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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Übertragungswelle für die Übertragung von Rotationsbewegungen in einem Fahrzeug sowie ein Verfahren für die Herstellung einer solchen Übertragungswelle.
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Es ist bekannt, dass in Fahrzeugen Rotationsbewegungen an verschiedensten Stellen übertragen werden müssen. Insbesondere ist dies der Fall im Bereich des Antriebsstrangs eines Fahrzeugs, wenn die angetriebene Achse nicht in direkter Nähe zum Antriebsmotor angeordnet ist. So werden neben solchen Antriebswellen bzw. Kardanwellen in einem Fahrzeug auch Gelenkwellen, Seitenwellen oder Getriebewellen eingesetzt, um Rotationsbewegungen zu übertragen. Solche Übertragungen von Rotationen erfolgen in einem Fahrzeug üblicherweise schwingungsbehaftet. Das bedeutet, dass entsprechende Schwingungen von Antriebsmotoren auch die entsprechenden Übertragungswellen in Schwingung versetzen. Schwingungen werden in einem Fahrzeug üblicherweise als nachteilhaft empfunden, da sie sich entweder negativ auf die Fahrstabilität und/oder negativ auf das Komfortempfinden im Innenraum eines Fahrzeugs auswirken können.
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Nachteilhaft bei den bekannten Lösungen ist es, dass für das Abdämpfen von Fahrzeugschwingungen zusätzliche Bauelemente eingesetzt werden müssen. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn Faserverbundmaterial für solche Übertragungswellen eingesetzt wird. Solche zusätzlichen Bauelemente, welche auch als Tilger beschrieben sind, führen dazu, dass mit einem erhöhten Kostenaufwand sowie mit einem erhöhten Gewichtsaufwand diesem Schwingungsproblem begegnet werden muss.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise, idealerweise ohne Zusatzbauteile, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise die Bauteileigenfrequenzen einer Übertragungswelle und damit das Resonanzverhalten in unterschiedlichen Raumrichtungen gezielt und ggf. unabhängig voneinander zu verändern bei gleicher oder sogar besserer mechanischer Stabilität.
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Voranstehende Aufgabe wird gelöst durch eine Übertragungswelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Übertragungswelle beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
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Erfindungsgemäß ist eine Übertragungswelle vorgesehen für die Übertragung von Rotationsbewegungen in einem Fahrzeug. Hierfür weist die Übertragungswelle einen Grundkörper aus faserverstärktem Kunststoff auf mit einer Vielzahl von aufeinander angeordneten Lagen. Jede Lage ist mit einer Faserverstärkung mit einem definierten Faserwinkel ausgestattet. Dabei nimmt der Faserwinkel von der innersten Lage des Grundkörpers zur äußersten Lage des Grundkörpers wenigstens abschnittsweise in einem Übergangsabschnitt kontinuierlich ab.
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Erfindungsgemäß ist also eine Übertragungswelle mit einem Übergangsabschnitt ausgestattet, welcher eine definierte Korrelation der Faserwinkel der einzelnen benachbarten Lagen zueinander aufweist. Innerhalb des Übergangsabschnitts verändert sich also der Faserwinkel der einzelnen Fasern der Faserverstärkung von Lage zu Lage von innen nach außen. Das bedeutet also, dass von der innersten Lage des Grundkörpers zur äußersten Lage zumindest in dem Übergangsabschnitt eine kontinuierliche Reduktion des Faserwinkels zur Verfügung gestellt wird.
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Unter einem Faserwinkel ist im Sinne der vorliegenden Erfindung der Winkel zu verstehen, welcher durch die Faser der Faserverstärkung in der jeweiligen Lage einerseits und die Wellenachse der Übertragungswelle andererseits begrenzt wird. Handelt es sich also bei einem Faserwinkel um 0°, so ist die entsprechende Faser im Wesentlichen parallel oder entlang der Wellenachse der Übertragungswelle ausgerichtet. Bei einem Faserwinkel von 90° steht entsprechend die Faser quer zu dieser Wellenachse und damit in radialer Richtung bezogen auf die Übertragungswelle.
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Dadurch, dass nun zumindest abschnittsweise in dem Übergangsabschnitt eine kontinuierliche Reduktion des Faserwinkels von innen nach außen zugeordnet wird, kann in gezielter Weise Einfluss auf die unterschiedlichen Eigenfrequenzen dieser Übertragungswelle genommen werden. Dabei ist darauf hinzuweisen, dass der jeweilige Faserwinkel für die jeweilige Lage entscheidenden Einfluss hat, in welcher Weise diese entsprechende Lage auf die Torsionssteifigkeit und die Biegesteifigkeit der Übertragungswelle Einfluss nimmt. Die ideale bzw. optimale Ausrichtung der einzelnen Fasern für höchste Torsionssteifigkeit liegt dabei bei einem Faserwinkel von ±45°. Je weiter der Faserwinkel von diesem optimalen Faserwinkel abweicht, desto weicher wird die Übertragungswelle bzw. der Grundkörper hinsichtlich Torsionssteifigkeit. Hinsichtlich der Biegesteifigkeit ist die höchste mechanische Stabilität bei einem Faserwinkel von 0° gegeben. Bei einem Faserwinkel von 90° ist dementsprechend die minimal erreichbare Biegestabilität zur Verfügung gestellt.
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Durch eine Vielzahl unterschiedlicher Faserausrichtungen mit unterschiedlichen Faserwinkeln kann nun unterschiedlichstes Materialverhalten hinsichtlich der mechanischen Stabilität in einem gemeinsamen Grundkörper kombiniert werden. Der Übergangsabschnitt dient dabei dafür, von innen nach außen bewusst eine Schwächung der Torsionssteifheit der Übertragungswelle bzw. des Grundkörpers zur Verfügung zu stellen. Diese Torsionsweichheit als Reduktion der Torsionssteifheit führt zu einer Verschiebung des Resonanzbereichs des Grundkörpers und damit zu einer Reduktion der entsprechend übertragbaren Schwingung mit diesem Grundkörper.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass neben dem Übergangsabschnitt, also sowohl innerhalb des Übergangsabschnitts als Innenabschnitt als auch außerhalb des Übergangsabschnitts als sogenannter Außenabschnitt auch normale Lagen angeordnet sein können, die einen eigenen Faserwinkel aufweisen, welche unabhängig von der entsprechenden Reduktion des Faserwinkels im Laufe des Übergangsabschnitts sind. Damit ist es möglich, zusätzlich zur gezielten Torsionsweichheit innerhalb des Übergangsabschnitts weitere Versteifungen in den innersten Bereichen, als auch in den äußersten Bereichen des Grundkörpers zur Verfügung zu stellen. So kann beispielsweise der beschriebene Innenabschnitt dazu dienen, die mechanische Grundstabilität des Grundkörpers zur Verfügung zu stellen, um die mechanische Stabilität bei der Übertragung von Rotationsbewegungen mit den entsprechenden Drehmomenten bzw. Kräften auch zur Verfügung stellen zu können. Für eine möglichst hohe Dauerstabilität über den gesamten Lebenszyklus des Grundkörpers kann es sinnvoll sein, wenn die äußerste Lage entsprechend mit hoher Biegesteifigkeit versehen ist, um Anrisse oder Einrisse an der Oberfläche des Grundkörpers auf ein Minimum zu reduzieren.
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Erfindungsgemäß erfolgt also der Einsatz des Übergangsabschnitts dahingehend, dass bei gleichbleibender mechanischer Stabilität des Gesamtsystems des Grundkörpers innerhalb des Übergangsabschnitts sozusagen ein in den Grundkörper eingebauter Dämpfungstilger vorgesehen wird. Der Übergangsabschnitt dient also als bewusste Materialschwächung hinsichtlich der Torsionsstabilität des Grundkörpers, um auf diese Weise ein verbessertes Dämpfungsverhalten innerhalb des Grundkörpers zur Verfügung stellen zu können. Mit anderen Worten dient der Übergangsabschnitt dazu, die Schwingung anderer Abschnitte, also insbesondere Abschnitte wie einen Innenabschnitt oder einen Außenabschnitt, zu dämpfen bzw. die Schwingung gänzlich zu tilgen.
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Im Vergleich zu den bekannten Lösungen führt dies dazu, eine besonders einfache, kostengünstige, kompakte und vor allem gewichtsreduzierte Lösung für das Dämpfen von Schwingungen in einer Übertragungswelle zur Verfügung stellen zu können. Während bei Außenlösungen in Form von mechanischen Bauelementen als Tilgern zusätzlich eine Fokussierung auf relativ enge Frequenzbänder für diese Tilgung notwendig war, kann der Übergangsabschnitt im Wesentlichen frei hinsichtlich seiner tatsächlichen geometrischen Erstreckung eine Vielzahl unterschiedlicher Frequenzbänder mit entsprechend dämpfenden Eigenschaften versehen bzw. ausstatten.
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Es kann von Vorteil sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Übertragungswelle die äußerste Lage des Grundkörpers den geringsten Faserwinkel aufweist, insbesondere einen Faserwinkel von 0° oder im Wesentlichen 0°. Der Faserwinkel in der äußersten Lage bzw. in den äußersten Lagen, welche den Außenabschnitt bilden, kann dabei vorzugsweise im Bereich von 0° ±3° ausgebildet sein. In dieser äußersten Lage wird damit die stärkste Biegesteifigkeit mit der schwächsten Torsionssteifigkeit vereinbart. Dies führt zu einer Trennung von Beige- und Torsionsresonanzen.
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Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn bei einer erfindungsgemäßen Übertragungswelle zwischen der innersten Lage des Grundkörpers und dem Übergangsabschnitt ein Innenabschnitt mit wenigstens zwei Lagen ausgebildet, deren Faserwinkel identisch oder im Wesentlichen identisch ist. Dieser Innenabschnitt kann auch als innere Seele des Grundkörpers bezeichnet werden. Hier liegt der Faserwinkel für alle Lagen vorzugsweise im Bereich zwischen 30° und ca. 45°. Dieser Innenabschnitt kann somit als stabiler Innenabschnitt bezeichnet werden, welcher die Grundstabilität für die Übertragung der Rotationsbewegung sowie der Rotationskräfte zur Verfügung stellen kann. Hier wird nochmals gut die hohe Flexibilität bei der Konstruktion des Grundkörpers erkennbar. So ist der Innenabschnitt mit der entsprechenden Stabilitätsfunktionalität ausstattbar. Die gewünschte Eigenfrequenzsfunktionalität erfolgt radial nach außen anschließend im Übergangsabschnitt. Für die gewünschte Langlebigkeit kann nun für den Grundkörper die äußerste Lage oder ein Außenabschnitt aus zwei oder mehr äußeren Lagen gemäß dem voranstehenden Abschnitt mit hoher Biegesteifigkeit ausgestattet werden.
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Ebenfalls von Vorteil kann es sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Übertragungswelle der Faserwinkel im Übergangsabschnitt des Grundkörpers linear oder im Wesentlichen linear von innen nach außen abnimmt. Dies führt insbesondere zu einer einfachen und besonders zielgenauen Herstellmöglichkeit des Gesamtsystems des Grundkörpers. Auch werden auf diese Weise unerwünscht große Sprünge bei der Abnahme des Faserwinkels von Lage zu benachbarter Lage reduziert. Dies führt dazu, dass beim Betrieb des Grundkörpers die Spannungen zwischen den Lagen des Übergangsabschnitts auf ein Minimum reduzierbar sind und kann sich somit positiv auf die Lebensdauer auswirken. Selbstverständlich sind jedoch grundsätzlich auch andere Übergänge innerhalb des Übergangsabschnitts für die Unterscheidung der einzelnen Faserwinkel grundsätzlich denkbar.
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Darüber hinaus von Vorteil ist es, wenn bei einer erfindungsgemäßen Übertragungswelle zwischen dem Übergangsabschnitt und der innersten Lage des Grundkörpers wenigstens ein Spitzenabschnitt angeordnet ist, welcher zumindest eine Lage mit dem größten Faserwinkel aller Lagen aufweist. Das bedeutet also, dass in diesem Spitzenabschnitt eine oder mehrere Lagen angeordnet sind, die im Vergleich zu allen anderen Lagen des Grundkörpers den größten Faserwinkel aufweisen. Insbesondere ist die geometrische Anordnung dieses Spitzenabschnitts auf den Teil bzw. Abschnitt des Grundkörpers beschränkt, in welchem die höchste mechanische Belastung hinsichtlich der Torsionsbelastung zu erwarten ist. In diesem Spitzenabschnitt liegt der Faserwinkel vorzugsweise im Bereich von 45° ±3°. Dabei ist insbesondere dieser Spitzenabschnitt in einem Bereich einer neutralen Faser mit deutlich geringerer zu erwartender elastischer Verformung angeordnet.
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Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn bei einer erfindungsgemäßen Übertragungswelle zwischen dem Übergangsabschnitt und der äußersten Lage des Grundkörpers der Faserwinkel sprunghaft abnimmt, insbesondere auf einen Faserwinkel von 0° oder im Wesentlichen 0°. Der sprunghafte Übergang an der äußersten Lage bzw. zwischen Übergangsabschnitt und einem Außenabschnitt aus zwei oder mehr äußersten Lagen führt dazu, dass der Übergangsabschnitt diesen Faserwinkel von 0° sozusagen nicht vorbereiten muss. Vielmehr kann der Übergangsabschnitt auf seine Funktion als Frequenzeinstellungsabschnitt eingestellt werden, während die äußerste Lage mit großem Abstand einen sehr geringen Faserwinkel von insbesondere 0° oder im Wesentlichen 0° zur Verfügung stellt. Dies erlaubt es, in vorteilhafter bzw. optimaler Weise die Funktionalität der Frequenzeinstellung mit dem Übergangsabschnitt mit einem Lebensdauerschutz durch die äußerste Lage bzw. den Außenabschnitt zu kombinieren.
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Ebenfalls von Vorteil kann es sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Übertragungswelle es sich bei den Lagen des Grundkörpers um sogenannte Doppellagen handelt. Das bedeutet, dass in den Doppellagen die Fasern miteinander überkreuzt liegen, wobei alle Fasern entsprechende Faserwinkel dieser definierten Lage aufweisen. So können die einzelnen Faserwinkel sowohl in positiver als auch in negativer Richtung gesehen werden. Eine Lage in Form einer Doppellage mit einem Faserwinkel von 30° weist also Fasern mit +30° und mit -30° bezogen auf die Wellenachse des Grundkörpers auf.
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Weiter von Vorteil ist es, wenn bei einer erfindungsgemäßen Übertragungswelle der Grundkörper ausgebildet ist als wenigstens eine der folgenden Wellen eines Fahrzeugs:
- - Kardanwelle
- - Antriebswelle
- - Gelenkwelle
- - Seitenwelle
- - Getriebewelle
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Bei der voranstehenden Aufzählung handelt es sich um eine nicht abschließende Liste. Insbesondere bei Wellen in einem Fahrzeug, welche hoher Schwingungsbelastung ausgesetzt sind, ist eine erfindungsgemäße Übertragungswelle mit großen Vorteilen einsetzbar.
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Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren für die Herstellung einer erfindungsgemäßen Übertragungswelle, aufweisend die folgenden Schritte:
- - Aufbauen einzelner Lagen aus faserverstärktem Kunststoff zu einem Grundkörper, wobei der Faserwinkel von der innersten Lage des Grundkörpers zur äußersten Lage des Grundkörpers wenigstens abschnittsweise in einem Übergangsabschnitt kontinuierlich abnimmt,
- - Aushärten des Grundkörpers zur kraftübertragenden Verbindung der einzelnen Lagen zueinander.
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Durch die Ausbildung einer erfindungsgemäßen Übertragungswelle bringt ein erfindungsgemäßes Verfahren die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Übertragungswelle erläutert worden sind.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren lässt sich dahingehend weiterbilden, dass für den Aufbau der Lagen und die Ausrichtung des Faserwinkels für jede Lage zumindest einer der folgenden Parameter berücksichtigt wird:
- - Eigenschwingungsverhalten des Grundkörpers
- - erwartetes Schwingungsverhalten des Grundkörpers im Betrieb
- - erwartete Biegebelastung des Grundkörpers im Betrieb
- - erwartete Torsionsbelastung des Grundkörpers im Betrieb
- - erwartete Dauerbelastung des Grundkörpers über dessen Lebenszyklus im Betrieb
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Bei der voranstehenden Aufzählung handelt es sich um eine nicht abschließende Liste. Selbstverständlich können auch zwei oder mehr Parameter in kombinierter Weise bei der Ausrichtung des Faserwinkels sowie dem Aufbau der Lagen Berücksichtigung finden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigt schematisch:
- 1 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Übertragungswelle,
- 2 einen Längsschnitt durch die Ausführungsform der 1,
- 3 eine schematische Darstellung einer Lage der Ausführungsform der 1 und 2,
- 4 eine Ausführungsform der Faserausrichtung zwischen den einzelnen Abschnitten,
- 5 eine weitere Ausführungsform der einzelnen Faserausrichtungen der einzelnen Abschnitte und
- 6 eine weitere Ausführungsform der einzelnen Ausrichtungen der Fasern der einzelnen Abschnitte.
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In den 1 und 2 ist schematisch ein Querschnitt bzw. ein Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Übertragungswelle 10 dargestellt. Es ist hier gut zu erkennen, dass die Übertragungswelle 10 mit einem zylinderförmigen Grundkörper 20 ausgestattet ist. Dieser kann als Hohlprofil, also rohrförmig, aber auch aus Vollmaterial zur Verfügung gestellt sein. Einzelne Lagen 30 sind dabei in Umfangsrichtung aufeinandergelegt und kraftübertragend miteinander verbunden. Die äußerste Lage 30z bildet sozusagen die Außenhaut dieses Grundkörpers 20.
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In 2 ist im Teillängsschnitt zu erkennen, wie von der zentralen Wellenachse WA, also von innen I, nach außen A, von der innersten Lage 30a eine Vielzahl von Lagen 30 zur äußersten Lage 30z aufeinandergestapelt sind. Der Grundkörper 20 ist hier sowohl mit einem Innenabschnitt 32, als auch mit einem Außenabschnitt 36 ausgestattet, welche von außen und innen dem Übergangsabschnitt 34 mit einschließen.
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In 3 ist schematisch dargestellt, wie in einer Lage eine Vielzahl von Fasern F einen Faserwinkel α zur Wellenachse WA einschließen. Dieser Faserwinkel α wird nun von Lage 30 zu Lage 30 von innen I nach außen A variiert. Die 4 bis 6 zeigen verschiedene Möglichkeiten der Variation dieser Faserwinkel α.
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In 4 ist dargestellt, dass im Innenabschnitt 32 eine innerste Lage 30a einen Faserwinkel α im Bereich von ca. 30° aufweist. Nach außen A folgen nun eine Vielzahl von Lagen 30 mit einem Übergangsabschnitt 34, in welchem eine lineare Reduktion des Faserwinkels α nach außen A durchgeführt wird. Die äußerste Lage 30z bildet den Außenabschnitt 36, wobei hier vom Übergangsabschnitt 34 ein sprunghafter Übergang zu einem Faserwinkel α von ca. 0° stattfindet.
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Die 5 zeigt eine ähnliche Lösung wie die 4, jedoch mit anderen Faserwinkeln α.
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In der 6 ist zusätzlich zwischen dem Übergangsabschnitt 34 und dem Innenabschnitt 32 ein sogenannter Spitzenabschnitt 38 ausgebildet. In diesem Spitzenabschnitt 38 ist nun der größte Faserwinkel α im Bereich von ca. 45° angeordnet, so dass ein lokales Maximum, insbesondere auch ein absolutes Maximum des Faserwinkels α über den radialen Verlauf von innen I nach außen A für den Grundkörper 20 zur Verfügung gestellt ist.
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Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung nur im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale, sofern technisch sinnvoll, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
