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Die Erfindung betrifft ein Dichtungselement für den Einbau in einen bei Leitungssystemen für flüssige oder gasförmige Medien einsetzbaren Kugelhahn, der ein Gehäuse mit wenigstens einer Einlaßöffnung und einer Auslaßöffnung, eine im Gehäuse drehbar angeordnete, über eine Schaltwelle schaltbare und eine Durchlaßöffnung aufweisende Kugel und der Einlaß- und Auslaßöffnung zugeordnet jeweils eine Aufnahme für das Dichtungselement aufweist, wobei das ringförmige, aus flexiblem Material bestehende Dichtungselement eine Rückwand, eine Außenumfangswand, eine Innenumfangswand und eine Innenseite mit einem zur Abstützung und Anlage an der Kugel bestimmten, sphärisch gekrümmten Kalottenabschnitt aufweist. Die Erfindung betrifft desweiteren auch einen Kugelhahn nach dem Oberbegriff von Anspruch 12 mit einem entsprechenden Dichtungselement.
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Kugelhähne finden insbesondere Verwendung als Absperrorgan für flüssige und gasförmige Medien unter Druck und unter Vakuum. Beim Kugelhahn besteht das Verschlußstück aus einer geradlinig durchbohrten, drehbaren Kugel mit einem Kugeldurchlaß mit meist kreisrundem Querschnitt, um möglichst geringe Strömungswiderstände in dem Leitungssystem zu erzeugen. Die Abdichtung an der Kugel kann durch Ringkolben oder aus die Kugeloberfläche schonenden Dichtringen bestehen und zum Antrieb der Kugel ist auf die Schaltwelle ein Bedienungsgriff für einen Handbetrieb od. dgl. aufsteckbar.
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Aus der
DE 297 22 759 U1 ist eine als Kugelhahn ausgebildete Absperreinrichtung bekannt, bei welcher das an der Kugel anliegende Dichtungselement an seiner Innenseite eine Nutaussparung aufweist, die an eine Dichtlippe angrenzt. Der Dichtring weist an seiner der Kugel zugewandten Seite drei radial beabstandete ringförmige Dichtflächen auf, von denen die radial äußere Dichtfläche als im Wesentlichen starre Fläche ausgebildet ist, während die beiden anderen Dichtflächen von flexiblen Dichtlippen gebildet sind. Der Dichtring steht unter der Wirkung einer sich am Gehäuse abstützenden Feder, die ihn mit den Dichtflächen gegen die Kugel spannen, um eine Primärdichtung zu erreichen. Die der Kugel zugewandte Seite des Dichtrings ist ferner mit einer umlaufenden Ausnehmung versehen, in die eine Ringdichtung aus einem weichelastischen Material eingesetzt ist, wobei diese Ringdichtung um ein geringes Maß in Axialrichtung verschieblich in der Ausnehmung gelagert ist und an ihrem vorderen Ende mit der Oberfläche der Kugel in Anlage steht, um eine Sekundärdichtung zu bilden.
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Gattungsgemäße Kugelhähne, die als reine Absperrorgane meiner Rohrleitung eingesetzt werden, sind beispielsweise aus der
DE 196 39 282 A1 ,
DE 197 42 002 C2 oder
DE 41 10 080 C2 bekannt. Die Aufnahmen für das Dichtungselement bestehen bei diesen aus Ringnuten, wobei einer oder beide an gegenüberliegenden Seiten der Kugel angeordnete Dichtringe mittels eines Druckrings und einer Tellerfeder auf die Kugeloberfläche zu vorgespannt sein können, um die Dichtwirkung der Dichtringe zu erhöhen. Der Druckring drückt auf die Rückwand des Dichtrings, während die der Rückwand gegenüberliegende Innenseite des Dichtrings über die gesamte Breite mit einer sphärisch gekrümmten Kugelkalotte ausgebildet ist. Um ein Schalten des Kugelhahns zu ermöglichen, muß die Kugel mit geringem Spiel im Gehäuse sitzen. Die z. B. mittels der Tellerfedern auf die Dichtungselemente ausgeübte Anlagekraft darf ein bestimmtes Maß nicht übersteigen, da ansonsten ein Schalten mit normalem Kraftaufwand unmöglich wird und/oder das Dichtungselement zu schnell verschleißt.
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Aus der
DE 299 16 256 A1 ist ein Kugelhahn als Absperrorgan bekannt, bei welchem die Dichtringe in der Aufnahmenut eines im Querschnitt annähernd U-förmigen Stützrings liegen, wobei die Innenseite des Dichtrings und die freien Schenkel des Stützrings eine sphärisch gekrümmte Oberfläche aufweisen und letztere als Abstreifkanten insbesondere gegenüber abrasivem Medium dienen. Der Stützring wird mittels einer Feder gegen die Kugeloberfläche angedrückt und auch der in einer Aufnahmenut sitzende Dichtring ist mittels eines zwischen seiner Rückwand und dem Aufnahmenutboden eingelegten O-Rings in Richtung der Kugeloberfläche vorgespannt. Zur zusätzlichen Abdichtung zwischen der Kugeloberfläche und dem Gehäuse sind in die oberen und unteren Halbschalen der Kugel Ringnuten eingearbeitet, in denen jeweils ein Lagerring angeordnet ist, auf denen die Kugel gelagert ist. Der bekannte Kugelhahn erfordert daher zusätzliche Bearbeitungsmaßnahmen, wodurch sich die Herstellkosten für einen Kugelhahn erhöhen.
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Neben der Funktion als reines Absperrorgan kann ein Kugelhahn auch als kombiniertes Absperr- und Umschaltorgan z. B. bei Doppel- und Mehrkammerfiltern eingesetzt werden, wie sie beispielsweise aus der
DE 201 05 654 U1 der Anmelderin bekannt sind. Sei derartigen kombinierten Absperr- und Umschaltarmaturen ist der Kugelhahn als einfache oder doppelte 3/2-Wegearmatur mit einer Eintrittsöffnung und zwei Austrittsöffnungen sowie einer Kugel mit rechtwinkligem Durchlaßkanal ausgebildet, um wahlweise eine Zuströmung des Mediums zu einer von zwei an gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses angeschlossenen Filtern zu ermöglichen. Da auch die Filter sowohl über einen Einlaß als auch über einen Auslaß verfügen, wird der Kugelhahn dann als Doppelarmatur mit zwei übereinanderliegenden Kugeln ausgeführt. Im Rahmen vorliegender Erfindung sollen unter Kugelhähnen für Leitungssysteme nicht nur reine Absperrorgane zwischen zwei Leitungssträngen sondern insbesondere auch entsprechende Absperr- und Umschaltorgane verstanden werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ausgehend von den bekannten Konstruktionen für Dichtungselemente und Kugelhähne die Abdichtung in Kugelhähnen mit vergleichsweise einfachen Maßnahmen zu erhöhen.
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Diese Aufgabe wird durch ein neuartiges Dichtungselement gemäß Anspruch 1 und einen mit einem derartigen Dichtungselement versehenen Kugelhahn gemäß Anspruch 12 gelöst.
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Das erfindungsgemäße Dichtungselement unterscheidet sich von den bekannten Dichtungselementen dadurch, daß die der Kugeloberfläche zugewandte Innenseite mit einer Nutaussparung versehen ist, die eine die Innenumfangswand umfassende, mit einer abweichend vom Kalottenabschnitt gekrümmten Dichtfläche versehene Dichtlippe von dem Kalottenabschnitt absetzt. Erfindungsgemäß sind mithin an der Innenseite sowohl ein Kalottenabschnitt als auch eine Dichtlippe mit entsprechender Dichtfläche vorhanden, wobei durch die Nutaussparung eine flexible Bewegung der Dichtlippe relativ zum Kalottenabschnitt ermöglicht wird. Durch die erfindungsgemäß veränderte Geometrie des Dichtungselementes für einen Kugelhahn entstehen an dessen Innenseite zwei Zonen mit unterschiedlichen Funktionen. Der sphärisch gekrümmte Kalottenabschnitt, dessen Krümmungsradius in bevorzugter Ausführungsform exakt dem sphärischen Krümmungsradius der Kugeloberfläche der Kugel entspricht, dient ausschließlich zur Führung und Abstützung der Kugel im Bereich des Dichtungselementes. Die Dichtfunktion des Dichtungselementes hingegen wird größtenteils bzw. vollständig von der Dichtfläche an der Dichtlippe übernommen, die aufgrund ihrer abweichenden Krümmung und ihrer höheren, über die Nutausparung erzielten Flexibilität mit deutlich größeren Kräften an der Kugeloberfläche anliegen kann, ohne daß hieraus eine nennenswerte Steigerung der erforderlichen Schaltkräfte zum Drehen der Kugel resultiert. Auf eine zusätzliche Anpressung des als Führungsfläche dienenden Kalottenabschnitts an die Kugeloberfläche z. B. durch separate Federelemente kann vorzugsweise verzichtet werden.
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In bevorzugter Ausgestaltung ist die Krümmung der Dichtfläche der Dichtlippe entgegengesetzt zur sphärischen Krümmung des Kalottenabschnitts, wobei vorteilhafterweise über die Krümmung der Dichtfläche eine Linienpressung mit der Oberfläche der Kugel bewirkt wird. Die Dichtfläche kann hierzu insbesondere rund, elliptisch oder parabolisch gekrümmt sein. Insbesondere bevorzugt wird, wenn auch die Rückwand des Dichtungselementes mit einer konzentrisch umlaufenden Einziehung versehen ist, wobei die Einziehung und die Nutaussparung vorzugsweise einen Dichtlippenhals begrenzen, an den sich ein die Dichtlippe, die Dichtfläche und die Innenumfangswand umfassender Dichtlippenkopf anschließt. Durch die Einziehung in der Rückseite und/oder dadurch, daß die Rückseite des Dichtlippenkopfes gegenüber der Rückwand zurückversetzt ausgebildet ist, erhöht sich die Flexibilität des Dichtlippenkopfes, so daß die Dichtlippe und/oder der Dichtlippenkopf um den Dichtlippenhals zwischen der Nutaussparung und der Einziehung kippbar bzw. schwenkbar wird.
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Zweckmäßigerweise ist die Einziehung im wesentlichen V-förmig ausgebildet, wobei weiter vorzugsweise die Einziehung und die Nutaussparung einander entgegengesetzt gegenüberliegen können. Hierbei kann bei einer bevorzugten Ausführungsform die Scheitellinie der Einziehung der Nutaußenwand der Nutaussparung gegenüberliegen. Beim erfindungsgemäßen Dichtungselement kann die erhöhte Preßkraft der Dichtfläche gegenüber der Führungsfläche am Kalottenabschnitt dadurch entstehen, daß sich innerhalb der Nutaussparung ein Druckpotential aufgrund des Drukkunterschiedes zwischen der Einlaß- und Auslaßöffnung aufbaut, der die Dichtfläche in Richtung der Oberfläche der Kugel bewegt bzw. drückt. Für die Erhöhung der durch das Druckpotential bewirkten Dichtwirkung ist besonders vorteilhaft, wenn die Dichtlippe am Übergang der Nutinnenwand zur Dichtfläche spitz ausgebildet ist. Um die Anpreßkraft der Dichtfläche an die Oberfläche der Kugel weiter zu erhöhen und/oder um extremen Dichtheitsanforderungen zu genügen, kann in die Einziehung außerdem auch ein Vorspannungsmittel für die Dichtlippe bzw. den Dichtlippenkopf, insbesondere ein O-Ring, eingelegt werden bzw. einlegbar sein.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird auch mit einem Kugelhahn für flüssige oder gasförmige Medien führende Leitungssysteme gelöst, der der Einlaß- und Auslaßöffnung zugeordnet Aufnahmen aufweist, in die ein ringförmiges und aus flexiblem Material bestehendes Dichtungselement eingelegt ist, wobei die Innenseite zumindest des/der auslaßöffnungsseitigen Dichtungselementes mit einer Nutaussparung versehen ist/sind, die eine die Innenumfangswand umfassende Dichtlippe mit einer abweichend vom Kalottenabschnitt gekrümmten innenseitigen Dichtfläche von dem Kalottenabschnitt absetzt, so daß die Dichtlippe mit der Dichtfläche relativ zum Kalottenabschnitt bewegbar und kippbar ist. In bevorzugter Ausgestaltung sind sämtliche Dichtungselemente entsprechend ausgebildet. Bei der besonders bevorzugten Ausgestaltung eines Kugelhahnes ist die Kugel für eine 3/2-Wegearmatur mit einer rechtwinklig abgewinkelten Kugeldurchlaßöffnung versehen und das Kugelgehäuse weist je Kugel zwei Auslaßöffnungen und eine Einlaßöffnung auf. Für die Verwendung dieses Kugelhahns im Zu-/Ableitungssystem von Filtern sind dann vorzugsweise im Gehäuse zwei Kugeln übereinander angeordnet sind, die über eine Kopplungswelle miteinander gekoppelt sind. Weiter vorzugsweise können die Dichtungselemente in separaten Ringelementen aufgenommen sein.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von in der Zeichnung schematisch dargestellten, bevorzugten Ausführungsbeispielen. In der Zeichnung zeigen:
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1 schematisch einen Ausschnitt eines Vertikalschnitts durch einen Kugelhahn mit erfindungsgemäßen Dichtungselementen;
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2 einen Ausschnitt eines Vertikalschnitts durch ein erfindungsgemäßes Dichtungselement gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel; und
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3 einen Vertikalschnitt durch ein erfindungsgemäßes Dichtungselement gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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Der in 1 insgesamt mit 10 bezeichnete Kugelhahn weist ein Gehäuse 1 mit einer in diesem drehbar gelagerten Kugel 2 als Schaltküken auf, die mit einer Durchlaßöffnung 3 mit kreisrundem Querschnitt versehen ist. In eine Vierkantaussparung 5 an der Oberseite der Kügel 2 greift ein Vierkantzapfen 4 einer Schaltwelle 6 ein, die eine Schaltwellenbohrung 7 im Gehäuse 1 durchgreift und mittels wenigstens eines Dichtrings 8 fluiddicht in der Bohrung 7 gelagert ist. Am Schaltwellenende 9 der Schaltwelle 6 kann beispielsweise ein nicht dargestellter Stellhebel oder eine automatische Stellvorrichtung befestigt werden.
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Im Ausführungsbeispiel nach 1 ist der Kugelhahn 10 für eine 3/2-Wegeumschaltarmatur ausgebildet und die Kugel 2 weist eine im rechten Winkel abgewinkelte Durchlaßöffnung 3 auf, wobei in der gezeigten Schaltstellung die Einlaßbohrung 11 der Kugel 2 aus der Zeichenebene herausragt und die Auslaßbohrung 12 zum in 1 rechten Anschlußflansch 13 für z. B. einen Filter abgewinkelt ist. Am gegenüberliegenden Anschlußflansch 14 des Gehäuses 1 kann ein weiterer Filter angeschlossen werden, der in der gezeigten Schaltstellung gegenüber der nicht dargestellten Einlaßöffnung des Gehäuses 1 abgedichtet abgesperrt ist. Das Gehäuse 1 des Kugelhahns 10 gemäß 1 weist mithin eine erste Auslaßöffnung 15 am Anschlußflansch 13 und eine zweite Auslaßöffnung 16 am Anschlußflansch 14 auf, in die jeweils ein Ringelement 17 mit einem zentralen Austritt 18 bzw. 19 für das Medium und mit jeweils einer Aufnahme 21 für ein insgesamt mit 30 bezeichnetes Dichtungselement eingesetzt ist. Die Ringelemente 17 werden mittels der nicht dargestellten Filterflansche in Position gehalten, wobei die Montageposition der Ringelemente 17 im Gehäuse 1 über Stufen 20 bzw. 23 an den Auslaßöffnungen 15, 16 des Gehäuses 1 festgelegt ist. In die Aufnahmen 21 in den Ringelementen 17 sind jeweils Dichtungselemente 30 eingelegt, deren Aufbau nun zuerst unter Bezugnahme auf 2 erläutert wird.
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Das ringförmige, rotationssymmetrische und nur ausschnittsweise gezeigte Dichtungselement 30 besteht aus flexiblem Material wie z. B. PTFE und weist eine konzentrische Außenumfangswand 31, eine Rückwand 32, eine konzentrische Innenumfangswand 33 sowie eine insgesamt mit Bezugszeichen 34 versehene Innenseite auf. Die Innenumfangswand 33 begrenzt im Montagezustand des Dichtungselementes 30 (1) den Strömungsweg für das Medium. Die Innenseite 34 ist mittels der Nutaussparung 35 in einen Kalottenabschnitt 36 und eine Dichtfläche 37 unterteilt, wobei der Kalottenabschnitt 36 von der Dichtfläche 37 durch die Nutaussparung 35 abgesetzt ist. Der Kalottenabschnitt 36 hat einen sphärischen Krümmungsradius R, welcher dem Krümmungsradius der Kugeloberfläche 2' der mittels der strichpunktierten Linie angedeuteten Kugel 2 entspricht. Der Kalottenabschnitt 36 liegt vergleichsweise großflächig an der Kugeloberfläche 2' an, wobei aufgrund der identischen und großen Krümmungsradien nur eine geringe Flächenpressung zwischen den Kontaktflächen besteht. Die Dichtfläche 37 hingegen ist invers zur Krümmung des Kalottenabschnitts 36 gekrümmt und hat hierbei einen vorzugsweise runden oder parabolischen Krümmungsradius, dessen Krümmungsmittelpunkt links der Rückwand 32 des Dichtungselementes 30 liegt. Die Dichtfläche 37 ist Bestandteil einer Dichtlippe 38, die in einen Dichtlippenkopf 45 integriert ist, der den Innenumfangsrand 33 umfaßt. Die Flexibilität der Dichtlippe 38 bzw. des Dichtlippenkopfes 45 gegenüber dem Basisabschnitt 39 des Dichtungselementes 30 wird mittels einer Einziehung 40 in der Rückwand 32 des Dichtungselementes 30 und durch den Versatz der Rückseite 46 des Dichtlippenkopfes 45 zur Innenseite 34 hin zusätzlich erhöht. Die Nutaussparung 35, die im wesentlichen aus einem konzentrischen Schlitz geringer Tiefe besteht, und die etwa V-förmige Einziehung 40 liegen einander entgegengesetzt gegenüber, so daß die Dichtlippe 38 sich als Bestandteil des Dichtlippenkopfs 45 an einen Dichtlippenhals 41 mit vergleichsweise schmalem Querschnitt anschließt. Die Dichtlippe 38 bzw. der Dichtlippenkopf 45 kann um den Dichtlippenhals 41 insbesondere zur Rückwand 32 hin, jedoch auch in die andere Richtung, kippen. Die Dichtfläche 37 geht spitz in die Nutinnenwand der Nutaussparung 35 über, während die Nutaußenwand 43 stumpf in den Kalottenabschnitt 36 übergeht und etwa auf gleichem Radius wie die konzentrische Scheitellinie 42 der Einziehung 40 liegt.
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Im Betrieb des in 1 gezeigten Kugelhahns 10 baut sich strömungsbedingt und aufgrund des Druckgefälles zwischen der Einlaß- und der Auslaßöffnung innerhalb der Nutaussparung 35 beider Dichtungselemente 30 ein Druckpotential auf, der die Dichtflächen zusätzlich an die Kugeloberfläche 2 der Schaltkugel 2 anpreßt. Hierdurch entsteht in der Schaltstellung nach 1 eine Linienpressung zwischen der Dichtfläche des Dichtungselementes 30 an der (mit der Kugel 2 geschlossenen) Auslaßöffnung 16 und der entsprechenden geschlossenen Seite der Kugel 2, so daß am Austritt 19 kein Medium aus dem Kugelhahn 10 austreten kann. Das Druckgefälle ist besonders hoch, wenn an der geschlossenen Auslaßöffnung 16 Umgebungsdruck z. B. infolge einer Revision des dort anschließbaren Filters anliegt. Ein ähnlicher wenn auch geringerer Druckaufbau stellt sich auch in der Nutaussparung des Dichtungselement 30 am geöffneten Austritt 18 (Auslaßöffnung 15) ein, so daß auch an dieser Hahnseite kein Medium in das Innere des Gehäuses 1 überströmen kann.
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3 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel für ein Dichtungselement 130, welches wiederum eine Rückwand 132, eine Außenumfangswand 131, eine Innenumfangswand 133 und eine Innenseite 134 mit einer den Kalottenabschnitt 136 von der Dichtfläche 137 funktional trennenden Nutaussparung 135 aufweist. In die Einziehung 140 ist zur Erzeugung einer zusätzlichen Vorspannung ein O-Ring 150 eingesetzt und sowohl die Rückwand 132 als auch die Außenumfangswand 131 ist mit einer oder mehreren Druckausgleichsnut/en 143, 144 oder -senkung/en versehen. Mit dem elastischen O-Ring 150 als Vorspannelement kann die Vorspannung der Dichtfläche 137 gegenüber der Kugeloberfläche erhöht werden.
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Wie eingangs dargelegt, handelt es sich bei dem dargestellten Kugelhahn 10 um den oberen Abschnitt einer 3/2-Wege-Doppelarmatur. Das Gehäuse 1 setzt sich daher über den Gehäusefortsatz 1' nach unten zu einer zweiten Kugelaufnahmekammer fort, in der eine weitere, nicht dargestellte Kugel sitzt, die über die Kopplungswelle 22 mit der dargestellten Kugel 2 gekoppelt ist, um bei einem Filter gleichzeitig die Ein- und Auslässe des Filters umschalten bzw. absperren zu können. Insbesondere bei derartigen Doppelarmaturen wirken sich die mit dem erfindungsgemäßen Dichtungselement erreichbaren geringen notwendigen Schaltkräfte besonders vorteilhaft aus. Selbst bei großen Nennweiten der Durchlaßöffnungen in den Kugeln und entsprechend großen Kugeldurchmessern wird noch ein manuelles Schalten bei gleichzeitig überaus hoher Dichtheit der gesamten Armatur gewährleistet, so daß Armaturen, die mit den erfindungsgemäßen Dichtungselementen ausgestattet sind, auch bei Leitungssystemen für Gase wie Erdgas vorteilhaft eingesetzt werden können. Die Erfindung ist jedoch nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt und das erfindungsgemäße Dichtungselement eignet sich gleichermaßen für Kugelhähne in Rohrleitungen, die als reine Absperrorgane dienen und deren Kugel mit einer geraden Durchgangsbohrung versehen ist.
