DE102016111029A1 - Zahnwelle und Verfahren zu ihrer Herstellung, Verfahren zur Herstellung einer Funktionswelle - Google Patents
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Abstract
Die vorstehende Erfindung betrifft eine Zahnwelle (1) mit einem verzahnten Abschnitt (1a), in dem Verzahnungen (2a) auf dem Mantel der Zahnwelle (1) ausgebildet sind, die sich parallel zu einer Rotationsachse der Zahnwelle (1) erstrecken. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass an den verzahnten Abschnitt (1a) ein Montageabschnitt (1b) mit Verzahnungen (2b) angrenzt, wobei die Anzahl und die radiale Position der Verzahnungen (2b) in dem Montageabschnitt (1b) der Anzahl und der radialen Position der Verzahnungen (2a) in dem verzahnten Abschnitt (1a) entsprechen, und wobei wenigstens eine Zahndicke (db) der Verzahnungen (2b) in dem Montageabschnitt (2a) größer ist als eine Zahndicke (da) in dem verzahnten Abschnitt (1a),oder wenigstens ein Fußkreisdurchmesser (fb) der Verzahnungen (2b) in dem Montageabschnitt (1b) größer ist als der Fußkreisdurchmesser (fa) in dem verzahnten Abschnitt (1a), oder wenigstens ein Kopfkreisdurchmesser (kb) der Verzahnungen (2b) in dem Montageabschnitt (1b) größer ist als der Kopfkreisdurchmesser (ka) in dem verzahnten Abschnitt (1a).
Description
- Die Erfindung betrifft eine Zahnwelle gemäß Patentanspruch 1, ein Verfahren zu ihrer Herstellung gemäß Patentanspruch 6, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Funktionswelle gemäß Patentanspruch 11.
- Bei der Herstellung von Wellen für verschiedene Anwendungen ist es notwendig, Funktionselemente wie Nocken oder Sensorringe fest auf der Welle zu montieren. Insbesondere bei der Montage von Nocken auf der Welle muss deren axiale Position und relative Winkelausrichtung dabei präzise festgelegt werden können. Insbesondere bei Nocken muss außerdem sichergestellt werden, dass die Nocken sich nach der Montage nicht gegen die Welle verdrehen lassen.
- Daher werden Nockenwellen häufig in einem Stück aus Gusseisen gegossen. Nachteilig ist hierbei allerdings, dass diese Wellen ein hohes Gewicht aufweisen und die Flexibilität bei der Wahl des Nockenmaterials und der Nockenposition und -geometrie sehr eingeschränkt ist.
- Es werden daher gebaute Nockenwellen eingesetzt, bei denen die Nocken und andere Funktionselemente auf einer vorgefertigten Welle befestigt werden.
- Hierbei ergibt sich das eingangs genannte Problem, die Funktionselemente so an der Welle zu fixieren, dass diese ausreichend fest mit der Welle verbunden sind und sich nicht auf der Welle verschieben lassen oder gegen die Welle verdrehen lassen.
- Es sind zur Lösung dieses Problems diverse Verfahren vorgeschlagen worden. Aus der
WO 2012/031770 A1 - Das bekannte Verfahren ist jedoch in mehrfacher Hinsicht nachteilig. Zum einen ist das Verfahren aufgrund der Erwärmungs- und Abkühlvorgänge zeitaufwändig. Zudem ist es schwierig, eine präzise Winkelausrichtung der aufgeschobenen Elemente sicherzustellen.
- Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Welle anzugeben, mit der das Montageverfahren von Funktionselementen auf der Welle vereinfacht wird und mit dem eine hohe Verdrehfestigkeit der Funktionselemente auf der Welle geschaffen wird.
- Diese Aufgabe wird durch eine Zahnwelle gemäß Anspruch 1, ein Verfahren zu ihrer Herstellung gemäß Anspruch 6, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Funktionswelle gemäß Anspruch 11 gelöst.
- Insbesondere wird die Aufgabe gelöst durch eine Zahnwelle mit einem verzahnten Abschnitt, in dem Verzahnungen auf dem Mantel der Zahnwelle ausgebildet sind, die sich parallel zu einer Rotationsachse der Zahnwelle erstrecken, wobei an den verzahnten Abschnitt ein Montageabschnitt mit Verzahnungen angrenzt, wobei die Anzahl und die radiale Position der Verzahnungen in dem Montageabschnitt der Anzahl und der radialen Position der Verzahnungen in dem verzahnten Abschnitt entsprechen, und wobei wenigstens eine Zahndicke der Verzahnungen in dem Montageabschnitt größer ist als eine Zahndicke in dem verzahnten Abschnitt, oder wenigstens ein Fußkreisdurchmesser der Verzahnungen in dem Montageabschnitt größer ist als der Fußkreisdurchmesser in dem verzahnten Abschnitt, oder wenigstens ein Kopfkreisdurchmesser der Verzahnungen in dem Montageabschnitt größer ist als der Kopfkreisdurchmesser in dem verzahnten Abschnitt.
- Ein Vorteil der Erfindung liegt darin, dass die erfindungsgemäße Zahnwelle eine einfache Montage von Funktionselementen auf der Welle ermöglicht. Die Funktionselemente weisen dazu eine Bohrung mit einer Verzahnung auf, die komplementär zu der Verzahnung im verzahnten Abschnitt ist. Das Funktionselement ist damit auf den verzahnten Abschnitt der Zahnwelle aufschiebbar, durch die Formschlüssigkeit wird bereits ein Verdrehen des Funktionselements gegen die Welle unterbunden. Aufgrund der veränderten Geometrie der Verzahnung in dem Montageabschnitt kann das Funktionselement nun auf den Montageabschnitt aufgepresst werden. Dadurch wird eine belastbare, feste Verbindung zwischen dem Funktionselement und der Welle bei optimaler Verdrehfestigkeit erreicht. Es werden keine zusätzlichen Komponenten zur Fixierung des Funktionselements benötigt. Ebenso ist mit der vorgeschlagenen Zahnwelle keine aufwändige Vorbehandlung der Welle und des Funktionselements notwendig. Da Zahnwellen als Standardbauteil leicht verfügbar sind, kann mit der Erfindung eine Zahnwelle mit befestigten Komponenten geschaffen werden, die flexibel gestaltbar und kostengünstig ist. Es wird hier die Zahnwelle an sich beansprucht. In einer bevorzugten Ausgestaltung gemäß der Unteransprüche wird auch die Anordnung eines Funktionselements auf der Zahnwelle beansprucht.
- In einer Ausführungsform ist ein Flankenwinkel der Verzahnungen in dem Montageabschnitt größer als der Flankenwinkel in dem verzahnten Abschnitt. Dadurch kann ein Funktionselement in die Zahnflanken eingepresst werden. Damit ist die Festigkeit der Verbindung nochmals erhöht.
- In einer weiteren Ausführungsform ist ein Funktionselement mit einer Bohrung, die komplementär zu den Verzahnungen des verzahnten Abschnitts der Zahnwelle verzahnt ist, auf den Montageabschnitt der Zahnwelle aufgepresst. Somit können mit der erfindungsgemäßen Zahnwelle beliebige Funktionswellen geschaffen werden. Vorzugsweise ist das Funktionselement durch eine Nocke oder einen Sensorring gebildet.
- In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Zahnwelle mehrere verzahnte Abschnitte mit angrenzenden Montageabschnitten zur Befestigung mehrerer Funktionselemente auf. Dadurch wird die Flexibilität bei der Positionierung der Funktionselemente nochmals erhöht.
- Im Rahmen der Erfindung wird ferner ein Verfahren zur Herstellung einer Zahnwelle angegeben. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
- – Bereitstellen einer Zahnwelle mit mindestens einem verzahnten Abschnitt, in dem Verzahnungen auf dem Mantel der Zahnwelle ausgebildet sind, die sich parallel zu einer Rotationsachse der Zahnwelle erstrecken;
- – Rollieren auf mindestens einem Teilabschnitt des mindestens einen verzahnten Abschnitts quer zur Achsrichtung der Zahnwelle zur Herstellung mindestens eines Montageabschnitts.
- Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist eine einfache Möglichkeit zur Herstellung einer Zahnwelle zur Verbindung mit Funktionselementen geschaffen. Es ist lediglich ein Arbeitsschritt notwendig, um die Montageabschnitte auf der Zahnwelle zu erzeugen. Das verwendete Bearbeitungsverfahren ist einfach durchzuführen und erfordert keinen hohen Zeit- oder Kostenaufwand. Die benötigte Rolliermaschine ist meist bereits verfügbar. Die Position des Montageabschnitts lässt sich zudem frei bestimmen, so dass keine Einschränkungen bei der Gestaltung der Welle gegeben sind.
- Unter Rollieren wird ein spanloses Kaltumformungsverfahren verstanden, bei dem das vorhandene Oberflächenprofil der Zahnwelle plastisch verformt wird. Es wird ein Rollierwerkzeug mit mehreren Schneiden senkrecht zur Mantelfläche der Zahnwelle an die rotierende Zahnwelle angepresst. Die Kraft ist so gewählt, dass das Rollierwerkzeug nicht spanend arbeitet, sondern das Material lediglich verformt. Dabei findet ein Materialfluss von den Zähnen zwischen die Schneiden und zwischen die Zahnflanken statt.
- Vorzugsweise wird durch das Rollieren eine Zahndicke der Verzahnungen in dem mindestens einen Montageabschnitt vergrößert. Dies ermöglicht ein Einpressen von Funktionselementen in die Zahnflanken des Montageabschnitts und verbessert die Verbindung zwischen Welle und Funktionselement.
- Weiter vorzugsweise wird durch das Rollieren ein Fußkreisdurchmesser der Verzahnungen in dem mindestens einen Montageabschnitt vergrößert. So kann das Funktionselement auf den Montageabschnitt aufgepresst werden.
- Es ist weiter bevorzugt, dass durch das Rollieren ein Kopfkreisdurchmesser der Verzahnungen in dem mindestens einen Montageabschnitt vergrößert wird. So kann das Funktionselement auf den Montageabschnitt aufgepresst werden.
- Weiterhin ist bevorzugt, dass durch das Rollieren ein Materialfluss von Verzahnungen zwischen die Zahnflanken der Verzahnung in dem mindestens einen Montageabschnitt bewirkt wird.
- Im Rahmen der Erfindung wird weiter ein Verfahren zur Herstellung einer Funktionswelle angegeben. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
- – Bereitstellen einer Zahnwelle;
- – Aufschieben mindestens eines Funktionselements, insbesondere einer Nocke oder eines Sensorrings, mit einer Bohrung, die komplementär zu den Verzahnungen des verzahnten Abschnitts der Zahnwelle verzahnt ist, auf mindestens einen verzahnten Abschnitt der Zahnwelle;
- – Aufpressen des mindestens einen Funktionselements auf den mindestens einen Montageabschnitt.
- Die so gebildete Funktionswelle lässt sich einfach und kostengünstig in wenigen Arbeitsschritten herstellen, kann aufgrund der freien Platzierbarkeit der Montageabschnitte auf der Zahnwelle flexibel gestaltet werden und weist eine hohe Verdrehfestigkeit der aufgepressten Funktionselemente gegen die Zahnwelle auf.
- Nachfolgend wird die Erfindung auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben, die anhand der Abbildungen näher erläutert werden.
- Hierbei zeigen:
-
1a eine Zahnwelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einem Montageabschnitt; -
1b einen Schnitt eines Funktionselements zur Anbringung an der Zahnwelle in1a ; -
2a die Zahnwelle aus1a mit aufgeschobenem Funktionselement; -
2b einen Schnitt entlang der Linie I-I in2a ; -
3a einen Querschnitt eines verzahnten Abschnitts der Zahnwelle aus1a zur Erläuterung relevanter geometrischen Größen der Verzahnung; -
3b eine Detailansicht des Querschnitts aus3a ; -
4 eine Zahnwelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit mehreren verzahnten Abschnitten. - In
1a ist eine Zahnwelle1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Zahnwelle1 hat einen verzahnten Abschnitt1a , in dem Verzahnungen2a auf dem Mantel der Zahnwelle1 ausgebildet sind und sich parallel zur Rotationsachse der Zahnwelle1 erstrecken. An den verzahnten Abschnitt1a grenzt ein Montageabschnitt1b an, der weiter unten beschrieben wird. - In
1b ist ein Funktionselement3 im Schnitt gezeigt, das auf die Zahnwelle1 aufschiebbar ist. Dazu weist das Funktionselement3 eine Bohrung3a auf, die komplementär zu der Verzahnung1b des verzahnten Abschnitts1a der Zahnwelle1 ausgebildet ist. So kann das Funktionselement3 verdrehfest auf die Zahnwelle1 aufgeschoben werden. Das Funktionselement3 ist in der vorliegenden Ausführungsform beispielsweise durch eine Nocke oder einen Sensorring gebildet. - In
2a ist das Funktionselement3 auf die Zahnwelle1 aufgeschoben. Hierbei ist das Funktionselement3 bereits in den Montageabschnitt1b eingeschoben. Wie in1a zu erkennen ist, weist der Montageabschnitt1b ebenfalls Verzahnungen2b auf. Die Verzahnungen2b entsprechen in Anzahl und radialer Position den Verzahnungen2a im verzahnten Abschnitt1a . Dies ist in2b zu sehen, die einen Querschnitt entlang der Linie I-I in2a zeigt. Somit ist es möglich, das Funktionselement3 von dem verzahnten Abschnitt1a in den Montageabschnitt1b zu schieben. Die Form der Verzahnungen2b weicht im Montageabschnitt1b jedoch von der Form der Verzahnungen2a im verzahnten Abschnitt1a ab. - In
3a ist ein Querschnitt der Zahnwelle gezeigt, um die relevanten Geometrieparameter der Verzahnungen2a ,2b zu definieren. Der Index „a“ bezeichnet Geometrieparameter des verzahnten Abschnitts1a , der Index „b“ bezeichnet Geometrieparameter des Montageabschnitts1b . Mit fa und fb ist der Fußkreisdurchmesser der Verzahnungen2a und2b bezeichnet, ka und kb bezeichnen den Kopfkreisdurchmesser der Verzahnungen2a und2b . - In
3b ist eine Detailansicht der Verzahnungen2a und2b gezeigt. Auf der halben Höhe der Verzahnungen2a ,2b ist die Zahndicke da, db definiert. Ferner ist der Flankenwinkel αa, αb der Verzahnungen2a ,2b eingezeichnet. - Zur Herstellung der gezeigten Zahnwelle
1 wird eine Zahnwelle1 mit einem verzahnten Bereich1a bereitgestellt und auf einem Teilbereich der Verzahnung2a rolliert, um den Montageabschnitt1b herzustellen. Durch das Rollieren wird eine Kaltumformung der Verzahnung2b in dem Montageabschnitt1b bewirkt. Wird ein Rollierwerkzeug mit mehreren Schneiden verwendet, wird lokal Material der Verzahnung zwischen die Schneiden gepresst. In diesen Bereichen wird also der Kopfkreisdurchmesser kb in dem Montageabschnitt1b gegenüber dem Kopfkreisdurchmesser ka des verzahnten Bereichs1a vergrößert. Außerdem fließt durch das Rollieren Material zwischen die Zahnflanken der Verzahnung1b . Dadurch wird lokal der Fußkreisdurchmesser fb gegenüber dem Fußkreisdurchmesser fa des verzahnten Bereichs1a vergrößert. - Die Anpresskraft des Rollierwerkzeugs an die Zahnwelle kann so gewählt werden, dass außerdem die Zahndicke db in dem Montageabschnitt gegenüber der Zahndicke da in dem verzahnten Abschnitt vergrößert wird. Ebenso kann durch das Rollieren der Flankenwinkel αb gegenüber dem Flankenwinkel αa vergrößert werden.
- Durch die veränderte Geometrie der Verzahnung
2b in dem Montageabschnitt1b kann das Funktionselement3 , dessen Bohrung3a formschlüssig mit der Verzahnung1a ist, auf den Montageabschnitt1b aufgepresst werden. Ist in dem Montageabschnitt1b die Zahndicke db und/oder der Flankenwinkel αb vergrößert, wird das Funktionselement in die Flanken der Verzahnung2b eingepresst. Die komplementär zur Verzahnung1a ausgebildete Bohrung3a stellt bereits sicher, dass das Funktionselement3 nicht gegen die Zahnwelle1 verdrehbar ist. Durch das Auf- und/oder Einpressen in den Montageabschnitt1b wird das Funktionselement3 schließlich auf der Zahnwelle1 fixiert. Die so gebildete Verbindung ist äußerst stabil und kann ohne aufwändige Bearbeitungsverfahren oder zusätzliche Elemente gebildet werden. - In
4 ist eine alternative Ausführungsform der Zahnwelle1 vor der Herstellung von Montageabschnitten1b gezeigt. Die in4 gezeigte Zahnwelle1 weist mehrere verzahnte Abschnitte1a auf. So können mehrere Montageabschnitte1b durch Rollieren auf den jeweiligen verzahnten Abschnitten1a hergestellt werden. - Mit dem beschriebenen Verfahren ist es natürlich möglich, mehrere Montageabschnitte
1b in einem verzahnten Bereich1a herzustellen. So kann die Position der Funktionselemente3 auf der Zahnwelle1 frei bestimmt werden. - Mit den beschriebenen Zahnwellen
1 können durch Rollieren und anschließendes Aufpressen von Funktionselementen3 verschiedene Funktionswellen hergestellt werden. Insbesondere können robuste Nockenwellen hergestellt werden, wenn als Funktionselemente3 Nocken verwendet werden. Auf der Nockenwelle können weitere Funktionselemente3 wie Sensorringe fixiert werden. Die genaue Anordnung der Funktionselemente3 kann dabei unmittelbar vor der Montage festgelegt werden, indem gezielt an den entsprechenden Positionen auf der Zahnwelle1 rolliert wird. Insgesamt wird so die Herstellung beliebiger Funktionswellen bei hoher Stabilität der fixierten Funktionselemente3 kostengünstig bei geringem Aufwand ermöglicht. - Zur Herstellung des Montageabschnitts
1b kann überdies ein Rollierwerkzeug verwendet werden, das aus einer oder mehreren glatten Rollen besteht. Auch mit einem solchen Rollierwerkzeug lässt sich durch Kaltumformung ein Materialfluss zwischen die Zahnflanken im Montageabschnitt1b erreichen, bei dem die Geometrie der Verzahnung2b so verändert wird, dass ein Funktionselement3 wie oben beschrieben in dem Montageabschnitt1b fixiert werden kann. - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
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- WO 2012/031770 A1 [0006]
Claims (11)
- Zahnwelle (
1 ) mit einem verzahnten Abschnitt (1a ), in dem Verzahnungen (2a ) auf dem Mantel der Zahnwelle (1 ) ausgebildet sind, die sich parallel zu einer Rotationsachse der Zahnwelle (1 ) erstrecken, dadurch gekennzeichnet, dass an den verzahnten Abschnitt (1a ) ein Montageabschnitt (1b ) mit Verzahnungen (2b ) angrenzt, wobei die Anzahl und die radiale Position der Verzahnungen (2b ) in dem Montageabschnitt (1b ) der Anzahl und der radialen Position der Verzahnungen (2a ) in dem verzahnten Abschnitt (1a ) entsprechen, und wobei wenigstens eine Zahndicke (db) der Verzahnungen (2b ) in dem Montageabschnitt (2a ) größer ist als eine Zahndicke (da) in dem verzahnten Abschnitt (1a ),oder wenigstens ein Fußkreisdurchmesser (fb) der Verzahnungen (2b ) in dem Montageabschnitt (1b ) größer ist als der Fußkreisdurchmesser (fa) in dem verzahnten Abschnitt (1a ), oder wenigstens ein Kopfkreisdurchmesser (kb) der Verzahnungen (2b ) in dem Montageabschnitt (1b ) größer ist als der Kopfkreisdurchmesser (ka) in dem verzahnten Abschnitt (1a ). - Zahnwelle (
1 ) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Flankenwinkel (αb) der Verzahnungen (2b ) in dem Montageabschnitt (1b ) größer ist als der Flankenwinkel (αa) in dem verzahnten Abschnitt (1a ). - Zahnwelle (
1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Funktionselement (3 ) mit einer Bohrung (3a ), die komplementär zu den Verzahnungen des verzahnten Abschnitts (1a ) der Zahnwelle (1 ) verzahnt ist, auf den Montageabschnitt (1b ) der Zahnwelle (1 ) aufgepresst ist. - Zahnwelle (
1 ) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionselement (3 ) durch eine Nocke oder einen Sensorring gebildet ist. - Zahnwelle (
1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnwelle mehrere verzahnte Abschnitte (1a ) mit angrenzenden Montageabschnitten (1b ) zur Befestigung mehrerer Funktionselemente (3 ) aufweist. - Verfahren zur Herstellung einer Zahnwelle (
1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die folgenden Schritte: – Bereitstellen einer Zahnwelle (1 ) mit mindestens einem verzahnten Abschnitt (1a ), in dem Verzahnungen (2a ) auf dem Mantel der Zahnwelle (1 ) ausgebildet sind, die sich parallel zu einer Rotationsachse der Zahnwelle (1 ) erstrecken; – Rollieren auf mindestens einem Teilabschnitt des mindestens einen verzahnten Abschnitts (1a ) quer zur Achsrichtung der Zahnwelle zur Herstellung mindestens eines Montageabschnitts (1b ). - Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Rollieren eine Zahndicke (db) der Verzahnungen (
2b ) in dem mindestens einen Montageabschnitt (1b ) vergrößert wird. - Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Rollieren ein Fußkreisdurchmesser (fb) der Verzahnungen (
2b ) in dem mindestens einen Montageabschnitt (1b ) vergrößert wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Rollieren ein Kopfkreisdurchmesser (kb) der Verzahnungen (
2b ) in dem mindestens einen Montageabschnitt (1b ) vergrößert wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Rollieren ein Materialfluss von Verzahnungen (
2b ) zwischen die Zahnflanken der Verzahnung (2b ) in dem mindestens einen Montageabschnitt (1b ) bewirkt wird. - Verfahren zur Herstellung einer Funktionswelle, unter Verwendung einer Zahnwelle (
1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend die folgenden Schritte: – Bereitstellen einer Zahnwelle (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5; – Aufschieben mindestens eines Funktionselements (3 ), insbesondere einer Nocke oder eines Sensorrings, mit einer Bohrung (3a ), die komplementär zu den Verzahnungen des verzahnten Abschnitts (1a ) der Zahnwelle (1 ) verzahnt ist, auf mindestens einen verzahnten Abschnitt (1a ) der Zahnwelle (1 ); – Aufpressen des mindestens einen Funktionselements (3 ) auf den mindestens einen Montageabschnitt (1b ).
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