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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Umwandeln von Strömungsenergie
eines fließenden Gewässers in
wenigstens eine Drehbewegung. Weiterhin betrifft die Erfindung eine
Anlage zum Umwandeln von Strömungsenergie
des fließenden
Gewässers
in eine oder mehrere Drehbewegungen.
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Zum
Umwandeln von Strömungsenergie
eines fließenden
Gewässers
in eine Drehbewegung werden beispielsweise Wasserräder verwendet.
Die Drehbewegung kann insbesondere für mechanische Arbeitsprozesse
oder zum Erzeugen von elektrischem Strom genutzt werden.
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Die
bekannten Wasserräder
sind meist als senkrecht angeordnete Schaufelräder ausgebildet, deren Schaufelelemente
sich in radialer Richtung erstrecken. Üblicherweise liegt deren Drehachse
quer zur Strömungsrichtung
des fließenden
Gewässers. Bei
den bekannten Wasserrädern
wird zwischen oberschlächtigen,
mittelschlächtigen
und unterschlächtigen
Wasserrädern
unterschieden, je nach dem, in welcher Höhe das fließende Wasser dem Wasserrad
zugeführt
wird. Bei diesen Wasserrädern kommt
stets nur ein geringer Teil der Schaufelelemente gleichzeitig mit
dem fließenden
Wasser wirksam in Berührung.
Die Querschnittsfläche
der Strömung,
die auf die Schaufelelemente wirkt, ist verhältnismäßig gering.
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Diese
bekannten Wasserräder
haben daher den Nachteil, dass deren Wirkungsgrad verhältnismäßig gering
ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Umwandeln
von Strömungsenergie
eines fließenden
Gewässers
in eine Drehbewegung bereit zu stellen, bei der der Wirkungsgrad
verbessert ist und deren konstruktiver Aufwand innerhalb vernünftiger
Grenzen liegt.
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Diese
Aufgabe wird durch den Gegenstand gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist eine
Vorrichtung zum Umwandeln von Strömungsenergie eines fließenden Gewässers in
wenigstens eine Drehbewegung vorgesehen, die Folgendes aufweist:
- – wenigstens
ein Antriebsrad, das um eine Drehachse drehbar gelagert ist,
- – wenigstens
ein Laufrad, das um eine weitere Drehachse drehbar gelagert ist,
wobei die Drehachsen parallel zueinander sowie das Antriebsrad und
das Laufrad hintereinander angeordnet sind,
- – eine
Umlaufeinrichtung, die entlang einer vorbestimmten Umlaufbahn um
das Antriebsrad und das Laufrad herum bewegbar ist, so dass zumindest
das Antriebsrad durch die Umlaufeinrichtung antreibbar ist, und
- – eine
Vielzahl von Schaufelelementen, die an der Außenseite der Umlaufeinrichtung
angebracht, sich in Radialrichtung erstrecken und gegenüber der
Richtung der Drehachsen geneigt sind.
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Der
Kern der Erfindung liegt darin, dass die Schaufelelemente nicht
am Wasserrad, sondern an der Umlaufeinrichtung angebracht sind,
die sowohl das Antriebsrad als auch das Laufrad umschließt. Die Umfangslänge der
Umlaufeinrichtung kann wesentlich größer sein als der Umfang des
Antriebrades. Bereits in einem seichten Gewässer befindet sich etwa die
Hälfte
der Umlaufeinrichtung unter Wasser, so dass auch etwa die Hälfte der
Schaufelelemente der Strömung
ausgesetzt ist. In einem tiefen Gewässer, in dem die Vorrichtung
vollständig
eingetaucht ist, sind sogar sämtliche
Schaufelelemente stets der Strömung
ausgesetzt. Es sind somit wesentlich mehr Schaufelelemente der Strömung ausgesetzt,
was einen hohen Wirkungsgrad bewirkt. Durch die Anordnung des Antriebsrades
und des Laufrades wird die Umlaufbahn der Umlaufeinrichtung festgelegt.
Die Umlaufeinrichtung ist im Prinzip als ein hinreichend flexibles
Endlosband ausgebildet.
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Vorzugsweise
ist die Mantelfläche
des Antriebrades zumindest abschnittsweise komplementär zur Innenseite
der Umlaufeinrichtung ausgebildet. Dadurch wird die Kraftübertragung
zwischen der Umlaufeinrichtung und dem Antrieb rad gewährleistet. Die
Geschwindigkeit der Umlaufeinrichtung entspricht somit der Bahngeschwindigkeit
an der Außenseite
des Antriebrades.
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Beispielsweise
weist die Umlaufeinrichtung eine Kette auf, deren Breite entlang
der Drehachsen größer ist
als deren Dicke in Radialrichtung. Dadurch ist einerseits der Strömungswiderstand
der Umlaufeinrichtung gering und andererseits die Umlaufeinrichtung
stabil gegen Torsinn.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
kann vorgesehen sein, dass die Umlaufeinrichtung zwei oder mehrere
parallele gekoppelte Ketten aufweist. Dabei können die Ketten beispielsweise
wie Fahrradketten oder dergleichen ausgebildet sein. Auch diese Ausführungsform
ermöglicht
einen geringen Strömungswiderstand
der Umlaufeinrichtung und eine Stabilität gegen Torsinn.
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Schließlich kann
die Umlaufeinrichtung einen Zahnriemen aufweisen, deren Breite entlang
der Drehachsen größer ist
als deren Dicke in Radialrichtung. Auch mit dem Zahnriemen lässt sich
die erfindungsgemäße Vorrichtung
realisieren. Der Zahnriemen hat ebenfalls einen geringen Strömungswiderstand
und ist stabil gegen Torsinn.
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Vorzugsweise
ist die Mantelfläche
des Laufrades zumindest abschnittsweise komplementär zur Innenseite
der Umlaufeinrichtung ausgebildet. Dadurch wird gewährleistet,
dass sich das Laufrad stets mitdreht und keine Gleitreibung auftritt.
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Bei
der bevorzugten Ausführungsform
ist vorgesehen, dass die benachbarten Schaufelelemente der Umlaufeinrichtung
entlang der Bewegungsrichtung des der Umlaufeinrichtung gleichmäßig voneinander
beabstandet sind. Dies trägt
zu einer gleichmäßigen Geschwindigkeit
der Umlaufeinrichtung und des Antriebsrades bei.
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Die
Schaufelelemente können
als ebene und/oder gekrümmte
Flächenstücke ausgebildet sein.
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Beispielsweise
können
die Schaufelelemente dauerhaft an der Umlaufeinrichtung befestigt
oder befestigbar sind. Dies ermöglicht
eine besonders stabile Bauweise der Umlaufeinrichtung.
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Alternativ
dazu kann vorgesehen sein, dass die Schaufelelemente lösbar an
der Umlaufeinrichtung befestigt oder befestigbar sind. Die Schaufelelemente
können
dadurch auf einfache Weise ausgewechselt werden.
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Eine
weitere Möglichkeit
besteht darin, dass die Schaufelelemente verstellbar an der Umlaufeinrichtung
befestigt oder befestigbar sind. Auf diese Weise kann die Vorrichtung
ohne großen
Aufwand an die Wassermenge und die Strömungsgeschwindigkeit des Gewässers angepasst
werden.
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Beispielsweise
ist der Neigungswinkel der Schaufelelemente gegenüber der
Drehachse verstellbar. Auch dies ermöglicht die Anpassung an die Wassermenge
und die Strömungsgeschwindigkeit des
fließenden
Gewässers.
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Vorzugsweise
ist der Vorrichtung wenigstens ein Drehmomentwandler nachgeschaltet
oder nachschaltbar. Dadurch lässt
sich ein erforderliches und/oder gewünschtes Drehmoment bereitstellen.
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Beispielsweise
ist dem Antriebsrad wenigstens ein Getriebe nachgeschaltet oder
nachschaltbar. Dazu kann insbesondere ein Zahnradgetriebe vorgesehen
sein. Dabei handelt es sich um besonders zuverlässige und verschleißarme Komponenten,
die einen dauerhaften Betrieb ermöglichen.
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Zur
effizienten Nutzung der Wasserenergie kann vorgesehen sein, dass
dem Antriebsrad wenigstens ein Generator nachgeschaltet oder nachschaltbar
ist. Vorzugsweise ist der Generator dem Drehmomentwandler, dem Getriebe
bzw. dem Zahnradgetriebe nachgeschaltet oder nachschaltbar. Damit
lässt sich
die gewünschte
Drehzahl und das erforderliche Drehmoment für den oder die Generatoren bereitstellen.
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Es
kann vorgesehen sein, dass der Winkel zwischen der Ebene der Schaufelelemente
und den Drehachsen vorzugsweise zwischen 30° und 40° beträgt. Es können jedoch auch andere Neigungswinkel vorgesehen
und/oder einstellbar sein. Der optimale Neigungswinkel hängt insbesondere
von der Strömungsgeschwindigkeit
und der Wassermenge des fließenden
Gewässers
ab.
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Der
Durchmesser des Antriebsrades beträgt beispielsweise zwischen
1 m und 3 m, vorzugsweise zwischen 1,8 m und 2,2 m. Der Durchmesser
des Laufrades beträgt
beispielsweise zwischen 20 cm und 80 cm, vorzugsweise zwischen 40
cm und 60 cm.
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Die
Abmessungen der Schaufelelemente können parallel zu den Drehachsen
zwischen 40 cm und 100 cm, vorzugsweise zwischen 60 cm und 80 cm,
und in Radialrichtung zwischen 10 cm und 70 cm, vorzugsweise zwischen
30 cm und 50 cm, betragen. Der Abstand zwischen zwei benachbarten Schaufelelementen
kann beispielweise zwischen 30 cm und 70 cm, vorzugsweise etwa 50
cm, betragen.
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Vorzugsweise
sind das Antriebsrad und das Laufrad drehbar um die jeweilige Drehachse
gelagert. Dies wirkt sich positiv auf den Reibungswiderstand und
das Drehverhalten des Antriebsrades und des Laufrades aus.
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Materialtechnisch
kann vorgesehen sein, dass das Antriebsrad, das Laufrad, die Umlaufeinrichtung
und/oder die Schaufelelemente oder zumindest Teile davon aus Aluminium
hergestellt sind. Dabei handelt es sich um ein leichtes und beständiges Material.
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Um
einen optimalen Wirkungsgrad zu erzielen, ist die Vorrichtung in
einem fließenden
Gewässer derart
angebracht oder anbringbar, dass die Drehachsen in etwa parallel
zur Strömungsrichtung
des Gewässers
ausgerichtet oder richtbar sind. sind.
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Außerdem ist
gemäß der Erfindung
eine Verwendung der oben beschriebenen Vorrichtung in einem fließenden Gewässer vorgesehen,
wobei die Drehachsen in etwa parallel zur Strömungsrichtung des Gewässers ausgerichtet
oder richtbar sind. sind.
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Alternativ
kann die Vorrichtung auch Diagonal zur Strömungsrichtung des Gewässers ausgerichtet
sein. Dabei ist der Neigungswinkel der Schaufelele mente entsprechend
anzupassen. Auch der Abstand und die Anzahl der Schaufelelemente
können mit
der Ausrichtung variiert werden.
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Weiterhin
ist gemäß der Erfindung
eine Anlage zum Umwandeln von Strömungsenergie eines fließenden Gewässers in
eine oder mehrere Drehbewegungen vorgesehen, wobei die Anlage zwei
oder mehrere der oben beschriebenen Vorrichtungen aufweist. Durch
eine geeignete Kombination mehrerer Vorrichtungen kann eine individuelle
Anlage aufgebaut werden, die an die örtlichen Gegebenheiten angepasst
ist. Dies ermöglicht
eine kostengünstige
Serienfertigung der Vorrichtungen, die zu einer geeigneten und optimierten
Anlage zusammengestellt werden können.
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Beispielweise
können
die Vorrichtungen hintereinander und/oder nebeneinander bezüglich der Strömungsrichtung
des fließenden
Gewässers
angeordnet oder anbringbar sein.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
sind wenigstens zwei Vorrichtungen hintereinander entlang der Strömungsrichtung
des fließenden
Gewässers
angeordnet oder anbringbar, deren Antriebsräder mechanisch gekoppelt oder
koppelbar sind. Damit kann die Bewegungsenergie der Antriebsräder mit
einer einzigen nachgeschalteten Einrichtung verwertet werden.
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Dabei
können
vorzugsweise die wenigstens zwei Antriebsräder eine gemeinsame Welle aufweisen.
Dadurch ist der konstruktive Aufwand verhältnismäßig gering.
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Bei
der bevorzugten Ausführungsform
ist den Antriebsrädern
wenigstens ein Drehmomentwandler nachgeschaltet oder nachschaltbar.
Beispielsweise ist der Drehmomentwandler als ein Getriebe, insbesondere
als ein Zahnradgetriebe ausgebildet.
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Weiterhin
kann den Antriebsrädern
wenigstens ein Generator nachgeschaltet oder nachschaltbar sein.
Dabei ist der Generator vorzugsweise dem Drehmomentwandler, dem
Getriebe bzw. dem Zahnradgetriebe nachgeschaltet oder nachschaltbar.
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Schließlich betrifft
die Erfindung eine Verwendung der vorgenannten Anlage in einem fließenden Gewässer, wobei
die Drehachsen parallel zur Strömungsrichtung
des Gewässers
ausgerichtet oder ausrichtbar sind.
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Weitere
Merkmale, Vorteile und besondere Ausführungsformen der Erfindung
sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Nachstehend
wird eine bevorzugte Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
schematische Vorderansicht einer bevorzugten Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
und
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2 einen
Abschnitt einer Außenseite
einer Umlaufeinrichtung der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist in 1 als schematische Vorderansicht dargestellt.
Die Vorrichtung umfasst ein Antriebsrad 10 und ein Laufrad 12.
Das Antriebsrad 10 und das Laufrad 12 sind drehbar
gelagert. Die Drehachse 20 des Antriebsrades 10 und
die Drehachse 22 des Laufrades 12 sind parallel
zueinander angeordnet. Das Antriebsrad 10 und das Laufrad 12 sind
hintereinander angeordnet.
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Eine
Umlaufeinrichtung 14 umschließt das Antriebsrad 10 und
das Laufrad 12. Dabei verläuft die Umlaufeinrichtung 14 jeweils
abschnittsweise entlang der Umfangsrichtung des Antriebsrades 10 und des
Laufrades 12.
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Die
Umlaufeinrichtung 14 kann beispielsweise als Kette ausgebildet
sein. Vorzugsweise hat die Kette die Form eines flachen Bandes,
dessen Breite sich in die Richtung der Drehachsen 20 und 22 erstreckt.
Die Ausgestaltung kann dabei dem Prinzip der Kette eines Kettenfahrzeuges
entsprechen, wobei für
die erfindungsgemäße Vorrichtung
eine wesentlich leichtere Bauweise vorgesehen ist. Durch die bandförmige Ausgestaltung
wird eine Torsinn der Umlaufeinrichtung 14 verhindert oder
zumindest reduziert.
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Die
Umlaufeinrichtung 14 kann auch ein System aus zwei oder
mehreren parallelen Ketten sein, die miteinander gekoppelt sind.
Diese Ketten können beispielsweise
wie Fahrradketten ausgebildet sein. In diesem Fall sind das Antriebsrad 10 und
das Laufrad 12 entweder als parallele Zahnräder ausgebildet oder
weisen entsprechend angepasste parallele Zahnkränze auf.
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Weiterhin
kann die Umlaufeinrichtung 14 auch als Zahnriemen ausgebildet
sein. In diesem Fall sind die Mantelflächen des Antriebsrades 10 und
des Laufrades 12 komplementär zur Innenseite der Umlaufeinrichtung 14 ausgebildet.
Vorzugsweise ist der Zahnriemen bandförmig ausgestaltet, wobei die
Breite in Richtung der Drehachsen 20 und 22 wesentlich größer als
die Dicke in Radialrichtung ist. Dadurch ist der Strömungswiderstand
gering und eine Torsinn der Umlaufeinrichtung 14 wird verhindert
oder zumindest reduziert.
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Die
Vorrichtung umfasst weiterhin eine Vielzahl von Schaufelelementen 16,
die an der Außenseite
der Umlaufeinrichtung 14 angebracht sind. Die Schaufelelemente 16 sind
als ebene Flächenstücke ausgebildet.
Die Ebenen der Schaufelelemente 16 erstrecken sich in Radialrichtung.
Bei dieser konkreten Ausführungsform
sind die Schaufelelemente 16 rechteckförmig ausgebildet. Bei alternativen
Ausführungsformen
können
die Schaufelelemente 16 auch gekrümmt ausgebildet sein. Außerdem können die Schaufelelemente 16 auch
andere Konturen aufweisen.
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Weiterhin
ist die Ebene der Schaufelelemente 16 gegenüber der
Richtung der Drehachsen 20 und 22 geneigt. Der
Neigungswinkel zwischen der Ebene der Schaufelelemente 16 und
der Richtung der Drehachsen 20 und 22 beträgt beispielsweise zwischen
30° und
40°.
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Die
Vorrichtung gemäß der Erfindung
wird in einem fließenden
Gewässer
so installiert, dass zumindest der untere Teil der Schaufelelemente 16 unter
Wasser ist und die Drehachsen 20 und 22 im wesentlichen
parallel zur Strömung
sind. Dadurch wirkt die Strömung
auf die geneigten Schaufelelemente 16, und die Umlaufeinrichtung 14 bewegt
sich in 1 im Gegenuhrzeigersinn. Durch
die Bewegung der Umlaufeinrichtung 14 wird das Antriebsrad 10 im Gegenuhrzeigersinn
angetrieben. Das Laufrad 12 hat die Funktion, dass die
Umlauf einrichtung 14 hinreichend gespannt und senkrecht
zur Strömungsrichtung
positioniert ist.
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Das
Antriebsrad 10 hat einen Durchmesser zwischen 1 m und 3
m, vorzugsweise etwa 2 m. Das Laufrad 12 hat einen Durchmesser
zwischen 30 cm und 70 cm, vorzugsweise etwa 50 cm. Die Schaufelelemente 16 erstrecken
sich in Radialrichtung, d.h. haben eine Höhe zwischen vorzugsweise 30
cm und 50 cm. Die Breite der Schaufelelemente 16, d.h.
deren Abmessung entlang der Drehachsen 20 und 22 beträgt vorzugsweise
zwischen 60 cm und 80 cm. Der Abstand zwischen zwei benachbarten
Schaufelelementen 16 an der Umlaufeinrichtung beträgt zwischen
20 cm und 80 cm, vorzugsweise etwa 50 cm.
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In 2 ist
ein Abschnitt einer Außenseite der
Umlaufeinrichtung 14 der bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
gezeigt. Darin ist die Anordnung der Schaufelelemente 16 an
der Außenseite
der Umlaufeinrichtung 14 dargestellt. 2 verdeutlicht
die Neigung der Schaufelelemente 16 gegenüber der
Strömungsrichtung 18.
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Die
Umlaufeinrichtung 14 ist aufgrund ihrer Breite derart ausgebildet,
dass keine zu große
Torsinn auftritt.
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Die
Vorrichtung gemäß der Erfindung
liefert für
die strömende
Flüssigkeit
wesentlich mehr Angriffsfläche
als ein herkömmliches
Wasserrad. Bereits in einem seichten Gewässer sind nahezu die Hälfte der
Schaufelelemente 16 unter Wasser und somit der Strömung ausgesetzt.
Dies bedeutet eine Verbesserung des Wirkungsgrades.
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Bei
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
sind dem Antriebsrad 10 vorzugsweise wenigstens ein Getriebe
und wenigstens ein Generator zum Erzeugen von elektrischem Strom
nachgeschaltet, die in den Zeichnungen nicht dargestellt sind. Dazu
können ein
zusätzlicher
Zahnkranz und/oder eine Welle an dem Antriebsrad 10 angebracht
sein.
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Die
Vorrichtung gemäß der Erfindung
ist an jeder beliebigen Stelle eines Flusses einsetzbar. Dazu sind
lediglich geeignete Mittel zum Verankern der Vorrichtung erforderlich.
Wesentliche baulichen Änderungen
am Flussufer oder im Flussbett sind nicht notwendig. Der konstruktive
Aufwand und somit die Herstellungskosten sind relativ gering.
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Es
können
auch mehrere Vorrichtungen gemäß der Erfindung
nebeneinander und/oder hintereinander in einem fließenden Gewässer angeordnet werden.
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Gemäß der Erfindung
ist weiterhin eine Anlage zum Umwandeln von Strömungsenergie des fließenden Gewässers in
eine oder mehrere Drehbewegungen vorgesehen. Die Anlage umfasst
zwei oder mehrere der oben beschriebenen Vorrichtungen. Dabei besteht
die Möglichkeit,
durch eine geeignete Kombination mehrerer solcher Vorrichtungen
eine individuelle Anlage aufzubauen. Diese Anlage kann an die örtlichen
Gegebenheiten angepasst werden. Dieses Konzept ermöglicht insbesondere
eine kostengünstige
Serienfertigung der Vorrichtungen, die zu einer geeigneten und angepassten
Anlage zusammengestellt werden können.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der Anlage sind wenigstens zwei Vorrichtungen hintereinander entlang
der Strömungsrichtung
des fließenden
Gewässers
angeordnet, so dass deren Antriebsräder 10 eine gemeinsame
Drehachse 20 aufweisen. Die Antriebsräder 10 der Vorrichtungen
sind mechanisch, vorzugsweise mittels einer gemeinsamen Welle gekoppelt.
Damit kann die Bewegungsenergie der Antriebsräder 10 mit einer einzigen
nachgeschalteten Einrichtung verwertet werden. Dies bewirkt einen geringen
konstruktiven Aufwand der gesamten Anlage.
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Die
Antriebsräder 10 der
Vorrichtungen können
beispielsweise mit einer gemeinsamen starren Welle oder alternativ
mit einer Gelenkwelle gekoppelt sein. Die Gelenkwelle kann dabei
ein oder mehrere Gelenke aufweisen. Mit der Gelenkwelle müssen die Antriebsräder 10 der
hintereinander geschalteten Vorrichtungen nicht unbedingt eine gemeinsame Drehachse 20 aufweisen.
Eine solche Anlage lässt sich
insbesondere in einer Flussbiegung installieren. Mit der Gelenkwelle
kann die Anordnung der Vorrichtungen an den Lauf des Gewässers angepasst
werden.
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Der
gemeinsamen Welle ist vorzugsweise der Drehmomentwandler nachgeschaltet
oder nachschaltbar. Dabei kann der Drehmomentwandler als Getrie be,
insbesondere als Zahnradgetriebe ausgebildet sein. Weiterhin ist
dem Drehmomentwandler wenigstens ein Generator nachgeschaltet oder
nachschaltbar.
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Die
oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen stellen lediglich
konkrete Beispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung und Anlage
dar. Im Rahmen der Erfindung sind zahlreiche Variationen möglich.
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Alternativ
können
die Schaufelelemente 14 und 16 auch als gekrümmte Flächenstücke ausgebildet
sein. Neben den dargestellten rechteckförmigen Schaufelelementen 14 und 16 sind
auch andere Konturen möglich.
Zum Beispiel können
die Schaufelelemente 14 und 16 als kreis- oder
ellipsenförmige Scheiben
ausgebildet sein. Die Anzahl der Schaufelelemente 16 kann
variiert werden.
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Schließlich besteht
auch die Möglichkeit,
die erfindungsgemäße Vorrichtung
und/oder Anlage in einem Meer zu installieren, um die Meeresströmung oder
die Gezeitenströmung
zu nutzen.
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- 10
- Antriebsrad
- 12
- Laufrad
- 14
- Umlaufeinrichtung
- 16
- Schaufelelement
- 18
- Strömungsrichtung
- 20
- Drehachse
des Antriebsrades
- 22
- Drehachse
des Laufrades