DE102008036730B4 - Aktuatoreinheit für eine Kraftfahrzeug-Steer-by-Wire-Lenkeinrichtung - Google Patents
Aktuatoreinheit für eine Kraftfahrzeug-Steer-by-Wire-Lenkeinrichtung Download PDFInfo
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Abstract
Description
- Gegenstand der Erfindung ist eine Aktuatoreinheit für eine Kraftfahrzeug-Steer-by-Wire-Lenkeinrichtung, umfassend eine in einem Mantelrohr angeordnet gegenüber diesem um ihre Längsachse drehbar gelagerte Lenkspindel, deren eines Ende zum drehmomentschlüssigen Anschließen eines Lenkrades ausgebildet ist, sowie einen Aktuator mit einer durch den Aktuator angetriebenen Aktuatorwelle, deren eines Ende drehmomentschlüssig an die Lenkspindel angeschlossen ist.
- Bei herkömmlichen Lenkeinrichtungen für Kraftfahrzeuge ist eine mechanische Kopplung zwischen dem Lenkrad und den von dem Lenkrad gelenkten Rädern vorhanden. Vom Lenkrad wird die Lenkbewegung über die Lenkspindel auf ein Lenkgetriebe und von diesem auf eine an die gelenkten Räder angeschlossene Lenkstange übertragen. Das auf die Lenkspindel über das Lenkrad eingeleitete Drehmoment kann elektrisch oder hydraulisch zum Ausbilden einer so genannten Servolenkung verstärkt werden. Die Lenkspindel ist durch den Motorraum zum Lenkgetriebe und der Lenkstange geführt.
- Um mehr Freiheiten in der Konzeption der Radaufhängung der gelenkten Räder und der Anordnung der einzelnen Komponenten im Motorraum eines Kraftfahrzeuges zu erhalten oder autonome Fahrerassistenz-Funktionen zu implementieren, muss das herkömmliche mechanische Kopplungsprinzip zwischen Lenkrad und gelenkten Rädern verlassen werden. Zu diesem Zweck sind sogenannte Steer-by-Wire-Lenkeinrichtungen konzipiert worden. Bei einer solchen Lenkeinrichtung wird mittels eines Lenkwinkelsensors die aktuelle Drehwinkelstellung des Lenkrades erfasst, einer Auswerteeinheit zugeführt, von der wiederum ein Aktor oder mehrere Aktoren zum Ansteuern der gelenkten Räder entsprechend dem erfassten Drehwinkel angesteuert werden, um die gelenkten Räder in die dem Lenkwinkeleinschlag entsprechende Stellung zu bringen. Es hat sich bei der Verwendung eines Steer-by-Wire-Systems gezeigt, dass es zum Fahren eines Kraftfahrzeuges für den Fahrer notwendig ist, eine haptische Rückmeldung bezüglich des Vorgangs des Lenkens und auch anderer durch die gelenkten Räder in die Lenkspindel eingekoppelten Drehmomente zu erhalten. Das Lenkgefühl wird bei einer solchen Steer-by-Wire-Lenkeinrichtung durch einen an die Lenkspindel mit seiner Aktuatorwelle drehmomentschlüssig angeschlossenen Aktuator bereitgestellt. Als Aktuator dienen Elektromotoren, die durch eine entsprechende Steuerung angesteuert sind und auf die Aktuatorwelle und damit auf die daran angeschlossene Lenkspindel das der jeweiligen Fahrzeugsituation entsprechende Drehmoment aufbringen. Somit kann der Aktuator auch als Fahrgefühl-Erzeuger und die Aktuatoreinheit, umfassend die Lenkspindel und den Aktuator als haptischer Drehsteller angesprochen werden.
- Kraftfahrzeug-Steer-by-Wire-Lenkeinrichtungen müssen, um den Sicherheitsanforderungen zu genügen, mehrfach redundant konzipiert werden. Aus diesem Grunde sind derartige Systeme relativ teuer. Eine Alternative zum Ausbilden einer Steer-by-Wire-Lenkeinrichtung, die den an eine solche Einrichtung gestellten Sicherheitsanforderungen genügt, jedoch kostengünstiger in der Konzeption und Herstellung ist, besteht darin, anstelle der notwendigen Systemredundanz die Steer-by-Wire-Lenkeinrichtung mit einer mechanischen Rückfallsicherung auszustatten. Bei einem Ausfall der elektronisch arbeitenden Lenkeinrichtung wird die Lenkspindel mechanisch an die gelenkten Räder gekoppelt, damit in einem solchen Fall das Fahrzeug mechanisch gelenkt werden kann. Zum Übertragen der Lenkbewegung der Lenkspindel auf die gelenkten Räder bzw. die die gelenkten Räder verbindende Lenkstange können bei einer solchen Anwendung auch flexible Wellen wie in der
DE 10 2004 026 067 A1 vorgeschlagen oder sinngemäß zurEP 0738 646 B1 eine hydraulische Koppelung eingesetzt werden. Daher besteht bei einer solchen Konzeption eine größere Freiheit in der Konzeption und Anordnung der Radaufhängung der gelenkten Räder und der anderen Komponenten im Motorraum als bei herkömmlichen mechanischen Lenkeinrichtungen. - Eine weitere Lenkvorrichtung, die nach dem Prinzip Steer-by arbeitet, ist aus
DE 102 49 718 A1 bekannt. - Bei einer solchen Steer-by-Wire-Lenkeinrichtung mit mechanischer Rückfallsicherung können prinzipiell herkömmliche Lenksäulen eingesetzt werden, an die ein Aktuator als Fahrgefühl-Erzeuger angeschlossen wird. Deren Lenkspindel ist in einem Mantelrohr zweipunktgelagert. Das Mantelrohr und die Lenkspindel sind typischerweise zweiteilig aufgebaut, wobei beide Lenkspindelteile durch ein in axialer Richtung wirkendes Gleitlager drehmomentschlüssig miteinander verbunden sind. Diese Teleskopierbarkeit der Lenkspindel wird zum individuellen Einrichten ihrer Länge vom Fahrer genutzt. Der als Aktuator eingesetzte Elektromotor ist unter Zwischenschaltung eines notwendigen Kupplungselementes an das untere Ende der Lenkspindel angeschlossen. Das elastische Kupplungselement wird zum Ausgleich von Toleranzen zwischen Lenkspindel und Aktuatorwelle benötigt. An das andere Ende der Aktuatorwelle sind typischerweise die mechanischen Rückfalleinrichtungen angeschlossen.
- Derartige Aktuatoreinheiten benötigen einen gewissen Einbauraum im Fahrzeug, insbesondere in längsaxialer Richtung. Um durch den Aktuator das der jeweiligen Fahrsituation entsprechende Drehmoment auf die Aktuatorwelle und somit auf die Lenkspindel als haptische Rückmeldung in einer Form bereitstellen zu können, die der einem Fahrer bei einer mechanischen Rückmeldung bekannten entspricht, ist eine aufwendige Steuerprogrammierung notwendig. Der Aufwand in der Programmierung der Aktuatoransteuerung liegt auch in der Notwendigkeit des Vorsehens des elastischen Kupplungselementes zwischen Lenkspindel und Aktuatorwelle begründet. Zur Drehmomentübertragung von der Aktuatorwelle auf die Lenkspindel sind die diesbezüglich dämpfenden Eigenschaften des Kupplungsgliedes zu berücksichtigen, wobei sich diese in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur ändern.
- Ausgehend von diesem diskutierten Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, eine Aktuatoreinheit für eine Kraftfahrzeug-Steer-by-Wire-Lenkeinrichtung vorzuschlagen, die prinzipiell einfacher aufgebaut ist und dadurch die zu dem vordiskutierten Stand der Technik aufgezeigten Nachteile vermeidet.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine eingangsgemäße, gattungsgemäße Aktuatoreinheit gelöst, bei der die Lenkspindel starr an die in zwei Lagern gelagerte Aktuatorwelle angeschlossen ist, wobei eines der beiden Lager im Bereich des Anschlusses der Aktuatorwelle an die Lenkspindel angeordnet ist und die Lenkspindel infolge ihres starren Anschlusses an die Aktuatorwelle aktuatorseitig über die Aktuatorwelle gelagert ist.
- Bei dieser Aktuatoreinheit steht die starre Verbindung zwischen der Aktuatorwelle und der Lenkspindel im Vordergrund. Unter dem Begriff „starre Verbindung“ im Rahmen dieser Ausführungen ist jede Verbindung zu verstehen, bei der eine Drehmomentübertragung von der Aktuatorwelle auf die Lenkspindel ohne Zwischenschaltung von bei einer Drehmomentübertragung einer Torsion unterliegenden Elementen erfolgt. Dieses Konzept gestattet es, die Lenkspindel unmittelbar an die Aktuatorwelle und somit ohne Zwischenschaltung besonderer Kupplungsglieder anzuschließen. Dieses wirkt sich günstig auf eine reduzierte Baulänge und den Systempreis aus. Die starre drehmomentschlüssige Anbindung der Lenkspindel an die Aktuatorwelle gestattet es des Weiteren, dass die Lagerung der Aktuatorwelle gleichzeitig zum Darstellen der aktuatorseitigen Lagerung der Lenkspindel dient. Die Lenkspindel ist sodann im Bereich ihres lenkradseitigen Abschlusses an einem Lager und mit ihrem anderen Ende durch die Verbindung mit der Aktuatorwelle an dem zur Lenkspindel weisenden Lager der Aktuatorwelle gelagert. Eine solche Aktuatoreinheit benötigt daher nur drei Lager. Bei dieser Konzeption macht man sich die Tatsache zu Nutze, dass die Aktuatorwelle eine genaue, definierte Lagerung aufweisen muss, insbesondere dann, wenn als Aktuator ein elektronisch kommutierter und damit bürstenloser Gleichstrommotor eingesetzt wird. Die sehr genaue Lagerung der Aktuatorwelle liegt in dem bevorzugt sehr klein bemessenen Luftspalt zwischen Rotor und dem Statorpaket begründet. Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, dass das lenkspindelseitige Lager der Aktuatorwelle in Bezug auf axiale Bewegungen als Festlager und das andere Lager der Aktuatorwelle als Loslager konzipiert ist. Die vorbeschriebene Lagerkonzeption der Aktuatoreinheit bzw. ihrer Aktuatorwelle hat des Weiteren zur Folge, dass die Lenkspindel querkraftfrei an die Aktuatorwelle angeschlossen ist. Entsprechend einfacher kann das lenkspindelseitige Lager der Aktuatorwelle ausgebildet sein. Eine solche Anbindung der Lenkspindel an die Aktuatorwelle hat ferner zum Vorteil, dass der zwischen den Rotorwicklungen und den Statorwicklungen befindliche Luftspalt extrem klein vorgesehen sein kann. Dieser beträgt vorzugsweise weniger als 0,5 mm, insbesondere weniger als 0,3 mm oder sogar weniger als 0,25 mm, wobei der Luftspalt durch den Abstand der äußeren Mantelfläche des Rotors von der inneren Mantelfläche des Statorpaketes definiert ist.
- Die aktuatorwellenseitige Lagerung der Lenkspindel unter Ausnützung des lenkspindelseitigen Lagers der Aktuatorwelle ermöglicht es auch, den Anschluss des Führungs- oder Mantelrohrs der Lenkspindel an ein den Aktuator tragendes bzw. diesen mitbildendes Gehäuse vorzusehen, wobei eine Zentrierung ohne weiteres durch einen Zentrierflansch erfolgen kann. Aufgrund des großen Abstandes des an die Aktuatorwelle angeschlossenen Endes der Lenkspindel von ihrem oberen, lenkradseitigen Lager kann eine Zentrierung von Aktuatorwelle und Lenkspindel spannungsfrei erfolgen.
- Um den typischen Anforderungen an die individuelle Einstellung eines Lenkrades zu genügen, kann die Lenkspindel und damit auch das Mantelrohr zweigeteilt ausgeführt sein, welche beiden Lenkspindelteile teleskopartig in axialer Richtung um einen bestimmten Bewegungsbetrag zum Einstellen der gewünschten Länge der Lenkspindel verstellbar sind. Bei einer solchen Ausgestaltung ist der Anschluss des unteren Lenkspindelteils an die Aktuatorwelle dergestalt ausgeführt, dass bei einem Herausziehen des oberen Lenkspindelteils von dem unteren Lenkspindelteil die Verbindung des unteren Lenkspindelteils zu der Aktuatorwelle nicht gelöst wird.
- Bei Vorsehen eines elektronisch kommutierten Gleichstrommotors, ist gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung vorgesehen, den Aktuator in einem Aktuatorgehäuse anzuordnen, und zwar in einem solchen, das selbsttragend ist, so dass die Aktuatoreinheit mit einem oder auch mehreren Anbindungspunkten über das Aktuatorgehäuse am Chassis oder einem Rahmen des Fahrzeuges angeschlossen werden kann. Typischerweise wird man eine solche Aktuatoreinheit über eine Zweipunktlagerung fahrzeugseitig anschließen, wobei der eine Anbindungspunkt im Bereich des von dem Lenkrad entfernten Endes des Motorgehäuses und der andere Anbindungspunkt im Bereich des lenkradseitigen Endes des Mantelrohrs der Lenkspindel vorgesehen ist.
- Die Aktuatorwelle kann den Aktuator beidendig durchgreifend konzipiert sein, so dass das dem Anschluss an die Lenkspindel gegenüberliegende Ende aus dem Aktuatorgehäuse herausragt. Dieses Anschlussende der Aktuatorwelle kann zum Anschließen einer Rückfallmechanik oder weiterer Sensorik dienen.
- Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die
1 beschrieben.1 zeigt in einer schematisierten Darstellung eine Aktuatoreinheit1 für eine Kraftfahrzeug-Steer-by-Wire-Lenkeinrichtung. Die Aktuatoreinheit1 umfasst einen elektronisch kommutierten Gleichstrommotor2 als Aktor. Der Rotor mit den Erregermagneten3 des Motors2 sitzt drehmomentschlüssig auf einer Aktuatorwelle4 . Die Statorwicklungen5 befinden sich bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel an der Innenseite eines Aktuatorgehäuses6 . Das Aktuatorgehäuse6 ist tragend konzipiert und dient gleichfalls zum Halten der beiden Lager7 ,8 der Aktuatorwelle4 . Aufgrund der tragenden Ausführung des Aktuatorgehäuses6 kann die Aktuatoreinheit1 über einem dem Aktuatorgehäuse6 zugeordneten Anbindungspunkt9 fahrzeugseitig befestigt werden. Die Aktuatorwelle4 weist an ihrem einen Ende einen als Hohlwelle ausgebildeten Kupplungsabschnitt10 auf. Die Aktuatorwelle4 ist durch das Lager8 an der äußeren Mantelfläche des Kupplungsabschnittes10 gelagert. Das Lager8 ist in Bezug auf axiale Bewegungen der Aktuatorwelle4 als Festlager konzipiert, während das Lager7 diesbezüglich als Loslager ausgeführt ist. Die Aktuatorwelle4 ragt mit ihrem dem Kupplungsabschnitt10 gegenüberliegenden Ende aus dem Aktuatorgehäuse6 heraus. Der aus dem Aktuatorgehäuse6 herausragende Abschnitt der Aktuatorwelle4 ist durch einen Kragen11 eingefasst. Das diesbezügliche freie Ende der Aktuatorwelle4 trägt zum Anschließen weiterer Aggregate eine Vielverzahnung12 . - Angeordnet innerhalb des Aktuatorgehäuses
6 ist des Weiteren ein Rotorlagesensor13 , der an eine Ansteuerelektronik14 angeschlossen ist. - Die Aktuatoreinheit
1 verfügt des Weiteren über eine bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel zweiteilig ausgeführte Lenkspindel15 . Das obere Lenkspindelteil16 ist in einem oberen Mantelrohr17 um seine Längsachse drehbar gelagert. Aus dem Mantelrohr17 ragt das obere Lenkspindelteil mit einem Anschlussabschnitt18 heraus. Dieser dient zum Anschließen eines in der Figur nicht näher dargestellten Lenkrades an die Lenkspindel15 . Im Bereich des lenkradseitigen Endes des Lenkspindelteils16 ist die Lenkspindel15 gegenüber dem Mantelrohr17 durch ein Lager19 gelagert. - Mit dem oberen Lenkspindelteil
16 steht ein unteres Lenkspindelteil20 unter Zwischenschaltung eines Gleitelementes21 drehmomentschlüssig, jedoch in axialer Richtung gegeneinander bewegbar in Eingriff. Gleichermaßen ist das obere Mantelrohr17 gegenüber einem unteren Mantelrohr22 in axialer Richtung verstellbar. Aufgrund dieser Verbindung zwischen oberem Lenkspindelteil16 und unterem Lenkspindelteil20 und oberem Mantelrohr17 und unterem Mantelrohr22 kann das obere Lenkspindelteil16 teleskopartig gegenüber dem unteren Lenkspindelteil20 verstellt werden. Dieses dient zum individuellen Einrichten der Länge der Lenkspindel15 . An der Außenseite des oberen Mantelrohrs17 befindet sich unter Zwischenschaltung eines für einen Crashfall vorgesehenen Gleitelementes23 ein oberer Anbindungspunkt24 für die Aktuatoreinheit1 . - Die Lenkspindel
15 ist mit ihrem unteren Endabschnitt25 drehmomentschlüssig in den eine im Übrigen nicht näher dargestellte Innenverzahnung aufweisenden Kupplungsabschnitt10 der Aktuatorwelle4 eingesetzt und mittels eines Presssitzes innerhalb des Kupplungsabschnitts10 fixiert. Somit ist die Lenkspindel15 bzw. der untere Lenkspindelteil20 drehmomentschlüssig und in axialer Richtung schlüssig mit der Aktuatorwelle4 verbunden. Zum zentrierten Anschließen des unteren Mantelrohrs22 an eine dem Aktuatorgehäuse6 zugehörige Montageplatte26 dient ein von der Montageplatte26 abragender Zentrierflansch27 . Dieser greift ein in das zu der Montageplatte26 hin offene untere Mantelrohr22 . Das Mantelrohr22 trägt einen umlaufenden, nach außen abragenden Flansch28 , in den in Abständen Bohrungen zum Durchführen von Befestigungsschrauben zum Anschließen der Lenkspindel15 den Aktuator2 eingebracht sind. - Die Steer-by-Wire-Lenkeinrichtung ist bezüglich der weiteren notwendigen Aggregate und Bestandteile im Übrigen nicht näher dargestellt. Der Lenkspindel
15 sind beispielsweise in1 nicht dargestellte Drehwinkelsensoren zugeordnet, mit denen der über das Lenkrad in die Lenkspindel eingebrachte Drehwinkel erfasst wird. Weitere Sensoren, wie beispielsweise Drehmomentsensoren können ebenfalls vorhanden sein. - Zum Erzeugen eines auf die Lenkspindel und somit auf das Lenkrad wirkenden Fahrgefühls wird der Synchronmotor
2 über die Ansteuerelektronik14 angesteuert, damit auf diese Weise unter Berücksichtigung des von dem Fahrer vorgegebenen Lenkwinkels, der Geschwindigkeit und gegebenenfalls weiterer Faktoren ein der von dem Fahrer ausgeübten Lenkbewegung entgegenwirkendes Drehmoment in die Lenkspindel eingebracht wird. Algorithmen zum Ansteuern eines solchen Aktuators sind hinlänglich bekannt. - Die Beschreibung der Aktuatoreinheit, die als solche für eine Kraftfahrzeug-Steer-by-Wire-Lenkeinrichtung beschrieben worden ist, macht deutlich, dass, wenn die Aktuatorwelle mechanisch an die zu lenkenden Räder unter Zwischenschaltung eines Lenkgetriebes angeschlossen ist, der Aktuator auch als Lenkkraft unterstützender Aktuator eingesetzt werden kann, so dass auch für eine solche Anwendung die zu der Aktuatoreinheit beschriebenen Vorteile zum Tragen kommen können.
- Bezugszeichenliste
-
- 1
- Aktuatoreinheit
- 2
- Synchronmotor
- 3
- Rotor
- 4
- Aktuatorwelle
- 5
- Statorwicklung
- 6
- Aktuatorgehäuse
- 7
- Lager
- 8
- Lager
- 9
- Anbindungspunkt
- 10
- Kupplungsabschnitt
- 11
- Kragen
- 12
- Vielverzahnung
- 13
- Rotorlagesensor
- 14
- Ansteuerelektronik
- 15
- Lenkspindel
- 16
- Lenkspindelteil, oberes
- 17
- Mantelrohr
- 18
- Anschlussabschnitt
- 19
- Lager
- 20
- Lenkspindelteil, unteres
- 21
- Gleitelement
- 22
- Mantelrohr
- 23
- Gleitelement
- 24
- Anbindungspunkt
- 25
- Endabschnitt
- 26
- Montageplatte
- 27
- Zentrierflansch
- 28
- Flansch
Claims (10)
- Aktuatoreinheit für eine Kraftfahrzeug-Steer-by-Wire-Lenkeinrichtung, umfassend eine in einem Mantelrohr (17, 22) angeordnete, gegenüber diesem um ihre Längsachse drehbar gelagerte Lenkspindel (15), deren eines Ende zum drehmomentschlüssigen Anschließen eines Lenkrades ausgebildet ist, sowie einen Aktuator (2) mit einer durch den Aktuator (2) angetriebenen Aktuatorwelle (4), deren eines Ende drehmomentschlüssig an die Lenkspindel (15) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Lenkspindel (15) starr an die in zwei Lagern (7, 8) gelagerte Aktuatorwelle (4) angeschlossen ist, wobei eines der beiden Lager (7) im Bereich des Anschlusses der Aktuatorwelle (4) an die Lenkspindel (15) angeordnet ist, und die Lenkspindel (15) infolge ihres starren Anschlusses an die Aktuatorwelle (4) aktuatorseitig über die Aktuatorwelle (4) gelagert ist.
- Aktuatoreinheit nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das lenkspindelseitige Lager (8) der Aktuatorwelle (4) in axialer Richtung wirkend als Festlager und das andere Lager (7) der Aktuatorwelle (4) diesbezüglich als Loslager ausgeführt sind. - Aktuatoreinheit nach
Anspruch 1 oder2 , dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator ein bürstenloser Gleichstrommotor (2) ist. - Aktuatoreinheit nach einem der
Ansprüche 1 bis3 , dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (2) in einem als tragend konzipierten Aktuatorgehäuse (6) angeordnet ist, das über zumindest einen Anbindungspunkt (9) zum Befestigen des Aktuatorgehäuses (6) an dem Chassis oder Rahmen eines Fahrzeuges verfügt. - Aktuatoreinheit nach
Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet, dass die statorseitigen Wicklungen (5) des Motors (2) an der Innenseite des Aktuatorgehäuses (6) angeordnet sind. - Aktuatoreinheit nach einem der
Ansprüche 1 bis5 , dadurch gekennzeichnet, dass zur starren Verbindung von Aktuatorwelle (4) und Lenkspindel (15) die Lenkspindel (15) mittels einer Presssitzverbindung an die Aktuatorwelle (4) angeschlossen ist. - Aktuatoreinheit nach
Anspruch 6 , dadurch gekennzeichnet, dass die Presssitzverbindung eine in Umfangsrichtung wirkende Verzahnung aufweist. - Aktuatoreinheit nach einem der
Ansprüche 1 bis7 , dadurch gekennzeichnet, dass die Lenkspindel (15) zweiteilig konzipiert ist und ein unteres Lenkspindelteil (20) sowie ein oberes Lenkspindelteil (16) umfasst, welche beiden Lenkspindelteile (16, 20) über ein in längsaxialer Richtung wirkendes Gleitlager (21) drehmomentschlüssig miteinander verbunden sind. - Aktuatoreinheit nach einem der
Ansprüche 1 bis8 , dadurch gekennzeichnet, dass das der Lenkspindel (15) zugeordnete Lager (19) im Bereich des lenkradseitigen Endes der Lenkspindel (15) angeordnet ist. - Aktuatoreinheit nach einem der
Ansprüche 1 bis9 , dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuatorwelle (4) als Hohlwelle mit Innenverzahnung ausgeführt ist.
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