DE10358763B4 - Kugelhülsengelenk - Google Patents

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Abstract

Kugelhülsengelenk für ein Kraftfahrzeug, mit einem Gehäuse (1), einer sich beidseitig aus dem Gehäuse (1) herauserstreckenden und eine Durchgangsbohrung (8) und einen Lagerbereich (4) aufweisenden Kugelhülse (5), die mit dem Lagerbereich (4) derart in dem Gehäuse (1) gelagert ist, dass von der Kugelhülse (5) und von dem Gehäuse (1) zwei relativ zueinander drehbare und schwenkbare Gelenkteile gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass
– an einem der Gelenkteile ein Sensor (13) angeordnet ist, der mit einem an dem anderen Gelenkteil angeordneten Signalgeber (2) in Wechselwirkung steht und
– sowohl der Sensor (13) als auch der Signalgeber (2) zwischen der Durchgangsbohrung (8) und dem Gehäuse (1) angeordnet sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Kugelhülsengelenk für ein Kraftfahrzeug, mit einem Gehäuse, einer sich beidseitig aus dem Gehäuse herauserstreckenden und eine Durchgangsbohrung und einen Lagerbereich aufweisenden Kugelhülse, die mit dem Lagerbereich derart in dem Gehäuse gelagert ist, dass von der Kugelhülse und von dem Gehäuse zwei relativ zueinander drehbare und schwenkbare Gelenkteile gebildet sind.
  • Ein derartiges Kugelhülsengelenk ist aus dem Stand der Technik bekannt. Z.B. offenbart die DE 100 23 602 C2 ein Kugelhülsengelenk mit einem Gelenkgehäuse, einer mit einer kugelförmig ausgebildeten Lagerfläche versehenen Kugelhülse und einer die Lagerfläche umschließenden in einer Ausnehmung des Gelenkgehäuses aufgenommenen Lagerschale, wobei die Kugelhülse mit einer Durchgangsbohrung versehen ist und sich beidseitig aus dem Gehäuse heraus erstreckt.
  • In modernen Fahrzeugen, z.B. in Fahrzeugen mit Gasentladungslampen (z.B. Xenon-Scheinwerfern) und in Fahrzeugen mit Niveauregulierung, wird die Einfederung des Fahrzeugs regelmäßig über den Einfederungswinkel eines Sensors erfasst, der auch als Höhenstandssensor bezeichnet wird. Dieser Sensor wird als separate Baugruppe im Radkasten verbaut und über ein Gestänge mit einem Lenker verbunden. Nachteilig an dieser Vorgehensweise ist, dass zusätzliche Bauteile benötigt werden, die erstens viel Bauraum in Anspruch nehmen und zweitens recht anfällig für Beschädigungen durch Steinschlag sind. Drittens ist der Montageaufwand recht hoch und es sind Justierungsschritte erforderlich.
  • Aus diesem Grund gibt es seit einiger Zeit Bestrebungen, den Höhenstandssensor in der bekannten Form durch einen Sensor zu ersetzen, der in einem Kugelgelenk integriert ist, welches regelmäßig in Fahrwerken von Kraftfahrzeugen zum Einsatz kommt.
  • Aus der EP 0 617 260 A1 ist ein Kugelgelenk mit einer mit einem Gehäuse verbundenen Kugelpfanne und einem mit einem Zapfen verbundenen Kugelkopf bekannt, der drehbar in dem Gehäuse gelagert ist. In dem Kugelkopf ist ein Permanentmagnet angeordnet, dem ein in dem Gehäuse angeordneter magnetischer Fühler gegenüber liegt. Der magnetische Dipol des Permanentmagneten ist senkrecht zur Längsachse des Kugelzapfens ausgerichtet, wobei ein Faltenbalg zum Schutz des Kugelgelenks vor Umwelteinflüssen vorgesehen ist. Durch eine Verdrehung des Kugelkopfes in der Kugelpfanne wird der Permanentmagnet mit verdreht, so dass sich das Magnetfeld bezüglich des magnetfeldempfindlichen Fühlers ändert und ein Lagesignal erzeugt wird. Die zusätzlich auftretenden räumlichen Bewegungen können bei entsprechender Auswertung zu Regelungszwecken herangezogen werden.
  • Aus der DE 101 10 738 C1 ist ein Kugelgelenk mit einem Gehäuseabschnitt und einem einen Bolzenabschnitt und einen Kugelabschnitt aufweisenden Kugelbolzen bekannt, der mit seinem Kugelabschnitt in einer in dem Gehäuseabschnitt vorgesehenen Aufnahme dreh- und schwenkbar gelagert ist. In dem Kugelabschnitt ist ein Permanentmagnet in radialer Ausrichtung zum Mittelpunkt des Kugelabschnitts angeordnet, wobei ein magnetfeldempfindliches Sensorelement in die Aufnahme integriert ist. Bei einer Drehbewegung des Kugelabschnitts bewegt sich der Permanentmagnet relativ zu dem Sensorelement, so dass die relative Drehlage des Kugelabschnitts in der Aufnahme erfasst werden kann.
  • Die in einem Kugelgelenk integrierten Sensor/Magnet-Anordnungen sind aber nicht auf ein Kugelhülsengelenk übertragbar, da das Gehäuse eines Kugelhülsengelenks keine dem Gelenkzapfen abgewandte Bodenfläche oder Gehäuseabdeckung aufweist, an dem der Sensor befestigt werden könnte. Ferner schließt sich an der Stelle, an welcher der Magnet in der Gelenkkugel befestigt ist, bei einer Kugelhülse ein mit einer Durchgangsbohrung versehener Flanschbereich an, so dass ein dort befestigter Magnet die Durchgangsbohrung versperren würde.
  • Kugelhülsengelenke werden aber zunehmend im Fahrwerk von Personenkraftwagen verwendet, so dass ausgehend von diesem Stand der Technik der Erfindung die Aufgabe zugrunde liegt, ein Kugelhülsengelenk zu schaffen, mittels welchem die Verschwenkung und/oder Verdrehung der Kugelhülse relativ zum Gehäuse erfasst werden kann.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Kugelhülsengelenk mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
  • Das erfindungsgemäße Kugelhülsengelenk für ein Kraftfahrzeug weist ein Gehäuse und eine sich beidseitig aus dem Gehäuse herauserstreckende und eine Durchgangsbohrung und einen Lagerbereich aufweisende Kugelhülse auf, die mit dem Lagerbereich derart in dem Gehäuse gelagert ist, dass von der Kugelhülse und von dem Gehäuse zwei relativ zueinander drehbare und schwenkbare Gelenkteile gebildet sind. Dabei ist an einem der Gelenkteile ein Sensor angeordnet, der mit einem an dem anderen Gelenkteil angeordneten Signalgeber in Wechselwirkung steht, wobei sowohl der Sensor als auch der Signalgeber zwischen der Durchgangsbohrung und dem Gehäuse bzw. der Gehäusewandung angeordnet sind.
  • Der Sensor und der Signalgeber bilden zusammen eine Winkelmessanordnung, mit der die Verschwenkung und/oder Verdrehung der Kugelhülse gegenüber dem Gehäuse bestimmt werden kann. Somit ist es gelungen, ein Kugelhülsengelenk zu schaffen, in dem eine Winkelmessanordnung integriert ist, welche zu Steuerungs- und Regelungszwecken im Kraftfahrzeug verwendet werden kann. Die Integration der Winkelmessanordnung in das Kugelhülsengelenk ist insbesondere durch die radiale Anordnung von Sensor und Signalgeber hinsichtlich der Längsachse des Gelenks bzw. der unausgelenkten Kugelhülse möglich geworden.
  • Der Sensor kann am Gehäuse und der Signalgeber an der Kugelhülse befestigt sein. Bevorzugt ist jedoch der Sensor in der Kugelhülse, insbesondere im Lagerbereich angeordnet, wohingegen der Signalgeber am Gehäuse befestigt ist. Dies hat den Vorteil, dass der regelmäßig größer als der Sensor dimensionierte Signalgeber nicht in die wegen der Durchgangsbohrung relativ dünne Kugelhülse integriert werden muss.
  • Für die Sensoren haben sich insbesondere wegen der Störunempfindlichkeit Magnetfeldsensoren als geeignet erwiesen, wobei der Signalgeber als Magnet ausgebildet ist, der ein Elektromagnet oder ein Permanentmagnet sein kann. Dabei benötigt letzterer nicht einmal elektrische Leitungen oder eine Stromversorgung und ist damit einfach zu montieren. Ferner kann der Magnet ringförmig bzw. zylindrisch ausgebildet sein und die Kugelhülse insbesondere im Lagerbereich umgeben. Ein derartiger Magnet kann z.B. durch ein magnetisches Polrad gebildet werden, bei dem sich Bereiche mit entgegengesetzter radial ausgerichteter magnetischer Polung in der Mantelfläche des Magneten rings der Zylinderachse abwechseln. Für die Magnetfeldsensoren können magnetoresistive Sensoren verwendet werden, die sich insbesondere zur Erfassung von Winkeländerungen zwischen Magnet und Sensor eignen.
  • Die Kugelhülse kann unmittelbar im Gehäuse gelagert sein. Vorteilhaft ist aber eine Lagerschale in dem Gehäuse vorgesehen, in welcher der Gelenkbereich der Kugelhülse gelagert ist, so dass die Reibungseigenschaften des Gelenks durch geeignete Materialauswahl für die Lagerschale verbessert werden können. Die Lagerschale kann zwischen dem Magnet und der Kugelhülse angeordnet sein, wobei die Lagerschale insbesondere aus einem nichtmagnetischen Material beschaffen ist, so dass das von dem Magneten hervorgerufene Magnetfeld nicht von der Lagerschale geschwächt wird und den in der Kugelhülse angeordneten Sensor in ausreichendem Maße durchfluten kann.
  • Die Wechselwirkung zwischen dem Magnet und dem Sensor kann auch dadurch erhöht werden, dass der Magnet an der Innenwandung des Gehäuses unmittelbar anliegend angeordnet ist, welche z.B. aus einem ferromagnetischen Material besteht.
  • Die Kugelhülse kann einteilig ausgebildet sein. Bevorzugt besteht die Kugelhülse aber aus einer Innenhülse und einer konzentrisch zu dieser angeordneten Außenhülse. In diesem Fall kann die Außenhülse an die gewünschten Reibeigenschaften des Gelenks angepasst werden, wohingegen die Innenhülse zur Aufnahme von axialen Kräften ausgelegt wird. Die Wandstärke der Außenhülse kann gering sein. Ferner kann die Außenhülse durch ein nichtspanabhebendes Umformverfahren, insbesondere als Hydroform-Teil hergestellt sein, so dass auf eine spanabhebende Bearbeitung der Oberfläche des Gelenkbereichs verzichtet werden kann.
  • Die Innenhülse und die Außenhülse können kraftschlüssig miteinander verbunden sein. Bevorzugt ist die Außenhülse aber in axialer Richtung formschlüssig an der Innenhülse festgelegt, so dass eine axiale Verschiebung der Außenhülse relativ zur Innenhülse selbst dann sicher verhindert werden kann, wenn die Außenhülse und die Innenhülse ein unterschiedliches thermisches Ausdehnungsverhalten aufweisen sollten. Die Innenhülse kann einteilig ausgebildet sein. Zur einfacheren Montage ist die Innhülse aber bevorzugt zweiteilig ausgelegt, wobei ein erstes Innenhülsenteil von der einen Seite und das andere Innenhülsenteil von der anderen Seite in die Außenhülse eingeschoben werden kann.
  • Im Lagerbereich der Kugelhülse kann zwischen der Innenhülse und der Außenhülse ein Holraum ausgebildet sein, in welchem der Sensor angeordnet ist. In diesem Fall ist der Sensor gut vor äußeren Einflüssen geschützt. Wird als Sensor ein Magnetfeldsensor verwendet, so besteht die Außenhülse bevorzugt aus einem nichtmagnetischen Material, welches das von dem Magnet hervorgerufene Magnetfeld möglichst wenig abschwächt.
  • Die elektrischen Leitungen zum Kontaktieren des Sensors können zwischen der Innenhülse und der Außenhülse verlegt werden, wobei zur einfacheren Leitungsführung eine Axialnut in der Innenhülse ausgebildet sein kann. Die Leitungen, die insbesondere an einem Ende der Kugelhülse aus dem Bereich zwischen der Innenhülse und der Außenhülse herausgeführt werden, können auch als in oder auf einer Leiterplatte angeordnete Leiterbahnen ausgelegt sein, wobei die Leiterplatte in die Axialnut eingebracht wird. Ferner kann eine Anordnung bzw. ein zweites Gehäuse zum Kontaktieren des Sensors an dem Ende der Kugelhülse angeordnet sein, an dem die Leitungen aus dem Bereich zwischen der Innenhülse und der Außenhülse herausgeführt sind. In diese Anordnung kann ein Stecker integriert sein, wobei die Anordnung bevorzugt als Steckergehäuse ausgebildet ist.
  • Wird das erfindungsgemäße Kugelgelenk z.B. im Fahrwerk eines Kraftfahrzeugs eingesetzt, so kann die Winkelmessanordnung unter anderem für eine Niveauregelung oder eine Scheinwerfernachführung verwendet werden.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
  • 1 eine Schnittansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kugelhülsengelenks,
  • 2 eine Schnittansicht des Magneten der Ausführungsform entlang der Linie A-A' in 1 und
  • 3 eine Schnittansicht der Leiterplatte der Ausführungsform entlang der Linie A-A' in 1.
  • Aus 1 ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kugelhülsengelenks ersichtlich, wobei in einem Gehäuse 1 ein Magnet 2 und eine Lagerschale 3 angeordnet sind, in welcher eine sich beidseitig aus dem Gehäuse 1 heraus erstreckende und einen Lagerbereich 4 aufweisende Kugelhülse 5 mit ihrem Lagerbereich 4 drehbar und schwenkbar gelagert ist. Dabei ist die Kugelhülse 5 aus einer zweiteiligen Innenhülse 6 und einer Außenhülse 7 zusammengesetzt, welche den kugelförmigen Lagerbereich 4 aufweist, wohingegen die beiden Teile 6a und 6b der mit einer Durchgangsbohrung 8 versehenen Innenhülse 6 die beiden Endbereiche bzw. Flanschbereiche 5a und 5b der Kugelhülse 5 aufweisen.
  • Die beiden Teile 6a und 6b der Innenhülse 6 sind außerhalb des Gehäuses 1 an ihrer Außenseite jeweils mit einer Erhebung 9 und eine Vertiefung 10 versehen, in welche eine an der Innenseite der Außenhülse 7 vorgesehene Erhebung 11 eingreift, wobei die Erhebung 9 in eine an der Innenseite der Außenhülse 7 vorgesehene Vertiefung 12 eingreift, so dass die Außenhülse 7 in axialer Hinsicht formschlüssig an der Innenhülse 6 festgelegt ist.
  • Zwischen der insbesondere als Hydroform-Teil ausgebildeten Außenhülse 7 und der Innenhülse 6 ist im Lagerbereich 4 ein Hohlraum 4a vorgesehen, in dem ein insbesondere als magnetoresistiver Sensor ausgebildeter Magnetfeldsensor 13 angeordnet ist, der mit dem von dem Magnet 2 hervorgerufenen Magnetfeld in Wechselwirkung steht. Der Sensor 13 ist mit elektrischen Leitungen 14 (siehe 3) verbunden, die in einer Leiterplatte 15 verlaufen, welche in einer in die Außenfläche der Innenhülse 6 eingebrachten Axialnut 16 angeordnet ist. Die Axialnut 16 verläuft parallel zur Längsachse 17 der Kugelhülse 5 und erstreckt sich aus dem Hohlraum 4a heraus bis zum Endbereich 5a, an welchem ein Steckergehäuse 18 mit Kontaktflächen 19 befestigt ist, die über eine im Steckergehäuse 18 integrierte Leiterplatte 18a mit den elektrischen Leitungen 14 verbundenen sind, so dass der Sensor 13 über die Kontaktflächen 19 in dem Steckergehäuse 18 kontaktiert werden kann.
  • Das Gehäuse 1 ist ringförmig ausgebildet und besteht insbesondere aus ferromagnetischem Stahl, wobei der zylindrisch ausgebildete Magnet 2 mit seiner Außenwandung an der Innenwandung des Gehäuses 1 anliegt. In dem Magneten 2 ist die ringförmige Lagerschale 3 angeordnet, wobei der Magnet 2 und die Lagerschale 3 zwischen zwei Verschlussringen 20 in dem Gehäuse 1 gehalten sind, die jeweils in eine in der Innenwandung des Gehäuses 1 vorgesehene Nut 21 eingreifen, die durch Umbiegen des jeweiligen Gehäuserands gebildet werden kann. Zwischen den Verschlussringen 20 und den Endbereichen des Außenrings 7 ist jeweils ein Dichtungsbalg 22 angeordnet, der über Spannringe 23 und 24 an dem Außenring 7 bzw. an dem Verschlussring 20 gehalten ist.
  • Aus 2 ist eine Schnittansicht des zylindrischen Magneten 2 entlang der Linie A-A' aus 1 ersichtlich, welcher als Polrad ausgebildet ist. Das Polrad weist mehrere radial magnetisierte Bereiche 25 auf, wobei die jeweils durch einen Pfeil 26 angedeutete Magnetisierung von zwei benachbarten Bereichen in radialer Hinsicht entgegengesetzt orientiert ist.
  • Aus 3 ist eine Schnittansicht der Leiterplatte 15 entlang der Linie A-A' aus 1 ersichtlich, wobei die elektrischen Leitungen 14 innerhalb der Leiterplatte 15 verlaufen und oberflächlich isoliert sind.
  • Die Lagerschale 3 ist bevorzugt aus einem nichtmagnetischen Kunststoff und die Außenhülse 7 bevorzugt aus einem nichtmagnetischen Metall ausgebildet, so dass das von dem Magnet 2 hervorgerufene Magnetfeld im Bereich des Sensors 13 möglichst wenig durch die Lagerschale 3 und durch die Außenhülse 7 abgeschwächt ist.
  • 1
    Gehäuse
    2
    Magnet
    3
    Lagerschale
    4
    Lagerbereich
    4a
    Hohlraum
    5
    Kugelhülse
    5a, 5b
    Endbereiche bzw. Flanschbereiche der Kugelhülse
    6
    Innenhülse
    6a, 6b
    Teile der Innenhülse
    7
    Außenhülse
    8
    Durchgangsbohrung
    9
    Erhebung in Innenhülse
    10
    Vertiefung in Innenhülse
    11
    Ergebung in Außenhülse
    12
    Vertiefung in Außenhülse
    13
    Sensor
    14
    elektrische Leitungen
    15
    Leiterplatte
    16
    Axialnut
    17
    Längsachse der Kugelhülse
    18
    Steckergehäuse
    18a
    im Steckergehäuse integrierte Leiterplatte
    19
    Kontaktfläche
    20
    Verschlussring
    21
    Nut in Gehäuse
    22
    Dichtungsbalg
    23, 24
    Spannringe
    25
    radial magnetisierter Bereich des Magneten
    26
    Pfeil, der die Magnetisierung eines Bereichs repräsentiert

Claims (19)

  1. Kugelhülsengelenk für ein Kraftfahrzeug, mit einem Gehäuse (1), einer sich beidseitig aus dem Gehäuse (1) herauserstreckenden und eine Durchgangsbohrung (8) und einen Lagerbereich (4) aufweisenden Kugelhülse (5), die mit dem Lagerbereich (4) derart in dem Gehäuse (1) gelagert ist, dass von der Kugelhülse (5) und von dem Gehäuse (1) zwei relativ zueinander drehbare und schwenkbare Gelenkteile gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass – an einem der Gelenkteile ein Sensor (13) angeordnet ist, der mit einem an dem anderen Gelenkteil angeordneten Signalgeber (2) in Wechselwirkung steht und – sowohl der Sensor (13) als auch der Signalgeber (2) zwischen der Durchgangsbohrung (8) und dem Gehäuse (1) angeordnet sind.
  2. Kugelhülsengelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (13) in der Kugelhülse (5) und der Signalgeber (2) in dem Gehäuse (1) angeordnet ist.
  3. Kugelhülsengelenk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (13) im Lagerbereich (4) der Kugelhülse (5) angeordnet ist.
  4. Kugelhülsengelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalgeber (2) ein Magnet und der Sensor (13) ein magnetfeldempfindlicher Sensor ist.
  5. Kugelhülsengelenk nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (13) ein magnetoresistiver Sensor ist.
  6. Kugelhülsengelenk nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalgeber (2) ringförmig ausgebildet ist.
  7. Kugelhülsengelenk nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Signalgeber (2) und dem Lagerbereich (4) der Kugelhülse (5) eine Lagerschale (3) aus einem nichtmagnetischen Material angeordnet ist.
  8. Kugelhülsengelenk nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalgeber (2) an der Innenwandung des Gehäuses (1) anliegt, welches aus einem ferromagnetischen Material besteht.
  9. Kugelhülsengelenk nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugelhülse (5) eine Innenhülse (6) und eine konzentrisch zu dieser angeordnete Außenhülse (7) aufweist.
  10. Kugelhülsengelenk nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenhülse (7) in axialer Richtung formschlüssig an der Innenhülse (6) festgelegt ist.
  11. Kugelhülsengelenk nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenhülse (6) zweiteilig ausgebildet ist.
  12. Kugelhülsengelenk nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Lagerbereich (4) der Kugelhülse (5) zwischen der Innenhülse (6) und der Außenhülse (7) ein Hohlraum (4a) ausgebildet ist, in welchem der Sensor (13) angeordnet ist.
  13. Kugelhülsengelenk nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Sensor (13) verbundene elektrische Leitungen (14) zwischen der Innenhülse (6) und der Außenhülse (7) verlegt sind.
  14. Kugelhülsengelenk nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass in der Oberfläche der Innenhülse (6) eine Axialnnut (16) vorgesehen ist, in der die mit dem Sensor (13) verbundenen elektrischen Leitungen (14) verlaufen.
  15. Kugelhülsengelenk nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Leitungen (14) als Leiterbahnen einer in der Axialnut (16) angeordneten Leiterplatte (15) ausgebildet sind.
  16. Kugelhülsengelenk nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Leitungen (14) in einem Endbereich (5a) der Kugelhülse (5) aus dem Bereich zwischen der Innenhülse (6) und der Außenhülse (7) herausgeführt sind.
  17. Kugelhülsengelenk nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Endbereich (5a) der Kugelhülse (5), in dem die elektrischen Leitungen (14) aus dem Bereich zwischen der Innenhülse (6) der und Außenhülse (7) herausgeführt sind, ein zweites Gehäuse (18) zum Kontaktieren des Sensors (13) angeordnet ist.
  18. Kugelhülsengelenk nach einem der Ansprüche 9 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenhülse nichtspanabhebend durch ein Umformverfahren hergestellt ist.
  19. Kugelhülsengelenk nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenhülse ein Hydroform-Teil ist.
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