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Die Erfindung betrifft ein zur Verwendung als Komponente eines Bewegungsgewindes geeignetes Kunststoffteil, welches ein Innengewinde in Form eines Trapezgewindes aufweist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur spritzgusstechnischen Herstellung eines solchen Kunststoffteils mit Innengewinde.
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Die
DE 10 2010 005 145 A1 offenbart einen Gewindetrieb, welcher metallische Komponenten sowie Kunststoffkomponenten umfasst. Hierbei kann es sich entweder bei der Mutter oder bei der Spindel um ein zumindest teilweise aus Metall gefertigtes Teil handeln, während die andere Komponente des Gewindetriebs zumindest teilweise aus Kunststoff gefertigt ist. In beiden Fällen weisen Mutter und Spindel als Komponenten des Gewindetriebs Trapezgewinde auf. An die Flanken der Trapezgewinde schließen sich im Bereich der Gewindespitzen erste Rundungen und im Bereich des Gewindegrundes zweite Rundungen an.
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Was die Normung von Trapezgewinden betrifft, wird auf die Normen DIN 103, ISO 2901, ISO 2903, DIN 380 und DIN 30295 hingewiesen. Hintergrundinformationen zu Gewindeausläufen, unter anderem für Trapez- und Sägengewinde, sind in der Norm DIN 76-3 zu finden.
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Kunststoffteile mit Innen- oder Außengewinde können grundsätzlich durch Urformung, insbesondere Spritzgießen, oder durch spanabhebende Bearbeitung hergestellt werden. Die
DE 10 2015 225 247 A1 offenbart eine Spritzgießvorrichtung zur Herstellung von Rohren mit Innengewinden. Hierbei bildet ein Werkzeug eine Artikelkavität, welche mit einer thermoplastischen Formmasse zu füllen ist. Ferner ist in diesem Fall ein Projektil als Verdrängerkörper für die Formmasse vorgesehen.
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Eine weitere Vorrichtung zum Spritzgießen eines Kunststoffkörpers mit Innengewinde ist in der
DE 197 24 204 A1 beschrieben. Bei dem Kunststoffkörper kann es sich in hierbei um eine Schraubkappe handeln. Das Gewinde des Kunststoffkörpers ist in Form einzelner Gewindesegmente ausgebildet.
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Aus der
DE 10 2018 116 216 A1 ist eine Vorrichtung zum Entspindeln von Innengewinden in Spritzgussteilen mit Hilfe eines elektrisch gesteuerten Antriebs bekannt. Mit Hilfe von Endschalterringen soll erkennbar sein, ob ein Gewindekern in eine Form eingeschraubt oder aus der Form ausgeschraubt ist.
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Die
DE 10 2005 042 758 B3 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung eines Objektes mit Innengewinde, insbesondere einer Gewindehülse für eine Injektionsvorrichtung. Dabei wird ein Kunststoff in einen Objektformraum eines Formwerkzeugs mit einem darin angeordneten Kern mit Außengewinde eingespritzt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Fortschritte in der spritzgusstechnischen Herstellung von Kunststoffteilen mit Innengewinde, betreffend sowohl einen rationellen Herstellungsprozess als auch die Beanspruchbarkeit des Endprodukts, zu erzielen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Kunststoffteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1, wobei das Kunststoffteil als rohrförmiges Teil oder als Teil mit beliebiger sonstiger Außenkontur gestaltet sein kann. Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Kunststoffteils gemäß Anspruch 7. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Herstellungsverfahren erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für die Vorrichtung, das heißt das mit einem Innengewinde versehene Kunststoffteil, und umgekehrt.
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Das Innengewinde des Kunststoffteils ist als Trapezgewinde ausgebildet und konzentrisch zur Mittelachse des Kunststoffteils angeordnet. Zu mindestens einer der beiden Stirnseiten des Kunststoffteils hin läuft das Innengewinde aus. Optional befindet sich auch an der gegenüberliegenden Stirnseite des Kunststoffteils ein Gewindeauslauf.
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An dem mindestens einen Gewindeauslauf des Trapezgewindes befindet sich eine Abschlussfläche, deren Erstreckung in Axialrichtung des Innengewindes und damit des gesamten Kunststoffteils mindestens der Steigung des Innengewindes entspricht, wobei zwischen der Abschlussfläche und einer gedachten Mittelebene, in welcher die Mittelachse des Innengewindes liegt und welche die Abschlussfläche an deren der Stirnseite abgewandtem Rand berührt, ein spitzer Winkel eingeschlossen ist.
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Insbesondere ist die Abschlussfläche gegenüber der Mittelebene um mindestens 15° und höchstens 75° schräg gestellt, wobei sich die Abschlussfläche, in Längsrichtung des rohrförmigen Kunststoffteils betrachtet, über einen Zahn und den hieran anschließenden Gewindegrund, bis zum Beginn der Flanke des nächsten Zahns, erstreckt.
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Radial nach außen erstreckt sich die Abschlussfläche, mit welcher das Trapezgewinde zur Stirnseite des rohrförmigen Kunststoffteils hin endet, gemäß einer möglichen Ausgestaltung über das Trapezgewinde hinaus. Hierbei kann der sich über die Abschlussfläche radial nach außen erstreckende Abschnitt der Abschlussfläche in Radialrichtung des Kunststoffteils ausgedehnter als der innerhalb des Trapezgewindes liegende Abschnitt der Abschlussfläche sein.
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Unabhängig davon, wie der radial außerhalb des Trapezgewindes liegende Abschnitt der Abschlussfläche in Relation zum unmittelbar hieran anschließenden, weiter innen liegenden, zumindest teilweise das Gewindeprofil des Trapezgewindes beschreibenden Abschnitt der Abschlussfläche dimensioniert ist, kann der radial außerhalb des Trapezgewindes liegende Abschnitt der Abschlussfläche innerhalb eines rohrförmigen Endstücks des Kunststoffteils angeordnet sein, wobei das Endstück ebenso wie das Trapezgewinde einen integralen Bestandteil des Kunststoffteils darstellt.
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Gemäß einer möglichen Weiterbildung ist der Gewindegang des Trapezgewindes am Gewindeauslauf im Vergleich zum übrigen Trapezgewinde aufgeweitet. Beispielsweise erstreckt sich die Aufweitung über den letzten Gewindegang des Trapezgewindes. Durch diese Aufweitung, welche gleichbedeutend damit ist, dass der Abstand zwischen zwei gegenüberliegenden, eine Zahnlücke begrenzenden Flanken des trapezförmigen Gewindeprofils vergrößert ist, können fertigungsbedingte Formabweichungen abgefangen werden. Zwar ist damit die Eignung des Trapezgewindes, Axialkräfte aufzunehmen, innerhalb des letzten, sich bis zum Gewindeauslauf erstreckenden Gewindegangs herabgesetzt, doch wird dieser Nachteil durch einen Ausschluss einer Überlastung im selben Gewindeabschnitt überkompensiert.
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Die Aufweitung des letzten Gewindegangs kann asymmetrisch gestaltet sein. Dies bedeutet, dass eine der genannten Flanken die Kontur des im weiteren Gewindeverlauf gegebenen Gewindeprofils unverändert fortsetzt, wogegen an der gegenüberliegenden Flanke im Vergleich zum restlichen Gewinde Material weggenommen ist. Die asymmetrische Gestaltung des an den Gewindeauslauf anschließenden Bereichs des Trapezgewindes hat den Vorteil, dass in genau einer axialen Richtung die volle Belastbarkeit des Gewindes erhalten bleibt.
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In allen vorstehend erläuterten Bauformen kann das Kunststoffteil eine komplette Spindelmutter eines Gewindetriebs darstellen. Ebenso sind Bauformen möglich, in denen das Kunststoffteil zusammen mit anderen, insbesondere metallischen, Komponenten eine Spindelmutter bildet. In jedem Fall ist das Kunststoffteil, welches das Trapezgewinde als Innengewinde aufweist, in folgenden Schritten herstellbar:
- - Bereitstellung einer ersten, bolzenförmigen, insbesondere mehrteiligen, zum Kunststoffspritzguss geeigneten Werkzeugkomponente, welche ein entsprechend dem Profil des zu erzeugenden Trapezgewindes des Kunststoffteils profiliertes Außengewinde aufweist, wobei diese Werkzeugkomponente eine das Außengewinde abschließende Endfläche aufweist, deren Erstreckung in Axialrichtung mindestens der Gewindesteigung des Außengewindes und damit auch des Trapezgewindes entspricht, und wobei zwischen der Endfläche und einer gedachten Mittelebene, in welcher die Mittelachse des Außengewindes und damit auch des späteren Trapezgewindes liegt und welche die Endfläche an deren dem Außengewinde zugewandten, das heißt der Stirnseite des Werkzeugs abgewandten Rand berührt, ein spitzer Winkel eingeschlossen ist,
- - Bereitstellung einer zweiten, typischerweise ebenfalls mehrteiligen, zum Kunststoffspritzguss geeigneten Werkzeugkomponente, deren Innenkontur entsprechend der Außenkontur des herzustellenden Kunststoffteils gestaltet ist,
- - Zusammensetzen der beiden Werkzeugkomponenten unter Bildung einer Kavität für den Kunststoffspritzguss,
- - Urformung des Kunststoffteils in der im vorigen Schritt hergestellten Kavität im Spritzgussverfahren,
- - Separierung des Kunststoffteils von den Werkzeugkomponenten, wobei dieses Separieren ein Ausspindeln umfasst.
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Um den Kunststoffspritzguss zu ermöglichen, wird die erste, insgesamt bolzenförmige Werkzeugkomponente vorzugsweise aus mehreren Werkzeugteilen zusammengesetzt. Eines dieser Werkzeugteile, welche zusammen die erste Werkzeugkomponente bilden, weist eine die Endfläche nahtlos fortsetzende, in derselben Ebene liegende trapezförmige Tuschierfläche auf, welche ein zweites Werkzeugteil flächig kontaktiert. Im Unterschied zum ersten Werkzeugteil weist das zweite Werkzeugteil kein Außengewinde auf. Die Endfläche des ersten Werkzeugs gibt die Lage und Form der beschriebenen Abschlussfläche des spritzgegossenen Kunststoffteils vor. Anders als die Endfläche liegt die Tuschierfläche des ersten Werkzeugteils innerhalb des zusammengesetzten ersten Werkzeugs flächig am zweiten Werkzeugteil an. Dies sorgt dafür, dass beim Spritzguss die Tuschierfläche das Ende des Gewindegangs des Innengewindes des Kunststoffteils bildet. Das Kunststoffteil ist dem ersten, mehrteiligen Werkzeug entnehmbar, indem das erste Werkzeugteil ausgespindelt und das zweite Werkzeugteil, ohne dieses zu drehen, in Axialrichtung vom Kunststoffteil entfernt wird.
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In allen Fällen ist das mehrteilige Spritzgusswerkzeug derart gestaltet, dass der Gewindeauslauf des Kunststoffteils in Ausspindelrichtung im spitzen Winkel schräggestellt ist. Diese Gestaltung hat sowohl hinsichtlich der Haltbarkeit der Werkzeuge als auch der Haltbarkeit des damit hergestellten Produktes Vorteile gegenüber herkömmlichen Lösungen mit vergleichsweise scharfkantigem Gewindeauslauf. Durch die Vermeidung von scharfen Kanten am Spritzgusswerkzeug sind technisch relevante Verformungen im Laufe der Nutzung des Werkzeugs, welche sich unmittelbar auf die Form der hergestellten Werkstücke, das heißt Kunststoffteile, auswirken würden, praktisch ausgeschlossen. Dies gilt auch in Fällen, in denen das Trapezgewinde eine besonders niedrige Steigung aufweist. Was das im Spritzgussverfahren hergestellte Kunststoffteil betrifft, trägt die vorgeschlagene Gestaltung mit schräggestelltem Gewindeauslauf maßgeblich dazu bei, dass Abrieb bei der Verwendung des Kunststoffteils als Komponente eines Gewindetriebs weitgehend vermieden wird. Abrieb würde nicht nur zu erhöhter Reibung, sondern auch zu verstärktem Verschleiß weiterer Gleitflächen führen.
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Das Kunststoffteil, welches ein als Trapezgewinde ausgebildetes Innengewinde aufweist, kann beispielsweise als rotierende Komponente oder als nicht rotierbare, ausschließlich verschiebbare Komponente eines Gewindetriebs, das heißt Bewegungsgewindes, eingesetzt werden. Die zugehörige, mit einem Außengewinde versehene Gegenkomponente, das heißt Spindel, kann entweder ebenfalls aus Kunststoff oder aus Metall gefertigt sein. Der gesamte Gewindetrieb ist zum Beispiel Teil eines elektromechanischen Aktuators. Solche Aktuatoren kommen unter anderem in Feststellbremsen von Kraftfahrzeugen zum Einsatz.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
- 1 ein Kunststoffteil mit Innengewinde, nämlich Trapezgewinde, in perspektivischer Ansicht,
- 2 in vergrößerter Darstellung den Gewindeauslauf des Innengewindes des Kunststoffteils,
- 3 den Gewindeauslauf des Innengewindes in einer Schnittdarstellung,
- 4 eine erste, mehrteilige Werkzeugkomponente zur spritzgusstechnischen Herstellung des Kunststoffteils nach 1,
- 5 ein Detail der Werkzeugkomponente nach 4,
- 6 ausschnittsweise in vereinfachter Darstellung eine zweite Werkzeugkomponente zur spritzgusstechnischen Herstellung des Kunststoffteils nach 1,
- 7 Einzelteile der Werkzeugkomponente nach 4 in einem teilweise zusammengeschobenen Zustand,
- 8 ein Detail der Anordnung nach 7.
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Ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnetes Kunststoffteil ist zur Verwendung in einem nicht weiter dargestellten Gewindetrieb, welcher als einfaches Bewegungsgewinde ausgebildet ist, vorgesehen. Das Kunststoffteil 1 weist ein Trapezgewinde als Innengewinde 2 auf und fungiert als Spindelmutter des Gewindetriebs. Die zugehörige, nicht dargestellte Gewindespindel ist beispielsweise elektrisch angetrieben. Eine Mantelfläche des Kunststoffteils 1 ist mit 3, eine Stirnfläche mit 4 bezeichnet. Über die gesamte Länge der Mantelfläche 3 erstreckt sich ein Steg 5, welcher der Verdrehsicherung des Kunststoffteils 1 innerhalb einer Umgebungskonstruktion dient. In abgewandelter, nicht dargestellter Ausgestaltung können mehrere derartige Stege 5 gleichmäßig um den Umfang der Mantelfläche 3 verteilt sein. Insgesamt weist das Kunststoffteil 1 eine rohrförmige Gestalt auf; eine an die Stirnfläche 4 grenzende Innenumfangsfläche ist mit 6 bezeichnet.
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Einzelheiten des Innengewindes 2, welches als eingängiges Gewinde gestaltet ist, gehen insbesondere aus den 2 und 3 hervor. Erkennbar sind Gewindeflanken 7 sowie ein Gewindegrund 8. Der Gewindeauslauf des Innengewindes 2 ist insgesamt mit 9 bezeichnet. Am Gewindeauslauf 9 befindet sich eine Abschlussfläche 10. In Richtung zur Stirnfläche 4 ist die Abschlussfläche 10 durch einen stirnseitigen Rand 12 begrenzt. Dem stirnseitigen Rand 12 liegt ein innerer Rand 11 der Abschlussfläche 10 gegenüber. Der gesamte Gewindeauslauf 9 befindet sich in einem Endstück 13 des Kunststoffteils 1, wobei die Außenumfangsfläche des Endstücks 13 integraler Bestandteil der Mantelfläche 3 ist. Die beiden Ränder 11, 12 sind in Radialrichtung des rohrförmigen Kunststoffteils 1 ausgerichtet, dessen Mittelachse mit MA bezeichnet ist.
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In der Ansicht nach 3 stellt der innere Rand 11 ein Flächennormale der Zeichenebene dar. Der innere Rand 11 liegt in einer Mittelebene ME, in welcher auch die Mittelachse MA liegt. Die Abschlussfläche 10 ist gegenüber der Mittelebene ME um einen Winkel α von weniger als 75°, im Ausführungsbeispiel sogar um weniger als 45°, schräggestellt. Die in Längsrichtung der Mittelachse MA gemessene Breite der Abschlussfläche 10 entspricht der Steigung P des Innengewindes 2. Bei dem Innengewinde 2 handelt es sich um ein eingängiges Trapezgewinde mit Nenndurchmesser d. Die Innenumfangsfläche 6 weist einen Durchmesser d6 auf, der im Ausführungsbeispiel um mindestens ein Drittel größer als der Nenndurchmesser d ist.
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Zur Herstellung des Kunststoffteils 1 wird ein mehrteiliges Spritzgusswerkzeug 14, 18 verwendet, welches in den 4 bis 8 illustriert ist. Eine erste Werkzeugkomponente 14, welche aus zwei Werkzeugteilen 21, 22 zusammengesetzt ist, weist eine bolzenartige Grundform auf und ist mit einem Außengewinde 15 versehen, welches die Form des Trapezgewindes 2 vorgibt. In den 4, 5, 7, 8 ist eine Endfläche 16 erkennbar, mit welcher die Abschlussfläche 10 des Kunststoffteils 1 erzeugt wird.
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Das Spritzgusswerkzeug 14, 18 wird komplettiert durch eine zweite Werkzeugkomponente 18, welche stark abstrahiert in 6 skizziert ist. Tatsächlich ist die zweite Werkzeugkomponente 18, ebenso wie die erste Werkzeugkomponente 14, mehrteilig aufgebaut. Eine Längsnut 19 in der zweiten Werkzeugkomponente 18 bildet den Steg 5 des Kunststoffteils 1 ab. Im zusammengesetzten Spritzgusswerkzeug 14, 18 ist eine Kavität ausgebildet, wobei in diesem Zustand eine Mantelfläche 20 der ersten Werkzeugkomponente 14 eine Innenumfangsfläche der zweiten Werkzeugkomponente 18 kontaktieren kann.
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Der mehrteilige Aufbau der ersten Werkzeugkomponente 14 geht im Detail aus den 7 und 8 hervor. Danach befindet sich das Außengewinde 15 an der Außenumfangsfläche des ersten, im Ausführungsbeispiel längeren Werkzeugteils 21, wogegen das zweite, im vorliegenden Fall vergleichsweise kurze Werkzeugteil 22 kein Gewinde aufweist. Um die Werkzeugkomponente 14 zusammenzusetzen, wird das erste Werkzeugteil 21 teilweise in das zweite Werkzeugteil 22 eingeschoben. In der Anordnung nach 7 sind die Werkzeugteile 21, 22, um geometrische Einzelheiten sichtbar zu machen, etwas auseinandergezogen.
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Die Endfläche 16 wird durch das zweite Werkzeugteil 22, welches auch als Gegenformteil des ersten Werkzeugteils 21, das heißt Formteils mit Außengewinde, bezeichnet wird, bereitgestellt. Die Endfläche 16 weist, wie insbesondere aus 8 hervorgeht, eine Tuschierfläche 16 als integralen Teil dieser Fläche 16 auf, wobei die Tuschierfläche 16 innerhalb der zusammengesetzten Werkzeugkomponente 14 flächig am Werkzeugteil 21 anliegt und daher in diesem Zustand nicht mehr sichtbar ist. Der außerhalb der Tuschierfläche 16 liegende Abschnitt der Endfläche 16 wird als offener Abschnitt 24 der Endfläche 16 bezeichnet und gibt die Form der Abschlussfläche 10 des Kunststoffteils 1 vor. Die Tuschierfläche 16 dagegen bildet den Abschluss des Gewindegangs des Trapezgewindes 2 und ist übereinstimmend hiermit trapezförmig konturiert. Innerhalb des Trapezgewindes 2 handelt es sich bei dieser Fläche, deren Gestalt durch die Tuschierfläche 16 vorgegeben ist, um eine gedachte Fläche, welche an die Anschlussfläche 10 anschließt und das Ende des Gewindegangs am Gewindeauslauf 9 darstellt.
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Nachdem die zwischen den jeweils mehrteiligen Werkzeugkomponenten 14, 18 gebildete Kavität mit erwärmter Kunststoffmasse gefüllt ist und eine ausreichende Abkühlung des Kunststoffes stattgefunden hat, kann die innere Werkzeugkomponente 14 samt urgeformtem Kunststoffteil 1 aus der äußeren Werkzeugkomponente 18 entnommen werden. Die Separierung der beiden Werkzeugteile 21, 22 vom Kunststoffteil 1 ist möglich, indem das erste Werkzeugteil 21 in Ausspindelrichtung AR (3) aus dem Trapezgewinde 2 herausgeschraubt, das heißt ausgespindelt, wird. Anschließend kann das Werkstück, das heißt Kunststoffteil 1, vom zweiten Werkzeugteil 22 separiert werden, indem das zweite Werkzeugteil 22 vom Werkstück 1 in Axialrichtung abgezogen wird. Je nach Gesamtaufbau der Werkzeugkomponenten 14, 18 kann das Ausspindeln und/oder das Abziehen des zweiten Werkzeugteils 22 auch erfolgen, während sich das Kunststoffteil 1 noch in der zweiten Werkzeugkomponente 18 oder in einem Einzelteil dieser Werkzeugkomponente 18 befindet.
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Die bolzenförmige Werkzeugkomponente 14 ist derart gestaltet, dass der Gewindegrund 8 im Bereich des Gewindeauslaufs 9 im Vergleich zum restlichen Innengewinde 2 aufgeweitet ist. In 2 ist gestrichelt eine Gewindeflanke 7 angedeutet, wie sie entfernt vom Gewindeauslauf 9, im nicht modifizierten Abschnitt des Innengewindes 2, vorhanden wäre. Gegenüber der nicht modifizierten Kontur des Trapezgewindes 2 ist die Gewindeflanke 7 am Gewindeauslauf 9 um eine Zusatzbreite s versetzt, so dass der Gewindegrund 8 entsprechend verbreitert ist. Dies hat zur Folge, dass der letzte Gewindegang des Innengewindes 2 nur einseitig trägt. Sollte beim Spritzgießen ein Formversatz auftreten, welcher maximal der Zusatzbreite s entspricht, so hätte dies keinen Einfluss auf die Funktionsfähigkeit des Trapezgewindes 2, da keine unzulässige Verengung des letzten Gewindegangs gegeben wäre. Die eventuell geringfügig verringerte axiale Belastbarkeit des Innengewindes 2 in einer bestimmten Richtung wird in Kauf genommen.
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Die an der Stirnfläche 4 gegebene Durchmesserstufung, welche sich in Form der Innenumfangsfläche 6 ausdrückt, die radial außerhalb des Nenndurchmessers d des Innengewindes 2 liegt, begünstigt sowohl die Stabilität des fertigen Kunststoffteils 1 als auch die Stabilität der Verbindung zwischen den Werkzeugkomponenten 14, 18 während der spritzgusstechnischen Herstellung des Kunststoffteils 1.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kunststoffteil
- 2
- Innengewinde, Trapezgewinde
- 3
- Mantelfläche
- 4
- Stirnfläche
- 5
- Steg
- 6
- Innenumfangsfläche
- 7
- Gewindeflanke
- 8
- Gewindegrund
- 9
- Gewindeauslauf
- 10
- Abschlussfläche
- 11
- innerer Rand der Abschlussfläche
- 12
- stirnseitiger Rand der Abschlussfläche
- 13
- Endstück
- 14
- erste Werkzeugkomponente, bolzenförmig
- 15
- Außengewinde
- 16
- Endfläche des kürzeren Werkzeugteils
- 17
- Zweiflach
- 18
- zweite Werkzeugkomponente
- 19
- Längsnut
- 20
- Mantelfläche des ersten Werkzeugs
- 21
- Werkzeugteil mit Außengewinde
- 22
- Werkzeugteil ohne Außengewinde
- 23
- Tuschierfläche
- 24
- offener Abschnitt der Endfläche
- a
- Winkel
- AR
- Ausspindelrichtung
- d
- Nenndurchmesser
- d6
- Durchmesser der Innenumfangsfläche
- MA
- Mittelachse
- ME
- Mittelebene
- P
- Steigung
- s
- Zusatzbreite