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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden eines Energiespeichermoduls mit einem Modulträger, insbesondere einem Kühlelement, wobei das Energiespeichermodul mittels mehrerer Verbindungsschrauben, die jeweils in am Modulträger vorgesehene Gewindebohrungen eingeschraubt werden, am Modulträger befestigt wird, und wobei zwischen dem Boden des Energiespeichermoduls und dem Boden des Modulträgers ein Spalt vorgesehen ist, in den eine wärmeleitfähige Masse eingebracht wird, die beim Anschrauben des Energiespeichermoduls in Folge einer Verringerung der Spaltbreite den Spalt füllend verteilt wird.
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Elektrisch betriebene Kraftfahrzeuge benötigen einen oder mehrere Energiespeicher, auch Batterien genannt, die üblicherweise eine Mehrzahl an einzelnen Energiespeichermodulen umfassen. Diese sind fest mit einem Modulträger verbunden, insbesondere einem Kühlelement, über das eine Kühlung der Energiespeichermodule möglich ist. Dabei ist es bekannt, siehe z. B.
EP 2 104 121 A1 , in einen zwischen dem Boden eines Energiespeichermoduls und dem Boden des Modulträgers vorhandenen Spalt eine wärmeleitfähige Masse, üblicherweise pastös, einzubringen, die beim Anziehen der Verbindungsschrauben verpresst wird, nachdem sich beim Verschrauben die Spaltbreite verringert. Die Masse, üblicherweise „Gapfiller“ genannt, wird dabei im gesamten Spaltraum verteilt, sodass eine thermische Kopplung zwischen dem Boden des Energiespeichermoduls und dem Modulträger, insbesondere dem Kühlelement, gegeben ist. Diese Art der Befestigung des oder der Energiespeichermodule ist insoweit problematisch, als es beim Anziehen der Schrauben zu weichen Schraubfällen kommen kann, das heißt, dass der Schraubenkopf geringfügig in die weiche Oberfläche beispielsweise des Gehäuses des Energiespeichermoduls eingedreht werden kann. Hierbei wird zwar die Drehbewegung gebremst, jedoch nicht gestoppt, sodass letztlich der Drehmomentanstieg geringer ist und damit eine „weiche“ Schraubverbindung gegeben ist. Die Einstellung gleicher Anzugsverhältnisse über alle Schraubverbindungen ist daher nicht immer möglich, es kommt zu Nacharbeitsfällen. Des Weiteren kann durch dieses System oft nur ein relativ großer Spalt eingestellt werden.
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Darüber hinaus ist es bekannt, bei einer werksseitigen Fertigung eines solchen Energiespeichers Toleranzausgleichselemente zu verwenden, die zwischen das Energiespeichermodul und den Modulträger gesetzt werden und die von der jeweiligen Verbindungsschraube durchgriffen werden. Ein solches Toleranzausgleichselement ist ein zweiteiliges Bauteil, umfassend einen ersten, am Modulträger fixierten Abschnitt und einen zweiten, mit der Verbindungsschraube zusammenwirkenden und entgegen der Einschraubrichtung bewegten zweiten Abschnitt, der in der Verbindungsposition am Energiespeichermodul anliegt. Das Setzen solcher Toleranzausgleichselemente ermöglicht die Realisierung eines minimalen Spaltes, wobei bei diesem bekannten Verfahren die wärmeleitfähige Masse nicht über die Verschraubung, sondern über eine Presse verpresst wird, die eine Kraft von ca. 10 kN zum Verpressen aufbringt. Nach dem Verpressen werden die Verbindungsschrauben gesetzt, um das bereits verpresste Energiespeichermodul endgültig zu fixieren, wobei beim Einschrauben der Verbindungsschrauben der zweite Abschnitt des Toleranzausgleichselements ausgeschraubt wird und mit Erreichen der Befestigungsendstellung die Verbindungsschraube durchdreht.
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Eine solche Verbindungstechnik kann zwar werkseitig gewählt werden, nicht aber vor Ort in den Werkstätten, da dortseits eine entsprechende Presse nicht zur Verfügung steht. Würde unter Verwendung solcher Toleranzausgleichselemente mit den üblichen Verbindungsschrauben versucht werden, das Energiespeichermodul zu verschrauben und gleichzeitig die Masse zu verpressen, so würde dies nicht zu einer vollständigen Verteilung der Masse führen, da die Toleranzausgleichselemente den beim Start der Verschraubung vorliegenden Spalt quasi einfrieren würden, da sich der zweite Abschnitt aus dem ersten beim Verschrauben ausdreht und, sobald er am Boden des Energiespeichermoduls anliegt, die weitere Verpressbewegung begrenzen würde.
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Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, ein verbessertes Verfahren zum Verbinden eines Energiespeichermoduls mit einem Modulträger, insbesondere einem Kühlelement anzugeben, das insbesondere auch werkstattseitig durchgeführt werden kann.
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Zur Lösung dieses Problems ist bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass zwischen dem Energiespeichermodul und dem Modulträger mehrere Toleranzausgleichselemente vorgesehen sind, die jeweils einen am Modulträger fixierten ersten Abschnitt und einen mit der Verbindungsschraube zusammenwirkenden und entgegen der Einschraubrichtung bewegten zweiten Abschnitt, der in der Verbindungsposition am Energiespeichermodul anliegt, aufweist, wobei zunächst das Energiespeichermodul mit Verpressschrauben, die nicht mit den zweiten Abschnitten zusammenwirken, derart verschraubt wird, dass die Höhe des Spalts reduziert und die Masse den Spalt füllend verteilt wird, wonach die Verpressschrauben entfernt und die Verbindungsschrauben gesetzt und verschraubt werden, die mit den zweiten Abschnitten zusammenwirken und die zweiten Abschnitte aus den ersten Abschnitten herausgeschraubt werden, bis der zweite Abschnitt am Energiespeichermodul anliegt.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt das Verpressen der Masse durch das Einschrauben spezieller Verpressschrauben, die der Gestalt sind, dass zwar das Energiespeichermodul beim Verschrauben gegen den Modulträger bewegt wird und dabei die Masse verpresst wird, gleichzeitig aber keine mechanische Interaktion zwischen den Verpressschrauben und den jeweiligen zweiten Abschnitten der Toleranzausgleichselemente erfolgt. Das heißt, dass diese Verpressschrauben ausschließlich der Erstverschraubung des Energiespeichermoduls am Modulträger allein zum Verpressen der Masse dienen, nicht aber zum endgültigen Fixieren des Energiespeichermoduls am Modulträger unter Aktivierung der Toleranzausgleichselemente. Hierzu sind die eigentlichen Verbindungsschrauben vorgesehen, die im Austausch gegen die Verpressschrauben verschraubt werden, und die, quasi als übliche, auch bisher verwendete Verbindungsschrauben, einen entsprechenden Gewindeabschnitt aufweisen, der einerseits in die modulträgerseitige Gewindebohrung eingeschraubt werden kann, und der andererseits mit dem zweiten Abschnitt zusammenwirkt, sodass dieser ausgedreht wird und gegen den Modulboden läuft.
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Die Verwendung der spezifischen Verpressschrauben ermöglicht es daher vor Ort in der Werkstatt, die geforderten hohen Kräfte aufzubringen, die nötig sind, um das Energiespeichermodul hinreichend kräftig gegen den Modulträger zu bewegen und hierbei die Masse zu verpressen, sodass sie sich im Spalt, diesen vollständig ausfüllend, verteilt, ohne dass diese Bewegung respektive dieses Verpressen durch die Toleranzausgleichselemente behindert werden würde, da die Toleranzausgleichselemente nicht betätigt werden.
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Um dies zu ermöglichen, kann in Weiterbildung der Erfindung jede Verpressschraube einen Gewindeabschnitt aufweisen, dessen Länge so bemessen ist, dass er problemlos in die modulträgerseitige Gewindebohrung eingeschraubt werden kann. An diesen Gewindeabschnitt schließt sich ein Schaftabschnitt mit verringertem Durchmesser an. Dieser verringerte Durchmesser ist insbesondere in dem Bereich gegeben, mit dem der Schaftabschnitt durch das Toleranzausgleichselement läuft. Der verringerte Schaftdurchmesser ist so bemessen, dass die Verpressschraube nicht mit dem zweiten Abschnitt des Toleranzausgleichselements zusammenwirkt, dieser bleibt also unbetätigt, auch wenn die Verpressschraube eingeschraubt und angezogen wird. Zum Verpressen werden demzufolge die Verpressschrauben durch entsprechende Durchbrechungen im Gehäuse des Energiespeichermoduls oder einem entsprechenden, aufgesetzten und das Energiespeichermodul übergreifenden Deckel gesteckt und bezüglich der modulträgerseitigen Gewindebohrungen positioniert. Beim Anziehen der Verpressschrauben laufen die Schraubenköpfe gegen die Oberseite des Energiespeichermoduls oder des Befestigungsdeckels, sodass mit zunehmendem Verschrauben das Energiespeichermodul gegen den Modulträger gedrückt wird, dabei die Masse verpressend. Dieses Verschrauben erfolgt solange, bis sichergestellt ist, dass die Masse vollständig verpresst und verteilt ist, was beispielsweise dann gegeben ist, wenn ein gefordertes Anzugsdrehmoment erreicht ist, sodass eine entsprechende Spalteinstellung hierüber definiert ist, oder durch einen Gapfillermasseaustritt an der Modulseite oder Ähnliches.
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Im nächsten Schritt werden die Verpressschrauben gelöst und die Verbindungsschrauben, übliche Standartbefestigungsschrauben, durch die Durchbrechungen gesteckt und in die Gewindebohrungen eingeschraubt. Hierbei kommt es gegebenenfalls noch zu einem geringfügigen weiteren Verpressen. In jedem Fall aber werden die zweiten Abschnitte der Toleranzausgleichselemente betätigt und ausgedreht, laufen also gegen den Boden des Energiespeichermoduls und verspannen somit das Toleranzausgleichselement zwischen dem Modulträger und dem Energiespeichermodul. Mit Erreichen dieser Endposition dreht jede Verbindungsschraube durch, das heißt, dass der zweite Abschnitt nicht weiter ausgeschraubt wird, bis die Verbindungsschraube ihre Endposition erreicht hat. Das Modul ist fixiert, gleichzeitig ist aber auch die Masse komplett verteilt.
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Ersichtlich kann dieses Verfahren problemlos werkstattseitig durchgeführt werden, da die Verwendung der Verpressschrauben ein festes Verpressen und die Einstellung einer sehr kleinen Spaltbreite ermöglicht, da die hohe geforderte Schraubkraft aufgebracht werden kann, ohne dass das Toleranzausgleichselement die Spaltbreite begrenzt.
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Wie beschrieben, wirkt jedes Toleranzausgleichselement mit dem zweiten Abschnitt mit der Verbindungsschraube zusammen. Damit dies möglich ist, weist jedes Toleranzausgleichselement im zweiten Abschnitt zweckmäßigerweise ein mit der Verbindungsschraube zusammenwirkendes Federelement auf, wobei die Verbindungsschraube, wenn der zweite Abschnitt am Energiespeichermodul anliegt, innerhalb des Federelements durchdreht, bzw. ist nicht mehr in Kontakt mit dem Federelement. Dieses Federelement ist demzufolge ein Mitnehmerelement, das temporär mit der Verbindungsschraube zusammenwirkt, solange, bis diese durchdreht bzw. nicht mehr mit dem Federelement in Kontakt ist.
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Zur Befestigung eines jeden Toleranzausgleichselements am Modulträger weist zweckmäßigerweise der erste Abschnitt jedes Ausgleichselements einen Gewindeabschnitt auf, mit dem der erste Abschnitt in eine am Modulträger vorgesehene Gewindebohrung eingeschraubt wird und der zweite Abschnitt eine vorbestimmte Position relativ zum ersten Abschnitt einnimmt. Das heißt, dass das Toleranzausgleichselement auf einfache Weise in eine modulträgerseitige Gewindebohrung eingeschraubt und darin fixiert wird. Gleichzeitig wird der zweite Abschnitt so relativ zum ersten Abschnitt eingestellt, dass er eine definierte Position zu diesem einnimmt. Der zweite Abschnitt ist mit einem Außengewindeabschnitt in einer Innengewindebohrung des ersten Abschnitts verschraubbar, sodass er über diese Schraubverbindung beim Einschrauben der Verbindungsschraube ausgedreht werden kann, wozu das Gewinde entgegen der Einschraubrichtung ansteigt.
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Als Modulträger kann jeder beliebige Modulträger verwendet werden, bevorzugt jedoch ein Kühlelement wie eine entsprechende Kühlplatte oder ähnliches, über die die Abfuhr der beim Betrieb des Energiespeichermoduls entstehenden Wärme erfolgt.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich auf den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
- 1 eine Prinzipdarstellung eines auf einem Modulträger aufgesetzten Energiespeichermoduls vor dem Verpressen mit den Verpressschrauben,
- 2 die Anordnung aus 1 nach dem Verpressen mit den Verpressschrauben,
- 3 die Anordnung aus 2 nach dem Austausch der Verpressschrauben gegen die Verbindungsschrauben,
- 4 eine Prinzipdarstellung eines Toleranzausgleichselements und der Verpressschraube beim Verschrauben derselben, und
- 5 eine Prinzipdarstellung des Toleranzausgleichselements und der Verbindungsschraube nach dem Verschrauben derselben.
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1 zeigt ein Energiespeichermodul 1 sowie einen Modulträger 2, beispielsweise eine Kühlplatte 3, die zwei Seitenwände 4 aufweist sowie zwei Wandabschnitte 5, an denen mehrere, hier zwei gezeigte Toleranzausgleichselemente 6, die nachfolgend noch im Detail beschrieben werden, angeordnet sind. Jedes Toleranzausgleichselement 6 verfügt über einen ersten Abschnitt, der am jeweiligen Wandabschnitt 5, z. B. in eine geeignete Gewindebohrung eingeschraubt und darin fixiert ist. Ferner verfügt jedes Toleranzausgleichselement 6 über einen zweiten Abschnitt, der über eine Gewindeverbindung relativ zum ersten Abschnitt verschraubt werden kann und der beim Setzen einer Verbindungsschraube aus dem ersten Abschnitt herausgeschraubt wird.
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Das Energiespeichermodul 2 selbst weist ein Gehäuse 7 auf, an dem im gezeigten Beispiel zwei Gehäuseabschnitte 8 vorgesehen sind, die eine entsprechende Durchbrechung 9 aufweisen, durch die im gezeigten Beispiel jeweils eine Verpressschraube 10 geführt ist. Diese Verpressschraube 10 weist jeweils einen am einen Ende ausgebildeten Gewindeabschnitt 11 auf, der in eine Gewindebohrung 12 am Wandabschnitt 5 eingeschraubt wird. An diesen Gewindeabschnitt 11 schließt sich ein Schaftabschnitt 13 mit verringertem Durchmesser an, wie 1 deutlich zeigt. Dieser Schaftabschnitt befindet sich im Bereich, mit dem die Verpressschraube 10 jeweils das Toleranzausgleichselement 6 durchgreift. Im gezeigten Beispiel bleibt dieser verringerte Schaftabschnittsdurchmesser bis zum Schraubenkopf 14 beibehalten.
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Ersichtlich ist des Weiteren ein Spalt 15 zwischen dem Boden 16 des Gehäuse 7 des Energiespeichermoduls und dem Boden 17 des Modulträgers 2 respektive des Kühlelements 3 ausgebildet. In diesen Spalt wird eine Raupe aus einer wärmeleitfähigen Masse 18 eingebracht, die es gilt zusammenzupressen, sodass er sich im Spalt verteilt.
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Dies geschieht, indem die Verpressschrauben 10 angezogen werden. Dieser Vorgang ist in 2 gezeigt. Die Verpressschrauben 10 werden über die Gewindeabschnitte 11 in die Gewindebohrungen 12 eingeschraubt, sodass die Schraubenköpfe 14, die an der Oberseite der Gehäuseabschnitte 8 anliegen, das Energiespeichermodul 1 gegen den Modulträger 2 bewegen. Hierbei kommt es zu einer deutlichen Verringerung der Breite des Spalts 15 und zu einem Verpressen der Masse 18, wie 2 zeigt.
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2 zeigt des Weiteren, dass die beiden Toleranzausgleichselemente 6 hierbei völlig unbetätigt bleiben, das heißt, der zweite Abschnitt des Toleranzausgleichselements 16 wird nicht relativ zum ersten Abschnitt bewegt. In der Montagestellung verbleibt ein schmaler Spalt 19 zwischen dem Toleranzausgleichselement 6 und dem jeweiligen Wandabschnitt 8.
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Im nächsten Schritt, der in 3 gezeigt ist, werden die Verpressschrauben 10 wieder entnommen und Verbindungsschrauben 20 eingeschraubt. Diese Verbindungsschrauben 20 weisen einen durchgängigen Gewindeabschnitt 21, also einen Gewindeschaft, auf, der einerseits in die Gewindebohrung 12 eingeschraubt wird, und der andererseits aber aufgrund seines Durchmessers mit dem zweiten Abschnitt zusammenwirkt, sodass dieser aus dem ersten Abschnitt herausgedreht wird, bis er in Anlage an die Unterseite des jeweiligen Wandabschnitts gelangt. Diese Situation ist in 3 gezeigt, wo einerseits der jeweils erste Abschnitt 22 des Toleranzausgleichselements dargestellt ist, der unbewegt in seiner verschraubten Position an dem Wandabschnitt 5 verbleibt, während der zweite Abschnitt 23 axial gesehen aus dem ersten Abschnitt 22 herausgeschraubt ist.
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Beim Herausschrauben läuft der zweite Abschnitt 23 gegen den Gehäuseabschnitt 8, was dazu führt, dass der Gewindeabschnitt 21, der bis dahin mit dem zweiten Abschnitt zusammengewirkt hat, weshalb der zweite Abschnitt 23 aus dem ersten Abschnitt 22 herausgeschraubt wurde, nun durch den zweiten Abschnitt dreht, und demzufolge die zweite Verbindungsschraube 20 noch etwas weiter eingeschraubt werden kann, bis eben die Montageendstellung erreicht ist, was z. B. durch Erfassen eines entsprechenden Anzugsdrehmoments ermittelt werden kann.
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4 zeigt eine detailliertere Ansicht eines Toleranzausgleichselements 6 mit seinem ersten Abschnitt 22 und seinem zweiten Abschnitt 23. Der erste Abschnitt 22 ist in eine Aufnahme 24, die am Modulträger 2 ausgebildet ist, eingesetzt, beispielsweise eingeschraubt. In Verlängerung dieser Aufnahme 24 ist die Gewindebohrung 12 ausgebildet, in die der Gewindeabschnitt 11 der Verpressschraube 10 wie auch der Gewindeabschnitt 21 der Verbindungsschraube 20 eingeschraubt wird.
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Gezeigt ist des Weiteren die Innengewindebohrung 25 des ersten Abschnitts 22 sowie der Außengewindeabschnitt 26 des zweiten Abschnitts 23, das heißt, dass beide relativ zueinander verschraubt werden können. Der zweite Abschnitt 23 weist einen endseitigen Radialbund 27 auf, mit dem er in der Montageendstellung an der Unterseite des jeweiligen Gehäuseabschnitts 8 anliegt.
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In einer Durchgangsbohrung 28 des zweiten Abschnitts 23 ist ein Federelement 29 aufgenommen, das in der Lage ist, mit dem Gewindeabschnitt 21 zusammenzuwirken, wenn die Verbindungsschraube 20 eingeschraubt wird. Hierbei kommt es wie beschrieben zu einer Mitnahme des zweiten Abschnitts 23 entgegen der Einschraubrichtung, das heißt, dass der zweite Abschnitt 23 aus dem ersten Abschnitt 22 herausgeschraubt wird, wie nachfolgend noch beschrieben wird.
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Bei der Ausgestaltung gemäß 4 wird die Verpressschraube 10 eingeschraubt. Ersichtlich greift zwar der Gewindeabschnitt 11 in die Innengewindebohrung 12 ein, ein Verschrauben und damit ein Anziehen des Energiespeichermoduls 1 gegen den Modulträger 2 ist damit möglich. Ersichtlich jedoch wirkt der im Durchmesser reduzierte Schaftabschnitt 13 nicht mit dem Federelement 29 zusammen, sodass der zweite Abschnitt 23 nicht bewegt wird, unabhängig davon, wie tief nun die Verbindungsschraube 10 auch eingeschraubt wird.
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Anders die Situation gemäß 5, wo die Verbindungsschraube 20 eingeschraubt wird. Diese wird eingesteckt und mit dem Gewindeabschnitt 21 in die Gewindebohrung 12 eingeschraubt. Gleichzeitig kommt es bei dieser Verschraubbewegung aber zu einem Zusammenwirken zwischen dem Gewindeabschnitt 21 und dem Federelement 29, sodass der zweite Abschnitt 23 bewegt wird und aufgrund der Gewindesteigung der Gewindeverbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt 22, 23 entgegen der Einschraubrichtung aus dem ersten Abschnitt 22 herausgeschraubt wird, wie 5 deutlich zeigt. Dies geschieht solange, bis der Radialflansch 27 an der Unterseite des jeweiligen Wandabschnitts 8 anliegt. Dann dreht die zweite Verbindungsschraube 20 respektive der Gewindeabschnitt 21 durch, das heißt, die Klemmwirkung zum Federelement 29 ist nicht mehr gegeben und die Verbindungsschraube 20 kann endgültig festgezogen werden.
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Ersichtlich ermöglicht es das erfindungsgemäße Befestigungssystem, dass einerseits allein durch eine Schraubverbindung, nämlich durch Verwendung der Verpressschrauben, mit hinreichend hoher Kraft das Energiespeichermodul 1 gegen den Modulträger 2 verschraubt werden kann, sodass die Masse 18 verpresst werden kann und eine sehr schmale Spaltbreite erreicht werden kann. Gleichzeitig ermöglicht es das Befestigungssystem anschließend durch Austausch der Verpressschrauben gegen die Verbindungsschrauben auch die gesetzten Toleranzausgleichselemente, die bis dahin unbetätigt waren, zu betätigen und quasi zwischen dem jeweiligen Wandabschnitt 5 und dem Gehäuseabschnitt 8 zu verspannen, sodass auch hier etwaige Restspalte ausgeglichen sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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