DE69105433T2 - Selbsthaltendes Befestigungselement. - Google Patents
Selbsthaltendes Befestigungselement.Info
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Description
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf selbsthaltende Befestigungselemente gemäß des Oberbegriffs von Anspruch 1.
- Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf verschraubte Befestigungselemente, welche verriegeln, wenn sie am Werkstück gesetzt oder angezogen werden und welche eine vorbestimmbare Klemmbeanspruchung entwickeln, während sie gesetzt werden.
- Solche Befestigungselemente sind aus der EP-A-0060508 bekannt.
- Typische Befestigungselemente bestehen aus einer Mutter und einem Schraubbolzen. Die Mutter weist ein Innengewinde auf, das auf ein Außengewinde des Bolzens aufgeschraubt wird. Schlüsselflächen an der Mutter und am Bolzen nehmen Schraubenschlüssel auf, welche die Befestigungselemente und ein oder mehrere Werkstücke fest miteinander verbinden. Etwas allgemeiner gesprochen ist eine andere Bezeichnung, der für Bolzen verwendet wird, Gewindestift und eine andere Bezeichnung für Mutter ist Hülse.
- Bei vielen Anwendungen, in welchen Befestigungselemente verwendet werden, müssen die Befestigungselemente eine hohe Festigkeit und einen hohen Widerstand gegenüber versehentlichem Losschrauben haben, welches die Verbindung lösen würde. Befestigungselemente müssen oft Belastungen nicht nur entlang ihrer Längsachse aufnehmen sondern auch quer zu ihrer Achse. Das bedeutet, wenn Befestigungselemente zwei oder mehrere Platten miteinander verbinden, daß die Platten oftmals in ihren Ebenen mit unterschiedlichen Belastungen belastet sind. Eine Platte neigt dazu über die andere zu gleiten. Befestigungselemente, die durch beide Platten gesteckt sind, werden auf Scherung beansprucht aufgrund ihres Widerstands gegenüber dieser Art von Belastung.
- Axialbelastungen entstehen durch die Klemmung der befestigten Platten zwischen dem Kopf des Stifts und einer Seite der Platten und der Hülse auf der anderen Seite der Platten. Befestigungselemente müssen ziemlich oft gut ansprechen in Anwendungen, wo sie zyklisch unter Bedingungen belastet werden, die zu Ermüdungsbruch führen könnten. Ein Befestigungselement, mit einer geeigneten Klemmbelastung an ihm, tendiert dazu, Ermüdungsbruch besser zu widerstehen als wenn es nicht so fest gegen das Werkstück geklemmt ist. Auf der anderen Seite bringt eine exzessive Klemmbelastung eine Vorspannung auf den Stift auf, welche in Verbindung mit Belastungen, die am Werkstück aufgebracht werden zu einer unzulässigen Belastung am Befestigungselement führen könnten.
- Deshalb ist es wünschenswert die Klemmbeiastung des Befestigungselements, die auf ein Werkstück aufgebracht wird, zu kennen. Die Klemmbelastung steht im Verhältnis mit dem Widerstand der Hülse gegenüber weiterem Aufschrauben auf einen Stift. Wenn die Vorspannungskraft ansteigt steigt der Widerstand gegenüber weiterem Aufschrauben und das Moment zum Drehen der Hülse steigt an. Dies begründet die Verwendung von Drehmomentschlüsseln zum Setzen der Hülsen. Drehmomentschlüssel sind selbstverständlich beschwerlich zu verwenden.
- Befestigungselemente wurden deshalb konstruiert, um eine vorbestimmbare Klemmbelastung aufzubringen, wenn sie gesetzt werden. Eine Art von Befestigungselementen, welches einen Schlüsselbereich bereitstellt, der mit einer Hülse durch einen zerbrechlichen Bruchhals verbunden ist, der bei Aufbringung eines vorbestimmbaren Drehmoments bricht, das mit der gewünschten Klemmbelastung korrespondiert. Obwohl solche Befestigungselemente im wesentlichen Anwendungen finden, sind sie als nachteilig bekannt.
- Eine andere Art von Befestigungselementen mit einer vorbestimmbaren Klemmbelastung sind im US-Patent mit der Nr. 4,260,005 beschrieben, das sich mit einem Eponym-Befestigungselement befaßt, auf das oftmals als Eddie-Bolzen Bezug genommen wird, weil der Erfinder Edgar L. Stencel ist. In dieser Art von Befestigungselement sind mehrere, üblicherweise drei, sich länglich erstreckende Erhebungen an der Außenseite der Hülse vorhanden. Die Eddie-Bolzenhülse ist auf den Stift durch einen Schrauber aufgeschraubt, der einen deltaförmigen Hohlraum aufweist, dessen Seiten mit den Erhebungen in Eingriff stehen. Wenn der Widerstand gegenüber Drehung der Hülse auf einen vorbestimmten Wert ansteigt, nachdem die Hülse mit der Oberfläche des zu befestigenden Werkstücks in Berührung steht, geben die Erhebungen dem Radialdruck nach und Hülsenmaterial wird radial einwärts von der Erhebung verschoben. Die Deformation der Erhöhungen tritt auf bei einer gewählten Klemmbelastung auf dem Werkstück abhängig von verschiedenen Faktoren, wie z.B. die Größe und Form der Erhöhungen, Befestigungselementgröße, Hülsenmaterial und ähnlichem.
- Es ist ein offensichtlich wünschenswertes Merkmal eines Befestigungselementes, daß es sich im Gebrauch nicht löst.
- Verschiedene Vorrichtungen wurden verwendet, um die Hülse und den Stift zusammenzuhalten. In dem Eddie-Bolzenbefestigungselement sind mehrere sich längs erstreckende Nuten in einem Bereich des Außengewindes des Stiftes angeordnet. Diese Nuten stellen einen Leerraum bereit, der das Gewinde unterbricht. Wenn die Erhebungen radialem Druck nachgeben, wird Hülsenmaterial radial einwärts von den Erhebungen plastisch verformt und nach innen in die Leerräume zum verriegelten Ineingriffbringen mit dem Stift verschoben, wobei dabei ein Losschrauben der Hülse vom Stift verhindert ist.
- Das Stencel Patent zeigt ein selbsthaltendes Befestigungselement mit drei länglich sich erstreckenden Erhebungen auf der Außenseite der Hülse und sechs sich länglich erstreckende Nuten in dem Außengewinde des Stifts. Es wurde später festgestellt, daß es wünschenswert ist eine Anzahl von Nuten zu vermeiden, welche ein ganzzahliges Vielfaches von der Anzahl der Erhebungen auf der Hülse ist. In solch einer Anordnung sind gelegentlich Stellungen der Hülse auf dem Stift vorhanden, in welchen die Erhebungen nicht radial mit den Nuten fluchten, und sicheres Verriegeln nicht erreicht werden kann.
- Aus diesen Gründen haben kommerzielle Eddie-Bolzen typischerweise fünf Nuten ungefähr 72º um den Umfang des Gewindes herum versetzt angeordnet und zugehörige Hülsen weisen drei Erhebungen auf. Selbst in solch einem Ausführungsbeispiel verbleibt eine kleine aber begrenzte Anzahl von Rotationsstellungen, in denen eine schlechte Fluchtung zwischen den Erhebungen und Nuten vorhanden ist. Somit kann der Widerstand gegenüber Losschrauben der Hülse von dem Stift von Befestigungselement zu Befestigungselement variieren. Es ist wünschenswert ein Befestigungselement mit größerer Gleichmäßigkeit von Widerstand gegenüber Losschrauben bereitzustellen.
- Die zuvor genannte Aufgabe wird durch ein selbsthaltendes Befestigungselement gemäß dem Anspruch 1 gelöst. Gemäß einer z.Zt. bevorzugten Ausführungsform umfaßt das selbsthaltende Befestigungselement einen Stift zur Aufnahme in einem Loch in einem Werkstück und einem Abschnitt mit einem Außengewinde. Mehrere Nuten sind entlang eines Bereiches der Länge des Außengewindes bereitgestellt, der zumindest die Spitzen des Gewindes unterbricht, wobei jede der Nuten sich schraubenförmig um das Gewinde erstreckt. Die Nuten haben zusammen eine ausreichende Länge, um sich ungefähr um eine ganze Umdrehung um den Umfang des Gewindes zu erstrecken.
- Solch ein selbsthaltendes Befestigungselement weist mehrere Leerräume auf, die einen Bereich der Länge des Außengewindes unterbrechen. Wenn dieser zusammen mit einer Hülse verwendet wird, die ein Innengewinde passend zum Außengewinde aufweist und welche mehrere sich längs erstreckende Erhebungen auf der Außenseite der Hülse aufweist, sind die Erhebungen und die Leerräume so angeordnet, daß in jeder Drehstellung der Hülse auf dem Stift jede Erhebung radial mit einem Leerraum fluchtet.
- Diese und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden geschätzt werden, wenn diese durch Bezug auf die folgende detaillierte Beschreibung, wenn diese in Verbindung mit den beigehängten Zeichnungen betrachtet wird, besser verstanden wird. Es zeigt:
- Fig. 1 ist eine Explosionsdarstellung einer Hülse und eines Stifts der vorliegenden Erfindung mit der Hülse teilweise im Schnitt und dem Stift in einem Plattenpaar gezeigt;
- Fig. 2 ist eine Draufsicht einer Hülse von Fig. 1;
- Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht durch einen Bereich des Gewindes auf dem Stift von Fig. 3;
- Fig. 4 ist eine Teilansicht des Gewindes eines anderen Ausführungsbeispiels des Stifts, der gemäß der Prinzipien dieser Erfindung konstruiert ist; und
- Fig. 5 ist eine Ansicht ähnlich Fig. 4 von einem weiteren Ausführungsbeispiel des Stifts.
- Fig. 1 zeigt eine Schließhülse 10 und einen Scherstift 12, welche zusammen ein Befestigungssystem bilden. Dies Hülse und der Stift haben eine gemeinsame Achse 13. Ein Plattenpaar 14 und 16 sind durch den Stift miteinander verbunden. Die Hülse weist eine kreisförmige Bohrung 18 mit einem Innengewinde auf. Der Stift weist ein Außengewinde 20 an einem Ende auf, welches das Gewinde der Schließhülse aufnimmt. Wie hiernach im größeren Detail beschrieben wird, ist das Außengewinde auf dem Stift durch mehrere sich schraubenförmig erstreckende Nuten 22 unterbrochen.
- Der Stift weist einen nicht mit einem Gewinde versehenen Schaft 24 auf, der in fluchtenden Löchern in dem Werkstück aufgenommen ist, welches in dem dargestellten Ausführungsbeispiel in Form von Platten 14 und 16 gebildet ist. Ein Kopf 26 auf dem Stift stützt sich gegen eine außenliegende Oberfläche von einer der Platten ab, um eine axiale Klemmbelastung im Zusammenspiel rnit der Schließhülse auf den Platten zu erzeugen. Der Kopf des Stifts ist willkürlich als Schlüsselsechskant dargestellt. Jede andere Variation von Kopf kann verwendet werden, einschließlich Senkköpfe und Köpfe ohne eine Schlüsselfläche. In solch einem Ausführungsbeispiel kann eine Schlüsselaussparung (nicht gezeigt) in dem Gewindeende des Stiftes angebracht sein.
- Die Nuten erstrecken sich eine axiale Strecke entlang des Stiftes die geringer ist als die gesamte Länge des Gewindes. Deshalb ist das Gewinde nicht vollständig ausgeprägt oder an den Nuten unterbrochen. Der Überstand des Gewindes zwischen den Enden der Nuten und dem Schaft 24 ist für größere axiale Belastungstragfähigkeiten ausgebildet.
- Die Schließhülse weist mehrere äußere, sich axial erstreckende Rippen oder Erhebungen 28 auf, die gleichmäßig um den Umfang der Hülse beabstandet angeordnet sind. Bei drei Erhebungen auf der Hülse sind diese 120º voneinander beabstandet. In radialen Ebenen bezüglich der Achse der Hülse weisen die Erhebungen konvexe äußere Kreiskontur auf, wobei die Kontur bei allen Erhebungen gleich ist. Eine axiale Wand 31 an der Hülse zwischen den Erhebungen ist richtig zylindrisch mit der Mitte der Krümmung auf der Achse 13 gekrümmt. Eine Basis oder ein Fuß 30 der Hülse weist einen Durchmesser auf, der größer ist als der Rest der Hülse, um die Flächenbelastung auf die Platten zu reduzieren. Eine Spielgegenbohrung 62 ist in der Basis 60 in üblicher Weise vorgesehen.
- Der Setzvorgang einer solchen Hülse auf einem Stift mit axial sich erstreckenden Nuten ist in dem Stencel Patent mit der Nr. 4,260,005 beschrieben, dessen Gegenstand hiermit durch Bezugnahme aufgenommen ist. Allgemein gesprochen bedeutet das, wenn die Hülse mit einer deltaförmigen Muffe in Eingriff steht, daß sich die Wände der deltaförmigen Muffe gegen die Erhebungen abstützen und die Hülse auf den Stift schrauben. Der Schrauber verformt zu diesem Zeitpunkt die Erhebungen nicht, weil der Drehwiderstand während der Montage gering ist.
- Mit fortschreitender Drehung, wenn die Hülse die Platte 14 (oder eine zwischengefügte Unterlegscheibe, wenn verwendet) kontaktiert, werden die Platten mit einer ansteigenden Klemmbelastung gegeneinander gezogen und der Drehwiderstand der Hülse steigt an. Der Eingriff der deltaförmigen Schraubermuffe an den Erhebungen erzeugt sowohl radiale als auch tangentiale Kraftkomponenten an den Erhebungen. Die radiale Kraftkomponente beginnt die Erhebungen in den Hülsenkörper abzuflachen. Das so verschobene Material drückt Material an der Innenseite der Hülse in die Leerräume, die durch die Nuten in dem Außengewinde des Stifts definiert sind.
- Nachdem der Schrauber die Erhebungen komplett durch plastische Verformung entfernt hat, ist dieser frei auf der Hülse drehbar und die Anwendungsperson weiß, daß die Verbindung durchgeführt wurde. Die Erhebungen und der Schrauber sind so dimensioniert, daß nach der Beseitigung der Erhebungen die Hülse und der Stift eine vorbestimmbare Klemmbelastung auf dem Werkstück aufbringen.
- Mindestens ein Teil des Hülsenmaterials, das durch plastische Verformung der Erhebungen radial nach innen verschoben wurde, bewegt sich in die Leerräume, die durch die schraubenförmig sich erstreckenden Nuten bereitgestellt sind. Dieses verschobene Material von der Hülse steht im Eingriff mit den verbleibenden Bereichen des genuteten Bereichs des Stifts und verhindert Losschrauben der Hülse von dem Stift. Montierten der Hülse auf dem Stift, Zusammenklemmen bei einer gewünschten Vorspannung der Werkstücke und Selbsthaltung des Befestigungselements sind alle durch ein einziges Werkzeug erreicht.
- In dem Ausführungsbeispiel der selbsthaltenden Befestigungselemente, das in den Fig. 1 bis 3 gezeigt ist, sind fünf schraubenförmig sich erstreckende Nuten vorhanden, die zumindest die Spitzen des Gewindes unterbrechen um Leerräume bereitzustellen, in die Material radial einwärts von den Erhebungen verschoben werden kann, wenn die Hülse auf den Stift gesetzt wird. Die fünf Nuten sind gleichmäßig um 72º voneinander um den Umfang des Gewindes versetzt. Darüber hinaus erstreckt sich jede Nut um den Stift um ca. 1/5 einer Umdrehung. Deshalb ist in einer Umfangsrichtung lediglich eine kleine wenn gar keine Lücke zwischen den Spitzen 34 von einer Nut und dem Schaftende 36 der nächsten benachbarten Nut vorhanden.
- In ihrer Wirkung sind die sich schraubenförmig erstreckenden Nuten wie fünf Hülsenschlußgewinde, die in dem belastungstragenden Außengewinde des Stiftes angeordnet sind. Die Hülsenschlußgewinde oder Nuten haben eine Steigung, die ein Vielfaches der Steigung des die Belastung tragenden Gewindes ist. Jede der Hülsenschlußgewinde erstreckt sich weniger als eine volle Drehung entlang der Länge des Stifts.
- Bevorzugterweise erstrecken sich die Nuten in schraubenförmiger Richtung entgegengesetzt zu der Richtung des die Belastung tragenden Gewindes. Das bedeutet, wenn das die Belastung tragende Gewinde ein konventionelles Rechtsgewinde ist, daß es bevorzugt ist, wenn das Hülsenschlußgewinde linksgängig ist. Dieses ordnet die Nuten näher rechtwinklig zu dem die Belastung tragenden Gewinde an und es wird angenommen, daß ein verbesserter Widerstand gegen Loslösen bereitgestellt ist.
- Es wird in diesem Ausführungsbeispiel erkannt werden, daß die Nuten sich zusammen ungefähr über eine volle Drehung um den Umfang des Außengewindes erstrecken. Deshalb ist unbeachtet von der Drehstellung der Hülse auf dem Stift jede Erhebung an der Hülse mit einem Bereich des Leerraums, der durch die sich schraubenförmig erstreckenden Nuten gebildet ist, radial in Fluchtung gebracht. Deshalb tragen alle Erhebungen dazu bei die Hülse auf dem Stift zu befestigen. Darüber hinaus ist die Menge des Hülsenmaterials, das radial einwärts in die Nuten verschoben wird im wesentlichen das gleiche unabhängig von der Drehstellung der Hülse auf dem Stift. Dieses führt dazu, die Einheitlichkeit des Widerstands gegen Losschrauben zu verbessern. Es gibt keine Stellung, in der keine der Erhebungen mit einer Nut fluchtet.
- Die Nuten werden in die Spitze des Stifts, entweder zuvor oder nachdem das Gewinde gerollt wurde, eingeformt. Man könnte z.B. einen Stiftschaft bereitstellen, der eine Spitze mit sich schraubenförmig erstreckenden "Flächen" oder Nuten aufweist, die mit den zu formenden Nuten korrespondieren. Wenn ein Gewinde auf solch einen Schaft gerollt wird, ist das Gewinde gegenüber der Nuten unvollständig ausgeformt. Alternativ kann ein Gewinde auf einen konventionellen zylindrischen Schaft gerollt werden und die Nuten werden danach in das Gewinde eingeschliffen. Mit beiden Techniken können die Nuten im Querschnitt des Stiftes konkav ausgeformt sein, wie in Fig. 3 gezeigt, oder als Flächen oder selbst leicht konvex ausgebildet sein. Eine etwas konkave Nut stellt augenscheinlich den größten Widerstand gegen Losschrauben bereit.
- Fig. 4 und 5 zeigen zusätzliche Ausführungsformen des Gewindestifts mit sich schraubenförmig erstreckenden Nuten. In diesen Ausführungsbeispielen sind die Nuten als sich in der gleichen Richtung schraubenförmig erstreckend, wie die Richtung des Belastung tragenden Gewindes dargestellt, jedoch können diese genausogut in der entgegengesetzten Richtung sich erstrecken. In dem Ausführungsbeispiel, das in Fig. 4 gezeigt ist, ist die Steigung der Hülsenschlußnuten größer als in dem Ausführungsbeispiel in Fig. 1, so daß eine kleine "Lücke" G am Umfang zwischen dem Schaftende 42 und der Nut und dem spitzen Ende 43 der angrenzenden Nut vorhanden ist. Solch eine Ausführungsform, in der die Nuten zusammen weniger als eine volle Drehung um den Umfang des Gewindes sich erstrecken kann trotzdem sicherstellen, daß Hülsenmaterial nach innen von jeder Erhebung mit einer Nut in Eingriff steht, weil die Erhebungen einige Breite in Umfangsrichtung um die Hülse herum aufweisen.
- Auf der anderen Seite kann es wünschenswert sein, eine Überlappung O zwischen dem Schaftende 42 einer Nut und dem spitzen Ende 43 einer benachbarten Nut bereitzustellen, wie in dem Ausführungsbeispiel von Fig. 5 gezeigt. Durch vorsichtiges Auswählen der Größe der Überlappung kann der Druck der Gewinderollformkörper gleichmäßig über den gesamten Rollvorgang des Befestigungselementes gehalten werden, um dabei die Gleichförmigkeit der Gewindeform zu verbessern, wenn das Gewinde auf den Schaft, der vorgeformten Nuten aufweist, gerollt wird.
- Obwohl zum Bereitstellen von einigem Widerstand gegenüber Losschrauben der Hülse von dem Stift es lediglich notwendig ist, die Spitzen des Gewindes mit flachen Nuten zu unterbrechen, ist es bevorzugt, daß die Nuten sich bis zum Gewindegrund erstrecken. Je tiefer die Nuten sich in das Gewinde erstrecken, desto größer ist die Menge von Material, das in die Nuten geformt wird, und desto größer ist der Widerstand gegenüber Loslösen. Es ist wünschenswert zu verhindern, daß sich die Nuten viel unter den Gewindegrund erstrecken, weil dieses die Zugspannungseigenschaften des montierten Befestigungselementes herabsetzt. Es soll erkannt sein, daß das Befestigungselement vom Eddie-Bolzentyp hauptsächlich in Situationen mit Scherbeanspruchung verwendet wird, z.B. wenn Platten verbunden oder an einem unterliegenden Aufbau angebracht werden, anders als in Verwendungen, bei denen die prinzipielle Belastung auf das Befestigungselement axial ist.
- Obwohl nur einige Ausführungsformen des selbstragenden Befestigungselementes gemaß der Prinzipien dieser Erfindung beschrieben und hierin gezeigt wurden, werden viele Modifikationen und Variationen einer Fachperson offensichtlich werden. So weist z.B. in dem gezeigten Ausführungsbeispiel die Hülse drei Erhebungen und der Stift fünf Nuten auf. Unterschiedliche Anzahlen von Nuten und Erhebungen können verwendet werden.
- Darüber hinaus ist es, weil die schraubenförmige Anordnung der Leerräume sicherstellt, daß einiges des Hülsenmaterials radial nach innen von jeder Erhebung in eine Nut verschoben werden wird, nicht länger notwendig, es zu vermeiden, daß die Anzahl der Nuten ein ganzzahliges Vielfaches der Anzahl der Erhebungen ist. Deshalb kann ein Befestigungselement, bei dem der Stift sechs sich schraubenförmig erstreckende Nuten aufweist, mit einer Hülse, die drei sich längs erstreckende Erhebungen aufweist, verwendet werden.
- Weil andere Modifikationen und Variationen durch eine Fachperson ausgeführt werden können, soll es verstanden sein, daß der Bereich dieser Erfingung lediglich durch die folgenden Ansprüche begrenzt ist.
Claims (4)
1. Selbsthaltendes Befestigungselement, umfassend:
einen Stift (12) zur Aufnahme in einem Loch in einem Werkstück
(14, 16) und einem Abschnitt mit einem Außengewinde (20);
mehrere Nuten (22), die zumindest die Spitzen des Gewindes (20)
entlang eines Bereiches der Länge des Außengewindes (20)
unterbrechen, wobei ein Bereich des Gewindes (20) nicht unterbrochen
ist;
eine Hülse (10) mit einem Innengewinde (18) zum
Ineinandergreifen mit dem Außengewinde (20) und Tragen einer Zugbelastung; und
mehrere länglich erstreckende Erhebungen (28) auf der Außenseite
der Hülse (10) zum in Eingriffbringen mit einem Schrauber,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Anzahl der Erhebungen (28) unterschiedlich ist von der
Anzahl der Nuten (22); und
jede Nute (22) sich schraubenförmig einen Anteil einer Umdrehung
um den Umfang des Stiftes (12) erstreckt und die Nuten (22)
gemeinsam im wesentlichen sich über eine volle umdrehung um den
Umfang des Gewindes erstrecken, so daß in jeder Drehstellung der
Hülse (10) auf dem Stift (12) jede Erhebung (28) radial mit
einer Nut (22) ausgerichtet ist.
2. Selbsthaltendes Befestigungselement nach Anspruch 1, das fünf
Nuten (22) umfaßt, wobei jede Nut (22) sich ungefähr 1/5 einer
Umdrehung um den Umfang des Gewindes (20) erstreckt.
3. Selbsthaltendes Befestigungselement nach einem der vorherigen
Ansprüche, worin die Hülse (10) drei Erhebungen (28) umfaßt.
4. Selbsthaltendes Befestigungselement nach einem der vorherigen
Ansprüche, worin jede Erhebung (28) und jedes Hülsenmaterial
radial einwärts von der Erhebung (28) durch eine radiale
Druckkraft plastisch verformbar ist.
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