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Die Erfindung bezieht sich auf ein Trägerprofil eines Fahrgestellrahmens, insbesondere eines Nutzfahrzeugs, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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In Busfahrzeugen moderner Bauart, unabhängig davon, ob der Omnibus als Stadtbus, Überlandbus oder Reisebus verwendet wird, ist im Bereich der wenigstens einen hinteren Achse der Motor und der dazugehörige Antriebsstrang angeordnet. Vorwiegend hinter der Hinterachse des Omnibusses befindet sich zusätzlich das Kühlaggregat zur Kühlung des Antriebsmotors. Die Luftkühlungs- und Klimaanlage für den Innenraum des Omnibusses befindet sich in vielen Fahrzeugen des Stands der Technik ebenfalls oberhalb der wenigstens einen hinteren Achse des Omnibusses. Die Anordnung der vorgenannten betriebswichtigen Aggregate des Omnibusses im hinteren Bereich des Fahrzeugs sowie das beladbare Gepäckfach zwischen der vorderen Achse und der wenigstens einen Hinterachse machen es erforderlich, das Leergewicht des Omnibusses nach Möglichkeit zu reduzieren.
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Aus der
DE 10 2005 015 423 A1 ist ein Schlussquerträger für ein Nutzfahrzeug mit einem zwei Längsträger aufweisenden Fahrzeugrahmen bekannt. Der Schlussquerträger ist dabei als einstückiges, im Wesentlichen U-förmig ausgebildetes Profilteil mit einem Mittelsteg und beiderseits an den Längskanten des Mittelstegs anschließenden Flanschleisten vorgesehen. An dem Schlussquerträger sind stirnseitig Befestigungsfahnen angeordnet, wobei obere und untere Befestigungsfahnen jeweils von den beiden Flanschleisten und beidseitig, jeweils eine zumindest annähernd in Querrichtung zu den oberen und unteren Befestigungsfahnen verlaufende vertikale Befestigungsfahne von dem Mittelsteg des U-Profils hervorstehen. An den Befestigungsfahnen sind Löcher vorgesehen, von denen die in den oberen und unteren Befestigungsfahnen befindliche Löcher jeweils in einer oberen und einer unteren Befestigungsebene angeordnet sind. Die beidseitig des Mittelstegs angeordneten vertikalen Befestigungsfahnen erstrecken sich im Wesentlichen über die gesamte Höhe des Mittelstegs und weisen zwei Löcher auf. Die Löcher sind jeweils in der oberen und unteren Befestigungsebene an der oberen und unteren Befestigungsfahne angeordnet.
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In der
DE 44 28 101 A1 ist ein Rahmenkopf für einen Tragrahmen eines Lastkraftwagens offenbart, der mit zwei Längsträgern des Tragrahmens kraftübertragend verbindbar ist. Der Tragrahmen ist mit einem Frontquerträger sowie mit zwei Rahmenanschlußstücken zur Anbindung an die Längsträger versehen. Dem Frontquerträger ist ein Koppelmaul zugeordnet. Der Frontquerträger ist mit einem zu dem Tragrahmen nach hinten offenen Blechprofil versehen, in das das Koppelmaul als getrenntes Bauteil, insbesondere als Schmiedeteil, von einer Rückseite her einsetzbar ist. Zusätzlich ist das Blechprofil auf einer Vorderseite auf Höhe der Position des Koppelmaules mit einem Durchtritt versehen.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Trägerprofil eines Fahrgestellrahmens eines Nutzfahrzeugs zu schaffen, das ein möglichst geringes Eigengewicht aufweist, um die Nutzlast des Fahrzeugs entsprechend dem zulässigen Gesamtgewicht möglichst gut nutzen zu können.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Der erfindungsgemäße Fahrgestellrahmen umfasst wenigstens ein Trägerprofil. Das Trägerprofil kann ein Querträger oder ein Längsträger sein, wobei mehrere Quer- und/oder Längsträger in Längsrichtung oder quer zueinander verbunden sind. Die Erfindung sieht ebenfalls vor, einen oder mehrere Querträger rechtwinklig mit einem oder mehreren Längsträgern zu verbinden. Die Querträger und/oder die Längsträger weisen einen horizontal oder vertikal verlaufenden Steg auf und rechtwinklig zu dem Steg wenigstens eine Schulter. Der Steg und die wenigstens eine Schulter sind form-, stoff- oder kraftschlüssig miteinander verbunden. Längs- und/oder Querträger können auch in der Weise miteinander verbunden sein, dass die Stege der beiden Trägerprofile flächig aneinander liegen. Denkbar ist auch, dass die Schulter des einen Trägerprofils mit der Schulter des anderen Trägerprofils flächig verbunden ist oder die Schulter des einen Trägerprofils mit dem Steg des anderen Trägerprofils in Verbindung steht. In Längsrichtung gesehen weist das Trägerprofil an den beiden gegenüberliegenden Enden je einen Stoßbereich auf. Mit dem Stoßbereich kann ein Trägerprofil rechtwinklig an einem anderen Trägerprofil befestigt sein. Es ist aber auch vorstellbar, dass das eine Trägerprofil mit seinem Stoßbereich in axialer Richtung an den Stoßbereich eines anderen Trägerprofils anschließt und somit eine Verbindung zwischen beiden Trägerprofilen herstellbar ist. An einem Längs- und/oder Querträger können alternativ auch zwei parallele Stege über Schultern miteinander verbunden sein und ein innen hohles Trägerprofil bilden. Zur Verbindung zweier aneinander anstoßender Trägerprofile können Verbindungsschuhe vorgesehen sein.
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Im Weiteren wird von einer beispielsweise rechtwinkligen Anordnung eines Querträgers an einem Längsträger ausgegangen. Der Querträger ist dabei über seinen Stoßbereich fest mit dem Steg des Längsträgers verbunden. Im Allgemeinen können Trägerprofile tragende und nicht-tragende Bauteile sein, wie z. B. Querträger, Längsträger, Spante und ähnliche im Fahrzeugbau übliche Bauteile.
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Die Krafteinleitung im Stoßbereich zwischen den miteinander verbindbaren Trägerprofilen erfolgt erfindungsgemäß über gekrümmte und/oder sich kreuzende Strukturbahnen. Diese Strukturbahnen bilden die so genannten Zug- und Drucktrajektorien. Durch sie werden die Kräfte mit dem geringsten Materialaufwand auf die aneinander anstoßenden Trägerprofile verteilt. Die gekrümmten Zug- und Drucktrajektorien haben ihren Ausgangspunkt im jeweiligen Stoßbereich des Trägerprofils, auf das die Kräfte übertragen werden sollen. Hierdurch ergeben sich naturähnliche Zug- und Drucktrajektorien, die eine optimierte Werkstoffausnutzung innerhalb des Trägerprofils und eine gleichmäßige Spannungsverteilung ermöglichen.
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Bei den Zug- und Drucktrajektorien handelt es sich um gedachte Linien, die in der Ebene des Stegs oder der Schulter verlaufen und die den Verlauf des Kraftflusses widerspiegeln, wenn zwei Trägerprofile miteinander verbunden sind. Erfindungsgemäß verlaufen die Zug- bzw. die Drucktrajektorien in Form einer Parabel. In einem Trägerprofil können beliebig viele Zug- und/oder Drucktrajektorien verlaufen. Die Zug- und Drucktrajektorien können jeweils einen gemeinsamen Ursprung oder aber unterschiedliche Ursprünge besitzen. Je ein Zug- und/oder Drucktrajektor kann wenigstens einen Schnittpunkt mit einem weiteren Zug- und Drucktrajektor aufweisen. Im Bereich des Schnittpunktes eines Zugtrajektors mit einem Drucktrajektor wird in die Ebene des Stegs wenigstens ein Durchbruch eingebracht. Der wenigstens eine Durchbruch wird in der Ebene des Stegs an zumindest zwei Seiten von je einem Zug- oder Drucktrajektor begrenzt. Die Schnittpunkte zwischen den Zug- und/oder Drucktrajektorien können in der Ebene des Stegs verlaufen oder aber außerhalb des Stegs des Trägerprofils angeordnet sein. Die Durchbrüche sind im Bereich des Schnittpunktes von je einem Zug- und/oder Drucktrajektor als Parabelkerbe ausgebildet und setzen dadurch den Kraftrichtungswechsel naturrichtig um.
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Durch den Einsatz von Parabelkerben im Bereich des Schnittpunktes aus Zug- und/oder Drucktrajektorien ist das Spannungsniveau im Bereich der Ebene des Trägerprofils deutlich reduzierbar und erreicht somit eine erhöhte Dauerfestigkeit des Trägerprofils. Erfindungsgemäß kann eine deutliche Gewichtsreduzierung des Trägerprofils erreicht werden, zusätzlich kann die Kerbwirkung in den Durchbrüchen der Trägerprofile verringert werden.
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In einer anderen Ausführungsform der Erfindung verlaufen die Zug- und/oder Drucktrajektorien in logarithmischen Spiralbahnen. Zur Verringerung des Gewichts der Konstruktion können die Durchbrüche in den Trägerprofilen auch in elliptischer Form ausgebildet sein oder in anderen gekrümmten geometrischen Formen (z. B. Kreisen) angenährt werden. Die im Stoßbereich zwischen zwei Trägerprofilen angreifenden Kräfte werden auf gekrümmte Bahnen Idealerweise in zentripetal wirkende Kräfte umgewandelt.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es daher denkbar, dass die Zug- und/oder Drucktrajektorien in Ellipsen oder Parabeln verlaufen.
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Eine zusätzliche Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Verlauf der Zug- und/oder Drucktrajektorien symmetrisch oder asymmetrisch ist. Beim symmetrischen Verlauf der Zug- und/oder Drucktrajektorien liegen die Schnittpunkte der Zug- und/oder Drucktrajektorien auf einer gedachten Geraden. Im Weiteren wird jedoch von einem asymmetrischen Verlauf ausgegangen, bei dem die Schnittpunkte der Zug- bzw. Drucktrajektorien auf einer Kurve liegen. Die Krümmung dieser Kurve läuft dabei der eingeleiteten Kraft entgegen. Bei der Einwirkung von Biegemomenten in die Trägerprofile kommen die Schnittpunkte der Zug- und/oder Drucktrajektorien so zu liegen, dass jeweils gegenläufige Kurven gebildet werden.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weisen die Durchbrüche spitze Winkel auf. Die Winkel können dabei jeden Winkel kleiner als 90° annehmen. Starke Spannungsspitzen z. B. in Winkeln < 90° im Material des Trägerprofils werden durch parabelförmige Übergänge erfolgreich vermieden, wodurch sich die Dauerfestigkeit des Trägerprofils deutlich erhöht.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Fortbildungen des erfindungsgemäßen Trägerprofils sind aus der nachstehenden Beispielsbeschreibung anhand der Zeichnung näher entnehmbar.
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Hierbei zeigen:
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1 den Verbund aus mehreren Trägerprofilen, bestehend aus mehreren erfindungsgemäßen Querträgern mit zwei parallelen Längsträgern,
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2 die erfindungsgemäßen Querträger, entsprechend 1 mit eingezeichneten Zug- und Drucktrajektorien,
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3 in perspektivischer Darstellung zwei zueinander parallele Längsträger mit erfindungsgemäßen Querträgern,
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4 in vereinfachter Darstellung den Bereich des Schnittpunktes zwischen Zug- und Drucktrajektor und
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5 in vergleichender Darstellung die Kerbwirkung anhand einer Parabelkerbe und einer kreisförmigen Kerbe.
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1 zeigt in Fahrzeuglängsrichtung gesehen einen Verbund mehrerer Trägerprofile, wobei in dieser Ausführungsform drei Querträger 1; 2 mit ihren Stoßbereichen 3 jeweils an Innenflächen bzw. Außenflächen des jeweiligen vertikalen Stegs 6 eines Rahmenlängsträgers 7 angeordnet sind. Die Querträger 1; 2 weisen dabei ihrerseits vertikale Stege 4, 5 auf, die rechtwinklig mit horizontalen Schultern 8, 8' verbunden sind. In 1 sind die Querträger 1; 2 in etwa rechtwinklig mit den Längsträgern 7 verbunden.
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1 stellt beispielhaft die Trägerprofilkonstruktion eines Busses dar, wobei links und rechts außerhalb der Außenflächen der Längsträger 7 die Querträger 1; 2 angeordnet sind, an die außen die Seitenwand (nicht gezeigt) des Busses angebunden ist.
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In einer Ebene 9 der Querträger 1; 2 verlaufen die Zugtrajektorien 10 und die Drucktrajektorien 11. Den Zugtrajektorien 10 und den Drucktrajektorien 11 ist in 1 je ein gemeinsamer Ausgangspunkt 12; 13 zugeordnet. Den Zug- bzw. Drucktrajektorien 10; 11 können jeweils auch unterschiedliche Ausgangspunkte 12; 13 zugehören. Die Ausgangspunkte 12; 13 nehmen ihren Ursprung im Stoßbereich 3 des jeweiligen Querträgers 1; 2. Die Zugtrajektorien 10 und die Drucktrajektorien 11 verlaufen gekrümmt, wobei sich an den Querträgern 1; 2 je ein Zugtrajektor 10 mit jeweils drei Drucktrajektorien 11 in den Schnittpunkten 14 schneidet und je ein Drucktrajektor 11 mit je drei Zugtrajektorien 10 in den Schnittpunkten 14 trifft. Zwischen den Zugtrajektorien 10 und den Drucktrajektorien 11 sind im jeweiligen Querträger 1; 2 Durchbrüche 15 vorgesehen. Die Schenkel 16 der Zugtrajektorien 10 und der Drucktrajektorien 11 weisen im Bereich 17 der Schnittpunkte 14 jeweils die Form einer Parabelkerbe 18 auf. Die Zugtrajektorien 10 und die Drucktrajektorien 11 widerspiegeln in der 1 den Verlauf des Kraftflusses zwischen den einzelnen Querträgern 1; 2.
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2 zeigt vergleichbar mit der 1 einen Verbund aus mehreren Trägerprofilen 1; 2, 7, wobei in der 2 drei Querträger 1; 2 sowie zwei zueinander parallele Längsträger 7 dargestellt sind. In den Ebenen 9 der Querträger 1 sind die Zugtrajektorien 10 und die Drucktrajektorien 11 dargestellt. Die Zugtrajektorien 10 und die Drucktrajektorien 11 verlaufen in 2 asymmetrisch zueinander, was daran zu erkennen ist, dass die Schnittpunkte 14 auf einer gekrümmten Bahn 19 liegen. In die Ebenen 9 der Trägerprofile 1; 2 sind Durchbrüche 15 einbringbar, wobei die Durchbrüche 15 jeweils von Zugtrajektorien 10 und/oder Drucktrajektorien 11 und/oder durch die horizontalen Schultern 8, 8' und/oder die Stoßbereiche 3 der Trägerprofile 1; 2 begrenzbar sind.
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3 zeigt einen Verbund aus unterschiedlichen Trägerprofilen 1; 2, 7, wobei je zwei parallele Längsträger 7 und drei Querträger 1; 2 dargestellt sind. Die Querträger 1; 2 verlaufen dabei axial versetzt zueinander. Querträger 1; 2 und Längsträger 7 sind in 3 durch Verbindungsschuhe 20 miteinander verbunden. Die Verbindungsschuhe 20 sind dabei mit den jeweiligen Querträgern 1; 2 und Längsträgern 7 verschraubt. In die Verbindungsschuhe 20 und die Querträgern 1; 2 sind erfindungsgemäße Durchbrüche 15 angeordnet. Die Durchbrüche 15 sind von den Zugtrajektorien 10, den Drucktrajektorien 11 und den Stoßbereichen 3 sowie den Schultern 8, 8' der jeweiligen Querträger 1; 2 gegeneinander abgegrenzt. Die Verbindung der beiden Längsträger 7 mit den beiden Querträgern 1; 2 verläuft derart, dass die Querträger 1; 2 mit ihren Stoßbereichen 3 an den Außenflächen der Stege 6 der Längsträger 7 anstoßen. Die Krafteinleitung von den Längsträgern 7 in die Querträger 1; 2 verläuft entsprechend den Zugtrajektorien 10 und den Drucktrajektorien 11.
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In 3 nehmen die Zugtrajektorien 10 und die Drucktrajektorien 11 der Querträger 1; 2 ihren Ausgangspunkt in den Stoßbereichen 3 der Querträger 1; und 2. Eingerahmt zwischen den Zugtrajektorien 10 und den Drucktrajektorien 11 sowie den horizontalen Schultern 8, 8' und den Stoßbereichen 3 der Querträger 1; 2 sind die Durchbrüche 15 angeordnet. Zwischen den Schenkeln 16 der Zugtrajektorien 10 und/oder der Drucktrajektorien 11 liegen in den Bereichen 17 die Schnittpunkte 14, in denen sich der Zugtrajektor 10 mit dem Drucktrajektor 11 schneidet. Im Bereich 17 der Schenkel 16 der Zugtrajektorien 10 und der Drucktrajektorien 11 sind die Schnittpunkte 14 als Parabelkerben 18 ausgebildet. Im Bereich zwischen den Zugtrajektorien 10 und den Drucktrajektorien 11 sowie den Stoßbereichen 3 bzw. den horizontalen Schultern 8, 8' weisen die Durchbrüche 15 in der 3 in etwa eine dreieckige oder eine viereckige Form auf. Die Durchbrüche 15 in der Ebene 9 der Querträger 1; 2 können aber auch jede andere geometrische Form annehmen. In der Verbindung der Längsträger 7 mit den beiden äußeren Querträgern 1; verläuft die Krafteinleitung in die Querträger 1; entsprechend den in der Ebene 9 der Querträger 1; verlaufenden Zugtrajektorien 10 und Drucktrajektorien 11. Die Krafteinleitung aus den beiden Längsträgern 7 in den mittleren Querträger 2 verläuft entsprechend den Zugtrajektorien 10 und Drucktrajektorien 11 in der Ebene 9 des Querträgers 2, z. B. über Verbindungsschuhe 20 oder auf ähnliche Art und Weise.
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4 zeigt den Schnittpunkt 14 im Bereich 17 zwischen einem Zugtrajektor 10 und einem Drucktrajektor 11. Die beiden Schenkel 16 des Zugtrajektors 10 bzw. des Drucktrajektors 11 bilden dabei eine Parabelkerbe 18. Im Vergleich zur Parabelkerbe 18 ist in 4 im Bereich 17 in gestrichelter Linie ein kreisförmiger Radius 23 des Schnittpunktes 14 zwischen dem Zugtrajektor 10 und dem Drucktrajektor 11 eingezeichnet. Die Parabelkerbe 18 wird beispielhaft durch einen Kraftverlauf entsprechend der Pfeile f belastet. Auf der anderen Seite des Schnittpunktes 14 zwischen dem Zugtrajektor 10 und dem Drucktrajektor 11 sind die beiden genannten Trajektoren 10, 11 zu einem einzigen Zug-Druck-Trajektor 24 vereinigt. Im Fall einer Parabelkerbe 18 liegt der Spannungsverlauf zwischen dem Zugtrajektor 10 und dem Drucktrajektor 11 in der Ebene 9 des Querträgers 1; 2 im Bereich 25 (vgl. yyyyy). Im Fall einer kreisförmigen Kerbe 28 ist der Spannungsverlauf im Schnittpunkt 14 auf die beiden Bereiche 26; 27 aufgeteilt (vgl xxxxx).
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5 zeigt den Spannungsverlauf in einer Parallelkerbe 18 und einer Kreiskerbe 28 in einem Koordinatensystem. Auf der Y-Achse ist dabei der Spannungsverlauf 29 in N/mm*2 abgetragen und auf der X-Achse die Länge des Schenkels 16 des Zugtrajektors 10 bzw. des Drucktrajektors 11. In Anlehnung an die vorhergehende 4 ist in 5 dargestellt, dass der Spannungsverlauf 29 gemäß der Kreiskerbe 28 gegenüber der Parabelkerbe 18 zwei deutlich höhere Spannungsspitzen 30 (entspricht den Bereichen 26; 27 in 4) aufweist, die jeweils links und rechts neben dem Schnittpunkt 14 der beiden Schenkel 16 des Zugtrajektors 10 bzw. des Drucktrajektors 11 liegen (vgl. 4). Der Spannungsverlauf 29 gemäß der Parabelkerbe 18 weist gegenüber dem Spannungsverlauf 29 gemäß der Kreiskerbe 28 wesentlich geringere Spannungsspitzen 31 auf.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- (äußere) Querträger
- 2
- (mittlerer) Querträger
- 3
- Stoßbereich
- 4
- vertikaler Steg (von 2)
- 5
- vertikaler Steg (von 1)
- 6
- vertikaler Steg (von 7)
- 7
- Längsträger
- 8
- horizontale Schulter (von 1)
- 8'
- horizontale Schulter (von 2)
- 9
- Ebene des Querträgers 1, 2
- 10
- Zugtrajektor
- 11
- Drucktrajektor
- 12
- Ausgangspunkt
- 13
- Ausgangspunkt
- 14
- Schnittpunkt
- 15
- Durchbruch
- 16
- Schenkel
- 17
- Bereich des Schnittpunkts 14
- 18
- Parabelkerbe
- 19
- Gekrümmte Bahn/Kurve
- 20
- Verbindungsschuh
- 21
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- 22
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- 23
- Radius
- 24
- Zugtrajektor bzw. Drucktrajektor
- 25
- Bereich (yyyyy)
- 26
- Bereich (xxxxx)
- 27
- Bereich (xxxxx)
- 28
- Kreiskerbe
- 29
- Spannungsverlauf
- 30
- Spannungsspitze der Kreiskerbe
- 31
- Spannungsspitze der Parabelkerbe
- f
- Pfeil