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Die Erfindung betrifft einen Druckgasspeicher mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Der Druckgasspeicher ist insbesondere zur Bevorratung von Wasserstoff oder Erdgas an Bord eines Fahrzeugs geeignet. Da hierin ein bevorzugter Anwendungsbereich eines erfindungsgemäßen Druckgasspeichers gesehen wird, betrifft die Erfindung ferner ein Fahrzeug mit einem derartigen Druckgasspeicher.
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Stand der Technik
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Druckgasspeicher für Fahrzeuge können einen oder mehrere Druckgasbehälter umfassen. Das heißt, dass je nach Fahrzeugtyp die Größe des Druckgasspeichers variieren kann. Gleiches gilt in Bezug auf den für die Aufnahme des Druckgasspeichers verfügbaren Bauraum. In der Regel wird der Druckgasspeicher im Bereich des Fahrzeugunterbodens positioniert, und zwar meist im Bereich der hinteren Achse.
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In einem Druckgasbehälter eines derartigen Druckgasspeichers wird das jeweilige Gas unter einem hohen Druck gespeichert. Bei Wasserstoff kann der Druck im Druckgasbehälter beispielsweise bis zu 700 bar betragen. Aufgrund der hohen Drücke werden daher an den einzelnen Druckgasbehälter hohe Sicherungsanforderungen gestellt.
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Um diese zu erfüllen, werden in der Regel Sicherheitsmagnetventile zum Verschließen eines Druckgasbehälters eingesetzt, die im stromlosen Zustand geschlossen sind. Dadurch ist sichergestellt, dass bei fehlender Stromzufuhr, zum Beispiel aufgrund eines Defekts, wie beispielsweise eines Kabelbruchs, kein Gas austritt. Üblicherweise ist bzw. sind zudem ein Temperatur- und/oder Druckbegrenzungsventil vorgesehen, um den Druckgasbehälter gegenüber kritischen Temperatur- und/oder Druckerhöhungen abzusichern.
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Bislang weitgehend außer Acht gelassen wurde jedoch das Crashverhalten von Druckgasbehältern bzw. Druckgasspeichern. Hier verlässt man sich weitgehend auf die Deformation der Fahrzeugstruktur ohne zusätzliche Maßnahmen für die Druckgasbehälter bzw. den Druckgasspeicher vorzusehen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Crashverhalten eines Druckgasbehälters bzw. Druckgasspeichers an Bord eines Fahrzeugs zu verbessern.
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Zur Lösung der Aufgabe wird der Druckgasspeicher mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Ferner wird ein Fahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Druckgasspeicher angegeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Der vorgeschlagene Druckgasspeicher umfasst mindestens einen Druckgasbehälter zur Bevorratung eines Gases, wie beispielsweise Wasserstoff oder Erdgas, an Bord eines Fahrzeugs. Erfindungsgemäß weist der Druckgasspeicher eine mehrteilige Trägerstruktur zur Befestigung am Fahrzeug und zur Aufnahme des mindestens einen Druckgasbehälters auf, wobei mindestens zwei Teile der mehrteiligen Trägerstruktur relativ zueinander beweglich, insbesondere gegeneinander verschiebbar und/oder verschwenkbar, sind, so dass bei eingebautem Druckgasspeicher der mindestens eine Druckgasbehälter durch äußere Krafteinwirkung eine Lageänderung erfährt.
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Der mindestens eine Druckgasbehälter des vorgeschlagenen Druckgasspeichers wird demnach nicht starr verbaut, sondern beweglich. Die Beweglichkeit ist über die Trägerstruktur des Druckgasspeichers gewährleistet, mittels welcher der Druckgasspeicher beim Einbau am Fahrzeug befestigt wird. Sie ermöglicht, dass der Druckgasspeicher bei einem Fahrzeugcrash ausweichen bzw. sich aus dem Gefahrenbereich herausbewegen kann. Die hierzu benötigte äußere Krafteinwirkung wird über den Crash selbst erzeugt.
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Ein Fahrzeug wird beim Auffahren auf ein Hindernis oder ein weiteres Fahrzeug stark abgebremst. Die Bewegungsenergie wird dabei in Verformungsenergie umgewandelt. Das heißt, dass sich die Fahrzeugstruktur verformt. Die Stärke der Verformung hängt von der Wucht des Aufpralls ab. Diese wiederum hängt, unter anderem, von der ursprünglichen Geschwindigkeit des Fahrzeugs ab. Bei einer sehr starken Verformung der Fahrzeugstruktur besteht bei starr verbauten Druckgasbehältern die Gefahr, dass die Verformungsenergie in diese eingeleitet wird und diese beschädigt, so dass Gas austritt. Dies gilt es zu vermeiden.
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Dadurch, dass der mindestens eine Druckgasbehälter des vorgeschlagenen Druckgasspeichers nicht starr verbaut ist, sondern beweglich und somit aus dem Gefahrenbereich bewegt werden kann, wird keine Verformungsenergie in den Druckgasbehälter eingeleitet. Auf diese Weise können Schäden, wie beispielsweise Lecks, am Druckgasbehälter vermieden werden.
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Die Trägerstruktur des erfindungsgemäßen Druckgasspeichers erfüllt somit mehrere Aufgaben. Sie dient der Aufnahme des mindestens einen Druckgasbehälters und bildet zugleich einen Schutzrahmen aus. Des Weiteren dient sie als Krafteinleitungselement der Verschiebekräfte bei einem Unfall.
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Vorteilhafterweise ermöglicht die Trägerstruktur eine Bewegung des mindestens einen Druckgasbehälters in zumindest zwei Raumrichtungen, vorzugsweise in drei Raumrichtungen. Die Raumrichtungen verlaufen jeweils senkrecht zueinander und werden nachfolgend mit x, y, und z bezeichnet. Die Raumrichtungen x und y liegen vorzugsweise in einer horizontalen Ebene. Die Raumrichtung z erstreckt sich vorzugsweise in vertikaler Richtung.
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Die Beweglichkeit des Druckgasbehälters in zumindest zwei Raumrichtungen, vorzugsweise x und y, ermöglicht ein Ausweichen in einer beliebigen Richtung innerhalb der durch die Raumrichtungen x und y aufgespannten, vorzugsweise horizontalen Ebene. Sofern zusätzlich die Beweglichkeit in der dritten Raumrichtung gegeben ist, kann der Druckgasbehälter während der Lageänderung Hindernissen ausweichen, die den Bewegungsraum des Druckgasbehälters innerhalb des Fahrzeugs begrenzen. Dies kann je nach Fahrzeugtyp oder Bauart eine Strebe, eine Schwelle oder eine Achse sein. Die Beweglichkeit des mindestens einen Druckgasbehälters in drei Raumrichtungen vergrößert somit den Bewegungsraum des Druckgasbehälters.
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Die Beweglichkeit des mindestens einen Druckgasbehälters des vorgeschlagenen Druckgasspeichers kann durch verschiedene Maßnahmen realisiert werden. Nachfolgend werden einzelne Maßnahmen genannt, die auch kumulativ bei dem vorgeschlagenen Druckgasspeicher zum Einsatz gelangen können.
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Bevorzugt ist mindestens ein bewegliches Teil der Trägerstruktur über ein Lager auf einem weiteren Teil der Trägerstruktur gelagert. Das Lager kann beispielsweise ein Reib-, Gleit-, Kugel- oder Rollenlager sein. Im einfachsten Fall bilden die beiden Teile selbst das Lager aus. Das Lager kann derart ausgebildet sein, dass es eine Bewegung des mindestens einen Druckgasbehälters nur zulässt, wenn die äußere Krafteinwirkung derart hoch ist, dass sie auf einen Unfall zurückzuführen ist. Dadurch kann verhindert werden, dass sich der mindestens eine Druckgasbehälter im Normalbetrieb des Fahrzeugs in Bewegung setzt. Im Fall eines Reiblagers kann dies beispielsweise über die Reibung zwischen den beiden Reibpartnern eingestellt werden. Ferner wird vorgeschlagen, dass nicht nur ein Lager, sondern mindestens zwei Lager zur Lagerung eines beweglichen Teils der Trägerstruktur vorgesehen sind.
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Weiterhin bevorzugt ist mindestens ein bewegliches Teil der Trägerstruktur über eine Führung, beispielsweise eine Schiene, einen Bolzen und/oder eine Nut, oder über eine Kinematik, beispielsweise ein Teleskopgestänge oder Scherengitter, mit einem weiteren Teil der Trägerstruktur verbunden. Die Führung bzw. Kinematik stellt eine definierte und damit kontrollierte Bewegung des mindestens einen Druckgasbehälters sicher. Denn dieser darf sich nur innerhalb eines bestimmten Bewegungsraums bewegen, der als Freiraum im Fahrzeug ausgebildet ist. Andernfalls könnte der ausrückende Druckgasbehälter unzulässig stark beschädigt werden und/oder Teile des Fahrzeugs beschädigen.
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Die Beweglichkeit des mindestens einen Druckgasbehälters in alle drei Raumrichtungen kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass mindestens zwei relativ zueinander bewegliche Teile der Trägerstruktur zusammenwirkende Lagerflächen aufweisen, die vorzugsweise in einem Winkel α gegenüber einer Bewegungsrichtung des sich bewegenden Teils geneigt sind. Die Neigung der Lagerflächen führt dazu, dass sich diese bei einer Bewegung keilartig aufeinander schieben, so dass sich die Höhenlage des mindestens einen Druckgasbehälters ändert. Der Winkel α bestimmt dabei das Maß der Höhenänderung.
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Als weiterbildende Maßnahme wird vorgeschlagen, dass mindestens zwei relativ zueinander bewegliche Teile der Trägerstruktur zusammenwirkende Lagerflächen aufweisen, die jeweils nur partiell in einem Winkel α geneigt sind und im Übrigen parallel oder in einem Winkel β zur Bewegungsrichtung eines Teils geneigt sind. Beispielsweise können zusammenwirkende Lagerflächen zweier Teile der Trägerstruktur eine Doppelkeilgeometrie aufweisen. Das heißt, dass die Lagerflächen jeweils zwei gegeneinander geneigte Ebenen ausbilden.
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Des Weiteren bevorzugt sind mindestens zwei relativ zueinander bewegliche Teile der Trägerstruktur übereinanderliegend angeordnet, zumindest beim Einbau, das heißt vor einer Bewegung eines beweglichen Teils relativ zu einem anderen Teil der Trägerstruktur. Besonders bevorzugt sind mindestens drei Teile übereinanderliegend angeordnet, wobei vorzugsweise ein mittleres Teil einerseits mindestens eine Lagerfläche aufweist, die mit einer Lagerfläche eines darunterliegenden Teils zusammenwirkt, andererseits mindestens eine Lagerfläche aufweist, die mit einer Lagerfläche eines darüber liegenden Teils zusammenwirkt. Die Lagerflächen können in diesem Fall derart ausgebildet sein, dass ein an einem ersten Teil der Trägerstruktur befestigter Druckgasbehälter durch die Bewegung des ersten Teils gegenüber einem zweiten Teil in eine erste Richtung ausgerückt wird und über die Bewegung des zweiten Teils gegenüber einem dritten Teil in eine zweite Richtung ausgerückt wird. Die beiden Richtungen liegen in diesem Fall bevorzugt senkrecht zueinander. Weisen die Lagerflächen zugleich eine Neigung auf, ändert sich die Lage des Druckgasbehälters in alle drei Raumrichtungen.
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Sofern die relativ zueinander beweglichen Teile der Trägerstruktur übereinanderliegend angeordnet sind, kann der mindestens eine Druckgasbehälter darüber oder darunter angeordnet sein. Das heißt, dass er vorzugsweise auf der Trägerstruktur aufliegt oder an dieser hängt. Auf diese Weise kann ein kompakt bauender Druckgasspeicher geschaffen werden, der zumindest in eingerücktem Zustand wenig Bauraum erfordert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Trägerstruktur zur Aufnahme des mindestens einen Druckgasbehälters ein Anschlussteil auf. Über das Anschlussteil ist beispielsweise die Anbindung des Druckgasbehälters an ein Brennstoffzellensystem des Fahrzeugs realisierbar. Ebenso können elektrische Schnittstellen über das Anschlussteil realisiert werden. Über ausreichende Leitungslängen der von dem Anschlussteil abgehenden gas- und/oder stromführenden Leitungen können die erforderlichen Verfahrwege vorgehalten werden, da sich das Anschlussteil zusammen mit dem Druckgasbehälter bewegt.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass das Anschlussteil der Trägerstruktur den mindestens einen Druckgasbehälter rahmenartig umgibt. Das heißt, dass das Anschlussteil in einer Ebene mit dem Druckgasbehälter angeordnet ist, so dass der Druckgasbehälter optimal geschützt ist.
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Der mindestens eine Druckgasbehälter kann insbesondere flaschenartig ausgebildet sein und eine Längsachse A aufweist, die bei eingebautem Druckgasspeicher vorzugsweise parallel oder senkrecht zu einer Längsachse des Fahrzeugs ausgerichtet ist. Die Längsachse des Fahrzeugs kann zudem eine Hauptbewegungsrichtung des Druckgasbehälters definieren, was insbesondere bei einem frontalen Auffahrunfall von Vorteil ist.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung nimmt die Trägerstruktur mehrere Druckgasbehälter in paralleler Anordnung auf. Die mehreren Druckgasbehälter können beispielsweise flaschenartig ausgebildet sein und jeweils eine Längsachse A aufweisen, die parallel zueinander ausgerichtet sind. Die parallele Anordnung ist besonders kompaktbauend und ermöglicht somit ein großes Speichervolumen des Druckgasspeichers.
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Das darüber hinaus zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe vorgeschlagene Fahrzeug zeichnet sich dadurch aus, dass es einen erfindungsgemäßen Druckgasspeicher aufweist. Dieser ist über die erfindungsgemäße Trägerstruktur am Fahrzeug befestigt. Dadurch ist sichergestellt, dass sich der mindestens eine Druckgasbehälter des Druckgasspeichers durch äußere Krafteinwirkung, insbesondere bei einem Auffahrunfall, relativ zum Fahrzeug bewegen kann. Der mindestens eine Druckgasbehälter des Druckgasspeichers kann somit aus dem Gefahrenbereich bewegt werden, so dass dieser durch den Auffahrunfall möglichst keinen Schaden nimmt und ein unkontrollierter Gasaustritt verhindert wird.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Druckgasspeicher gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform,
- 2 einen vergrößerten Ausschnitt der 1,
- 3 einen schematischen Querschnitt durch den Druckgasspeicher der 1,
- 4 einen vergrößerten Ausschnitt der 3,
- 5 eine angeschnittene perspektivische Darstellung des Druckgasspeichers der 1,
- 6 eine angeschnittene perspektivische Darstellung einer ersten Abwandlung des Druckgasspeichers der 1,
- 7 eine angeschnittene perspektivische Darstellung einer zweiten Abwandlung des Druckgasspeichers der 1,
- 8 eine Prinzipskizze zur Darstellung eines ersten Bewegungsmusters,
- 9 eine Prinzipskizze zur Darstellung eines zweiten Bewegungsmusters,
- 10 eine Prinzipskizze zur Darstellung eines dritten Bewegungsmusters,
- 11 eine perspektivische Darstellung des Druckgasspeichers der 1 in einer ersten Einbaulage und
- 12 eine perspektivische Darstellung des Druckgasspeichers der 1 in einer zweiten Einbaulage.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Der in der 1 bis 5 dargestellte erfindungsgemäße Druckgasspeicher 1 umfasst mehrere flaschenartige Druckgasbehälter 2 in paralleler Anordnung (siehe 3 und 5) sowie eine mehrteilige Trägerstruktur 3, die vorliegend ein Anschlussteil 10 und die Teile (11 bis 13) umfasst. Das Anschlussteil 10 und die Teile 11 bis 13 sind alle übereinanderliegend angeordnet, wobei das Anschlussteil 10 zuunterst angeordnet ist und die Druckgasbehälter 2 rahmenartig umgibt (siehe 5). Die Druckgasbehälter 2 sind somit durch das Anschlussteil 10 geschützt. Auf dem Anschlussteil 10 liegt ein erstes Teil 11, das als Flaschenträger dient. Es schließt das rahmenartige Anschlussteil 10 nach oben hin ab und steift dieses zugleich aus. Auf dem ersten Teil 11 ist ein zweites Teil 12 angeordnet und über mögliche, in den Figuren schematisch dargestellte Führungen 5 (siehe 2) seitlich geführt. Die Teile 11 und 12 bilden Lagerflächen 6, 7 aus, die als Lager 4 zusammenwirken, so dass die Teile 11 und 12 relativ zueinander bewegbar bzw. verschiebbar sind. Die Bewegungsrichtung verläuft dabei senkrecht zu den Längsachsen A der parallel angeordneten Druckgasbehälter 2. Auf dem zweiten Teil 12 ist ein drittes Teil 13 angeordnet und ebenfalls über schematisch dargestellte Führungen 5 (siehe 4) seitlich geführt. Die Teile 12 und 13 bilden Lagerflächen 8, 9 aus, die als Lager 4 zusammenwirken, so dass die Teile 12 und 13 ebenfalls relativ zueinander bewegbar bzw. verschiebbar sind. Die Bewegungsrichtung verläuft jedoch parallel zu den Längsachsen A der Druckgasbehälter 2, da die oberen Führungen 5 um 90° versetzt zu den unteren Führungen 5 angeordnet sind. Das heißt, dass bei eingebautem Druckgasspeicher 1 die Druckgasbehälter 2 über das Trägerelement 3 in zwei Raumrichtungen x, y bewegbar sind. Der Einbau erfolgt dabei über das dritte Teil 13 und/oder eine hieran befestigte Montageplatte.
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Die 6 und 7 zeigen mögliche Modifikationen des in den 1 bis 5 dargestellten Druckgasspeichers 1.
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Bei der in der 6 dargestellten Ausführungsform sind die Lagerflächen 6 und 7 der Teile 11 und 12 gegenüber der Ebene des Anschlussteils 10 bzw. der Druckgasbehälter 2 geneigt ausgeführt. Sie bilden somit schiefe Ebenen aus, die sich bei einer Relativbewegung der Teile 11, 12 zueinander keilartig aufeinander schieben. Das heißt, dass die Druckgasbehälter 2 in einer dritten Raumrichtung z bewegt werden, so dass sich ihre Höhenlage ändert. Die Kraft- und Bewegungsrichtungen sind beispielhaft in der Prinzipskizze der 8 dargestellt. Durch Änderung der Höhenlage kann bei ausrückenden Druckgasbehältern 2 ein Hindernis innerhalb des Fahrzeugs, wie beispielsweise eine Strebe, eine Schwelle oder eine Achse, sicher überwunden werden. Die Neigung der Lagerflächen 6, 7, die vorliegend durch den Winkel α angegeben ist, gibt dabei das Maß der Höhenänderung vor.
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Bei der in der 7 dargestellten Ausführungsform weisen die Lagerflächen 6 und 7 der Teile 11 und 12 jeweils zwei gegengleich um die Winkel α und β geneigte schiefe Ebenen auf. Die Druckgasbehälter 2 erfahren somit eine Änderung ihrer Höhenlage unabhängig davon, ob die äußere Kraft, die zum Bewegen der Druckgasbehälter 2 erforderlich ist, links oder rechts angreift. Die Kraft- und Bewegungsrichtungen sind beispielhaft in der Prinzipskizze der 9 dargestellt.
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Der weiteren Prinzipskizze 10 ist zu entnehmen, dass auch Mischformen möglich sind. Beispielsweise können die Lagerflächen 6, 7 der Teile 11, 12 auch partiell geneigt und partiell eben ausgeführt sein. Weiterhin können je nach Einbausituation und Anforderungen an das Tanksystem beliebige Gestaltungsmöglichkeiten und Kombinationen bei der Ausgestaltung der beiden Lagerflächen 6, 7 und in ihrem Zusammenspiel realisiert werden.
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Das zuvor zu den Lagerflächen 6, 7 Gesagte gilt selbstverständlich auch in Bezug auf die Lagerflächen 8, 9 der Teile 12 und 13.
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In der 11 ist nochmals der Druckgasspeicher 1 der 1 bis 5 dargestellt, bei dem die Druckgasbehälter 2 untenliegend angeordnet sind. Wie beispielhaft in der 12 dargestellt, kann der Druckspeicher 1 auch umgedreht verbaut werden, so dass die Druckgasbehälter 2 obenliegend angeordnet sind. Die Befestigung des Druckgasspeichers 1 erfolgt in beiden Fällen über das Teil 13 bzw. eine hieran befestigte Montageplatte (nicht dargestellt).
