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Die Erfindung bezieht sich auf einen Lagerkern für ein Gummi-Metalllager mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Patentanspruch 1 sowie ferner auf ein mit einem solchen Lagerkern ausgestattetes Gummi-Metalllager. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Kraftfahrzeug mit einem derartigen Gummi-Metalllager im Fahrwerksbereich.
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Gummi-Metalllager kommen im Kraftfahrzeugbau vor allem im Bereich des Fahrwerks zum Einsatz, um eine elastische Verbindung zwischen einzelnen Fahrwerkskomponenten bereitzustellen, beispielsweise zwischen einem radführenden Lenker und der Karosserie oder einem Hilfsrahmen. Aufgrund ihrer elastokinematischen Eigenschaften stellen diese ein wichtiges Bauteil zur Abstimmung der Fahreigenschaften eines Kraftfahrzeugs dar.
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Herkömmliche Gummi-Metalllager sind zumeist als sogenannte Rundlager ausgeführt und in Fahrwerkskomponenten wie Lenker oder Hilfsrahmen eingepresst, an welchen hierzu eine entsprechende Öffnung vorgesehen ist. Die Befestigung des Gummi-Metalllagers an einer weiteren Struktur erfolgt durch eine Verschraubung. Hierfür ist zumeist zentrisch ein axial durchgehendes Loch im Lagerkern des Gummi-Metalllagers für das Durchstecken einer Schraube vorgesehen.
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Eine spezielle Bauform stellen sogenannte Pratzenlager dar. Diese weichen von den üblichen Rundlagern mit zentralem Durchgangsloch dadurch ab, dass die Verschraubung nicht durch eine zentrale Öffnung axial zum Lagerkern bewerkstelligt wird, sondern senkrecht zur Lagerachse erfolgt. Hierdurch ist es möglich, ein solches Gummi-Metalllager ohne Lagerbock an der weiteren Struktur anzubinden, weshalb diese Bauform zuweilen bei der Anbindung von Lenkern an der Karosserie anzutreffen ist.
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Es ist allgemein bekannt, metallische Lagerkomponenten des Gummi-Metalllagers in Stahlschmiedekonstruktion oder in Eisengusskonstruktion auszuführen. Die Verwendung von Stahl und Eisenlegierungen bedingt jedoch ein verhältnismäßig hohes Bauteilgewicht, bietet jedoch den Vorteil einer kompakten Ausführung bei hohen Lagerkräften. Dies ist insbesondere im Fahrwerksbereich relevant, da hier beengte Einbaubedingungen vorherrschen und mitunter im Fahrbetrieb hohe Kräfte abgestützt werden müssen.
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Ein gattungsgemäßer Lagerkern für ein Gummi-Metalllager mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Patentanspruch 1 ist aus US 2012/ 0326368 A bekannt. Dieser soll als hochfestes Bauteil aus einer Eisen oder Aluminiumlegierung hergestellt sein.
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Ferner ist bei der Anmelderin für den Lagerkern eines Gummi-Metalllagers neben einer Ausführung als kunststoffumspritzes Aluminium- Strangpresselement intern eine Schmiedekonstruktion aus einer Aluminiumlegierung bekannt, welche trotz ihres Gewichtsvorteils jedoch im Hinblick auf den Fertigungsaufwand sowie die Abstützung von Lagerkräften nicht zu überzeugen vermochte, so dass diesbezüglich weiterer Verbesserungsbedarf bestand.
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Aus WO 2011/ 116 838 A1 ist ein Semi-Solid Metal Casting (SSM) Verfahren zur Herstellung von Druckgussteilen aus einer Aluminiumlegierung bekannt. Als Anwendungsgebiet wird unter anderem die Automobilindustrie genannt. Es wird darauf verwiesen, dass aus gießtechnischen Gründen beispielsweise bei Knoten für Space Frame Strukturen mit konventionellen Druckgießverfahren eine Gussteil-Wandstärke von etwa 2 mm in der Regel nicht unterschritten werden könne. Durch Anwendung von Thixo- oder Rheocasting wäre jedoch eine weitere Reduktion der Gussteil-Wanddicke auf etwa 1 mm möglich. Mit abnehmender Wanddicke werde jedoch das verminderte Kraftaufnahmevermögen zunehmend zum limitierenden Faktor. Diesem Nachteil könne durch Zusatz von Nanopartikeln zu einer Aluminiumlegierungsmatrix begegnet werden. Es mangle jedoch an geeigneten Verfahren zur kostengünstigen Herstellung von mit nanoskaligen Partikeln verstärkten Aluminiumlegierungen und deren Aufbereitung zu teilfesten Metallschmelzen zum Druckgießen, wofür in WO 2011/ 116 838 A1 nunmehr ein geeignetes Verfahren vorgeschlagen werde.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Alternativen für die Herstellung eines Lagerkerns für ein Gummi-Metalllager aufzuzeigen, welches zum einen den Anforderungen für einen Einsatz im Fahrwerksbereich Rechnung trägt, andererseits jedoch bei geringem Fertigungsaufwand ein möglichst geringes Bauteilgewicht aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch einen Lagerkern für ein Gummi-Metalllager gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Der erfindungsgemäße Lagerkern umfasst einen zentralen Grundkörper mit einem Anbindungsbereich für ein diesen radial umgebendes Elastomerelement, einen ersten Befestigungsabschnitt zur Befestigung des Lagerkerns an einer weiteren Struktur, der axial von dem zentralen Grundkörper absteht, und einen zweiten Befestigungsabschnitt zur Befestigung des Lagerkerns an der weiteren Struktur, der axial von dem zentralen Grundkörper absteht, wobei der zentrale Grundkörper axial zwischen dem ersten Befestigungsabschnitt und dem zweiten Befestigungsabschnitt angeordnet ist. Der Lagerkern zeichnet sich dadurch aus, dass der zentrale Grundkörper, der erste Befestigungsabschnitt und der zweiten Befestigungsabschnitt aus einer Aluminiumlegierung als Rheocasting-Gussteil hergestellt sind. Alle Anbindungs- und Befestigungsabschnitte des Lagerkerns sind bereits gußtechnisch fertiggeformt, so dass jeglicher mechanischer Nachbearbeitungsaufwand entfällt.
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Im Gegensatz zum konventionellen Druckgießen von Aluminiumlegierungen, bei dem dendritisch erstarrte α-Aluminium Körner charakteristisch für die Mikrostruktur des erhaltenen Bauteils sind, entstehen beim Rheocasting runde Körner, sogenannte Globuliten. Hierdurch lässt sich der Herstellungsprozess in der Gefügestruktur des erhaltenen Bauteils gut erkennen.
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Es hat sich herausgestellt, dass sich durch einen solchen Lagerkern die obigen Nachteile bei Leichtbaulösungen aus Aluminiumlegierungen überraschend einfach überwinden lassen, denn der Lagerkern kann nicht nur ohne Nachbearbeitung in einem Gummi-Metalllager zum Einsatz kommen, sondern ist auch in der Lage, bei kompakter Bauweise die zum Teil hohen Lagerkräfte abzustützen.
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Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind Gegenstand weiterer Patentansprüche.
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Gemäß einer besonderen Ausführungsart kann der Lagerkern zusätzlich wärmebehandelt sein. Durch beispielsweise eine Ausscheidungshärtung unter Wärmeeintrag kann bei Bedarf eine Festigkeitssteigerung erzielt werden.
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Über die Gussform kann der Anbindungsbereich auf das an diesen anzuschließende Elastomerelement abgestimmt werden, um gewünschte elastokinematische Eigenschaften am Gummi-Metalllager zu erzielen.
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In einer Ausführungsvariante in kann dazu beispielsweise der Anbindungsbereich für das Elastomerelement eine radiale Einschnürung aufweisen.
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Die Ausführung als Rheocasting-Gussteil eignet sich besonders für sogenannte Pratzenlager, bei welchen die Befestigungsabschnitte Befestigungsöffnungen aufweisen, welche vorzugsweise senkrecht zur Längsachse des Lagerkerns sind. Dies ermöglicht die Anbindung des Gummi-Metalllagers an einer weiteren Struktur ohne die Notwendigkeit, dort einen speziellen Lagerbock vorsehen zu müssen. Jedoch sind auch andere Bauformen von Lagerkernen wie beispielsweise für die oben genannten Rundlager möglich.
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Zur Erhöhung der Bauteilfestigkeit können in einer weiteren besonderen Ausführungsart die Befestigungsabschnitte als Flachprofile ausgebildet sein, welche von Stirnenden des zentralen Grundkörpers abstehen und über Krümmungsbereiche in diese übergehen.
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Die Erfindung ermöglicht ferner ein Gummi-Metalllager gemäß Patentanspruch 7 mit einem Lagerkern der vorstehend erläuterten Art sowie einem Elastomerelement, das an dem Anbindungsbereich des zentralen Grundkörpers diesen radial umgebend angeordnet ist.
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Das Elastomerelement kann beispielsweise aus einem Polyurethanelastomer hergestellt sein, welcher mit dem Anbindungsbereich verklebt oder an diesen angespritzt ist. In einer Ausführungsvariante besteht das Elastomerelement aus einem Gummi, der an den Anbindungsbereich anvulkanisiert ist. Die beim Anvulkanisieren benötige Prozesswärme kann gleichzeitig zu einer festigkeitssteigernden Wärmebehandlung eingesetzt werden.
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Wie oben bereits erwähnt, eignet sich ein solches Gummi-Metalllager insbesondere für ein Kraftfahrzeug mit einem Fahrwerksbauteil, wobei das Fahrwerksbauteil, beispielsweise ein Radführungslenker, über das Gummi-Metalllager angebunden ist.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:
- 1 ein Gummi-Metalllager nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 2 den Lagerkern des Gummi-Metalllagers aus 1,
- 3 eine Lenkeranbindung über ein Gummi-Metalllager, welches als Rundlager ausgeführt ist, und in
- 4 einen Lenker mit einem als Pratzenlager ausgeführten Gummi-Metalllager.
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Das Ausführungsbeispiel in den 1 und 2 zeigt ein Gummi-Metalllager 1, das als elastokinematisches Lager in einem Fahrwerk eines Kraftfahrzeugs eingesetzt werden kann.
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Dieses Gummi-Metalllager 1 umfasst einen Lagerkern 10, ein Elastomerelement 20 und eine Außenhülse 30. Dabei ist das Elastomerelement 20 zwischen dem Lagerkern 10 und der Außenhülse 30 angeordnet. Letztere kann in ein Bauteil wie beispielsweise einen radführenden Lenker 2 eingepresst sein, wie dies in den 3 und 4 beispielhaft gezeigt ist. Die Außenhülse 30 ist hierzu vorzugsweise zylindrisch ausgebildet.
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Das Elastomerelement 20 besteht beispielsweise aus einem Gummi und kann an die Außenhülse 30 sowie den Lagerkern 10 anvulkanisiert sein. Anstelle von Gummi (Naturkautschuk und seine natürlichen oder synthetischen Derivate sowie Verschnitte hieraus) können auch andere Elastomermaterialien zum Einsatz kommen. Lediglich beispielhaft seien hierzu Elastomere auf Polyurethanbasis genannt.
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Gegenstand der vorliegenden Betrachtung ist jedoch vor allem der Lagerkern 10, welcher aus Gründen einer Gewichtseinsparung aus einer Aluminiumlegierung hergestellt ist. Im Hinblick auf die Abstützung hoher Lagerkräfte sowie eine möglichst einfache Fertigung ist dieser durch Rheocasting hergestellt.
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Beim Rheocasting wird eine Aluminiumlegierung im halbfesten, man könnte auch sagen halbflüssigen Zustand, vergossen und führt im Vergleich zum Aluminiumdruckguß zu einer anderen Gefügestruktur im Bauteil.
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An dem erhaltenen Bauteil sind alle relevanten Schnittstellen bereits gußtechnisch fertiggeformt, d.h. sie bedürfen keiner weiteren mechanischen, insbesondere spanabhebenden Nachbearbeitung.
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Dieses Semi-Solid-Verfahren bietet im Vergleich zu einem Aluminium-Schmiedeverfahren neben einer kostengünstigeren Herstellung überdies Vorteile im Leichtbaupotential, da das Rheocasting-Bauteil weniger massiv als ein Schmiedebauteil ausgeführt werden kann.
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Im Vergleich zu Druckguss-Aluminiumbauteilen wird eine höhere Festigkeit erzielt, welche einen Einsatz als Lagerkern 10 in einem Gummi-Metalllager 1 für ein Kraftfahrzeugfahrwerk überhaupt erst möglich macht.
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Der Lagerkern 10 des Ausführungsbeispiels umfasst einen zentralen Grundkörper 11 mit einem Anbindungsbereich 12 für das diesen radial umgebende Elastomerelement 20, einen ersten Befestigungsabschnitt 13 zur Befestigung des Lagerkerns 10 an einer weiteren Struktur, der axial von dem zentralen Grundkörper 11 absteht, sowie einen zweiten Befestigungsabschnitt 14 zur Befestigung des Lagerkerns 10 an der weiteren Struktur, der axial von dem zentralen Grundkörper absteht. Dabei ist der zentrale Grundkörper 11 axial zwischen dem ersten Befestigungsabschnitt 13 und dem zweiten Befestigungsabschnitt 14 angeordnet.
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Vorzugsweise ragen die beiden Befestigungsabschnitte 13 und 14 axial über die Außenhülse 30 und über das Elastomerelement 20 axial hinaus.
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Sämtliche Abschnitte 11, 13 und 14 sind einstückig miteinander ausgeführt. Der Lagerkern 10 ist somit als ein Bauteil gegossen.
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In Abwandlung hiervon können die einzelnen Abschnitte 11, 13 und 14 jedoch auch zunächst als separate Bauteile hergestellt und dann miteinander verbunden, insbesondere miteinander verschweißt sein. Vorzugsweise sind dabei alle Anbindungsbereiche und Befestigungsabschnitte 12, 13 und 14 bereits gusstechnisch fertiggeformt.
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Das Ausführungsbeispiel zeigt ohne Beschränkung hierauf ein Gummi-Metalllager 1, welches als Pratzenlager ausgeführt ist.
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Die Befestigungsabschnitte 13 und 14 weisen jeweils mindestens eine Befestigungsöffnung 15 bzw. 16 auf, welche zur Längsachse A des Lagerkerns 10 senkrecht ist. Dies gestattet eine Befestigung an einer weiteren Struktur über eine Verschraubung ohne die Notwendigkeit der Bereitstellung eines entsprechenden Lagerbocks, wie dies in 4 gut zu erkennen ist.
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Die Befestigungsabschnitte 13 und 14 können Fall als Flachprofile ausgebildet sein, welche von Stirnenden 17 und 18 des zentralen Grundkörpers 11 abstehen und über Krümmungsbereiche 19a bis d in diese übergehen.
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Bei der in 2 dargestellten Ausführungsvariante weist der erste Befestigungsabschnitt 13 an seinem dem Grundkörper 11 abgewandten Ende einen Fortsatz 13a mit einer zusätzlichen Öffnung 15a auf. Letzter kann beispielsweise als Ausrichtungsöffnung zur späteren Positionierung eines Lenkers 2 an einer Karosserie 3 oder zur Befestigung einer Halterung dienen.
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Über die Gussform kann der Anbindungsbereich 12 des zentralen Grundkörpers 11 auf das an diesen anzuschließende Elastomerelement 20 abgestimmt werden, um gewünschte elastokinematische Eigenschaften am Gummi-Metalllager 1 zu erzielen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Anbindungsbereich 12 für das Elastomerelement 20 eine radiale Einschnürung auf. Insbesondere ist eine rotationssymmetrische Ausgestaltung mit einer mittigen Taillierung möglich. Jedoch kann für den Anbindungsbereich 12 auch eine andere, insbesondere auch nicht-rotationssymmetrische Konturierung gewählt werden.
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Der Lagerkern 10 kann nach seiner gusstechnischen Herstellung einer Wärmebehandlung unterzogen werden, um die Festigkeit zu erhöhen. Bei einem Anvulkanisieren des Elastomerelements 20 an der Anbindungsbereich 12 des kann die für das Anvulkanisieren benötigte Wärme auch zum Zweck der Festigkeitssteigerung eingesetzt werden.
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Durch Lösungsglühen kann einer Blasenbildung im Gefüge begegnet werden.
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Ferner können mechanische Verfahren wie Kugelstrahlen, Festwalzen und andere physikalischchemische Maßnahmen statt oder in Ergänzung zu einer Wärmebehandlung zur Festigkeitssteigerung herangezogen werden.
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Das in den 1 und 2 dargestellte Gummi-Metalllager 1 kann als Rundlager mit Pratzen in einen Lenker 2 eingepresst sein, wie dies in 4 dargestellt ist. Die Anbindung des Gummi-Metalllagers 1 an einer weiteren Struktur erfolgt über die Befestigungsabschnitte 13 und 14 unter Verwendung von Schrauben.
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3 zeigt eine herkömmliche Einbausituation eines radführenden Lenkers 2 an einem Fahrzeugaufbau 3 oder Hilfsrahmen. In diesem Fall weist das Gummi-Metalllager 1 keine Pratzen auf, so dass aufbauseitig vorliegend ein Lagerbock 4 zur Anbindung an der weiteren Struktur benötigt wird. Grundsätzlich kann auch hier der Lagerkern 10 als Rheocasting-Bauteil ausgeführt sein.
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In sämtlichen Fällen kommen dem Lagerkern 10 mehrere Aufgaben zu, nämlich die Schaffung einer Haftungsfläche zur Anbindung des Elastomerelements 20, die Eigenschaftseinstellung der Lagerkennung durch die geometrische Konturierung des Anbindungsbereichs 12, die Aufnahme von Kräften und Momenten durch den Fahrbetrieb sowie die Verbindung zwischen Fahrwerk und Fahrzeugaufbau 3.
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Ferner kann eine Anbindung zum Fahrzeugaufbau 3 ohne Lagerbock 4 realisiert werden, wie dies in 4 gut zu erkennen ist.
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Schließlich besteht die Möglichkeit der Schaffung von Ausrichtungsmerkmalen oder Aufnahmepunkten für weiter Anbauteile wie z.B. Halterungen durch entsprechende Ausgestaltung der Befestigungsabschnitte 13 und 14.
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Die vorliegende Ausgestaltung ermöglicht ein kostengünstigeres, jedoch erhöhten Festigkeitsansprüchen genügendes Gummi-Metalllager insbesondere für den Fahrwerksbereich durch einen mittels eines durch Rheocasting hergestellten Lagerkerns 10. Funktions- und Anbindungsstrukturen des Lagerkerns 10 werden bereits bei dessen Herstellung endabmessungsgenau erzeugt, ohne dass an diesem mechanische Nacharbeiten nötig wären, was eine sehr kosteneffiziente Herstellung ermöglicht.
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All dies führt im Vergleich zu Stahlbauteilen zu einer signifikanten Gewichtsreduktion bei gleicher Belastbarkeit und Lebensdauer und bietet ein erhebliches Leichtbaupotential zur Verbesserung der CO2-Bilanz und des Energieverbrauchs eines Kraftfahrzeugs im Betrieb.
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Die Erfindung wurde vorstehend anhand verschiedener Ausführungsbeispiele und -varianten näher erläutert. Diese dienen dazu, die Ausführbarkeit der Erfindung zu belegen. Technische Einzelmerkmale, welche oben im Kontext weiterer Einzelmerkmale erläutert wurden, können auch unabhängig von diesen sowie in Kombination mit weiteren Einzelmerkmalen verwirklicht werden, selbst wenn dies nicht ausdrücklich beschrieben ist, solange dies technisch möglich ist. Die Erfindung ist daher ausdrücklich nicht auf die konkret beschriebenen Ausführungsbeispiele, -varianten und Abwandlungen beschränkt, sondern umfasst alle durch die Patentansprüche definierten Ausgestaltungen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gummi-Metalllager
- 2
- Lenker
- 3
- Fahrzeugaufbau
- 4
- Lagerbock
- 10
- Lagerkern
- 11
- zentraler Grundkörper
- 12
- Anbindungsbereich
- 12a
- Einschnürung
- 13
- erster Befestigungsabschnitt
- 13a
- Fortsatz
- 14
- zweiter Befestigungsabschnitt
- 15
- Befestigungsöffnung
- 15a
- Öffnung
- 16
- Befestigungsöffnung
- 17
- Stirnende
- 18
- Stirnende
- 19a bis d
- Krümmungsbereich
- 20
- Elastomerelement
- 30
- Außenhülse
- A
- Längsachse des Lagerkerns
