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Die
Erfindung betrifft einen Querträger
der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.
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Fahrzeugkörper von
Personenkraftwagen und Nutzkraftwagen weisen meist als Ersatz für früher auskragend
angebrachte „Stoßstangen” am in Fahrtrichtung
vorderen und hinteren Ende je einen an Längsträgern des Fahrzeugkörpers befestigten Querträger auf,
der heutzutage meist hinter Fahrzeugkörper-Verkleidung verborgen
ist. Unter anderem aus Gewichtsgründen und zur besseren Anpassung
des Verformungsverhaltens an unterschiedliche Aufprallrichtungen
und Aufprallkräfte
ist es bekannt, zumindest den Querträger am Heckende einstückig oder
mittig geteilt aus Faserverbundkunststoff auszubilden. Querträger aus
Faserverbundkunststoff werden bei erhöhter Temperatur in Formen pressgeformt und
enthalten in einer Kunststoffmatrix eingebettete Endlos- und/oder
Wirrfasern, beispielsweise Glasfasern. Es wird häufig mit sogenannten Prepregs
gearbeitet, d. h. mit mit Kunststoff imprägnierten Gewebematten, die
mit wählbaren
relativen Faserorientierungen übereinander
gelegt und verpresst werden, bis sich ein inniger Verbund ergibt.
Dabei ist es üblich, auch
verformungsoptimierte Strukturen wie Sicken oder dgl. und variierenden
Wandstärken
und/oder Faserkonzentrationen bereits beim Pressen zu formen.
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Bei
einem aus der Praxis (1) bekannten Querträger sind
an beiden Enden des Verbindungsprofils jeweils zwei Crashboxen in
Verlaufsrichtung des Verbindungsprofils nebeneinanderliegend angebracht,
deren offene Seiten zur Aufprallseite weisen, und deren Hohlraumböden an der
Befestigungsseite des Querträgers
liegen und in eine Befestigungsplatte eingegliedert sind, deren
Randbereiche über
die Crashbox-Struktur nach außen
vorstehen. In den Randbereichen sind beispielsweise als Bohrungen ausgebildete
Anschlüsse
zum Befestigen des Querträgers
an Enden von Längsträgern im
Fahrzeugkörper
geformt. Bei dem bekannten Querträger, z. B. für ein Heckende
eines Fahrzeugkörpers,
ist es nachteilig, dass die beiden Crashboxen zu einem wenig befriedigenden
Crashverhalten führen,
u. a. weil aufgenommene Aufprallenergie über den Verformungshub ungleichmäßig aufgezehrt
wird. Die Anschlüsse
reißen
relativ leicht ein und lassen dann die Crashboxen nicht mehr ordnungsgemäß zur Wirkung
kommen. Denn Kraftkomponenten der Aufprallkraft werden selbst bei
dicker Wandstärke
der Befestigungsplatte über
wenige relativ kurze und direkte Kraftübertragungswege zu den Anschlüssen übertragung,
weil die Anschlüsse
so exponiert platziert sind, dass dabei nur ein Bruchteil des Faserverbundkunststoffes
und der Fasern energieaufzehrend zur Wirkung kommt, und lokale Spannungskonzentrationen
entstehen. Aus dem Zusammenspiel zwischen den nur zwei Crashboxen
und den exponiert platzierten Anschlüssen resultiert ein nicht zufriedenstellendes
Crashmanagement, das es bisher nicht ermöglicht, bei den bekannten Verbundkunststoff-Querträgern die
versicherungstechnisch (z. B. im Hinblick auf ein reparaturfreundliches
Schadensbild und die Aufrechterhaltung von Funktionen bestimmter
Fahrzeugausstattungen) bedingten Anforderungen zufriedenstellend zu
erfüllen,
z. B. für
einen Aufprall mit bis zu 16 km/h.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Querträger der
eingangs genannten Art zu schaffen, der ein gezieltes Crashmanagement
ermöglicht und
die versicherungstechnischen Anforderungen bis zu vorgeschriebenen
Aufprallkräften
und unter verschiedenen Aufprallrichtungen erfüllt.
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Die
gestellte Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Die
mindestens drei, direkt nebeneinanderliegenden, aneinander anschließenden Crashboxen resultieren
in einem weitestgehend optimalen Crashmanagement, weil sie in Kombination
die Aufprallenergie unter Verformung so aufzehren, dass eine Kurve
der Aufprallkraft über
dem Verformungshub nahezu ein idealisiertes Rechteck bildet, d.
h. über
den Verformungshub ein Maximum beträgt und kaum variiert. Dieses
optimale Crashmanagement ergibt sich flankierend auch dadurch, dass
die bewusst in Hohlraumböden
platzierten Anschlüsse
nicht ausreißen, da
sie in den Hohlraumböden
an allen Seiten von Endlos- und/oder
Wirrfasern des Faserverbundkunststoffes umschlossen sind, sodass
aus der Aufprallkraft resultierende Kraftkomponenten durch die Crashboxen
und in den Hohlraumböden
einer unbegrenzten Anzahl an direkten und indirekten Kraftwegen
bis zum jeweiligen Anschluss folgen und relativ gleichmäßig im Faserverbundkunststoff
der ganzen Crashbox-Struktur
verteilt werden, bis sie vom Längsträger aufgenommen
werden. Durch die Platzierung der Anschlüsse werden kritische lokale Spannungskonzentrationen
vermieden. Da die Anschlüsse
bis zum Aufzehren der Aufprallenergie tragfähig bleiben, kommt das optimale
Crashverhalten der mindestens drei Crashboxen optimal zum Tragen.
Beispielsweise wird selbst eine Aufprallkraft bei einem in Fahrzeugkörperlängsrichtung
gerichteten oder ein seitlich orientierten Aufprall von etwa 110
kN über
einen Verformungshub von 85 mm so wirksam aufgezehrt, dass die versicherungsrechtlichen
Anforderungen problemlos erfüllbar
sind, d. h., nach einem Aufprall die vorgeschriebene Reparaturfreundlichkeit gewährleistet
wird und die Funktion bestimmter Fahrzeugausstattungen wie Warnblinker
oder dgl. aufrechterhalten bleibt.
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Bei
einer Ausführungsform
sind alle Crashboxen in der Crashbox-Struktur an der der Befestigungsseite
des Querträgers
abgewandten Aufprallseite offen, während sie an der Befestigungsseite durch
Hohlraumböden
verschlossen sind. In dieser Ausführungsform werden, vorzugsweise,
Anschlüsse nur
in Hohlraumböden
außenliegender
Crashboxen vorgesehen. Dies schließt nicht aus, auch im Hohlraumboden
der mittleren Crashbox wenigstens einen Anschluss zu platzieren.
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Bei
einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform
ist die mittlere Crashbox gegenüber
den außenliegenden
Crashboxen umgekehrt angeordnet, derart, dass die offene Seite der
mittleren Crashbox an der Befestigungsseite liegt, und ihr Hohlraumboden
zur Aufprallseite zeigt, während
die offenen Seiten der außenliegenden
Crashboxen an der Aufprallseite und ihre Hohlraumböden an der
Befestigungsseite liegen, wo auch Anschlüsse in diesen Hohlraumböden platziert
sind. Es ergibt sich so bei beispielsweise drei Crashboxen in der
Crashbox-Struktur dank der abwechselnden Anordnung der Crashboxen
eine weitere Optimierung des Crashverhaltens der Crashbox-Struktur.
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Das
Crashverhalten der Crashbox-Struktur lässt sich noch weiter verbessern,
wenn der Hohlraum zumindest einer neben der mittleren Crashbox liegenden
Crashbox durch wenigstens eine lastabtragende Trennwand in Hohlraumteile
unterteilt ist. Vorzugsweise ist die Trennwand zumindest annähernd in
Verlaufsrichtung des Verbindungsprofils orientiert, sodass die Crashbox
in obere und untere Hohlraumteile unterteilt ist. Durch die mindestens
eine Trennwand wird in den außenliegenden
Crashboxen auch eine Art Wabenstruktur geschaffen, die das Crashverhalten
verbessert.
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Zweckmäßig ist
der jeweilige Anschluss im Hohlraumboden jedes Hohlraumteils in
etwa mittig platziert, sodass die Kraftkomponenten aus der Aufprallkraft
von allen Seiten im Wesentlichen gleichlangen Kraftwegen folgen,
was die Gefahr des Ausreißens
des Anschlusses beispielsweise kurz vor dem Ende des Verformungshubes
oder bei in Bezug auf die Fahrzeugkörperlängsrichtung schräg gerichteten Aufprallkräften eliminiert.
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Wiederum
im Hinblick auf die Verteilung der Kraftkomponenten aus der Aufprallkraft
auf möglichst viele
und im Wesentlichen gleichlange Kraftwege ist es zweckmäßig, wenn
die Trennwand jeder außenliegenden
Crashbox über
die Weite des Hohlraums mit dem Hohl raumboden stoffschlüssig verbunden
ist. Die lastabtragende Trennwand kann sich über die gesamte Tiefe des Hohlraums
bis zur offenen Seite erstrecken, oder zumindest ausgehend vom Hohlraumboden über einen
Teil der Hohlraumtiefe.
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Aus
herstellungstechnischen Gründen
und zur Verbesserung des Crashverhaltens bei schrägen Aufprallkräften ist
es zweckmäßig, wenn
der Querschnitt des Hohlraums jeder Crashbox in Richtung von der
offenen Seite zum Hohlraumboden allmählich abnimmt. Diese konische
Gestalt jeder Crashbox erhöht
auch bei schrägen
Aufprallkräften
die Steifigkeit.
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Das
Verformungsverhalten lässt
sich weiter dadurch belastungsorientiert optimieren, wenn zumindest
in sich gegenüberliegenden
Hohlraum-Seitenwänden
zumindest einer Crashbox, vorzugsweise aller Crashboxen, wenigstens
jeweils eine von der offenen Seite zum Hohlraumboden verlaufende
Sicke vorgesehen ist.
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Um
die Trennwand in Verlaufsrichtung des Verbindungsprofils beulfester
zu gestalten, ohne in ihr eine übertriebene
Wandstärke
oder Strukturierungen vorsehen zu müssen, ist es zweckmäßig, wenn die
Trennwand in etwa zwischen zueinander weisenden Kämmen von
Sicken in den Seitenwänden
angeordnet ist, wobei diese Sicken von den sich gegenüberliegenden
Seitenwänden
ins Innere der außenliegenden
Crashboxen vortreten.
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Um
auch das Verbindungsprofil belastungsorientiert zu gestalten und
hohe Steifigkeit zu erzielen, ist es zweckmäßig, wenn das Verbindungsprofil
allgemein U-förmigen
Querschnitt besitzt, wobei ein zur Aufprallseite weisender U-Grund
des Querschnitts wellenförmig
gestaltet sein kann. Der Übergangsbereich
vom Verbindungsprofil in die Crashbox-Struktur kann belastungsorientiert
optimiert sein, wenn das Verbindungsprofil am die Crashbox-Struktur tragenden
Ende als eine Seitenwand der innersten der Crashboxen quer zur Verlaufsrichtung
abgebogen ist.
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Um
auch z. B. bei einem Eckaufprall ein optimales Verformungsverhalten
zu erzielen und die dabei entstehenden Kraftkomponenten möglichst gleichmäßig verteilt
zu den Anschlüssen
zu leiten, ist bei einer zweckmäßigen Ausführungsform
die dem Verbindungsprofil abgewandte Seitenwand der äußersten
Crashbox mit einer Eckaufprall-Verstärkung kombiniert. Diese Eckaufprall-Verstärkung kann,
vorzugsweise, mit einer gegenüber
den Seitenwänden der
anderen Crashboxen größeren Wandstärke und/oder
stärkeren
Verrippungstopologie und/oder stärkerer
Faserkonzentration im Faserverbundkunststoff ausgebildet sein, um
die Aufprallkraft bei einem Eckaufprall auch möglichst weitgehend über alle Crashboxen
der Crashboxen der Crashbox-Struktur abtragen zu können.
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Bei
einer zweckmäßigen Ausführungsform umfasst
jeder Anschluss einen in den Hohlraumboden eingeformten Schraubbolzen,
der vorzugweise zur besseren Kraftübertragung mit Widerlagern
ausgestattet ist, oder eine eingebettete Hutmutter.
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Um
in den Querträger,
z. B. für
ein Heck-Ende des Fahrzeugkörpers,
bereits von vornherein eine Abschleppösen-Anschlussstelle zu integrieren,
ist bei einer zweckmäßigen Ausführungsform
entweder in das Verbindungsprofil oder noch besser in den Übergangsbereich
vom Verbindungsprofil in die innerste Crashbox der Crashbox-Struktur
eine Metallbuchse eingebettet, von der sich ein offener Blind-Schacht
zur Aufprallseite erstreckt. Speziell bei in den Übergangsbereich
integrierter Metallbuchse werden Abschleppkräfte über die Crashbox-Struktur und
die Anschlüsse
gleichmäßig verteilt
in den Längsträger eingeleitet.
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Dabei
kann es zweckmäßig sein,
die Metallbuchse mit wenigstens einem Außenflansch zu versehen und
in der zum Verbindungsprofil weisenden Seitenwand der innersten
Crashbox anzuordnen, und dabei vollumfänglich in den Faserverbundkunststoff
einzubetten. Die Seitenwand der innersten Crashbox kann hierfür mit zumindest
lokal vergrößerter Wandstärke und/oder
höherer
Faserkonzentration ausgebildet sein.
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Um
sicherzustellen, dass das Verbindungsprofil bei einem Aufprall hauptsächlich auf
das Verbindungsprofil nicht abreißt, ist bei einer weiteren Ausführungsform
das Verbindungsprofil mit im Wesentlichen in Verlaufsrichtung eingebetteten
zugfesten Armierungen versehen. Dies können beispielsweise reifencordartige
Stahlarmierungen, Stahldrähte
oder andere hochfeste Fasern oder Fäden sein.
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Anhand
der Zeichnungen wird ein Querträger
des Standes der Technik und werden Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes
erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
Perspektivansicht eines Querträgers
aus Faserverbundkunststoff gemäß des Standes
der Technik,
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2 eine
Perspektivansicht eines erfindungsgemäßen Querträgers aus Faserverbundkunststoff,
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3 das
linke Ende des Querträgers
von 2 in größerem Maßstab,
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4 eine
Teilschnittansicht zu 3, dort in der Schnittebene
IV, und
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5 eine
Teilschnittansicht des rechten Endes des Querträgers von 2 in
vergrößertem Maßstab.
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Der
in 1 gezeigte Querträger Q gemäß dem Stand der Technik ist
beispielsweise zur Montage an Längsträgern 9 eines
Fahrzeugkörpers,
und dort am Heck-Ende, bestimmt. Der Querträger Q besteht aus Faserverbundkunststoff
und weist ein im Querschnitt allgemein U-förmiges
oder kastenträgerartiges
Verbindungsprofil 1 mit Crashbox-Strukturen 2 an
beiden Enden auf. Jede Crashbox-Struktur 2 hat zwei direkt
nebeneinanderliegende Crashboxen 3, 4, wobei die
jeweils außenliegende
Crashbox 3 mit einer Eckverstärkung 5 kombiniert
ist. Die Crashboxen 3, 4 sind annähernd trichterförmig oder
trogförmig,
d. h. ihr Querschnitt verjüngt
sich von einer offenen Seite 6 in Richtung zu einem Hohlraumboden
(nicht gezeigt), der in eine Befestigungsplatte 7 zur Anbringung
an einem Längsträger 9 eines
Fahrzeugkörpers (nicht
gezeigt) eingegliedert ist. Die Befestigungsplatte 7 steht
oben und unten über
die Hohlraumboden der Crashboxen 3, 4 vor und
weist im überstehenden
Randbereich, z. B. oben und unten, jeweils zwei Anschlüsse 8 auf.
Die offenen Seiten 6 der Crashboxen 3, 4 liegen
an der Aufprallseite A des Querträgers Q. Die Befestigungsplatte 7 befindet sich
an der Befestigungsseite B. Im Verbindungsprofil 1 kann
eine Abschleppösen-Verankerung 10 vorgesehen
sein.
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Ein
in den 2 bis 5 gezeigter, erfindungsgemäßer Querträger Q, vorzugsweise
einstückig
aus Faserverbundkunststoff K gepresst, weist in den an den beiden
Enden des Verbindungsprofils 1 (ein Verbindungsprofil 1 entweder
mit allgemein U-förmigem
Querschnitt oder eine Art Kastenprofil) integrierten Crashbox-Strukturen 2 jeweils
mindestens drei nebeneinanderliegende, direkt aneinander anschließenden Crashboxen 11, 12, 13 auf.
Der Vorzug wird drei Crashboxen 11, 12, 13 gegeben,
obwohl auch mehr auch drei Crashboxen vorgesehen sein könnten. Jede
Crashbox 11, 12, 13 ist allgemein von
trichterförmiger
oder trogförmiger
Gestalt und verjüngt
sich von der offenen Seite in Richtung zu einem Hohlraumboden (Hohlraumboden 15, 15' in den 3, 4).
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In
der gezeigten Ausführungsform
ist die jeweils mittlere Crashbox 11 der drei in etwa in
Verlaufsrichtung des Verbindungsprofils 1 nebeneinanderliegenden
Crashboxen umgekehrt zu den beiden anderen Crashboxen 12, 13 angeordnet,
derart, dass der Hohlraumboden 15 der mittleren Crashbox 11 zur Aufprallseite
A und deren offenen Seite zur Befestigungsseite B weisen, während die
Hohlraumböden 15' der beiden
außenliegenden
Crashboxen 12, 13 zur Befestigungsseite und ihre
offenen Seiten zur Aufprallseite weisen. In jeder Crashbox-Struktur 2 kann
die außenliegende
Crashbox 13 optional mit einer Eckaufprall-Verstärkung 5 gestaltet
sein, die im Detail später
erläutert
wird.
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3 verdeutlicht
das in 2 linke Ende des Querträgers Q in größerem Maßstab. Das
Verbindungsprofil 1 hier mit allgemein U-förmigen Querschnitt
weist mit dem U-Grund Aufprallseite und ist dort wellenförmig strukturiert,
z. B. mit längsdurchlaufenden,
nach vorne erhabenen Sicken 17. Die beiden außenliegenden
Crashboxen 12, 13 sind jeweils durch wenigstens
eine Trennwand 16 in obere und untere Hohlraumteile unterteilt,
wobei sich die jeweilige Trennwand 16 annähernd parallel
zur Verlaufsrichtung des Verbindungsprofils 1 erstreckt
und mit Seitenwänden 26, 25 der
Crashboxen 13, 12 stoffschlüssig verbunden ist. Die Seitenwand 26 der
innenliegenden Crashbox 12 wird beispielsweise durch das
quer zur Verlaufsrichtung abgebogene Ende des Verbindungsprofils 1 gebildet.
Die Seitenwände 25, 26 aller
Crashboxen 11, 12, 13 weisen bei der
gezeigten Ausführungsform
von der offenen Seite bis zu dem jeweiligen Hohlraumboden 15, 15' verlaufende
Sicken 18 auf, die in den außenliegenden Crashboxen 12, 13 einwärts erhaben
sind, und durch die Trennwände 16 miteinander
verbunden werden. Die jeweilige Trennwand 16 erstreckt
sich beispielsweise zwischen den beiden Kämmen der Sicken 18.
Die Trennwand 16 ist stoffschlüssig mit dem Hohlraumboden 15' (4)
der Crashboxen 12, 13 verbunden und erstreckt
sich bis zur offenen Seite oder zumindest über einen Teil der Hohlraumtiefe.
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Die
mittlere Crashbox 11 weist eine Deckwand 23 und
eine Bodenwand 24 auf, während die außenliegenden
Crashboxen 12, 13 eine Deckwand 23 und
Bodenwände 22 besitzen.
Zumindest die Seitenwand 25 der außenliegenden Crashbox 13 kann weitere,
zum Inneren des Hohlraums dieser Crashbox 13 erhabene,
längsverlaufende
Sicken 19 enthalten, die Teil der Eckaufprall-Verstärkung 5 sind, wobei
zur Erhöhung
zur Steifigkeit der Eckaufprall-Verstärkung 5 Flansche 21 und
dazwischen wenigstens eine Verbindungswand 20 vorgesehen
sein können.
Der Längsträger 9 des
nicht gezeigten Fahrzeugkörpers,
mit dem in 3 die Crashbox-Struktur 2 verbindbar
ist, ist gestrichelt angedeutet.
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4 zeigt
das linke Ende des Querträgers Q,
wobei ein oberer Teil der drei Crashboxen 11, 12, 13 weggeschnitten
ist (Schnittebene IV in 3 angedeutet). In den oder in
einigen Hohlraumboden 15' an
der Befestigungsseite sind in den Crashboxen 12, 13 Anschlüsse 8 zur
Befestigung am Längsträger vorgesehen.
Jeder Anschluss 8 besteht beispielsweise aus einem Schraubbolzen 27,
der mit Widerlagern 28, 29 in etwa mittig in den
Hohlraumboden 15' eingeformt
ist. Alternativ könnte
als Anschluss 8 eine Hutmutter eingebettet sein. Durch die
Trennwände 16 sind
die außenliegenden
Crashboxen 12, 13 horizontal unterteilt, sodass
obere und untere Hohlraumteile entstehen. Jeder Anschluss 8 ist
in einem Hohlraumteil, dort in etwa mittig im Hohlraumboden 15' untergebracht,
sodass z. B. vier Anschlüsse 8 vorliegen.
Die an der Befestigungsseite mit 33 angedeutete, offene
Seite der mittleren Crashbox 11 wird bei montiertem Querträger Q vom
Längsträger 9 oder
einer Endplatte am Längsträger 9 abgedeckt.
Die Trennwände 16 der
außenliegenden
Crashboxen 12, 13 können als Sicke oder Verstärkung auch
quer über
den Hohlraumboden 15 der mittleren Crashbox 11 fortgesetzt
sein.
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Bei
einer alternativen, nicht gezeigten Ausführungsform könnten die
mindestens drei Crashboxen 11, 12, 13 jeder
Crashbox-Struktur 2 auch gleichsinnig angeordnet sein,
d. h., dass dann alle Hohlraumböden 15', 15 zur
Befestigungsseite weisen, während
die offenen Seiten zur Aufprallseite weisen. Anschlüsse 8 können nach
Bedarf in den Hohlraumböden 15, 15' platziert sein.
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5 verdeutlicht
das in 2 rechte Ende des Querträgers Q mit ebenfalls hier drei
Crashboxen 11, 12, 13 in der Crashbox-Struktur 2.
Die eingebetteten Schraubbolzen 17 stehen an der Befestigungsseite
vor. Zur deutlicheren Darstellung der Strukturierung der Crashbox-Struktur 2 ist
ein oberer Teil weggeschnitten, analog zu 4.
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Zweckmäßig ist
in den Querträger
Q in 5 eine Abschleppösen-Verankerung 10 in
die Crashbox-Struktur 2 funktionell integriert (alternativ
könnte die
Abschleppösen-Verankerung 10 auch
nur im Verbindungsprofil 1 untergebracht sein). Und zwar
ist eine Metallhülse 30 mit
mindestens einem Verankerungselement 31, z. B. einem umlaufenden
Flansch, in die Seitenwand 26 der innenliegenden Crashbox 12 eingebettet,
d. h. im Übergangsbereich
vom Verbindungsprofil 1 in die Crashbox-Struktur 2,
derart, dass sie vollumfänglich
vom Faserverbundkunststoff umschlossen ist. Zu der Metallhülse 30 erstreckt
sich ein Blindschacht 14, der an der Aufprallseite offen
ist. Im Bereich der Abschleppösen-Verankerung 10 kann die
Wandstärke
der Seitenwand 26 entsprechend verstärkt sein und/oder die Faserkonzentration
höher gewählt werden,
als in anderen Bereichen.
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5 verdeutlicht
schließlich
gestrichelt Armierungen 32 im Verbindungsprofil 1,
die verhindern, dass bei einem Aufprall vorwiegend nur auf das Verbindungsprofil 1 das
Verbindungsprofil abreißt
oder abgeschert wird. Die Armierungen 32 können beispielsweise
reifencordartige Stahlseile oder andere hochfeste endlose Fasern
oder Fäden
sein, die beim Pressformen des Querträgers Q eingelegt und eingebettet
sind.
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Der
Querträger
Q der 2 bis 5 ist so gestaltet, dass er
in einer Pressform, gegebenenfalls mit beweglichen Kernteilen, einstückig herstellbar
ist, wobei die Pressrichtung beispielsweise in 5 annähernd parallel
zur Achse des Blindschachtes 14 orientiert ist.