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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur spanlosen, axial umformenden Ausbildung einer Innenverzahnung an einem Werkstück, insbesondere an einer Hohlwelle, mit einem Dorn, wobei der Dorn ein formgebendes, erstes Verzahnungsprofil aufweist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur spanlosen Ausbildung einer Innenverzahnung an einem Werkstück mittels einer Relativbewegung zwischen dem umzuformenden Werkstück und einem ein formgebendes erstes Verzahnungsprofil aufweisendem Dorn, wobei eine axiale Verlagerung des Werkstückes und/oder des Dornes erfolgt und wobei die Realisierung der Innenverzahnung durch Verformung eines Innenwandbereiches des Werkstückes mit Hilfe der zuvor genannten Vorrichtung erfolgt.
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Im Stand der Technik sind unterschiedliche Vorrichtungen und/oder Verfahren zur spanlosen Herstellung eines Profils, insbesondere einer Verzahnung bekannt. An Werkstücken, beispielsweise an Wellen vorgesehene Verzahnungen dienen beispielsweise in einem Antriebsstrang eines Fahrzeuges zur Momentenübertragung, wobei eine derartige Welle mit einer Außenverzahnung in eine Hohlwelle mit einer entsprechenden Innenverzahnung zur Herstellung eines Teil-Triebstranges einsteckbar ist. Bei derartigen Wellen handelt es sich um in großen Stückzahlen gefertigte Bauteile, wobei die Außenverzahnung einer ersten Welle in die Innenverzahnung einer zweiten Welle eingreift bzw. eingesteckt werden kann, um die Momentenübertragung zwischen den beteiligten Wellen zu realisieren. Das Einführen der Wellen ineinander, hier beispielsweise einer Vollwelle in eine Hohlwelle ist ein zeitaufwendiger Arbeitsschritt, da die Welle mit der Außenverzahnung exakt fluchtend zur Innenverzahnung der Hohlwelle ausgerichtet werden muss, da anderenfalls ein Fügen der beiden Verzahnungen nicht möglich ist. Kommt es daher beim Fügen zu einem Drehwinkelversatz der Außenverzahnung der ersten Welle zur Innenverzahnung der zweiten Welle, ist das Fügen nicht ohne weiteres möglich und eines der beiden Bauteile muss solange gedreht werden, bis der Drehwinkelversatz auf weitgehend Null verringert worden ist, damit ein Fügen möglich ist.
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Eine Verringerung der Zahnbreite über die ganze Länge des Zahnes eines der beiden Bauteile zur Erhöhung des Spiels beim Fügen stellt keine zufriedenstellende Lösung dar, da dies bei auftretenden Wechsellasten zur Geräuschbildung und zudem zu einem erheblichen Verschleißproblem führen würde. So kann beispielsweise ein einfacheres Fügen der beiden Bauteile dadurch erreicht werden, dass zumindest an einem der beiden Bauteile die Zahnbreite am Einführbereich der Zähne in die Gegenverzahnung verringert wird, die jeweiligen Zähne hier also am Einführbereich „spitz zulaufend“ ausgebildet werden, d. h. zwischen den Zahnflanken eines jeweiligen Zahnes der Verzahnung zumindest im Einführbereich dann ein entsprechender Winkel ausgebildet wird. Um nun eine Innenverzahnung an einem Werkstück herzustellen, sind im Stand der Technik unterschiedliche Vorrichtungen und/oder Verfahren bekannt:
- So beschreibt die DE 10 2009 045 137 A1 eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren, wobei die Stirnfläche der Innenverzahnung eines Werkstückes spanend mit einem Kegelfräser bearbeitet wird, wobei die Rotationsachse des Kegelfräsers parallel zur Längsachse der Verzahnung angeordnet ist und der Kegelfräser dann auf einer Kreisbahn auf einem bestimmten Umfangswinkel bis zum Erreichen der anfänglichen Umfangsposition geführt wird.
- So beschreibt die DE 197 50 184 A1 eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren, mit dessen Hilfe Innenprofile in rotationssymmetrischen Hohlformen durch plastisches Kaltumformen des Materials realisiert werden. Das Umformwerkzeug weist unterschiedliche Komponenten, unter anderem einen Profildorn auf, wobei die plastische Umformung in der Hohlform nur in dem Bereich zwischen Profildorn, einem Arbeitskegel und einem zylindrischen Bund realisiert wird.
- So zeigen die DE 10 2007 018 184 A1 bzw. die EP 1 005 932 A1 komplexere Vorrichtungen und/oder Verfahren zur Herstellung eines Innenprofils, insbesondere einer Innenverzahnung an einem Hohlzylinder, wobei grundsätzlich entweder durch ein in NC-gesteuertes Rundkneten die Innenverzahnung des Werkstücks hergestellt wird bzw. mehrere Arbeitsschritte für den Umformvorgang notwendig sind. Eine komplexere Vorrichtung bzw. ein komplexes Verfahren zur Herstellung eines Innenprofiles zeigt beispielsweise auch die DE 100 54 399 A1 .
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Aus der nachveröffentlichten
DE 10 2010 017 592 B4 ist es bekannt, auf einer Welle eine Außensteckverzahnung mit „spitz zulaufenden“ Zähnen auszubilden, indem ein Werkzeug, welches aus zwei ringförmigen, mittels eines Distanzrings axial voneinander beabstandeten, je ein Innenverzahnungsprofil aufweisenden Matrizen aufgebaut ist, umformend über die Welle geschoben wird. Das Profil der ersten Matrize korrespondiert im Wesentlichen mit der Grundform der auf der Welle auszubildenden Außensteckverzahnung; das Profil der zweiten Matrize weist sich axial verbreiternde Zähne auf, die dazu dienen, die mittels der ersten Matrize bereits geschaffenen Zähne auf der Welle zu der gewünschten, angespitzten Form umzuformen.
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Ausgehend vom bereits bekannten Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren derart auszugestalten und weiterzubilden, so dass die aufwendige Bearbeitung einer bereits fertig gestellten Verzahnung durch ein separates weiteres Werkzeug zur Ausbildung von „spitz zulaufenden“ Zähnen vermieden ist, insbesondere die damit verbundenen Kosten verringert sind.
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Die zuvor aufgezeigte Aufgabe ist nun - für die Vorrichtung - dadurch gelöst, dass der Dorn ein, im Abstand zum formgebenden ersten Verzahnungsprofil vorgesehenes formgebendes zweites Verzahnungsprofil aufweist, wobei das zweite Verzahnungsprofil seitliche Flanken mit sich verjüngendem Abstand aufweist und wobei die am Werkstück durch das erste Verzahnungsprofil ausgebildeten seitlichen Zahnflanken umformbar sind, nämlich mit Hilfe des zweiten Verzahnungsprofiles die Breite der durch das erste Verzahnungsprofil hergestellten Zähne des Werkstückes zumindest teilweise verringerbar ist.
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Weiterhin ist die zuvor aufgezeigte Aufgabe - für das Verfahren - nunmehr durch folgende Schritte gelöst:
- a) Verlagerung und/oder Bewegung des Werkstücks und/oder des Dorns derart, dass seitliche Zahnflanken der durch das erste Verzahnungsprofil hergestellten Verzahnung des Werkstückes in sich verjüngende Zwischenräume von Flanken des im Abstand zum ersten Verzahnungsprofil vorgesehenen, zweiten Verzahnungsprofils gelangen,
- b) Verlagerung und/oder Bewegung des Werkstücks und/oder des Dorns derart, dass die in den sich verjüngenden Zwischenräumen befindenden Zahnflanken des Werkstücks - relativ zum zweiten Verzahnungsprofil - um eine vorbestimmte Wegstrecke bewegt werden, um eine zumindest teilweise seitlich sich verjüngende Umformung der Zahnflanken des Werkstückes zu realisieren, und
- c) Herausbewegen des Dorns aus dem Werkstück mit der im Wesentlichen fertig umgeformten Innenverzahnung.
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Der Erfindung liegt zunächst das Prinzip zugrunde, dass ein Dorn vorgesehen ist, der einerseits ein formgebendes, erstes Verzahnungsprofil und andererseits zusätzlich noch ein formgebendes, zweites Verzahnungsprofil aufweist. Hierbei sind die beiden Verzahnungsprofile so an dem Dorn angeordnet bzw. ausgebildet, dass in Vorschubrichtung des Dorns - beispielsweise, wenn der Dorn in das Werkstück, insbesondere in eine Hohlwelle hinein bewegt wird - zunächst das erste Verzahnungsprofil des Dorns eine Verzahnung an der Innenwandung der Hohlwelle herstellt und dass dann bei der Bewegung des Dorns in die gleiche Richtung um eine weitere bestimmte Wegstrecke durch das zweite Verzahnungsprofil dann die bereits durch das erste Verzahnungsprofil hergestellten Zähne der - bereits teilweise hergestellten - Innenverzahnung nun mit Hilfe des zweiten Verzahnungsprofiles des Dorns dann zumindest teilweise verjüngend umgeformt werden, insbesondere „spitz zulaufend“ umgeformt werden. Hierzu ist das erste Verzahnungsprofil zu dem zweiten Verzahnungsprofil in einem bestimmten Abstand angeordnet, wobei der Dorn um eine bestimmte Wegstrecke in das Werkstück, hier in die Hohlwelle, hineinbewegt wird, um die Innenverzahnung mit den im Einführbereich dann „spitz zulaufenden“ Zähnen zu realisieren.
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Durch die Relativbewegung des Werkstücks zum Dorn, insbesondere durch die Vorschubrichtung des Dorns in Richtung auf das Werkstück, kommt dann das zweite Verzahnungsprofil in Kontakt mit den bereits durch das erste Verzahnungsprofil hergestellten Zähnen an der Innenwandung des Werkstücks, d. h. das erste Verzahnungsprofil wird daher zunächst als erstes in die Hohlwelle und das zweite Verzahnungsprofil als zweites, dem ersten Verzahnungsprofil folgend in die Hohlwelle eingeführt.
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Auf diese Weise werden vorzugsweise in einem Arbeitsgang und in einem Arbeitsschritt, insbesondere nur durch eine Vorschubbewegung, die Zahnflanken der Zähne des Werkstückes als spitz zulaufend plastisch umgeformt, ohne dass hier dann eine weitere Bearbeitung der so hergestellten Innenverzahnung des Werkstücks über eine weitere zusätzliche spanende oder spanlose Formgebung notwendig ist. Somit kann die Innenverzahnung und die seitliche Verjüngung der Zahnflanken der Innenverzahnung mittels nur einer Axialverlagerung (ein Hub) hergestellt werden. Dies erspart Arbeitsaufwand und Kosten, d. h. die eingangs genannten Nachteile sind vermieden und entsprechende Vorteile erzielt.
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In einer Weiterbildung der Vorrichtung ist vorgesehen, dass die seitlichen Flanken des zweiten Verzahnungsprofils als seitliche, sich zu einander verjüngende Flanken von entsprechenden, benachbarten Formgebungszähnen ausgebildet sind, insbesondere die Formgebungszähne, die in radialer Umfangsrichtung am Dorn vorgesehen sind - in Axialrichtung gesehen - dann einen sich verjüngenden Abstand zueinander aufweisen.
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Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann daher ein entsprechend ausgebildetes Werkstück mit einer Innenverzahnung, insbesondere eine eine Innenverzahnung aufweisende Hohlwelle, auf sehr einfache Art und Weise in einem Arbeitsgang hergestellt werden. Eine derartige Innenverzahnung weist dann einen Einführbereich mit „spitz zulaufenden Zähnen“ auf, so dass die oben beschriebenen Probleme beim Fügen entsprechender Wellen auch bei einem vorhandenen Drehwinkelversatz dann nicht mehr gegeben sind.
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Es gibt nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren in vorteilhafter Art und Weise auszugestalten und weiterzubilden. Hierfür darf zunächst auf die dem Patentanspruch 1 bzw. dem Patentanspruch 9 nachgeordneten Patentansprüche verwiesen werden. Im Folgenden werden nun bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung bzw. das grundlegende Prinzip der Erfindung anhand der nachfolgenden Beschreibung und der dazugehörigen Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
- 1 in schematischer Darstellung teilweise die Komponenten einer Vorrichtung, nämlich den Dorn, und hier als Werkstück die Hohlwelle von der Seite, ohne die Darstellung entsprechender Einspann- und/oder Vorschubkomponenten der Vorrichtung, wobei der Dorn kurz vor dem Eintauchen in die Hohlwelle dargestellt ist,
- 2 eine ähnliche schematische Darstellung zu 1, wobei allerdings der Dorn um eine definierte Wegstrecke in die Hohlwelle eingetaucht ist, von der Seite, mit einem teilweise zusätzlich ausgeschnittenen Bereich des Dorns,
- 3 in schematischer Darstellung den Dorn aus den 1 und 2 von der Seite ohne eine Einspannung und/oder Vorschubelemente.
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Die 1 bis 3 zeigen - zumindest teilweise - die wesentlichen Komponenten einer hier nicht im Einzelnen dargestellten Vorrichtung zur spanlosen axial umformenden Ausbildung einer Innenverzahnung 2 an einem Werkstück 1. Das Werkstück 1 ist hier insbesondere bei den hier gezeigten Ausführungsbeispielen als Hohlwelle 1a mit einer Öffnung 1b ausgebildet.
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Gut ersichtlich in den 1 bis 3 ist auch ein Dorn 3 mit dessen Hilfe die Innenverzahnung 2 an dem Werkstück 1 bzw. an der Hohlwelle 1a hergestellt wird. Hierzu weist der Dorn 3 zunächst ein formgebendes, erstes Verzahnungsprofil 4 mit Ausnehmungen 4a und Zähnen 4b auf.
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Wie die 1 bis 3 weiterhin deutlich machen wird dann mit Hilfe der hier nicht im einzelnen dargestellten Komponenten der Vorrichtung bzw. bei Durchführung des entsprechenden Verfahrens zur Ausbildung der Innenverzahnung 2 an dem Werkstück 1 eine Relativbewegung zwischen dem umzuformenden Werkstück 1 und dem Dorn 3 realisiert. Dies bedeutet, dass insbesondere eine axiale Verlagerung des Werkstückes 1 und/oder des Dornes 3 realisiert wird, wobei die Innenverzahnung 2 durch Verformung eines Innenwandbereiches des Werkstückes 1, insbesondere durch plastisches Umformen bzw. Kaltumformen realisiert wird.
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Die eingangs genannten Nachteile sind nun - bei der Vorrichtung - zunächst dadurch vermieden, dass der Dorn 3 ein im Abstand zum formgebenden ersten Verzahnungsprofil 4 vorgesehenes, zusätzliches, formgebendes, zweites Verzahnungsprofil 5 aufweist, wobei das zweite Verzahnungsprofil 5 seitliche Flanken 6 bzw. 7 mit sich verjüngendem Abstand aufweist und wobei die am Werkstück 1 durch das erste Verzahnungsprofil 4 ausgebildeten seitlichen Zahnflanken der Zähne des Werkstücks 1 umformbar sind, nämlich mit Hilfe des zweiten Verzahnungsprofils 5 die Breite der durch das erste Verzahnungsprofil 4 hergestellten Zähne zumindest teilweise verringerbar ist.
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Die Teile der in den 1 und 2 dargestellten Vorrichtung, insbesondere der eingespannte und/oder entsprechend angeordnete Dorn 3 bzw. das eingespannte Werkstück 1 wird bzw. werden nun entsprechend bewegt bzw. das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet nun insbesondere mit folgenden Schritten:
- Es erfolgt zunächst eine Verlagerung und/oder Bewegung des Werkstückes 1 und des Dorns 3 relativ zueinander derart, dass - wie dies aus dem Zusammenhang der 1 und 2 ersichtlich ist - der Dorn 3 in die Öffnung 1b der Hohlwelle 1a mit seinem Anfangsbereich eintaucht. Es erfolgt also eine Relativbewegung zwischen dem Werkstück 1 und dem Dorn 3. Hierbei entstehen bzw. werden durch das erste Verzahnungsprofil 4 des Dornes 3 Zähne im Bereich der Innenwandung des Werkstücks 1 hergestellt, nämlich durch das Kaltumformverfahren und durch die Verschiebung des Dornes 3 in das Werkstück 1. Auch eine umgekehrte Verschiebebewegung, also des Werkstückes 1 zu dem Dorn 3, ist denkbar bzw. auch eine Bewegung/Verschiebung des Werkstücks 1 und des Dorns 3 aufeinander zu, dies ist abhängig vom jeweiligen Anwendungsfall.
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Bei einer weiteren Verlagerung und/oder Bewegung des Werkstückes 1 und/oder des Dornes 3 kommen dann die seitlichen Zahnflanken der durch das erste Verzahnungsprofil 4 ausgebildeten Zähne des Werkstücks 1 in Eingriff bzw. in Kontakt mit dem zweiten Verzahnungsprofil 5 des Dornes 3. Das zweite Verzahnungsprofil 5 des Dornes 3 weist zumindest seitliche Flanken 6,7 auf, wobei die Zwischenräume dieser seitlichen Flanken 6,7 sich zueinander - vom ersten Verzahnungsprofil 4 in Richtung auf das zweite Verzahnungsprofil 5 betrachtet - verjüngen, also vom zweiten Verzahnungsprofil 5 in Richtung auf das erste Verzahnungsprofil 4 betrachtet, sich erweitern. In diese sich verjüngenden Zwischenräume dieser Flanken 6,7 gelangen demnach der Anfangsbereich (der spätere Einführbereich) der durch das erste Verzahnungsprofil 4 bereits hergestellten Zähne des Werkstückes 1.
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Es erfolgt dann eine Verlagerung und/oder Bewegung des Werkstücks 1 und/oder des Dorns 3 derart, dass die in den sich verjüngenden Zwischenräumen befindenden Zahnflanken der Zähne des Werkstücks 1 - relativ zum zweiten Verzahnungsprofil 5 - um eine vorbestimmte Wegstrecke bewegt werden, um eine zumindest teilweise seitlich sich verjüngende Umformung der Zahnflanken der Zähne des Werkstücks 1 zu realisieren. Hierbei wird die Breite der Zähne des Werkstückes 1 zumindest teilweise verringert, so dass hierdurch der Einführbereich mit den „spitz zu laufenden“ Zähnen hergestellt ist. Ist dies geschehen, wird anschließend der Dorn 3 aus dem Werkstück 1 herausbewegt, wobei eine im wesentlich fertig umgeformte Innenverzahnung 2 dann hergestellt bzw. erzeugt worden ist. Diese Innenverzahnung 2 weist dann im Bereich der Öffnung 1b der Hohlwelle 1a bzw. entsprechend spitz zulaufend geformte Zähne auf.
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Die Innenverzahnung 2 kann also in einem Arbeitsgang bzw. in einem Arbeitsschritt ohne großen Aufwand und Kosten hergestellt werden, wobei eine Innenverzahnung 2 erzeugt worden ist, mit deren Hilfe die Hohlwelle 1a sehr leicht mit einer eine korrespondierende Außenerzahnung aufweisenden Welle verbunden werden kann, auch wenn die dann zu verbindenden Wellen zueinander einen Drehwinkelversatz beim Fügen aufweisen sollten.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weist das zweite Verzahnungsprofil 5 einen sich in Richtung auf das erste Verzahnungsprofil 4 hin erstreckenden Einlaufbereich mit Formgebungszähnen 5a auf, wobei benachbarte Formgebungszähne 5a jeweils die seitlichen, sich verjüngenden Flanken 6, 7 aufweisen bzw. bilden, mit deren Hilfe die durch das erste Verzahnungsprofil 4 hergstellten Zähne des Werkstücks 1 umformbar sind bzw. deren Einführbereich realisiert werden kann, wie oben beschrieben. Zwischen den Formgebungszähnen 5a sind Ausnehmungen 5b vorgesehen.
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Um die Innenverzahnung 2 mit entsprechend spitz zu laufenden Zähnen herzustellen, ist das zweite Verzahnungsprofil 5 zum ersten Verzahnungsprofil 4 insbesondere derart fluchtend ausgerichtet, so dass die durch das erste Verzahnungsprofil 4 hergestellten Zähne des Werkstückes 1 in den Einlaufbereich zwischen die Formgebungszähne 5a gelangen können, wenn die relative Verschiebung zwischen dem Werkstück 1 und dem Dorn 3 stattfindet. Bei der Betrachtung der 1 und 2 ist nun denkbar bzw. vorstellbar, dass bei einer entsprechenden Vorrichtung der Dorn 3 fest eingespannt oder angeordnet und das Werkstück 1 zwar auch fest eingespannt, aber bewegbar ist, also das Werkstück 1 auf den Dorn zubewegt wird. Alternativ kann das Werkstück 1 fest eingespannt und der Dorn 3 bewegbar sein, also sich der Dorn 3 auf das Werkstück 1 zu bewegen. Weiterhin ist denkbar, dass beide Komponenten also sowohl das Werkstück 1 als auch der Dorn 3 jeweils fest eingespannt bzw. angeordnet sind, beide aber aufeinander zubewegbar sind. Dies ist abhängig von der jeweiligen spezifischen Ausbildung der Vorrichtung und der hier zur Verfügung stehenden Einspannkomponenten und/oder der zu realisierenden Bewegungsmotorik, also der Vorschubvorrichtungen bzw. Vorschubkomponenten.
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Wie die 3 deutlich zeigt, ist zwischen dem ersten und zweiten Verzahnungsprofil 4 und 5 des Dorns 3 ein Bereich mit verringertem Durchmesser vorgesehen. Weiterhin weist der Dorn 3 Bohrungen 8 bzw. Austrittsöffnungen 9 zum Durchtritt bzw. zum Transport von Schmierstoffen auf. Hierbei sind die Bohrungen 8 zum Transport des Schmierstoffes und/oder die Austrittsöffnungen 9 für den Auslass des Schmierstoffes, insbesondere in radialer Richtung ausgebildet. Entscheidend ist, dass mit Hilfe der entsprechenden Bohrungen 8 und/oder Austrittsöffnungen 9 Schmierstoff in den Bereich zwischen der Innenwandung des Werkstücks 1 und dem Außenbereich des Dorns 3 einbringbar ist, wenn der Dorn 3 hier in das Werkstück 1, also in die Öffnung 1b der Hohlwelle 1a eintaucht.
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Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann nun eine Innenverzahnung 2 mit in Richtung auf die Öffnung 1b spitz zu laufenden Zähnen ausgebildet werden, wobei nur ein Arbeitsgang realisiert werden muss, nämlich eine einzige Relativbewegung in eine Richtung zwischen dem Werkstück 1 und dem Dorn 3 realisiert werden muss, um die seitliche Verjüngung der Zahnflanken der Innenverzahnung 2 zu realisieren. Hierbei wird die seitlich verjüngende Umformung der Zahnflanken der Zähne des Werkstückes 1 mittels der Relativbewegung zwischen dem Werkstück 1 und/oder dem Dorn 3 um eine definierte Strecke dann durch das zweite Verzahnungsprofil 5 des Dorns 3 realisiert. Vorzugsweise wird während der Bewegung des Werkstücks 1 und/oder des Dorns 3 Schmierstoff auf die Innenwandung des Werkstücks 1 appliziert. Nach der Herstellung der Innenverzahnung 2, also nach der axialen Verlagerung des Werkstücks 1 bzw. des Dorns 3 in die in 2 gezeigte Endlage, kann der Dorn 3 wieder aus dem Werkstück 1, hier der Hohlwelle 1a herausgezogen werden und eine entsprechende oben geschilderte Innenverzahnung 2 ist auf einfache Art und Weise hergestellt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Werkstück
- 1a
- Hohlwelle
- 1b
- Öffnung
- 2
- Innenverzahnung
- 3
- Dorn
- 4
- erstes Verzahnungsprofil
- 4a
- Ausnehmungen
- 4b
- Zähne
- 5
- zweites Verzahnungsprofil
- 5a
- Formgebungszähne
- 5b
- Ausnehmung
- 6
- seitliche Flanken
- 7
- seitliche Flanken
- 8
- Bohrungen
- 9
- Austrittsöffnungen