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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Patentanmeldung bezieht sich auf ein Strukturbauteil
und insbesondere auf ein Strukturbauteil für Kraftfahrzeuge mit verbessertem Crash-Verhalten
gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1.
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Hintergrund
der Erfindung
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Angesichts
der ständig
schärfer
werdenden Konstruktionseinschränkungen
bei Fahrzeugstrukturen und Strukturelementen wird auch die Konstruktion
unterschiedlicher Strukturen zunehmend schwierig, wie etwa von vorderen
und hinteren Seitentraversen sowie von Rohrelementen, wenn das Crash-Verhalten optimiert
werden soll. Die Einschränkungen machen
eine im Hinblick auf ein Einknickversagen ausgelegte Konstruktion
der Strukturen häufig
unmöglich,
die hinsichtlich einer Gewichtsoptimierung normalerweise der optimale
Ansatz ist. Elemente, die beispielsweise eine vorgebogene Form haben,
unterstützen
gewöhnlich
keine Einknickverformung. Im Ergebnis verbleibt als einzige Möglichkeit
das Biegeversagen des Elements. Dies muss jedoch teuer erkauft werden,
da bei einem Biegemodus die Energieabsorption pro Masseneinheit
der Struktur gegenüber
der bei einem Einknickversagen ziemlich ineffektiv ist. Es wurden
mehrere Vorschläge
unterbreitet, um die Energieabsorption bei einem Biegemodus zu steigern.
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Eine
solche Vorrichtung, die so ausgestaltet ist, dass sie die Energieabsorption
bei einem Biegemodus steigert, wurde zuvor durch
US 3.827.712 bekannt, worin ein Strukturrahmen
beschrieben ist, der Aufprallenergie aufnehmen kann und ein Strukturrahmenelement
aus metallischem Werkstoff umfasst, das einen geschlossenen rechteckigen
Querschnitt definiert. Ein Abschnitt eines jeden der Strukturrahmenelemente
ist in der Richtung senkrecht zur Längsrichtung des Rahmens gebogen,
und die energieabsorbierenden Gefüge aus metallischem Werkstoff
mit schüsselförmigen Aufsätzen sind
an denjenigen beiden gegenüberliegenden
inneren Oberflächen
der Rahmenelemente befestigt, die in der Biegerichtung einander
gegenüber
liegen, sodass die schüsselförmigen Aufsätze aneinander
angrenzen. Bei einer Kollision kann die Querschnittsform des Strukturrahmens
aufgrund des Widerstands gegen eine plastische Verformung der schüsselförmigen Aufsätze in ihrem
Anfangszustand aufrechterhalten werden, wobei keine abrupte Abnahme
des Biegemoments eintritt.
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Ein
Nachteil bei der im Stand der Technik bekannten, oben erwähnten Anordnung
liegt darin, dass sie den Biegewiderstand in Längsrichtung des vorgebogenen
Strukturrahmenelements vergrößert, sodass
die Befestigungspunkte zwischen dem vorgebogenen Strukturrahmenelement
und den benachbarten Elementen eine besondere Berücksichtigung sowie
eine Verstärkung
erfordern. Dies führt
normalerweise zu einer unerwünschten
Zunahme des Gesamtgewichts.
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Weiterhin
ist aus
JP 7 10033 A ein
Seitenelement eines Fahrzeugs bekannt, bei dem ein hohler Harzbehälter mit
rundem Querschnitt, der Druckluft enthält, zwischen zwei Trennwänden in
einem würfelartigen
geschlossenen Abschnitt des Elements angeordnet ist. Wenn die Verformungskraft
einen bestimmten Grenzwert übersteigt,
wird der Behälter zerstört, und
das Seitenelement wird in einem blasebalgartigen Verformungsmodus
eingeknickt, um Kollisionsenergie aufzunehmen. Bei einer alternativen Ausführungsform
ist angegeben, dass der Behälter
in seinem Inneren eine oder mehrere Wände aufweisen kann, wodurch
die Steifigkeit des Behälters
gesteigert wird. Weiterhin ist angegeben, dass der Behälter aus
Aluminium gefertigt sein kann.
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Weiterhin
ist aus
EP 1 331 160
A , das gemäß Art. 54(3)
und (4) EPÜ den
Stand der Technik darstellt, eine verstärkende Struktur bekannt, die
bereitgestellt wird, um für
einen Karosserierahmen eine ausreichende Verstärkungswirkung zu erreichen, ohne
das Gewicht eines Fahrzeugs zu erhöhen. Die verstärkende Struktur
umfasst ein Element, dessen Umfangswand eine äußere Platte und eine Verstärkung zum
Erzeugen einer Doppelwandstruktur besitzt, sowie einen Einstellmechanismus,
damit eine Einknickmodus-Wellenform der äußeren Platte in einer gegenüber der
Einknickmodus-Wellenform der Verstärkung im Wesentlichen umgekehrten
Phase entsteht. Der Einstellmechanismus beinhaltet mehrere Rippen,
die an einer obersten Wand der Verstärkung ausgebildet sind. Infolge
der Verformung der äußeren Platte
in einer gegenüber
der Verformung der Verstärkung
im Wesentlichen umgekehrten Phase steigert die Verformung in umgekehrter
Phase (Gegenphase) die Kontaktkraft (Widerstandskraft) im Vergleich
zu einer Struktur, bei der die Elemente in synchroner Phase verformt
werden. Sowohl die inneren als auch die äußeren Wandelemente gelangen bei
den jeweiligen Spitzenwerten der Wellenform miteinander in intensiven
Kontakt, sodass es möglich
ist, den Energieverbrauch während
der Verformung zu steigern.
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Der
oben in Bezug auf
US 3.827.712 festgestellte
Nachteil trifft auch für
die Lösungen
gemäß
JP 7 10033 A und
EP 1 331 160 A zu,
die beide im Wesentlichen zur Längssteifigkeit
beitragen.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Eine
Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Strukturbauteil und
insbesondere ein verbessertes Strukturbauteil für Kraftfahrzeuge zu schaffen,
wobei für
eine gesteigerte Energieabsorption während des Biegeversagens des
Elements gesorgt wird und die im Zusammenhang mit dem Stand der
Technik beschriebenen Probleme behandelt werden.
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Diese
Aufgabe wird gemäß dem kennzeichnenden
Teil von Anspruch 1 gelöst.
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Dank
der Bereitstellung von Mitteln zum Hervorrufen von örtlichem
Einknicken an mehreren Stellen entlang einer Begrenzungswand eines
Strukturbauteils, das während
des Biegens negativen (Stoß-)Beanspruchungen
unterliegt, wobei die Mittel nicht wesentlich zur Längssteifigkeit
des Strukturbauteils beitragen, kann die Energieabsorption während des
Biegeversagens des Strukturbauteils gesteigert werden, während gleichzeitig
das Spitzenniveau der Kraft im Wesentlichen aufrechterhalten werden
kann, sodass die Befestigungspunkte zwischen dem Strukturbauteil
und den angrenzenden Elementen keine besondere Berücksichtigung
und Verstärkung
erfordern. Dadurch wird die Energieabsorption ohne eine deutliche
Gewichtserhöhung
gesteigert.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
sind in den abhängigen
Ansprüchen
angegeben.
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Beschreibung
der Zeichnung
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Im
Folgenden wird die Erfindung ausführlicher mit Bezug auf die
beigefügte
Zeichnung beschrieben, in der:
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1 eine
vereinfachte Seitenansicht eines Strukturbauteils in Form eines
länglichen
hohlen metallischen Blechträgers
ist, das die Erfindung nicht integriert,
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2 eine
schematische Veranschaulichung der typischen Kraftkennlinie in Abhängigkeit von
der Verschiebung für
den in 1 veranschaulichten Fall ist;
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3 eine
vereinfachte Seitenansicht eines Strukturbauteils in Form eines
länglichen
hohlen metallischen Blechträgers
ist, das die Erfindung integriert;
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4 eine
schematische Veranschaulichung der typischen Kraftkennlinie in Abhängigkeit von
der Verschiebung für
den in 3 veranschaulichten Fall ist;
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5 ein
Strukturbauteil ist; das ein Verformungssteuerungselement gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst.
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Weitere
Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden durch die
nachfolgende ausführliche
Beschreibung offenbar, die in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung
zu lesen ist. Jedoch ist es selbstverständlich, dass die Zeichnung ausschließlich zum
Zweck der Veranschaulichung und nicht zur Definition der Einschränkungen
der Erfindung bestimmt ist, für
die auf die beigefügten
Ansprüche
verwiesen wird. Weiterhin ist es selbstverständlich, dass die Zeichnung
nicht unbedingt maßstäblich angelegt
ist, sondern dass sie, sofern nicht anders angegeben, lediglich
dazu bestimmt ist, die hierin beschriebenen Strukturen und Verfahren
begrifflich zu veranschaulichen.
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Beschreibung
von Ausführungsformen
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In 1 ist
eine vereinfachte Seitenansicht eines Strukturbauteils in Form eines
länglichen
hohlen metallischen Blechträgers 1 gezeigt,
das die Erfindung nicht integriert. Durchgezogene Linien veranschaulichen
den Träger 1,
bevor er einem Biegeversagensmodus unterliegt, und die gestrichelten
Linien veranschaulichen den Träger 1,
während
er einem Biegeversagensmodus unterliegt.
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2 zeigt
die typische Kraftkennlinie in Abhängigkeit von der Verschiebung
D für den
in 1 veranschaulichten Fall. Während des anfänglichen Aufbaus
der Kraft steigt diese mit dem Fortschreiten der Verschiebung linear
stark an. Der Spitzenwert F' der
Kraft ist im Grunde ein geometrischer Faktor, in den die Biegesteifigkeit
des Querschnitts, die Länge des
Trägers 1 und
der Elastizitätsmodul
des Werkstoffs eingehen.
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Sobald
der Spitzenwert F' der
Kraft erreicht ist, wird ein globaler Biege-Einknick-Modus entwickelt,
der in diesem Fall dem zweiten Euler'schen Fall entspricht. Die Kraft F sinkt
dann stark ab, da sich an der Seite des Trägers 1, die negativen
(Stoß-)Beanspruchungen
unterliegt, örtliches
Einknicken entwickelt.
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Das
mit dem Auftreten von Biegemomenten im Träger 1 verknüpfte örtliche
Einknicken führt
zu einem Querschnittsverlust im Träger 1, kombiniert
mit einer Zunahme der Beanspruchungsniveaus aufgrund der Biegemomente.
Die Gesamtwirkung besteht in einem bei zunehmender Verschiebung
D sehr schnellen Verlust der Kraftaufnahmefähigkeit.
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Die
Kraft F sinkt schließlich
auf ein Restniveau, wobei in dieses Restniveau vor Allem die Zugspannung
des Werkstoffs sowie die Länge
und die Breite des Trägers 1,
kombiniert mit der Werkstoffdicke, eingehen.
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3 veranschaulicht
ein Strukturbauteil in Form eines länglichen hohlen metallischen
Blechträgers 1 gemäß 1,
das ein (nicht gezeigtes) Verformungssteuerungselement gemäß der Erfindung
beinhaltet. Durchgezogene Linien veranschaulichen den Träger 1,
bevor er einem Biegeversagensmodus unterliegt, und die gestrichelten
Linien veranschaulichen den Träger 1,
während
er einem Biegeversagensmodus unterliegt.
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Wie
in 3 veranschaulicht, führt die Anordnung gemäß der Erfindung
zum Einknicken des Trägers 1 an
mehreren Stellen anstatt an nur einer. Das Ergebnis ist eine während des
Einknickens höhere
Energieabsorption.
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Die
Verformung gemäß 3 wird
dadurch erzielt, dass innerhalb des Trägers 1 ein Verformungssteuerungselement
vorgesehen ist, das Mittel aufweist, um trotz des Beginns des örtlichen
Einknickens dessen Querschnitt bis zu einem bestimmten Ausmaß aufrechtzuerhalten.
Hierdurch wird das Kraftniveau beibehalten, nachdem das Einknicken begonnen
hat. Das Verformungssteuerungselement weist ferner Mittel auf, die
bewirken, dass der Träger 1 an
mehreren Stellen örtliches
Einknicken entwickelt, wodurch die Energieabsorption der Konstruktion
optimiert wird.
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Da
das Verformungssteuerungselement auf eine solche Weise konstruiert
ist, dass es nicht wesentlich zur Längssteifigkeit des Trägers 1 beiträgt, kann
ein Spitzenniveau der Kraft erzielt werden. Dadurch kann die Notwendigkeit
besonderer Berücksichtigungen
und Verstärkungen
der Befestigungspunkte zwischen dem Träger und irgendwelchen angrenzenden
Strukturen aufgehoben werden.
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Das
Verformungssteuerungselement kann auch so konstruiert sein, dass
es während
der Endphasen des Biegeversagens in geringem Ausmaß verformt
wird, was ebenfalls in geringem Ausmaß zur Energieabsorption der
Konstruktion beiträgt.
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In 4 ist
für den
in 3 dargestellten Fall die typische Kraftkennlinie
in Abhängigkeit
von der Verschiebung veranschaulicht.
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Während des
anfänglichen
Aufbaus der Kraft steigt diese, im Wesentlichen gemäß 2,
mit dem Fortschreiten der Verschiebung linear stark. an. Wie bei
dem Träger
von 1 ist der Spitzenwert F' der Kraft im Grunde ein geometrischer
Faktor, in den die Biegesteifigkeit des Querschnitts, die Länge des
Trägers 1 und
der Elastizitätsmodul
des Werkstoffs eingehen.
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Sobald
der Spitzenwert F' der
Kraft erreicht ist, werden mehrere Biege-Einknick-Moden entwickelt. Das Kraft
F sinkt dann im Vergleich zu 2 (in 4 mit
gestrichelter Linie ebenfalls gezeigt) weniger stark ab; das liegt
am verteilten Einknicken, das sich an der Seite des Trägers 1 entwickelt,
die negativen (Stoß-)Beanspruchungen
unterliegt.
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Das
mit der Gegenwart von Mitteln im Träger 1 zum Aufrechterhalten
des Querschnitts verknüpfte verteilte
Einknicken führt
zu einem verzögerten
Querschnittsverlust im Träger 1.
Dies hat bei zunehmender Verschiebung D einen langsameren Verlust
der Kraftaufnahmefähigkeit
zur Folge.
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Die
Kraft F sinkt schließlich
auf ein Restniveau, wobei dieses Restniveau höher als das des Trägers 1 gemäß 1 ist.
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In 5 ist
eine mögliche
Konstruktion eines Strukturbauteils 1 veranschaulicht,
das ein Verformungssteuerungselement 2 gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst. Das Verformungssteuerungselement 2 ist
in einem Schnitt durch die Seitenansicht des hohlen metallischen
Blechträgers 1 von 3 veranschaulicht.
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Der
Träger 1 hat
einen Abschnitt, der biegbar ist, wenn in seiner Längsrichtung
eine Kollisionslast angelegt wird. Ein anfänglich geschlossener Querschnitt
des Trägers 1 ist
im Wesentlichen orthogonal zur Längsrichtung
des Trägers 1.
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Innerhalb
des hohlen metallischen Blechträgers 1 ist
das Verformungssteuerungselement 2 angebracht, das Mittel 2a bereitstellt,
die so ausgestaltet sind, dass sie während der Anfangsphasen des Biegens
den Anfangsquerschnitt des biegbaren Abschnitts im Wesentlichen
aufrechterhalten. Diese Mittel 2a sind hier als Teil des
sich der Länge
nach erstreckenden Verformungssteuerungselements 2 gezeigt
und sind als mehrere der Länge
nach beabstandete Blechelemente 2a ausgeführt, die
innerhalb des Trägers 1 im
Wesentlichen orthogonal zu dessen Längsrichtung angeordnet sind
und dessen anfänglich
geschlossenen Querschnitt im Wesentlichen ausfüllen. Diese Blechelemente 2a sind
so konstruiert, dass sie während
des anfänglichen
Einknickens den Querschnitt des Trägers 1 aufrechterhalten.
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Die
Blechelemente 2a sind durch sich im Wesentlichen der Länge nach
erstreckende Abstandsstücke 2b mit
niedriger Biegesteifigkeit beabstandet und auch Teil des Verformungssteuerungselements 2.
Jedes der Abstandsstücke 2b verbindet entlang
einer inneren Begrenzungswand des Trägers 1 zwei der Blechelemente 2a miteinander.
Die Abstandsstücke 2b sind
entlang gegenüberliegenden inneren
Begrenzungswänden
des Trägers 1 abwechselnd
angeordnet, um jeglichen Beitrag zu dessen Biegesteifigkeit zu minimieren.
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Das
Verformungssteuerungselement 2 stellt weiterhin Mittel 3 bereit,
die so ausgestaltet sind, dass sie während der Anfangsphasen des
Biegens örtliches
Einknicken an mehreren verteilten Stellen entlang einer Begrenzungswand
des Trägers
hervorrufen, die so ausgestaltet ist, dass sie beim Biegen negativen
(Stoß-)Beanspruchungen
unterliegt. Dieses während
des Biegeversagens auftretende örtliche
Einknicken an mehreren verteilten Stellen ist in 5 durch
gestrichelte Linien veranschaulicht.
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Die
Mittel 3 zum Hervorrufen örtlichen Einknickens umfassen
der Länge
nach beabstandete Verbindungen 3 zwischen dem sich der
Länge nach erstreckenden
Verformungssteuerungselement 2 und der Begrenzungswand
des Trägers 1,
wobei diese Wand so ausgestaltet ist, dass sie beim Biegen einen
inneren Krümmungsradius
des Abschnitts erzeugt, der negativen Stoßbeanspruchungen unterliegt.
Das Verformungssteuerungselement 2 ist mit dem Träger 1 an
Stellen verbunden, an denen die Biegesteifigkeit des Verformungssteuerungselements 2 niedrig
ist, wobei sie hier als Abschnitte der Abstandsstücke 2b veranschaulicht
sind, die aus den Blechelementen 2a etwas herausragen,
wodurch der Beitrag zur Steifigkeit des Trägers 1 bei einem Minimum
gehalten wird. Diese Verbindungen 3 können auch zwischen wenigstens
zwei der Blechelemente 2a und der Begrenzungswand des Trägers 1 angeordnet
sein. Alternativ können
diese Verbindungen 3 zwischen wenigstens zwei der Abstandsstücke 2b und
der Begrenzungswand des Trägers 1 angeordnet
sein.
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Die
Verbindungen 3 sind außerdem
nur an derjenigen Seite des Verformungssteuerungselements 2 angeordnet,
die der Seite des Trägers 1 gegenüberliegt,
die zum Bereitstellen des inneren Krümmungsradius während des
Biegeversagens vorgesehen ist, d. h. an der Seite des Trägers, die während des
Biegens negativen (Stoß-)Beanspruchungen
unterliegt. Diese Verbindungen 3 können auf irgendeine geeignete
Weise realisiert sein, z. B. durch Schweißen, Kleben oder irgendein
anderes, dem Fachmann auf dem Gebiet bekanntes geeignetes Verbindungsverfahren.
Falls sowohl der Träger 1 als
auch das Verformungssteuerungselement 2 Stahlblechstrukturen
sind, ist Schweißen
normalerweise das bevorzugte Verbindungsverfahren.
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Das
Verformungssteuerungselement 2 muss auf der gesamten Strecke
durchgehend vorhanden sein, für
die der Biegeradius konstruktiv vorgesehen ist, damit es die erwünschte Wirkung
hat, dass während
des Biegens mehrere verteilte Biege-Einknick-Moden auftreten.
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Die
Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen
beschränkt;
jedoch kann sie innerhalb des Umfangs der folgenden Ansprüche variiert
werden.
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Obwohl
wesentliche neue Merkmale der Erfindung so gezeigt, beschrieben
und erläutert
wurden, wie sie auf eine bevorzugte Ausführungsform angewandt werden,
ist es daher selbstverständlich, dass
vom Fachmann auf dem Gebiet verschiedene Weglassungen und Ersetzungen
und Veränderungen in
der Form und den Details sowie des Betriebs der veranschaulichten
Vorrichtungen vorgenommen werden können, ohne dass vom Umfang
der hier beigefügten
Ansprüche
abgewichen wird.