1. Diese Aufweitung überbrückt den Fügespalt und bewirkt, dass das aufge-weitete Nockenwellenrohr 2 mit der inneren Umfangsfläche der Durchgangsöffnung 10 des Nockenrings 7 in Presskontakt gelangt. Dieser Presskontakt führt wiederum zu einer entsprechenden Aufweitung des Innendurchmessers des Nockenrings 7, wobei sich diese Aufweitung jedoch im rein elastischen (reversiblen) Bereich bewegt. Nach Druckrückrahme federt der Innendurchmesser des Nockenrings 7 demzufolge wieder zurück, wobei die Rückfederung jedoch durch die bleibende (plastische) Durchmesseraufweitung des im Inneren des Nockenrings 7 befindlichen Abschnitts (= Nockensitzes 6) des Nockenwellenrohrs 2 behindert wird, sodass es zur erwünschten kraftschlüssigen Presssitzverbindung zwischen dem aufgeweiteten Nockensitz 6 des Nockenwellenrohrs 2 und dem Nockenring 7 kommt.
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Im Gegensatz zum thermischen Aufschrumpfen, bei dem die Rohrwelle tiefgekühlt und die zu fügenden Einzelteile (Nockenringe, Axiallagerringe K) erwärmt werden oder zum mechanischen Aufpressen, bei dem ein Nabenelement auf einen im Durchmesser erweiterten Sitzabschnitt der Welle in Presssitz aufgeschoben wird, wird durch das erfindungsgemäße wirkmedienbasierte Fügeverfahren nicht nur eine kraftschlüssige Verklemmung (mit geringen Klemmkräften), sondern zusätzlich auch eine formschlüssige Verklemmung zwischen den Fügepartnern (Nockenwellenrohr 2 und Nockenring 7) hergestellt. Die aufzubringenden Nockenringe 7 besitzen hierzu gemäß 2a und 2b Durchgangsöffnungen 10, die eine jeweils von einer kreisrunden Öffnung abweichende Öffnungsgeometrie mit einer radial abzweigenden Ausbuchtung 11 aufweisen. Durch diese Ausbuchtung 11 wird im entsprechend plastisch aufgeweiteten Nockenwellenrohr 2 in Drehrichtung gesehen ein Hinter-schnitt 14 ausgebildet, der im Drehbetrieb der Nockenwelle 9 für einen zusätzlichen formschlüssigen Eingriff zwischen dem Nockenwellenrohr 2 und dem Nockenring 7 sorgt. Durch diese in der erfindungsgemäß hergestellten Fügeverbindung vorgesehene Kombination aus Kraft- und Formschluss können selbst hohe Drehmomente spielfrei übertragen werden.
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Um trotz einer gleichmäßig entlang der gesamten Länge des Rohlings 1 erfolgenden globalen Druckbeaufschlagung nur in den Längsabschnitten 4 des Rohlings 1, die später die Nockensitze 6 der Nockenwelle 9 bilden, eine lokale Aufweitung zu erhalten und um gleichzeitig zu vermeiden, dass bereits vor der Montage die fertig bearbeiteten "harten" Längsabschnitte 5 des Rohlings 1 durch den Innenhochdruck plastisch deformiert werden und damit deren geometrische Eigenschaften verloren gehen, ist eine vorherige Wärmebehandlung des Rohlings 1 erforderlich. Diese erfolgt derart, dass die lokal aufzuweitenden Längsabschnitte 4 des Rohlings 1, welche die späteren Nockensitze 6 bilden, entsprechend "weich", d. h. mit signifikant geringerer Zugfestigkeit und entsprechend niedriger Fließspannung eingestellt werden, und dass die bereits fertig bearbeiteten, lokal nicht aufzuweitenden Längsabschnitte 5 des Rohlings 1 (z. B. die in entsprechende Lager 13 des Haubenmoduls 8 aufzunehmenden Lagersitze) durch ein Härteverfahren auf eine große Zugfestigkeit und damit entsprechend große Fließspannung eingestellt werden.
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1 zeigt, dass der Rohling 1 resultierend aus einer vorbeschriebenen Wärmevorbehandlung lokal unterschiedliche Fließspannungen aufweist. Die "weichen" (in 1 mit grau ausgefülltem Hintergrund dargestellten) Längsabschnitte 4 mit niedriger Fließspannung entsprechen den Abschnitten, die in der fertigen Nockenwelle 9 die lokal aufgeweiteten Nockensitze 6 zum kraft- und formschlüssigen Halten der Nockenringe 7 bilden. Die "harten" (in 1 unausgefüllt mit weißem Hintergrund dargestellten) Längsabschnitte 4 mit hoher Fließspannung entsprechen hingegen den fertig bearbeiteten Abschnitten 5 des Rohlings 1, die sich im fertigen Nockenwellenrohr 2 in gleicher (unaufgeweiteter) Form wiederfinden (z. B. funktionsbedingte Abschnitte, wie Lagersitze).
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Um den in 1 dargestellten entlang der Länge des Rohlings 1 variierenden Härte- bzw. Festigkeitsverlauf zu erhalten, können nur die bereits die Endform des fertigen Nockenwellenrohrs 2 besitzenden Abschnitte 5 (z. B. Lagersitze) lokal gehärtet werden, während die lokal aufzuweitenden, die späteren Nockensitze 6 bildenden Abschnitte 4 des Rohlings 1 nicht gehärtet werden. In Abwandlung hierzu kann auch zunächst der Rohling 1 insgesamt gehärtet werden und anschließend lediglich die Abschnitte 4, die später zu den Nockensitzen 6 aufgeweitet werden, durch ein lokales Anlassen wieder entsprechend entfestigt werden, wohingegen die übrigen, nicht aufzuweitenden Abschnitte 5 ihre Härte beibehalten.
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Der im Hohlraum 3 des derart vorbehandelten Rohlings 1 aufzubringende Innendruck 1 muss dann so eingestellt werden, dass in den Längsabschnitten 4 mit niedriger Fließspannung eine Umformung zur Ausbildung des Kraft- und Formschlusses mit den Nockenringen 7 gewährleistet ist. Hierzu übersteigt die aus dem globalen Innendruck resultierende Spannung die Fließspannung in den betreffenden "weichen" Längsabschnitten 4. Demnach erfolgt in diesen Längsabschnitten 4 eine wirkmedienbasierte plastische (irreversible) Aufweitung des Rohrdurchmessers. In den mit hoher Fließspannung versehenen "harten" Längsabschnitten 5 des Rohlings 1 reicht die durch den globalen Innendruck eingebrachte Spannung hingegen nicht aus, um diese hohe Fließspannung zu erreichen, sodass diese Abschnitte 5 unter Einwirkung des Wirkmediums nur eine elastische Aufweitung des Rohrduchmessers erfahren, die sich nach Druckrücknahme jedoch wieder vollständig zurückbildet. Infolgedessen ist in diesen "harten" Längsabschnitten 5 eine Fertigbearbeitung des Rohlings 1 möglich, um eine definierte Montage des Rohlings 1 im Haubenmodul 8 zu erreichen.
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3 zeigt die Nockenwelle 9 in einem in das Haubenmodul 8 (Zylinderkopfhaube) für einen Verbrennungsmotor eingebauten Zustand. Dazu sind entsprechende, fertig bearbeitete Einzelkomponenten der Nockenwelle 9, nämlich das Nockenwellenrohr 2 (z. B. mit fertig bearbeiteten geschliffenen Lagersitzen 5) und die Nockenringe 7 mit finaler Kontur im Haubenmodul 8 platziert. Vorteilhafterweise erfolgt der vorbeschriebene Innenhochdruck-Fügeprozess zur Ausbildung der lokal aufgeweiteten Nockensitze 6 am Nockenwellenrohr 2 in diesem eingebauten Zustand. Hierzu werden die Nockenringe 7 und eventuell weitere auf das Nockenwellenrohr 2 aufzubringende Komponenten (Lagerringe, Ausgleichsmassen, Zahnräder K) zunächst in entsprechende im Haubenmodul 8 vorgesehene "Nockennester" oder sonstige Aussparungen in vordefinierter Winkelstellung eingelegt. Anschließend wird ein partiell fertig bearbeiteter und gemäß 1 wärmebehandelter rohrförmiger Rohling 1, der das spätere Nockenwellenrohr 2 bildet, in das Haubenmodul 8 eingesteckt, indem er durch die Durchgangsöffnungen 10 der Nockenringe 7 und die Lager 12 des Hauben-moduls 8 eingeschoben wird, bis er seine im Haubenmodul 8 drehbar gelagerte Endstellung erreicht.
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Die finale Montage der Nockenringe 7 und gegebenenfalls weiterer Komponenten erfolgt erst in diesem in das Haubenmodul 8 eingebauten Zustand. Hierzu wird der in das Haubenmodul 8 eingeschobene rohrförmige Rohling 1 vollständig mit dem (flüssigen oder gasförmigen) Wirkmedium befüllt, um alle Abschnitte 4 der späteren Nockensitze 6 gleichzeitig zur Ausbildung eines Kraft- und Formschlusses plastisch umzuformen. Durch die erfindungsgemäß vorgesehene globale Druckbeaufschlagung des Rohlings 1 mit einem Wirkmedium muss vorteilhafterweise nicht auf eine schrittweise lokale Umformung mittels axial abdichtender Fügesonden zurückgegriffen werden. Zudem ist es gemäß 2b durch eine geeignete Ausformung der Nockensitze 6 möglich, zwischen den Nockenringen 7 und dem Nockenwellenrohr 2 nicht nur eine kraftschlüssige, sondern aufgrund des Hinterschnitts 14 auch eine formschlüssige Verbindung herzustellen.
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Nockenringe 7 sowie eventuell weitere Einzelkomponenten der späteren Nockenwelle 9 werden vor der Montage im Haubenmodul 8 insbesondere in der Außenkontur spanabhebend fertig bearbeitet, sodass nach dem Fügen unter Innenhochdruck keine weiteren Nachbearbeitungsschritte vorgenommen werden müssen. Darüberhinaus können die Nockenringe 7 vor dem Fügen an ihrem Außenumfang schon gehärtet sein. Die gehärtete Oberfläche der Nockenringe 7 wird bei der lediglich elastischen (reversiblen) Verformung während des Innenhochdruck-Fügevorgangs nicht beeinträchtigt.
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Gegenüber dem Stand der Technik lassen sich erfindungsgemäß gebaute, in Haubenmodule 8 integrierte Leichtbau-Nockenwellen 9 in einem einzigen globalen Umformvorgang innerhalb des Haubenmoduls 8 durch das Aufbringen eines Innenhochdrucks im Hohlraum 3 des Rohlings 1 unter Ausbildung eines Kraft- und Formschlusses fügen. Eine Abstützung des rohrförmigen Rohlings 1 durch ein separates Werkzeug ist dabei nicht notwendig, da der Rohling 1 in den nicht zu verformenden Abschnitten 5 (z. B. Lagersitzen) infolge einer vorherigen Wärmebehandlung bereits eine ausreichende Festigkeit zur definierten Festlegung des Rohlings 1 am Haubenmodul 8 aufweist und nur in den nach der Wärmebehandlung "weichen" Abschnitten 4 zum Fügen der Nockenringe 7 bzw. anderer Komponenten plastisch deformiert wird. Dadurch, dass der Rohling 1 vor der Montage im Haubenmodul 8 in funktionsbedingten Bereichen, wie Lagersitzen 5, bereits fertig bearbeitet wurde, liegt nach erfolgtem Innenhochdruck-Fügevorgang im Haubenmodul 8 die Nockenwelle 9 in einem fertig gefügten und bearbeiteten Zustand vor, ohne dass weitere Arbeitsschritte angeschlossen werden müssen.
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Für den Innenhochdruck-Fügevorgang ist vor allem die Einstellung des Innendrucks bezogen auf den Härte- bzw. Festigkeitsverlauf innerhalb des Rohlings 1 von entscheidender Bedeutung. Gegenüber dem Stand der Technik lässt sich somit eine Nockenrohrwelle 2 in einem einzigen Umformschritt herstellen, während bisherige Verfahren nur in Einzelschritten für jeden Nockenring 7 funktionieren und ein Formschluss in der Regel nicht möglich ist. Damit ist im Stand der Technik der fertigungstechnische Aufwand deutlich höher und auch die Festigkeit der Fügestelle kann nur durch aufwändige Strukturierungen am Rohr bzw. Nocken verbessert werden, was allerdings wieder zu Lasten des Fertigungsaufwands geht.
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Das erfindungsgemäße Verfahren bietet somit gegenüber herkömmlichen Umformfügeprozessen sowohl in wirtschaftlicher Hinsicht durch die schnelle (in lediglich einem einzigen Umformschritt) und apparativ wenig aufwendige Herstellung aller radialen Aufweitungen als auch in qualitativer Hinsicht durch die Bereitstellung eines kombinierten Kraft- und Formschlusses zu den aufgebrachten Elementen (z. B. Nockenringen 7) eindeutige Vorteile.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- rohrförmiger Rohling
- 2
- lokal aufgeweitetes rohrförmiges Element (Nockenwellenrohr)
- 3
- Hohlraum des rohrförmigen Rohlings
- 4
- lokal aufzuweitender Abschnitt des rohrförmigen Rohlings
- 5
- nicht aufzuweitender Abschnitt des rohrförmigen Rohlings (u. a. Lagersitz)
- 6
- lokal aufgeweiteter Abschnitt (Nockensitz)
- 7
- Nabenelement (Nockenring)
- 8
- Haubenmodul
- 9
- Nockenwelle
- 10
- Durchgangsöffnung (des Nockenrings)
- 11
- Ausbuchtung (der Durchgangsöffnung)
- 12
- Lager (des Haubenmoduls)
- 13
- Ventilstößel
- 14
- Hinterschnitt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007012756 A1 [0006]
