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Die Erfindung betrifft eine Verbindungsanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Im Fahrwerksbereich eines Fahrzeugs, bspw. eines Personenkraftwagens gibt es bekanntlich eine Vielzahl von Fügepartnern, die lösbar miteinander verbunden sind. Als lösbares Befestigungselement kommt oder kommen dabei üblicherweise eine oder mehrere Schrauben zum Einsatz, wobei auch eine Schraubenmutter, die auf einen Gewindeabschnitt, welcher an einer der Fügepartner selbst vorgesehen ist, aufgebracht ist, unter den Begriff einer Schraube fallen soll. Je nachdem um welche Bauelemente es sich dabei handelt, müssen über eine solche Verbindungsanordnung auch höhere Kräfte übertragen werden.
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Beispielsweise gilt für dies für die Verschraubung eines Rads an einem Radträger (auch Achsschenkel oder Schwenklager genannt) oder an einem an diesem befestigten Bremsscheibentopf. Gleiches gilt für die Verschraubung eines Bremssattels oder anderer Teile des Fahrzeug-Bremssystems oder auch von radführenden Lenkern am Radträger, aber auch für einen Gelenkzapfen und/oder eine Gelenkzapfenmutter eines Kugelgelenks, welches einen Lenker mit dem Radträger verbindet. Vergleichbares gilt für Bauelemente, welche an einem Achsträger des Fahrzeugs befestigt sind. Ein solches Bauelement kann bspw. ein flächiges Strukturteil sein, welches dem Fachmann unter dem Begriff „Schubfeld” bekannt ist. Aber auch zwischen einem Getriebe oder einem Lenkgetriebe, welches an einem Achsträger befestigt ist und dem besagten Achsträger werden Kräfte von nennenswerter Höhe übertragen. Auch Lagerschellen, über welche bspw. ein Stabilisator an einem Achsträger gehalten ist, können höheren Kräften ausgesetzt sein, ebenso wie in ihrer Allgemeinheit bestimmte Gummilager, über die im Fahrwerksbereich eines Fahrzeugs ein erstes Bauelement an einem zweiten Bauelement gelagert ist. Das erste Bauelement kann dabei bspw. ein radführender Lenker und das zweite Bauelement abermals ein Achsträger sein. Als erstes Bauelement kann aber auch ein Schwingungstilger genannt werden, welcher an irgendeinem anderen Bauelement im Fahrwerksbereich befestigt ist.
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Wie bereits erwähnt handelt es sich bei den genannten lösbaren Befestigungselementen üblicherweise um Schrauben, die entweder in ein im jeweiligen Gegenstück geeignet eingebrachtes Gewinde oder in eine geeignet angeordnete Schraubenmutter eingeschraubt sind und dabei mit einem derartig hohen Drehmoment angezogen sein müssen, dass die Verbindungsanordnung zwischen den Fügepartnern ähnlich starr ist wie eine unlösbare bspw. Schweiß-Verbindung. Aus verschiedensten Gründen gilt es nämlich, auch noch so geringe Relativbewegungen zwischen den miteinander verbundenen Fügepartnern zu vermeiden. Es muss nämlich funktionsbedingt in jedem der vorstehend aufgezählten Anwendungsfälle eine starre Abstützung geschaffen sein, die insbesondere auch nicht irgendwelche Knackgeräusche, die aus Mikrobewegungen bzw. kleinsten (Mikro-)Schwingungen zwischen diesen verbundenen aufgrund der im Fahrbetrieb des Fahrzeugs in den verschiedensten Richtungen zu übertragenden Kräfte bzw. Momente zwischen den besagten Fügepartnern bzw. Bauteilen resultieren, entstehen lässt. Neben der Geräuschproblematik ist die zuverlässige Kraft- oder Momentenübertragung bei vielen Bauteilen ein noch viel wichtigerer Aspekt. Nur beispielsweise gilt dies für ein genanntes Schubfeld, welches einem Achsträger eine erhöhte Festigkeit und Steifigkeit verleiht, indem dessen einzelne Träger verbessert gegeneinander abgestützt sind somit für die Steifigkeit des Fahrzeugs in seiner Gesamtheit von signifikanter Bedeutung sind. Daher muss auch eine solche Verbindungsanordnung maximal steif gestaltet sein, was bislang aber nur mithilfe starker und groß dimensionierter Verbindungsschrauben möglich ist, vgl. hierzu auch die folgenden Ausführungen.
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An Verbindungsanordnungen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 kann weiterhin das Problem auftreten, dass die lösbaren Befestigungselemente, üblicherweise mehrere Schrauben, nicht in der Lage sind, einer äußeren Scherbelastung in ausreichendem Maße stand zu halten. Solche Verschraubungen sind üblicherweise kraftschlüssig auf Scherbelastung ausgelegt, womit die Widerstandskraft gegen Scherbelastung von der Schrauben-Vorspannkraft und dem Reibwert zwischen Verbindungs-Partnern abhängig ist. Bei höherer Scherbelastung müssen daher die Schrauben bei gleichbleibenden Reibwerten größer dimensioniert werden. Dies ist aber nicht immer einfach darstellbar, sondern kann weitreichende Änderungen im Bereich der Verbindungsanordnung, insbesondere auch hinsichtlich des Bauraums, erforderlich machen. Auch würden damit Gewicht und Kosten stark erhöht.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diese geschilderte Problematik zu vermeiden, d. h. bei Vorliegen einer erhöhten Scherbelastung keinen größeren Bauraum für die lösbaren Befestigungselemente zu benötigen bzw. eine weitere wirkungsvolle Maßnahme aufzuzeigen, mit Hilfe derer die geschilderten (im Fahrbetrieb des Fahrzeugs gelegentlich auftretenden) Mikrobewegungen in einer Verbindungsanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 verhindert werden können.
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Die Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, dass auf die Kontaktfläche zumindest eines der Fügepartner vor der Herstellung der Verbindungsanordnung und somit vor der verspannenden Montage der Fügepartner und des Befestigungselements Hartpartikel aufgebracht sind, welche als Folge der verspannenden Montage zumindest teilweise in die jeweils andere Kontaktfläche hineinragen. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche. Insbesondere ist damit auch ein Verfahren zum Herstellen einer Verbindungsanordnung beansprucht, welches zumindest ein in den Vorrichtungsansprüchen enthaltenes verfahrenstechnisches Merkmal umsetzt.
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Erfindungsgemäß wird der Reibwert zwischen den gegeneinander verspannten Kontaktflächen der Fügepartner, welche mittels zumindest eines lösbaren Befestigungselements gegeneinander verspannt sind, erhöht, indem auf zumindest einer dieser Kontaktflächen bereits vor dem Zusammenbau der Verbindungsanordnung sog. Hartpartikel aufgebracht sind, die sich dann während des Zusammenbaus, d. h. beim Verspannen im Rahmen der Montage der Fügepartner sowie des Befestigungsmittels in die jeweils gegenüberliegende Kontaktfläche zumindest teilweise eingraben.
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Zur Reduzierung oder Vermeidung irgendwelcher noch so kleiner Relativbewegungen zwischen den besagten Bauteilen bzw. Fügepartnern (im weiteren werden die Begriffe „Fügepartner” und „Bauteil” oder „Bauelement” gleichbedeutend verwendet, ohne dass hierdurch irgend eine Unterscheidung ausgedrückt werden soll) im erfindungsgemäßen Verbindungsbereich wird somit die Oberflächenbeschaffenheit zumindest eines dieser Bauteile bzw. Fügepartner mittels Aufbringung von Hartpartikeln auf die bspw. Kontaktfläche gezielt angepasst, derart, dass der Reibwert zwischen den Kontaktflächen erhöht wird, und zwar durch zusätzlichen Formschluss. Im Mikrobereich gesehen furchen sich nämlich beim Verspannen dieser besagten Bauteile bzw. Fügepartner gegeneinander die erfindungsgemäß vorgesehenen Hartpartikel in die Oberflächenstruktur des jeweils anderen Bauteils ein und erzeugen quasi einen Mikroformschluss.
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Dabei sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass zumindest eines der gegeneinander verspannten Bauteile mit einer irgendwie gearteten Beschichtung versehen sein kann. Beispielsweise kann zumindest eines der Bauteile lackiert sein – im Fahrzeugbau handelt es sich dabei bekanntlich üblicherweise um eine KTL-Beschichtung. Eine solche Beschichtung ist für die korrekte Auslegung der Patentansprüche (und insbesondere des Patentanspruchs 1) als zur „Kontaktfläche” gehörend zu verstehen. Es kann also ausreichend sein, wenn die erfindungsgemäß vorgesehenen Hartpartikel sich nur in der Beschichtung eines der Bauteile befinden oder nur in die Beschichtung eines der Bauteile eindringen bzw. hineinragen, da bereits hierdurch eine Erhöhung des Reibwertes zwischen den besagten Bauteilen erzielbar ist. Es kann aber auch vorgesehen sein, die Hartpartikel derart zu dimensionieren und aufzubringen – auf letzteres wird an späterer Stelle noch näher eingegangen –, dass diese die besagte Beschichtung (bspw. KTL-Schicht) durchdringen und zumindest geringfügig in die eigentliche (per se bzw. zunächst unbeschichtete) Oberfläche des jeweiligen Bauteils eindringen.
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Als Material für die Hartpartikel kann bspw. Siliciumcarbid zum Einsatz kommen, wobei solche Hartpartikel (aus beliebigem geeignetem Material) bspw. eine Größe („Durchmesser”) von mehreren (bspw. 1–70) Mikrometern aufweisen können und sich nicht nur durch besonders hohe Härte sondern vorzugsweise auch durch ausgesprochen starke Scharfkantigkeit auszeichnen, d. h. es weist deren Oberfläche vorzugsweise eine Vielzahl von Ecken und Kanten auf. Es ist bekannt, dass beispielsweise Sliciumcarbid plasmatechnologisch extrem gut haltbar auf Oberflächen aufgebracht werden kann, vgl. die sog. „Plasma-Grip” Technologie der efc plasma GmbH, Ingolstadt. Dabei sind diese Hartpartikel mittels einer Nickel-Haftvermittlerschicht auf der plasmatechnologisch beschichteten Oberfläche gehalten. Ausdrücklich darauf hingewiesen sei, dass mit der Angabe dieses Beispiels die vorliegende Erfindung jedoch keineswegs auf solche Hartpartikel beschränkt ist; vielmehr können diverse andere Materialien und Verfahren zum Einsatz kommen, mittels derer ausreichend harte Partikel, die beim Verspannen einer mit solchen Partikeln beschichteten Oberfläche bzw. Kontaktfläche eines ersten Fügepartners gegen einen bspw. aus einer (relativ weicheren) Aluminium-Legierung bestehenden Fügepartner in dessen Oberfläche bzw. Kontaktfläche zumindest teilweise eindringen. Dabei wird ein Formschluss erzeugt, indem die Hartpartikel anteilig zumindest in das jeweilige andere Bauteil gepresst werden. Vergrößert wird weiterhin durch diese Hartpartikel die Gesamtfläche, über welche die beiden Bauteile miteinander in Verbindung stehen, was eine zusätzliche Steigerung der zwischen diesen Bauteilen wirkenden Reibkraft bewirkt.
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Besonders wirkungsvoll ist eine erfindungsgemäß aufgebrachte Schicht von Hartpartikeln naturgemäß dann, wenn die Hartpartikel zumindest annähernd abriebfest auf zumindest einer der besagten Flächen aufgebracht sind. Dies ist bspw. dadurch realisierbar, dass die Hartpartikel durch ein Strahlverfahren wie Druckstrahlen oder Injektorstrahlen oder Plasmastrahlen aufgebracht werden. Damit ist es nämlich möglich, die Hartpartikel zunächst mit einem solch hohen Druck auf die Kontaktfläche des ersten Fügepartners aufzubringen, dass sie anteilig in diese(n) eindringen und gleichzeitig anteilig aus dieser Kontaktfläche herausragen. Wird danach dieser erste Fügepartner am zweiten Fügepartner montiert, so dringen mit dem Verspannen über die Befestigungselemente bzw. Befestigungsschrauben die aus der Kontaktfläche des ersten Fügepartners herausragenden Teile der Hartpartikel in das demgegenüber möglicherweise weichere Material des zweiten Fügepartners ein.
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Wie bereits weiter oben ausgeführt kann bei einer erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung zumindest einer der Fügepartner bzw. dessen Kontaktfläche eine Beschichtung, insbesondere eine KTL-Beschichtung (= kathodische Tauchlackierung) aufweisen. Dabei bestehen verschiedene Möglichkeiten. So kann der erste Fügepartner mit Hartpartikeln beschichtet sein bzw. werden, während der zweite Fügepartner eine KTL-Beschichtung aufweist. Bei der Montage der Verbindungsanordnung, d. h. beim Zusammenbau dieser Fügepartner können die Hartpartikel des ersten Fügepartners entweder nur in die KTL-Beschichtung des zweiten Fügepartners eindringen oder diese Beschichtung durchdringen und weiterhin in die eigentliche Oberfläche (= diejenige ohne Beschichtung) des zweiten Fügepartners bis zu einem gewissen Ausmaß eindringen. In beiden Fällen wird durch die Hartpartikel ein Mikroformschluss erzeugt und als Folge dessen der Reibwert zwischen den Fügepartnern erhöht. Besonders intensiv ist diese Erhöhung naturgemäß im vorstehend zweitgenannten Fall, nämlich dass die Hartpartikel die Beschichtung durchdringen und die die eigentliche Oberfläche des zweiten Fügepartners eindringen; hierfür jedoch sollte aber die von der Oberfläche des ersten Fügepartners abragende Höhe der Hartpartikel größer sein als die Dicke bzw. Höhe der KTL-Beschichtung des zweiten Fügepartners. Alternativ können zunächst auf den ersten Fügepartner die Hartpartikel aufgebracht werden, wonach auf die soweit vorbereitete Fläche (= Fügefläche) auch noch eine Beschichtung (KTL-Beschichtung aufgebracht wird). In diesem Falle sollte vorzugsweise die von der eigentlichen (zunächst unbeschichteten) Oberfläche des ersten Fügepartners abragende Höhe der Hartpartikel größer als die Dicke bzw. Höhe der Beschichtung sein, damit die Hartpartikel des ersten Fügepartners aus dessen Beschichtung herausragen und beim Zusammenbau der Fügepartner in das Material des zweiten Fügepartners zumindest geringfügig eindringen können. Als Folge wird auch hier wieder ein Mikroformschluss erzeugt und der Reibwert zwischen den Fügepartnern stark erhöht, wobei ein solcher Effekt verringert auch dann eintritt, wenn die Hartpartikel zunächst nicht nennenswert aus der Oberfläche des beschichteten Fügepartners herausragen, da beim Verspannen der beiden Fügepartner gegeneinander die Beschichtung bekanntlich geringfügig komprimiert (und damit die Schicht dünner) wird. Weiter alternativ können die Hartpartikel auf die bereits mit einer Beschichtung (wie einer KTL-Schicht) versehene relevante Fläche des ersten Fügepartners aufgebracht werden, ehe dieser mit dem zweiten Fügepartner verspannt wird. Auch hierbei sollte gewährleistet sein, dass die Hartpartikel zumindest geringfügig aus der Beschichtung herausragen, was aber durch geeignetes Aufbringen der Hartpartikel unter Berücksichtigung der Härte der eigentlichen Oberfläche gezielt eingestellt werden kann. Aber auch wenn die Hartpartikel im wesentlichen vollständig in die Beschichtung eindringen, können diese beim Verspannen der beiden Fügepartner immer noch die Wirkung entfalten, da die Dicke der Beschichtung durch das Verspannen der beiden Bauteile (Fügepartner) ja geringfügig reduziert wird, während die Höhe der Hartpartikel beim Verspannen keine Veränderung erfährt. Schließlich besteht noch die Möglichkeit, dass beide Fügepartner mit einer Beschichtung versehen sind oder versehen werden. In diesem Falle sollten idealerweise die Hartpartikel groß genug sein, um beide Beschichtungen zu durchdringen und damit einen (o. g.) intensiven Mikroformschluss erzeugen zu können; analog vorstehenden Ausführungen können die Hartpartikel aber auch nur in den Beschichtungen der Fügepartner wirken oder auch nur in der Beschichtung eines der beiden Fügepartner, während sie in den anderen Fügepartner teilweise eindringen. In jedem Fall wird eine gewünschte Erhöhung des Reibwertes zwischen den Fügepartnern erreicht.
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Es können die Hartpartikel beim weiter oben erläuterten Strahlen bzw. Strahlauftragen auf eines der Bauteile durch geeignete Steuerung des Strahles gezielt mit einem derartigen Impuls auf oder in das jeweilige Bauteil aufgebracht oder eingebracht werden, dass diese Hartpartikel bezogen auf ihre Abmessung zumindest annähernd hälftig in das Bauteil eindringen und zumindest annähernd hälftig aus dessen relevanter Fläche (mit oder ohne eventueller Beschichtung) herausragen. Vorstehend wurden bereits einige mögliche Strahlverfahren genannt, mittels derer Hartpartikel erfindungsgemäß auf zumindest eines der besagten Bauteile bzw. einen der besagten Fügepartner aufgebracht werden können. Was das genannte Plasmastrahlen betrifft, so können hierbei das Plasma-Atmosphärendruckstrahlverfahren, das Niederdruckplasmastrahlverfahren oder das Vakuumplasmastrahlverfahren vorteilhafterweise verwendet werden.
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Als weitere beispielhafte Materialien für die erfindungsgemäß vorgesehenen Hartpartikel können NiSiC oder ein Nickel-Diamant-Pulver genannt werden, weiterhin Stahl bspw. in Form von kantigen Partikeln aus Edelstahlguss (Cr-Grit genannt), kantiger Hartguss (mit martensitischem Gefüge) oder Korund-Partikel (aus Aluminiumoxid mit SiO2-Anteil). Grundsätzlich können demnach Hartpartikel auf einem härteren Material eines der beiden Bauteile bzw. Fügepartner aufgebracht sein, welche dann in ein weicheres Material des anderen Bauteils bzw. Fügepartners eindringen, jedoch ist eine solche Materialzuordnung oder Materiakombination keineswegs obligatorisch. Vorzugsweise – aber ausdrücklich nicht obligatorisch – können die Hartpartikel zumindest annähernd abriebfest auf zumindest einer der besagten Flächen aufgebracht sein, bspw. wie bereits erwähnt mittels eines Strahlverfahrens. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, solche Hartpartikel nur geringfügig haftend auf zumindest einer der besagten Oberflächen aufzutragen, wonach sich diese beim Verspannen der Bauteile gegeneinander gleichzeitig in beide Oberflächen anteilig eingraben können. Lediglich der Vollständigkeit halber sei noch auf die vorliegenden Verfahrensansprüche verwiesen, wobei anstelle einer Vorrichtung grundsätzlich ein Verfahren beansprucht werden kann, indem anstelle des Merkmals, dass Hartpartikel aufgebracht sind, beansprucht wird, dass Hartpartikel aufgebracht werden.
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Eine erfindungsgemäße Verbindungsanordnung kann beispielsweise bzw. vorzugsweise zwischen einer der folgenden Paarungen von Fügepartnern im Fahrwerksbereich eines Fahrzeugs vorgesehen sein: Zwischen einem Fahrzeug-Rad, welches am Radträger oder Achsschenkel oder Schwenklager oder an dessen Bremsscheibentopf befestigt ist. Zwischen einem Bremssattel oder einem anderen Bauelement des Fahrzeug-Bremssystems, welches am Radträger oder dgl. befestigt ist. Zwischen einem Gelenkzapfen und/oder einer Gelenkzapfenmutter eines Kugelgelenks, welches am Radträger oder dgl. befestigt ist und bspw. einen radführenden Lenker mit dem Radträger verbindet. Direkt zwischen einem radführenden Lenker und einem Radträger. Zwischen einem flächigen Strukturteil bzw. Schubfeld und einem Achsträger. Zwischen einem Getriebe oder Lenkgetriebe und einem Achsträger. Zwischen Lagerschellen für die Lagerung eines Stabilisators und einem Achsträger. Allgemein zwischen einem Gummilager zur Lagerung eines ersten Bauelements an einem zweiten Bauelement.
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Die beigefügten 1–3 zeigen lediglich prinzipiell stark vergrößerte Ausschnitte eines Schnitts im Verbindungsbereich zwischen einem zweiten Fügepartner 2 und einem ersten Fügepartner 1 einer erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung, wobei der zweite Fügepartner 2 mit seiner Kontaktfläche 2a auf der Gegenfläche bzw. Kontaktfläche 1a des ersten Fügepartners 1 aufliegt. In den Figuren nicht gezeigt ist eine Schraubverbindung mittels einer oder mehrerer Schraube(n) als lösbarem) Befestigungselement(e), über welche der zweite Fügepartner 2 nach Art einer Flanschverbindung gegen den ersten Fügepartner 1 verspannt und an diesem gehalten ist. Auf die Kontaktfläche 1a des ersten Fügepartners 1 wurden vor der Herstellung dieser Schraub-Verbindungsanordnung und somit vor der Montage des zweiten Fügepartners 2 am ersten Fügepartner 1 Hartpartikel 3 aufgebracht, welche durch die verspannende Montage zumindest teilweise in die Gegenfläche bzw. Kontaktfläche 2a des zweiten Fügepartners 2 hineinragen, wie sämtliche Figuren zeigen.
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Bei sämtlichen Figuren sind die Hartpartikel 3 auch über eine Nickel-Haftvermittlerschicht 4 auf der Kontaktfläche 1a gehalten – aufgrund dieser dünnen Nickel-Haftvermittlerschicht 4 ist zwischen den beiden Bauteilen 1, 2 ein hier deutlich vergrößert dargestellter Mikrospalt geschaffen. In der Realität ist dieser Mikrospalt praktisch nicht vorhanden bzw. es kann dieser gegen „Null” gehen. Insbesondere muss eine solche Haftvermittlerschicht nicht vorhanden sein, vielmehr handelt es sich hier um ein fakultatives Merkmal.
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Gemäß 1 weist keiner der Fügepartner 1, 2 eine weitere Beschichtung auf, während gemäß den 2, 3 jeder Fügepartner 1, 2 mit einer weiteren Beschichtung 15 bzw. 25 versehen ist, bei welcher es sich beispielsweise um eine KTL-Beschichtung handeln kann. Sowohl bei 2 als auch bei 3 sind die Hartpartikel 3 mit ihrer (fakultativen) Haftvermittlerschicht 4 auf den bereits mit der Beschichtung 15 versehenen Fügepartner 1 aufgetragen. Der Unterschied zwischen 2 und 3 besteht darin, dass bei 2 aufgrund des Verspannens der Fügepartner 1, 2 gegeneinander die Hartpartikel 3 des Fügepartners 1 die Beschichtung 25 des Fügepartners 2 durchdringen, während sie bei 3 nur in die Beschichtung 25 des Fügepartners 2 eindringen ohne in dessen eigentliche Oberfläche, d. h. diejenige ohne Beschichtung 25, einzudringen. Der erfindungsgemäße Effekt jedoch stellt sich mehr oder weniger bei sämtlichen Ausführungsformen ein, insbesondere auch bei denjenigen, die vor der Figurenbeschreibung nur mit Worten beschrieben sind.
