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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kaltschmiedevorrichtung.
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Zur Fertigbearbeitung und zur Verfestigung der Oberflächen von stark beanspruchten Werkstücken werden teilweise Werkzeuge zum maschinellen Oberflächenhämmern, einem Kaltschmiedeprozess, eingesetzt. Dabei wird im Regelfall mit einer kugelförmigen Werkzeugspitze (Hammerkopf) auf die Werkstückoberfläche eingeschlagen. Die dabei realisierten Bearbeitungsfrequenzen liegen üblicherweise zwischen 100 Hz und 500 Hz.
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Die Bewegungsrichtung des Hammerkopfes (Prozessrichtung) liegt vorwiegend in Längsachsrichtung bekannter Werkzeuge, wodurch eine gezielte Bearbeitung an Innenflächen, Hinterschneidungen, verdeckten Flächen etc. von Werkstücken komplexer Geometrie wie bspw. Turbinenschaufeln lediglich unter sehr steilen Bearbeitungswinkeln oder nicht möglich ist. Darüber hinaus ist je nach Prozessausführung eine Schädigung fragiler, dünnwandiger Werkstücke durch ungewollte plastische Deformation nicht auszuschließen.
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Zur Oberflächenglättung und -verfestigung von Bauteilen komplexer Geometrie existieren unterschiedliche Bearbeitungsstrategien, bspw. spanende, strahlende, Laserbearbeitung oder Festwalzen, mit welchen die Zieleigenschaften in begrenztem Maß (geringe Einhärttiefen, statistische Verteilung der Bearbeitungserfolge usw.) erreicht werden können und welche teils aufwändige Vor- und Nachbereitungstätigkeiten (bspw. Bauteilreinigung etc.) mit sich bringen. Auch kombinierte Verfahren, wie bspw. schwingungsüberlagertes Festwalzen, wie in der
DE 10 2008 032 919 A1 offenbart, werden eingesetzt.
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Durch den Einsatz von Kaltschmiedewerkzeugen zum maschinellen Oberflächenhämmern können aufgrund einer geregelten Prozessführung die Bearbeitungsresultate (bspw. Einhärttiefe, Prozesszone) positiv beeinflusst sowie Kosten und Bearbeitungszeiten reduziert werden. Zusätzlich dazu ist mit diesen Werkzeugen eine gezielte Strukturierung der behandelten Oberflächen möglich.
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Stand der Technik bilden beim maschinellen Oberflächenhämmern unterschiedliche Lösungen für die Konstruktion derartiger Werkzeuge. Sie unterscheiden sich im Wesentlichen durch die Wahl des Antriebsprinzips sowie die Bewegungsrichtung der Hammerköpfe bzgl. der Längsachse der Werkzeuge.
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Entsprechende Werkzeuge, welche eine Prozessrichtung senkrecht zu deren Längsachsrichtung erzeugen, sind aus der Patentanmeldung
US 1,669,116 A bekannt. Eine Axialbewegung, welche durch einen pneumatischen Antrieb ausgeführt wird, wird hierbei über Hammerelemente, die in einer gekrümmten Führungsbahn gelagert sind, in eine Radialbewegung umgewandelt, wodurch hohe Reibungen und erhöhter Verschleiß die Werkzeugstandzeit deutlich mindern.
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Eine Weiterentwicklung stellt das in der Patentanmeldung
DE 10 2013 002 495 A1 genannte Werkzeug dar. Hierbei wird eine radiale Bewegung des Hammerkopfes direkt durch einen pneumatischen Antrieb realisiert, wobei das Wirkmedium die Einschlagkörper gegen Federelemente drückt, welche als Rückstellelemente ausgeführt sind. Derartige Antriebe führen jedoch zu einer geringen Energieeffizienz sowie eingeschränkter Variabilität bzgl. der Prozessparameter wie Bearbeitungsfrequenz, Hub, Schlagenergie etc. Der Einsatz anderer Antriebsprinzipien wird für derartige Werkzeuge in aktueller Wissenschafts- und Patentliteratur nicht diskutiert.
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Weitere Vorrichtungen, die eine Hammerbewegung senkrecht zu ihrer Längsrichtung erzeugen, sind in der
GB 801 345 A und
DE 199 54 210 A1 beschrieben.
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Für Werkzeuge, welche eine Prozessrichtung in Längsachsrichtung erzeugen, sind darüber hinaus folgende Antriebsprinzipien bekannt:
- - Elektrodynamisches Prinzip (z.B. gemäß DE 10 2006 033 004 A1 ): Die Schwingungserregung beruht auf dem Lorentzprinzip. Die Lorentzkraft wirkt im vorliegenden Fall auf eine stromdurchflossene Spule in einem rotationssymmetrischen Magnetfeld. Die Schwingungen werden durch Anlegen einer sinusförmigen Spannung erzeugt. Der Hammerkopf ist über einen axialen Stößel mit der Spule verbunden. Nachteilig ist bei dieser Lösung, dass eine Vergrößerung der Kontaktkraft bzw. Aufprallenergie bei maximaler Leistung nur durch Verringerung der Schlagfrequenz möglich ist und umgekehrt.
- - Piezoelektrisches Prinzip (z.B. DE 10 2009 041 720 A1 ): Die Schwingungserregung erfolgt durch einen Piezostapelaktor. Der Einsatz eines Piezoaktors ermöglicht dabei ein hohes Maß an Prozessregelfähigkeit bzgl. der Prozesskenngrößen. Darauf aufbauend sind Werkzeuge mit verstellbarer Resonanzfrequenz (z.B. DE 10 2012 010 218 A1 ) bekannt. Durch einen resonanten Betrieb des Werkzeuges werden hohe Energieeffizienz und höhere Hübe bei einstellbaren Bearbeitungsfrequenzen realisiert. Die Bearbeitungsfrequenzen können hierbei prinzipbedingt wesentlich höher realisiert werden als mit anderen Antriebsmechanismen.
- - Pneumatisches Prinzip (z.B. DE 10 2010 019 547 A1 ): Die Prozessbewegung wird über ein Pneumatiksystem mit spezieller Ventil- und Kolbentechnik erzeugt. Entsprechende Werkzeuge werden von der Fa. Pokolm vertrieben. Die Bearbeitungsfrequenz und Prozesskraft ist je nach verwendetem System stark eingeschränkt.
- - Antrieb mit alternativen Medien (z.B. DE 10 2012 103 111 A1 und DE 20 2012 005 249 U1 ): Die Prozessbewegung wird durch das maschinenseitige Kühl-Schmiersystem (Wirkmedienquelle) in Kombination mit einem Arbeitszylinder und einer Ventiltechnik im Werkzeug realisiert.
- - Rotationsantrieb (z.B. DE 10 2014 107 173 A1 ): Das Werkzeug wird durch eine Rotationsbewegung angetrieben, die von der verwendeten Werkzeugmaschine abgegriffen wird.
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Derzeit sind somit nur wenige Lösungen bekannt, bei denen eine Hammerbewegung senkrecht zur Längsachse des entsprechenden Werkzeuges erfolgt. Das bei den bekannten Lösungen der
US 1,669,116 A und
DE 10 2013 002 495 A1 zum Einsatz kommende Funktionsprinzip, bei welchem ein Druckmedium die Hammerköpfe in Bewegung versetzt, kann aufgrund der oben angeführten Nachteile (hoher Verschleiß, geringe Prozessregelfähigkeit, stark begrenze Bearbeitungsfrequenz, etc.) als nicht zufriedenstellend angesehen werden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kaltschmiedevorrichtung bereitzustellen, welche eine Prozessrichtung in etwa senkrecht zu der Längsachsrichtung des entsprechenden Werkzeuges bei geringem Verschleiß, höherer Prozessregelfähigkeit und höherer Bearbeitungsfrequenz ermöglicht als bei den bekannten Lösungen.
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Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch den Gegenstand des Anspruchs 1 und den Gegenstand des Anspruchs 3.
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Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstände der Unteransprüche. Weitere vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich durch Kombinationen der hierin offenbarten Merkmale.
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Figurenliste
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- 1 zeigt in den Ansichten (a) bis (d) schematische Darstellungen der erfindungsgemäßen Kaltschmiedevorrichtung in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen.
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Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
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Die erfindungsgemäße Kaltschmiedevorrichtung besteht aus mindestens einem Hammerkopf 1, welcher über einen Klopfarm 2 mit dem antreibenden Piezoaktor 3, welcher beispielsweise als Stapelaktor ausgeführt ist, gekoppelt ist. Optional kann das Werkzeug mit einem gegenüberliegenden zweiten Werkzeugarm 8 mit Kontaktkörper 9 ausgestattet sein, welcher entweder als passiver Gegenhalter das Werkstück bei einer Bearbeitung stützt oder als aktiver zweiter Klopfarm (dann baugleich wie die Elemente gemäß dem Bezugszeichen 1 bis 4 und 10) fungiert und somit eine beidseitige Bearbeitung eines Werkstückes erlaubt. Die Kaltschmiedevorrichtung ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass die Klopf- bzw. Werkzeugarme 2 bzw. 8 über ein Feder-Dämpfer-System 5 mit dem Werkzeuggrundkörper 7 gekoppelt sind. Optional kann ein Feder-Dämpfer-System 12 zwischen den beiden Werkzeug- bzw. Klopfarmen gekoppelt sein (Ausführungsbeispiele gemäß 1 a und c). Die Klopf- bzw. Werkzeugarme sind über ein Drehgelenk 6, welches vorzugsweise als koaxiales Drehgelenk ausgeführt ist, rotationsfrei mit dem Werkzeuggrundkörper 7 verbunden mit dem Ziel einer Selbstanpassung an geometrische Werkstückgegebenheiten. Am Werkzeuggrundkörper 7 ist vornehmlich eine standardisierte Werkzeugaufnahme vorgesehen. Dieser Werkzeuggrundkörper 7 dient somit als Schnittstelle zu einer Werkzeugmaschine an welche die Vorrichtung gekoppelt werden kann.
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Der Piezoaktor 3 kann je nach Ausführung derart angeordnet sein, dass dessen Hauptwirkungsrichtung in Längsachsrichtung des Klopfarmes (Ausprägung a und b), jedoch aber außerhalb der neutralen Faser dessen oder aber senkrecht zur Längsachsrichtung des Klopfarmes (c und d) liegt. Dabei können entweder ein Klopfelement (Ausführungsbeispiele gemäß 1 a und 1 c) oder mehrere Klopfelemente (Ausführungsbeispiele gemäß 1 b und 1 d) durch den Aktor 3 angetrieben werden um bspw. eine kraftneutrale beidseitige Bearbeitung zu realisieren. Je nach Ausprägung des Werkzeuges kann die Wirkrichtung des Piezoaktors 3 kinematisch umgekehrt werden (vgl. bspw. Ausführungsbeispiele gemäß 1 a und 1 b). Der für die Hammerkopfbewegung notwendige Freiheitsgrad wird durch ein separates Gelenk 10 (Ausführungsbeispiele gemäß 1 a bis c), welches bspw. als Festkörpergelenk ausgeführt sein kann, oder durch das Gelenk 6 (Ausführungsbeispiel gemäß 1 d) bereitgestellt. Für jeden Piezoaktor kann ein zusätzliches Steifigkeitselement 4, optional mit zusätzlich dampfenden Eigenschaften, (nicht dargestellt) derart im Werkzeug angeordnet sein, dass die auf den Aktor wirkenden Zugkräfte eliminiert bzw. minimiert werden bzw. die Hammerbewegung unterstützt wird. Überdies kann optional ein zu 12 seriell angeordneter zusätzlicher Piezoaktor 11 vorgesehen werden, um eine statische Auslenkung des mindestens einen Klopfhammers zu realisieren.
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Der technologiebedingt notwendige Bearbeitungsspalt stellt sich je nach Betriebszustand aufgrund der dynamisch wirkenden Kräfte im schwingungsfähigen System ein. Dieses mechanische System ist durch die mechanischen Elemente der Kaltschmiedevorrichtung gemäß den Bezugszeichen 1 bis 12 sowie dem sequentiell gekoppelten elastoplastischen Verhalten des Werkstückes in der Prozesszone gegeben. Die erreichbare Einschlagenergie ist anhand der kinetischen Energie des mindestens einen Klopfarmes 2, 8 sowie durch die im Piezoaktor 3 erzeugte Antriebskraft bestimmt.
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Im Einzelnen umfassen die Ausführungsbeispiele folgende Merkmale:
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1a zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kaltschmiedevorrichtung, wobei zwei Werkzeugarme 2, 8 mit jeweils einem endseitigen Hammerkopf 1, 9 über jeweils ein Feder-Dämpfer-System 5 und ein Gelenk 6 an einen Grundkörper 7 der Kaltschmiedevorrichtung gekoppelt sind. Der in der Ansicht obere Werkzeugarm 2 umfasst einen Piezoaktor 3, der in Längsrichtung außerhalb bzw. oberhalb der neutralen Faser des Werkzeugarms 2 angeordnet und in diesen integriert ist, wobei die Wirkungsrichtung des Piezoaktors 3 in Längsrichtung des Werkzeugarms 2 verläuft. Ein weiterer Piezoaktor 11 ist zwischen den oberen und unteren Werkzeugarmen 2, 8 angeordnet und wirkt jeweils senkrecht auf die Längsrichtung beider Werkzeugarme 2, 8. Der weitere Piezoaktor 11 ist in Serie mit einem weiteren Feder-Dämpfer-Element 12 und parallel zu einem Steifigkeitselement 4 geschaltet. Ein Steifigkeitselement 4 ist ebenso parallel zu dem ersten Piezoaktor 3, der sich innerhalb des oberen Werkzeugarms 2 befindet, angeordnet. Ein Festkörpergelenk 10 sorgt für die notwendige Flexibilität innerhalb des oberen Werkzeugarms 2 zur Bewerkstelligung der Hammerbewegung des Hammerkopfs 1 am Ende des oberen Werkzeugarms 2.
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1b zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kaltschmiedevorrichtung, wobei zwei Werkzeugarme 2, 8 mit jeweils einem Hammerkopf 1, 9 über jeweils ein Feder-Dämpfer-System 5 und ein Gelenk 6 an einen Grundkörper 7 der Kaltschmiedevorrichtung gekoppelt sind. Abweichend vom ersten Ausführungsbeispiel weist der obere Werkzeugarm 3 keinen eigenen Piezoaktor auf. Der obere und untere Werkzeugarm 2, 8 sind vorzugsweise symmetrisch zueinander gestaltet und werden von einem mittig entlang der Längsachse der Kaltschmiedevorrichtung angeordneten Antriebssystem angetrieben. Das mittige Antriebssystem umfasst einen ersten Piezoaktor 3 und einen zweiten Piezoaktor 11, die in Serie hintereinander angeordnet sind und weiter in Serie über ein weiteres Feder-Dämpfer-System 12 an den Grundkörper 7 der Kaltschmiedevorrichtung gekoppelt sind. Der vordere Piezoaktor 3 wirkt über ein Gelenk 13, beispielsweise ein Festkörpergelenk, auf beide Werkzeugarme 2, 8. Durch die spezielle Form (L-Form) der Werkzeugarme 2, 8 wird die Antriebskraft der Piezoaktoren 3, 11 in die Hammerbewegung der Hammerköpfe 1, 9 im Wesentlichen senkrecht zur Längsrichtung der Werkzeugarme 2, 8 umgelenkt. Ein Festkörpergelenk 10 sorgt jeweils für die notwendige Flexibilität innerhalb der oberen und unteren Werkzeugarme 2, 8. Jeweils ein Steifigkeitselement 4 ist parallel zu dem Festkörpergelenk 10 angeordnet.
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1c zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kaltschmiedevorrichtung, das näherungsweise auf dem ersten Ausführungsbeispiel basiert. Abweichend vom ersten Ausführungsbeispiel befindet sich der Piezoaktor 3 außerhalb des oberen Werkzeugarms 2 und wirkt näherungsweise senkrecht zur Längsrichtung des Werkzeugarms 2 auf diesen. Zwischen dem Hammerkopf 1 und dem Kraftangriffspunkt des Piezoaktors 3 befindet sich das Gelenk 10, das gegenüber einem Gelenkelement 6 die notwendige Flexibilität bereitstellt. Der Piezoaktor 3 ist parallel zu einem Steifigkeitselement 4 geschaltet und zwischen dem oberen Werkzeugarm 2 und dem besagten Gelenkelement 6 gekoppelt. Das Gelenkelement 6 ist über ein Feder-Dämpfer-System 5 an den Grundkörper 7 gekoppelt. Abweichend vom ersten Ausführungsbeispiel ist der weitere Piezoaktor 11 zwischen dem Gelenkelement 6 und dem unteren Werkzeugarm 8 angeordnet und wirkt jeweils senkrecht auf deren Längsrichtung. Der weitere Piezoaktor 11 ist in wiederum Serie mit einem weiteren Feder-Dämpfer-System 12 und parallel zu einem Steifigkeitselement 4 geschaltet.
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1d zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kaltschmiedevorrichtung, das näherungsweise auf dem zweiten Ausführungsbeispiel basiert. Zwei Werkzeugarme 2, 8 mit jeweils einem endseitigen Hammerkopf 1, 9 sind über jeweils ein Feder-Dämpfer-System 5 und ein Gelenk 6 an einen Grundkörper 7 der Kaltschmiedevorrichtung gekoppelt. Der obere und untere Werkzeugarm 2, 8 sind symmetrisch zueinander gestaltet und werden von einem zwischen beiden Werkzeugarmen 2, 8 angeordneten und senkrecht zu diesen beiden Werkzeugarmen 2, 8 wirkenden Antriebssystem angetrieben. Das Antriebssystem umfasst einen ersten Piezoaktor 3 und einen zweiten Piezoaktor 11, die in Serie hintereinander geschaltet sind und weiter in Serie über ein weiteres Feder-Dämpfer-System 12 an den unteren Werkzeugarm 8 gekoppelt sind. Ein Steifigkeitselement 4 ist parallel zu den beiden Piezoaktoren 3, 11 geschaltet.
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Die wesentlichen Vorteile der erfindungsgemäßen Kaltschmiedevorrichtung lassen sich wie folgt zusammenfassen:
- Der Betrieb der Kaltschmiedevorrichtung wird durch eine zyklische Längenänderung des Piezoaktors 3 in seiner Hauptwirkungsrichtung erreicht. Der spezielle Aufbau des Werkzeuges ermöglicht dabei eine Bewegung der Hammerköpfe 1 in etwa senkrecht zur Werkzeuglängsachse. Dadurch können schwer erreichbare Oberflächen an Werkstücken komplexer Geometrie, wie etwa Turbinenverdichterschaufeln, bearbeitet werden, was den wichtigsten Vorteil der vorgestellten Kaltschmiedevorrichtung darstellt. Ein Betrieb in Resonanz ist für diese Anordnung nicht zwingend. Entsprechend der Längenverhältnisse von der Distanz zwischen Hammerkopfmitte und Gelenk 10 bzw. 6 zu dem Abstand der Aktormitte zu Gelenk 10 bzw. 6 der Ausführungsbeispiele gemäß den 1 a bis d kann eine Hub- bzw. eine Kraftanpassung realisiert werden.
- Durch den Einsatz von Piezoaktorik kann die momentan auf ca. 500 Hz begrenzte Hämmerfrequenz anderer bekannter Lösungen deutlich erhöht werden, was zu einer signifikanten Produktivitätssteigerung und Wirtschaftlichkeitssteigerung führen wird.
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Des Weiteren ist durch den Einsatz eines Piezoaktors 3 ein hohes Regelpotential der Kaltschmiedevorrichtung vorhanden.
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Die zusätzliche Implementierung eines passiven Gegenhalters beziehungsweise eines in Gegenrichtung wirkenden Klopfarmes ermöglicht eine kraftneutrale Bearbeitung von beidseitig zugänglichen fragilen Werkstücken. Die gelenkige Lagerung 6 der Klopfarme gemeinsam mit dem Feder-Dämpfer-System 5 bzw. dem optionalen System 11 und 12 gestattet darüber hinaus einen Geometrieausgleich.
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Anstelle eines Piezoaktors 3 kann aber auch ein anderes Antriebsprinzip in ein derartiges Werkzeug implementiert werden.
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Die Kaltschmiedevorrichtung kann überall dort eingesetzt werden, wo Oberflächen strukturiert, eingeglättet, verfestigt und/oder Druckeigenspannungen in diese eingebracht werden sollen. Der Aufbau des Werkzeuges ermöglicht speziell die Bearbeitung schwer zugänglicher Oberflächen, beispielsweise Innenflächen, Hinterschneidungen, verdeckte Flächen, etc. an stark beanspruchten Werkstücken sowie an fragilen, dünnwandigen Bauteilen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Hammerkopf
- 2
- Klopfarm bzw. Werkzeugarm (erster)
- 3
- Piezoaktor
- 4
- Steifigkeitselement
- 5
- Feder-Dämpfer-System
- 6
- Drehgelenk bzw. gelenkige Lagerung
- 7
- Werkzeuggrundkörper
- 8
- Klopfarm bzw. Werkzeugarm (zweiter)
- 9
- Hammerkopf bzw. Kontaktkörper
- 10
- Gelenk
- 11
- Piezoaktor
- 12
- Feder-Dämpfer-System
- 13
- Gelenk
