DE2044905A1 - Stoßabsorbierende Lenksäule fur Motorfahrzeuge - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE Dr. D. Thomsen Dipi.-mg. H.Tiedtke Dipl.-Chem. Q. BÜHÜng Dipl.-Ing. R. ΚΙΠΠΘ

MÜNCHEN

TAU 33

TEL· M!1/2»«M »90SI

CABLES: ΤΗΟΡΑΤΕΜΤ TEUX: FOLOT

W. Weinkauff

FRANKFURT (MAIN) I FUCHSHOHL 71 TEL. «11/(14···

Antwort wtetan nach ι PI·»·· r«pty toi

Nissan Motor -Company,Limited Yokohama City, Japan

Stoßabsorbierende Lenksäule : für Motorfahrzeuge

Die Erfindung bezieht sieh auf ein Lenksystem eine· Motorfahrzeuges und insbesondere auf eine Lenksäule/ die einen mechanischen StoA dampfen kann, der auf sie ausgeübt wird, wenn das Motorfahrieug beim Fahren eine Kollision erleidet.

Bei einer Kollision eines Motorfahrzeuges empfangt der Fahrer einen plötzlichen heftigen »eohanisohen StoA von des Fehr*«ugkörper Ober die Lenkelule· Ein derartiger auf den

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Fahrer übertragener mechanischer Stoß kann minimal gemacht werden, wenn die Steuersäule von jedem mechanischen Zwang befreit wird. Gegenwärtig muß die Lenksäule jedoch von einem gewissen Aufbauorgan oder -Organen getragen werden, so daß bei einer Kollision des Fahrzeuges der Fahrer einem Stoß ausgesetzt ist, der mehr oder weniger stärker als ein solcher minimal gemachter oderimaginärer mechanischer Stoß ist.

Untersuchungen haben ergeben, daß der mechanische Stoß auf die Lenksäule oder den Fahrer einen ersten Spitzenwert etwa 1Λ Mikrosekunden nach Beginn des Stoßes erreicht. Zur Verringerung des auf den Fahrer ausgeübten mechanischen Stoßes erweist es sich daher als vorteilhaft, die Lenksäule mit einer verringerten Kraft zu stützen, bevor der Stoß den ersten Spitzenwert erreicht, und danach einen Hauptteil des Stoßes in einer geeigneten Weise zu dämpfen.

So wird erfindungsgemäß der mechanische Stoß auf die Lenksäule zunächst durch Verringerung des mechanischen Zwangeβ auf die Lenksäule gedämpft, sobald der mechanische Stoß auf diese übertragen wird, und dann der verbleibende Teil des mechanischen Stoßes, der dann mehr oder weniger gedämpft iit, mittels einet stoßabsorbierenden Mechanismus ab-■orbiert, der auf der Lenksäule vorgesehen ist. Die Erfindung lit insbesondere auf eir··-· ,enkaäule* gerichtet, die eine stoßabsorbierend« Anordnung b*sitat, welche aus einer Xhneräuohs« , die die .Lenksäule umgibt, und einer Außeribuohse

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gebildet ist, in die die Ihnenbuchse verschiebbar eingesetzt ist, wobei die Ihnenbuchse über eine begrenzte Länge innerhalb der Außenbuchse bewegt wird, wenn sie einem plötzlichen heftigen mechanischen Stoß ausgesetzt ist, der in der Zeit gedämpft wird, in der die inneribuchse zum vollen Stillstand gebracht wird.

Durch die Erfindung wird bei einer Lenksäule eines Motorfahrzeuges eine Kombination einer ersten und einer zweiten Buchse'gebildet, die teleskopartig ineinandergreifen und koaxial zur Lenksäule liegen und entsprechende Abschnitte besitzen, die in der gleichen Richtung und mit verschiedenen Winkeln abgeschrägt sind, durch die die beiden Büchsen umfangsmäßig an den Kanten eingreifen können, wenn die Abschnitte aneinader- ■ stoßend in Eingriff gebracht werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt einer Lenksäule mit einem üblichen stoßabsorbierenden Aufbau;

Fig. 2 zeigt ein· Diagramm von Kennwertkurven, die Änderungen einer Kraft des Stoßes auf einen Fahrer und einer Kraft des von dem in Fig. 1 dargestellten stoßabsorbierenden Aufbaue absorbierten Stoßes über die nach Auslösung

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des mechanischen Stoßes verstrichene Zeit in Mikrosenkunden angeben;

Fig. 3, H, 5 und 6 zeigen Längsschnitte, die vorzugsweise gewählte Ausführungsformen der Erfindung veranschaulichen;

Fig. 7 zeigt ein Fig. 2 ähnliches Diagramm; jedoch beziehen sich die darin dargestellten Kennwertkurven auf die in den Fig. 3,4 und 5 dargestellten Ausführungsformen;

Fig. 8 zeigt eine graphische Darstellung der Beziehungen zwischen der maximalen Stoßkraft, die auf das Fahrzeug im Fall einer Kollision des Motorfahrzeuges ausgeübt wird, der in den erfindungrgemäßen Anordnungen absorbierten maximalen kraft und der absorbierten Stoßkraft, die unmittelbar nach Erreichen eines Spitzenwertes der Stoßkraft konstant gehalten wird.

In Fig. 1 ist ein Teil der Lenksäule dargestellt, der mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet :..*w. Die Lenksäule 10 ist an einem Ende mit einem Lenkgetriebe und an einem anderen Ende mit einem Steuerrad verbunden (nicht dargestellt). Die Lenksäule ist mit einer bekannten stoßabsorbierenden Anordnung ver-

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ι .

sehen, die einellnnenbuchse 11 besitzt, welche einen begrenzten teil der Lenksäule 10 einschließt. Ein Druckorgan 12 mit einem kegelstumpfförmigen Abschnitt 13 ist an einem Endteil der Innenbuchse 11 über einen sich davon erstreckenden Vorsprung befestigt. Das Druckorgan 12 besitzt bei 15 eine bohrung, um die Lenksäu -Ie 10 hindurchzulassen. Die Innenbuchse Il ist teleskopartig in eine Außenbuchse 13 eingesetzt, die mit einem erweiterten Abschnitt 17 versehen ist, der einen begrenzten Teil der Jinenbuchse 11 einschließt, einen dem erweiterten Abschnitt 17 benachbarten Abschnitt 18, der abgeschrägt ist, um den kegelstumpffOrmigen Abschnitt 13 des Druckorgans 12 erfassen zu können, wenn die Innenbuchse 11 aufgrund einet darauf ausgeübten mechanischen Stoßes in die dargestellte Relativstellung bewegt wird, und einen verengten Abschnitt 19, der in- den-abgeschrägten Abschnitt 18 übergeht. Die Lenksäule 10,die Innen- und Außenbuchsen 11 bzw. 16 und das Druckorgan 12 sind all· koaxial miteinander.

Di· Innenbuchse H ist in ihrem normalen Zustand derart angeordnet, daß sich das Druckorgan 12 in Abstand von dem abgeschrägten Abschnitt 18 der Außeituchie 16 befindet} wenn ein heftiger mechanischer Stoß auf die Innen- und Außenbuehsen 11 bzw. 16 ausgeübt wird, wird die Innenbuchee u relativ zur Außenbuch·« 16 axial in eine Stellung bewegt, in der der kegeletumpffor«ig« Abschnitt 13 des Druckorgane 12 in den abgeschrägten

Abschnitt 18 eingreift. Die Energie des Stoßes wird so durch die Relativbewegungen der Innen- undAiüentuchsen 11 bzw. 16 absorbiert.

Bei einer Kombination der in Fig. 1 dargestellten Anordnung mit einer Lenksäule ändert sich die Kraft F des auf den Fahrer ausgeübten Stoßes und die Kraft F des absorbierten Stoßes mit der Zeit, die nach Beginn der Stoßes verstrichen ist, wie im Fall einer Kollision des Motorfahrzeuges, wie durch die Kennwertkurven F bzw. P in Fig. 2 dargestellt. In Fig. 2 bedeutet 1 eine Strecke, über die sich die !Lenksäule nach Auslösung des Stoßes bewegt hat. Aus der graphischen Darstellung nach Fig. 2 ergibt sich, daß die Kraft F des Stoßes einen Spitzenwert bis F max erreicht. '

Die Energie des absorbierten Stoßes ist ein Produkt der Kraft P des absorbierten Stoßes und der Strecke 1, durch die die Lenksäule, _B±_c^ verschoben hat. Aus Fig. 2 ergibt sich. daß die Kurve, die die Änderung einer derartigen Strecke 1 in zeitlichen Ausdrücken in Mikrosekunden von dem Moment; an, an dem der Stoß ausgelöst wurde, anzeigt, zu einem Punkt ansteigt, bei dem die Kraft F des Stoßes auf den Fahrer konstant wird, wie durch den Wert Po angezeigt. Wenn die Menge der absorbierten Energie, die einem Motorfahrzeug innewohnt, E ist, ist die Strecke Xp₁ Über die eich die !Lenksäule¹ verschoben hat, annäherndgegeben mit ι

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1_F = E/Pc Gleichung I

Ändererseite steht fest, daß Beziehungen, wie in Fig. 8 dargestellt, zwischen dem maxiaalen Wert F max der Kraft F des Stoßes auf den Fahrer und dem maximalen Wert Pmax der Kraft P des absorbierten Stoßes und zwischen dem Wert Fmax und dem konstanten Wert Pc bestehen.Durch Betrachtung von. Fig. 8 ergibt sich» daß die Beziehung zwischen den Werten Pmax und Fmax linearer ist als die Beziehung zwischen den Werten Pc und Fmax und daß demzufolge Fmax mehr durch Pmax als durch Pc beeinflußt wird. Zur Verringerung des maximalen Wertes Fmax der auf den Fahrer ausgeübten Stoßkraft ohne bedeutende* Vergrößerung der Verschiebungsstrecke Ip der Lenksäule sollte die Kraft pmax des anfänglich absorbierten Stoßes. verringert werden, wobei der Wert Pc in Gleichung I unverändert gehalten wird, wie dies eich aus Fig. 8* und Gleichung I ergibt.

Wenn es nun gewünscht ist, den Wert.Fmax durch Verringerung des Geeamtdurchmessers des kegelstumpffOrmigen Abschnittes 13 oder durch Vergrößerung des Gesamtdurchmessers der Außenoichse 16 zu verringern, muß die Lenksäule 10 derart ausgebildet sein, daß si· sich über eine nicht proportional, vergrößerte Strecke verschieben kann. Wenn umgekehrt der kegelstumpfförmige Abschnitt 13 in einem derartigen Winkel abgeschrägt

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wird» daß die Verschiebungsstrecke der 'Lenksäule 10 verkürzt wird, wird der Wert Fmax der Stoßkraft so groß, daß

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das Leben des Fahrers gefährdet ist. So v/eist die Anordnung nach Fig. 1 den Nachteil auf, daß sie unter Verlust entweder der Stoßabsorbierungskapazität oder der Verschiebungsstrecke der Lenksäule gestaltet sein.muß, was beides miteinander nicht vereinbar ist-.

Durch die Erfindung wird daher vorgeschlagen, die | In'nen- und Außenbuchsen an ihren Rändern ineinandergreifen zu lassen, wodurch der Maximalwert Frnax der auf den Fahrer ausgeübten Stoßkraft ohne Vergrößerorg der Verschiebungsstrecke der Lenksäule verringert werden kann.

Eine nach dem vorhergehend beschriebenen Grundkonzept aufgebaute Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 3 veranschaulicht, bei der eine verbesserung in die Anordnung nach Fig. 1 eingebaut wurde, wobei gleiche Bezugsziffern mit einem Index für entsprechende Teile verwendet werden,

Wie dargestellt, ist die mit der Bezugsziffer 10 bezeichnete Lenksäule von zwei koaxialen Buchsen lla und 16a eingeschlossen, die teleskopartig ineinandergreifen. Die als Innenbuchaadargestellte Buchse lla besitzt an ihrem Ende ein Druckorgan 12a. Das Druckorgan 12a enthält einen ke ~"*"· ^ +-umpfförmigen Abschnitt 13a, der in Richtung seines Führungsendes mit einem Winkelet abgeschrägt ist, und einen Vorsprung IUa, der sich von dem kegelstumpfförmigen Abschnitt 13a erstreckt. Das Druckorgan 12a

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besitzt eine axiale Bohrung 15a, durch die sich die Lenksäule 10 erstreckt. Die als Außenbuchse -dargestellteBuchaa 16a besitzt

. einen erweiterten Abschnitt 17a, durch den sich die Innenbuchse 11a erstreckt, einen abgeschrägten Abschnitt 18a, der in den erweiterten Abschnitt 17a übergeht, und einen verengten Abschnitt 19a, der in den abgeschrägten Abschnitt 18a übergeht. Der Durchmesser des erweiterten Randes des kegelstumpfförmigen

' Abschnittes 13a des Druckorgans 12a ist wesentlich kleiner als der Durchmesser der Außenbuchse 16a an der Stelle, an der der erweiterte Abschnitt 17a in dem abgeschrägten Abschnitt 18a übergeht. Der Abschnitt 18a ist nun in einem Winkel /3 abgeschrägt, der kleiner als der Winkel °( ist, mit dem der kegelstumpf förmige Abschnitt 13a des Druckorgane 12a abgeschrägt ist, so daß das kegelstumpfförmige Organ 12a an seinen erweiterten Rand ■** dem abgeschrägten Abschnitt 18a der Aißeribu«hse 16a in Arbeitsberührung steht.

Wenn das Motorfahrzeug beim Betrieb eine Kollision oder eine plötzliche Verzögerung erleidet und der Fahrer heftig gegen das mit der Lenksäule 10 verbundene Lenkrad stößt, drückt die Innenbuchsella auf das Druckorgan 12a und wird dadurch verformt oder axial gestaucht· Die Energie des Stoßes wird so in einem gewiesen MaA durch Deformierung der Innenbuchse Ha konsumiert. Da der kegelstumpfförmige Abschnitt 13a des Druckorgane 12a in eine» Winkel d abgesohrägt ist,der größer ist als der

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Winkel A , mit dem der Abschnitt 18a der Außenbuchse lba abgeschrägt ist, ist dann der Anfangsteil der die Änderung der ab-■ sorbierten Stoßkraft anzeigenden Kurve P konvex nach unten gerichtet, wie in Fig. 7 dargestellt, während der Anfangsteil der Kurve P nach Fig. 2 konvex nach oben gerichtet ist. Die Kraft P steigt danach progressiv mit dem Hereindrücken des Druckorgans 12a in den verengten Abschnitt 19a der Außenbuchse 19a an. Versuche: haben ergeben daß die auf den Fahrer ausgeübte Stoßkraft von llOOKg bei den üblichen Anordnungen auf 100 Kg bei der Anordnung nach Fig. 3 verringert werden kann. Weiterhin ist gewährleistet, daß der Wert Pc und die Verschiebungsstrecke ."»- der Lenksäule . im wesentlichen gleich den Werten bei den üblichen stoßabsorbierenden Anordnungen ist. Es ist jedoch eine Tendenz zu beobachten, bei der die Verschiebungsstrecke Ι« aufgrund einer Abnahme in der anfänglich absorbierten Stoßkraft Pmax beträchtlich vergrößert ist. Eine derartige Vergrößerung der Verschiebungsstrecke der Lenksäule liegt in der Größenordnung von nur 10mm, wie dies sich aus dem Vergleich zwischen den Anordnungen nach Fig. 2und nach Fig. 7 ergibt, und ist praktisch vernachlässigbar.

Ein randmäßiges Ineinandergreifen der Innen- und AuS-senbucheekann in verschiedenen Arten durchgeführt werden. In Fig. H ist «ine Veränderte fctoßabeorbierende Anordnung dargestellt, "bei der dielhnenhichs· über einen Scheitel eines an ihr gebildeten erweiterten gekrümmten Absohnittes in der Außenbuchse

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sitzt. Wie dargestellt, ist die Lenksäule 10 von einer Innenbudsellb eingeschlossen, die einen nach außen gerichteten gekrümmten erweiterten Abschnitt 13b besitzt. Die InrenbuchseHb ist in eine Außenbuchse I8b eingesetzt, die einen erweiterten Abschnitt 17b, einen abgeschrägten Abschnitt 18b, der in den erweiterten Abschnitt 17b übergeht, und einen verengten Abschnitt. 19b besitzt. D^r KrümmungsradiuSvJft des gekrümmten erweiterten Abschnitts 13a derlnmenbuchse 12b kann vorzugsweise abhängig vom Außendurchmesser' D des erweiterten Abschnitts 17b der Außenbuchsel6b bestimmt werden. Wenn beispielsweise der Durchmesser D ~ 40mm ist, kann der Krümmungsradius R etwa 10mm sein. Die Arbeitsweise der in Fig. U dargestellten Anordnung ist im wesentlichen die gleiche wie die der Anordnung nach Fig. 3.

In Fig. 5 ist eine weitere abgeänderte Form der erfindungsgemäßen stoßabsorbierenden Anordnung dargestellt, bei der ein Druckorgan auf einer Außenbuchse angeordnet ist.

Wie in Fig. 5 dargestellt, ist eine nun mit der Bezugsziffer lic bezeichnete Außenbuchse an ihrer Spitze mit einem Druckorgan 12c verbunden. Das Druckorgan 12c besitzt einen Abschnitt 13c, der nach innen axial abgeschrägt ist, und einen Vorsprung IHc, der sich von dem nach innen abgeschrägten Abschnitt 13c erstreckt. Eine axiale Bohrung 15c ist in dem Vorsprung f»c des Druckorgans 12c gebildet. Durch die Außenbuchselic und das Druckorgan 12c erstreckt sich eine Innen- iuchsel6c. Die Innenbuchse 16c besitzt einen erweiterten Abschnitt

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17c, einen Abschnitt 18c, der in der gleichen Richtung wie der Abschnitt 13c des Druckorgans 12c abgeschrägt ist und in den erweiterten Abschnitt 17c übergeht, und einen verengten Abschnitt 19c, der in den abgeschrägten Abschnitt 18c übergeht. Der Abschnitt 13c des Druckorgans 12c ist in einem Winkel c£ abgeschrägt, der größer als ein Winkel A ist, mit dem der Abschnitt 18c der InnenbLEhse 16c abgeschrägt ist. So können die Buchsen lic und 16c über die erweiterte Umfangskante des Abschnittes 13c und den umgebenen abgeschrägten Abschnitt 17c der Innenbuxe 16c ineinandergreifen.

Wenn beim Betrieb ein heftiger mechanischer Stoß auf Lenksäule 10ausgeübt wird, wird die Außenbuchse lic axial gegenüber derInnenbuchse '16c bewegt, bis das Druckorgan 12c gegen den abgeschrägten Abschnitt 17c der Innenbuchse stößt. Die Außenbuchse 12c wird so axial zusammengedrückt und gestaucht, um einen Teil der auf sie übertragenen Stoßenergie zu konsumier^ . Die Außenbuchse lic wird ferner zusammen mit dem Druckorgan 12c gegenüber der Jnnenbuctee 16c bewegt und bringt den abgeschrägten Abschnitt 17c zur Dehnung und damit zur Dämpfung der Stoßenergie.

Statt an der Außenbuchse das D^^korgan zu befestigen, kann sie dann derart geändert werden, aaß sie einen nach innen gekrümmten verengten Abschnitt besitzt, über den die Außenbuchse mit ■'■ ihrem Rand umfangsmäßig auf dem abgeschrägten Ab-

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schnitt derImenbuchse sitzt. Andererseits kann der abgeschrägte Abschnitt der Innenbuchs· durch einen nach oben gekrümmten Ab« schnitt einer gewissen Länge ersetzt werden. Ein Beispiel ist in Fig. 6 dargestellt·

Die Anordnung nach Fig. 6 ist im wesentlichen die gleiche wie die Anordnung nach Fig. S mit der Ausnahme, da* der Abschnitt 18d ein nach außen gekrümmter Abschnitt ist, über den die Innenbuche« ISd mit ihrem Rand umfangsmAAig in den nach innen abgeschrägten Abschnitt 13d des Druckorgans 12d eingreift, daran derAufenfauchae Hd über den Vorsprung IHd befestigt, ist. Die Inneituchse 16d besitzt erweiterte und verengte Abschnitte 17d bzw. I9d, die sich in entgegengesetzten Riehtungen von dem gekrümmten Abschnitt 18d erstrecken, und ist in die in dem Vorsprung IHd des Druckorgans 12d gebildete Bonrung ISd eingesetzt·

Die tfrfindungegemäßen sto&absorbierenden Anordnungen können die auf den Fahrer ausgeübte Stoßkraft mit einer minimalen Verschiebung·strecke der Lenksäule verringern·

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Claims (4)

-IH- Patentansprüche

1. Stoßabsorbierende Anordnung für eine Lenksäule eines Motorfahrzeuges, gekennzeichnet durch zwei teleskopartig angeordnete Buchsen (11, 16) die koaxial zur Lenksäule

(10) liegen und entsprechende Abschnitte (13, 18) aufweisen, die in der gleichen Richtung und mit unterschiedlichen Winkeln abgeschrägt sind und über die die Buchsen Mit ihren Rändern umfangsraäßig ineinandergreifen können, wenn die Abschnitte zum Aneinanderliegen gebracht werden.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die abgeschrägten Abschnitte konisch sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Abschnitte (13,18) mit einem Krümmungsradius gekrümmt iit, der abhängig vom Winkel, mit dem der andere Ab-■ohnitt abgetohrägt ist, bestimmt ist, und der andere Abschnitt vorzugsweise konisoh ist.

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4. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Buchse (11) von der anderen Buchse (16) eingeschlossen ist und an ihrem Führungsende ein Druckorgan (12) besitzt, auf den einer der Abschnitte innen gebildet ist, daß die andere Buchse erweiterte und verengte Abschnitte (17, 19) hat, zwischen die der abgeschrägte Abschnitt der einen Buchse tritt, daß der an dem Druckorgan gebildete abgeschrägte Abschnitt in einem Winkel abgeschrägt ist, der größer als der Winkel ist, mit dem der abgeschrägte Abschnitt der anderen Buchse abgeschrägt .ist, und daß der abgeschrägte Abschnitt der anderen Buchse unit dem abgeschrägten Abschnitt des Druckorgans nach innen umfahgsmäßig ineinandergreifen kann, wenn die eine Buchse gegenüber der anderen Buchse kräftig bewegt wird.

S· Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Buchse (16d) von der anderen Buchse (lld) eingeschlossen ist und erweiterte und verengte Abschnitte (17d, 19d) besitzt, zwischen die ein abgeschrägter Abschnitt eintritt, daß die andere Büchse an ihrem Führungsende ein Druckorgan (12d) besitzt, auf dem ein abgeschrägter Abschnitt gebildet ist, und daß der auf den Druckorgan gebildete abgeschrägte Abschnitt in einem Winkel abgeschrägt ist, der größer als der < Winkel ist, mit den der abgeschrägte Abschnitt der einen Buchse abgeschrägt ist· *

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