DE19742051A1 - Stativ mit Energiespeicher zum Gewichtsausgleich - Google Patents
Stativ mit Energiespeicher zum GewichtsausgleichInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Stativ gemäß dem Oberbegriff von
Anspruch 1.
Ein derartiges Stativ ist aus der DE 37 39 080 A1 bekannt.
Dieses bekannte Stativ weist einen Energiespeicher auf, welcher
das Drehmoment einer an dem Schwenkarm des Stativs angeordneten
Nutzlast kompensieren soll.
Dabei umfaßt der Energiespeicher ein an einem Angriffspunkt am
Schwenkarm angelenktes Seil, welches durch eine über der
Schwenkachse angeordnete Umlenkrolle zu einer Zugfeder
umgelenkt wird. Dadurch übt der Energiespeicher auf den
Angriffspunkt am Schwenkarm eine Kraft aus, welche auf
denjenigen Punkt des Umlenkrollenumfangs gerichtet ist, an dem
der vom Angriffspunkt kommende gerade Seilabschnitt den
Umlenkrollenumfang berührt.
Dieser als Widerlagerpunkt bezeichnete Berührungspunkt wandert
abhängig von der Schwenkstellung des Schwenkarms auf dem
Umlenkrollenumfang, weil die Umlenkrolle einen Durchmesser
ungleich Null aufweist. Dadurch kann mit diesem Stativ nur ein
angenähert er und kein exakter Gewichtsausgleich erreicht
werden.
Die Theorie derartiger Stative ist auch in dem Aufsatz
"Gewichtsausgleich an feinmechanischen Geräten" von H. Hilpert
in FEINGERÄTETECHNIK, 14. Jg., Heft 2/1965 zu finden (siehe
Bild 7 auf Seite 63 dieses Aufsatzes). In diesem Aufsatz von
H. Hilpert ist im ersten Absatz der linken Spalte von Seite 63
dargelegt, daß beim bekannten Stativ in Folge der endlichen
Umlenkrollenkrümmung, daß heißt durch die Verschiebung des
Widerlagerpunkts bzw. eine zusätzliche Seilaufwicklung oder
Seilabwicklung beim Verschwenken des Schwenkarms, nur ein
angenäherter Gewichtsausgleich erreicht werden kann.
Auch aus der DD 221 571 A1 ist ein gattungsgemäßes Stativ
bekannt, welches entsprechend den Prinzipien in dem Aufsatz von
H. Hilpert aufgebaut ist. Aber auch bei diesem Stativ wandert
der Widerlagerpunkt in Abhängigkeit von der jeweiligen Stellung
des Schwenkarms, da das Umlenkelement, welches das eine
Zugfeder mit dem Schwenkarm verbindende Seil umlenkt, von einer
Schrägfläche mit endlicher Krümmung gebildet ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Stativ mit
verbessertem Gewichtsausgleich zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale in Anspruch 1 gelöst.
Wenn nämlich bei einem festen Angriffspunkt am Schwenkarm die
Schwenkachse und der Widerlagerpunkt eine Vertikalebene
definieren und der Widerlagerpunkt bei einer Verschwenkung des
Schwenkarms raumfest relativ zum ersten Stativteil ist, ist der
den Stativen des Stands der Technik anhaftende Fehler aufgrund
ihres endlichen Umlenkrollendurchmessers beseitigt und damit
ein wirklich exakter Gewichtsausgleich möglich.
In vorteilhafter Weise umfaßt der Energiespeicher eine als
Zugfeder geschaltete Druckfeder. Dadurch kann ein Bruch der
Energiespeicherfeder nicht zu einer unkontrollierten
Abwärtsbewegung des Schwenkarms führen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wirkt der
Energiespeicher über ein am Angriffspunkt angelenktes Seil auf
den Schwenkarm ein, wobei eine das Seil zum Angriffspunkt
umlenkende Seilrolle um den am Außenumfang der Seilrolle
liegenden Widerlagerpunkt schwenkbar gelagert ist. Dadurch
können die Gewichtsvorteile eines Seils und die reibungsarme
Rollenumlenkung eines Seils mit einem in sehr guter Näherung
raumfesten Widerlagerpunkt und damit in sehr guter Näherung
exakten Gewichtsausgleich kombiniert werden.
Wenn der Energiespeicher im ersten Stativteil aufgenommen ist,
ist der Energiespeicher besonders platzsparend und ohne
Beeinträchtigung der Handhabbarkeit bzw. der
Verstellmöglichkeiten des Stativs untergebracht.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfaßt der Energiespeicher
eine Druckfeder, welche sich zwischen einem relativ zum ersten
Stativteil festen Ringanschlag und einem verschiebbaren, mit
dem Seil verbundenen Kolben abstützt. Durch diese Maßnahme kann
für den Energiespeicher das große Angebot geeigneter
Druckfedern genutzt werden.
Wenn der Angriffspunkt an einem Gleitstück angeordnet ist,
welches in einer die Schwenkachse orthogonal schneidenden
Längsnut des Schwenkarms verschiebbar ist, kann der
Gewichtsausgleich auch bei einer Gewichtsänderung des vom
Stativ zu tragenden Geräts durch einfaches Verschieben des
Gleitstücks wieder hergestellt werden.
Zu diesem Zweck ist es besonders vorteilhaft, das Gleitstück in
eine Spiralnut eingreifen zu lassen, welche um eine zur
Schwenkachse orthogonale Drehachse drehbar ist. Durch Drehen
der Spiralnut wird das Gleitstück in seiner Längsnut verschoben
und damit der Angriffspunkt geändert.
Wenn die Spiralnut als archimedische Spirale ausgebildet ist,
ist die Verschiebung des Angriffspunkts stets proportional zu
dem Drehwinkel, um den die Spiralnut gedreht wird.
Bei einer weiteren, sehr robusten Ausführungsform wirkt der
Energiespeicher über eine Zugstange auf den Angriffspunkt ein.
Wenn der Energiespeicher dabei eine Zylinder-Kolben-Anordnung
umfaßt, welche um eine den Widerlagerpunkt enthaltende
Drehachse drehbar an dem ersten Stativteil angelenkt ist, kann
die relativ zum ersten Stativteil feste Lage des
Widerlagerpunkts exakt und weitestgehend spiel frei verwirklicht
werden.
Im Hinblick auf die große Auswahl verfügbarer Druckfedern
stützt sich innerhalb der Zylinder-Kolben-Anordnung eine
Druckfeder zwischen einem mit der Zugstange verbundenen Kolben
und einer Hohlzylinderstirnfläche ab.
Wenn die Zylinder-Kolben-Anordnung seitlich neben dem
Schwenkarm angeordnet ist und das kolbenferne Ende der
Zugstange über eine Querstange am Angriffspunkt angelenkt ist,
wird der Schwenkbereich des Schwenkarms durch den
Energiespeicher nicht eingeschränkt.
Das im folgenden beschriebene Stativ ist im Hinblick auf den
Gewichtsausgleich in seiner Gesamtheit eine bevorzugte
Ausführungsform der Erfindung. Das Zusammenwirken der
Energiespeicheranordnung mit den übrigen Komponenten,
insbesondere Ausgleichsgewichten, Gelenkparallelogrammen,
Seilparallelogramm, der Linear/Schwenkeinheit, etc., dieses
beschriebenen Stativs ist ein besonders vorteilhafter Aspekt
der Erfindung.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungs
beispiels und der beigefügten Zeichnungen erläutert.
Es zeigen
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines erfindungs
gemäßen Stativs;
Fig. 2 eine in Richtung des Pfeils II von Fig. 1 gesehene,
teilweise geschnittene Detailansicht des Stativs;
Fig. 3 eine in Richtung des Pfeils III von Fig. 2 gesehene,
teilweise geschnittene Detailansicht des Stativs;
Fig. 4 eine Fig. 1 entsprechende Detailansicht des geräte
seitigen Stativabschnitts;
Fig. 5 eine in Richtung der Pfeile V von Fig. 4 gesehene,
entlang der Linie V-V von Fig. 4 verlaufende
Schnittdarstellung, welche einen Energiespeicher des
Stativs zeigt;
Fig. 6 eine Fig. 5 entsprechende Schnittdarstellung, welche
den Energiespeicher von Fig. 5 in einer anderen
Stellung des Stativs zeigt;
Fig. 7 eine in Richtung des Pfeils VII von Fig. 5 gesehene,
entlang der Linie VII-VII von Fig. 5 verlaufende
Schnittdarstellung des Energiespeichers;
Fig. 8 eine in Richtung des Pfeils VIII von Fig. 4 gesehene
Seitenansicht, welche eine
Linearschlitten/Schwenkeinheit im Detail zeigt;
Fig. 9 eine in Richtung des Pfeils IX von Fig. 4 gesehene,
entlang der Linie IX-IX von Fig. 4 verlaufende
Schnittdarstellung der Linearschlitten/Schwenkeinheit
von Fig. 4 bzw. 9; und
Fig. 10 eine in Richtung des Pfeils X von Fig. 9 gesehene
Seitenansicht der Linearschlitten/Schwenkeinheit mit
aus der Vertikalen verschwenktem Schwenkelement.
In Fig. 1 ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Stativs schematisch in einer Seitenansicht dargestellt. Das mit
1 bezeichnete Stativ trägt als Gerät ein Operationsmikroskop 3,
welches frei bewegbar sein soll.
Das Stativ 1 umfaßt ein Basisteil 7, welches auf einem mittels
Rollen 4 verschiebbaren Fußteil 5 um eine vertikale Drehachse
A1 drehbar gelagert ist. An dem Basisteil 7 ist ein Schwenkarm
9 angelenkt, welcher um eine orthogonal zur Zeichenebene von
Fig. 1 verlaufende Schwenkachse A2 schwenkbar ist.
An dem oberen Ende des Schwenkarms 9 ist ein Tragarm 11
angelenkt, welcher relativ zum Schwenkarm 9 um eine zur
Schwenkachse A2 parallele Drehachse A3 schwenkbar ist. Ein
Verbindungsstück 22 ist am geräteseitigen Ende des Tragarms 11
um eine zur Drehachse A3 parallele Drehachse A3' derart
angelenkt, daß das Verbindungsstück 22, wie im weiteren
dargelegt, seine Ausrichtung stets beibehält. Ferner ist
zwischen dem Verbindungsstück 22 und einem Gerätearm 13 ein
einachsiges Drehgelenk 24 angeordnet, welches die Drehbarkeit
des Gerätearms 13 um eine Drehachse A6 erlaubt.
Am geräteseitigen Ende des Gerätearms 13 ist ein Halterungsarm
15 um eine Drehachse A5 verschwenkbar angelenkt. Die Drehachse
A5 liegt in der Zeichenebene von Fig. 1 und muß sich mit der
stets vertikalen Drehachse A6 im allgemeinen nicht schneiden.
Der Gerätearm 13 ist aus Platzgründen abgeknickt und weist an
seinem halterungsarmseitigen Ende ein Drehgelenk 14 auf,
welches die Drehung des Halterungsarms 15 um die Drehachse A5
ermöglicht.
An dem geräteseitigen Ende des Halterungsarms 15 ist über eine
Verstellvorrichtung 16 das Operationsmikroskop 3 um die
Drehachse A4 verschwenkbar angebracht. Die Drehachse A4
verläuft in der Stellung des Stativs 1 gemäß Fig. 1 orthogonal
zur Zeichenebene von Fig. 1, wobei der Halterungsarm 15 derart
ausgebildet ist, daß sich die Drehachsen A4 und A5 orthogonal
schneiden.
Die freie Bewegbarkeit des Operationsmikroskops 3 bedeutet, daß
bei einer Bewegung des Operationsmikroskops 3 allenfalls
Trägheitsmomente und/oder Lagerreibungen nicht jedoch
Gewichtskräfte bzw. Gewichtsdrehmomente überwunden werden
müssen, d. h. das Stativ 1 muß sich bezüglich jeder seiner Dreh- bzw.
Schwenkachsen in einem indifferenten Gleichgewicht
befinden. Dies ist erfüllt, wenn der Schwerpunkt der zu
verschwenkenden Massen auf der jeweiligen Schwenkachse liegt,
d. h. dann, wenn das Stativ um diese Schwenkachse ausbalanciert
ist.
Bei nicht auf der Schwenkachse liegendem Massenschwerpunkt kann
als Alternative ein Energiespeicher vorgesehen werden, welcher
die bei einer Verschwenkung um die jeweilige Schwenkachse durch
eine Änderung der Höhenlage der bewegten Masse im Schwerefeld
der Erde frei werdende bzw. auf zubringende Gravitationsenergie
speichert bzw. liefert und dadurch das Drehmoment des
Schwerpunkts um die Schwenkachse ausgleicht.
Das Stativ 1 macht, wie es im folgenden beschrieben wird, von
beiden Möglichkeiten Gebrauch, wobei der Schwenkachse A2 und
der Drehachse A5 jeweils ein Energiespeicher zugeordnet ist und
wobei das Stativ 1 um die Drehachsen A3 und A4 auszubalancieren
ist. Bei den Drehachsen A1 und A6 ist es nicht notwendig, den
Schwerpunkt der jeweiligen bewegten Massen in die Drehachsen
selbst zu legen, da bei einer Drehung um die stets vertikal
ausgerichteten Drehachsen AI und A6 Gravitationsenergie weder
frei wird noch aufgewendet werden muß.
Zunächst wird der Gewichtsausgleich des Stativs 1 um die
Drehachse A3 beschrieben.
Mittels eines einachsigen Drehgelenks 33 ist ein zum Schwenkarm
9 paralleler Parallelogrammarm 35 an dem gerätefernen Ende des
Tragarms 11 angelenkt. Ferner ist eine Verbindungsstange 37
über ein einachsiges Drehgelenk 39 am tragarmfernen Ende des
Schwenkarms 9 und über ein einachsiges Drehgelenk 41 am
tragarmfernen Ende des Parallelogrammarms 35 angelenkt. Dabei
sind die Drehachsen der Gelenke 33, 39 und 41 parallel zur
Drehachse A3 und es ist sowohl der Abstand zwischen der
Drehachse A3 und der Drehachse des Gelenks 33 gleich dem
Abstand zwischen den Drehachsen der Gelenke 39 und 41 als auch
der Abstand zwischen der Drehachse A3 und der Drehachse des
Gelenks 39 gleich dem Abstand zwischen den Drehachsen der
Gelenke 33 und 41. Schwenkarm 9, Parallelogrammarm 35, Tragarm
11 und Verbindungsstange 37 bilden also ein
Gelenkparallelogramm.
Auf der Verbindungsstange 37 bzw. dem Parallelogrammarm 35 ist
jeweils ein Ausgleichsgewicht 43 bzw. 44 verschiebbar
angeordnet, um das Stativ 1 bezüglich seiner Drehachse A3
auszubalancieren.
Dazu ist es lediglich notwendig, das verschiebbare
Ausgleichsgewicht 43 bzw. 44 so zu dimensionieren bzw.
anzuordnen, daß das Gelenkparallelogramm wie in Fig. 1
dargestellt stabil und offen ist, d. h. eine von Null
verschiedene Fläche einschließt. Dann ist das Stativ 1
bezüglich der Drehachse A3 in dem gewünschten indifferenten
Gleichgewicht.
Bei einer Gewichtsveränderung des Operationsmikroskops 3, z. B.
infolge des Einsatzes von Operationsmikroskopzubehör, kann die
Ausbalancierung bezüglich der Drehachse A3 durch entsprechendes
Verschieben der Ausgleichsgewichte 43 und 44 wiederhergestellt
werden.
Im folgenden wird der Gewichtsausgleich des Stativs 1 um die
Schwenkachse A2 erläutert.
Aufgrund der Ausgleichsgewichte 43 und 44 sowie des weiteren
Gelenkparallelogramms wirken die Massen von Operationsmikroskop
3, Halterungsarm 15, Gerätearm 13 und Tragarm 11 bezüglich der
Schwenkachse A2 und des Schwenkarms 9 so, als ob auf dem
Schwenkarm 9 oder in Verlängerung des Schwenkarms 9 eine
verringerte "effektive Masse" säße.
Zum Ausgleich des durch die verringerte "effektive Masse" auf
den Schwenkarm 9 um die Schwenkachse A2 ausgeübten
Restdrehmoments, d. h. zum Gewichtsausgleich um die Schwenkachse
A2, ist der Energiespeicher 45 vorgesehen. Der Energiespeicher
45 ist bei 47 an dem Schwenkarm 9 und bei 49 an dem Basisteil 7
des Stativs 1 angelenkt. Die bei einer Verschwenkung des
Schwenkarms 9 um die Schwenkachse A2 durch die Änderung der
Höhenlage der "effektiven Masse" im Schwerefeld der Erde frei
werdende bzw. aufzubringende Energie wird vom Energiespeicher
45 gespeichert bzw. geliefert.
Durch den Energiespeicher 45 kann also die Masse der
Ausgleichsgewichte 43 und 44 relativ gering gehalten werden
bzw. auf weitere Ausgleichsgewichte verzichtet werden, da die
Ausgleichsgewichte 43 und 44 das gewünschte indifferente
Gleichgewicht nur bezüglich der Drehachse A3 herstellen müssen
und da hierzu durch die relativ große Entfernung der
Ausgleichsgewichte 43 und 44 von der Drehachse A3 günstige
Hebelverhältnisse vorliegen. Aufgrund des Energiespeichers 45
können also die bei einer Verlagerung des Operationsmikroskopes
3 zu überwindenden Trägheitskräfte relativ gering sein.
Die prinzipielle Funktionsweise eines derartigen
Energiespeichers ist in dem Aufsatz "Gewichtsausgleich an
feinmechanischen Geräten" von H. Hilpert in Heft 2/1965 der
Zeitschrift FEINGERÄTETECHNIK, 14. Jg. erläutert. Im
Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Stativ sind insbesondere
die in Bild 6 und in Bild 7 dieses Aufsatzes dargestellten
Energiespeicher-Anordnungen von Interesse.
Der Energiespeicher 45 übt eine bei 47 auf den Schwenkarm 9
einwirkende Kraft in Richtung auf den Widerlagerpunkt 49 aus,
welche dem durch die "effektive Masse" auf den Schwenkarm 9 um
die Schwenkachse A2 ausgeübten Drehmoment entgegenwirkt, um den
Schwenkarm 9 und damit das gesamte Stativ bezüglich der
Schwenkachse A2 in einem indifferenten Gleichgewicht zu halten.
Durch ein derartiges indifferentes Gleichgewicht kann das
Operationsmikroskop 3 an jeder Stelle des durch die
Beweglichkeit um die Schwenkachse A2 zugänglichen Arbeitsraums
kräftefrei positioniert werden. Dabei ist dann jeder Punkt
eines möglichen Verschiebungsweg des Operationsmikroskops 3 ein
Gleichgewichtspunkt, in welchem die auf das Operationsmikroskop
3 einwirkende resultierende Kraft verschwindet. Bei einer
Verlagerung des Operationsmikroskops 3 müssen dann allenfalls
die durch die zu bewegenden Massen bedingten Trägheitskräfte
überwunden werden.
Wie es aus dem bereits zitierten Aufsatz "Gewichtsausgleich an
feinmechanischen Geräten" hervorgeht, ist es für das
Gleichgewicht um die Schwenkachse A2 erforderlich, daß die
Schwenkachse A2 und der Widerlagerpunkt 49 vertikal über- bzw.
untereinander liegen, d. h., durch die Schwenkachse A2 und den
Widerlagerpunkt 49 muß eine Vertikalebene 50 definiert sein.
Die in dem genannten Zeitschriftenartikel offenbarten
Energiespeicher-Anordnungen erfüllen diese Vertikalitätsebenen-Be
dingung jedoch nur für eine einzige Schwenkstellung des
entsprechenden Schwenkarms, wobei der Widerlagerpunkt im
übrigen Schwenkbereich aus der Vertikalebene auswandert und
dadurch zu einem schwenkwinkelabhängigen Restdrehmoment auf den
Schwenkarm führt. Im Gegensatz zu diesen bekannten Stativen
bleibt der Widerlagerpunkt 49 des erfindungsgemäßen Stativs bei
einer Verschwenkung des Schwenkarms 9 bezüglich des Basisteils
7 raumfest und bildet deshalb mit der Schwenkachse A2 stets die
Vertikalebene 50. Das erfindungsgemäße Stativ ist also in jeder
Stellung des Schwenkarms 9 exakt im Gleichgewicht.
Fig. 2 zeigt den Energiespeicher 45 in einer in Richtung des
Pfeils II von Fig. 1 gesehenen, teilweise geschnittenen
Detailansicht bei einer Stellung des Stativs 1 mit vertikalem
Schwenkarm 9.
Der Energiespeicher 45 umfaßt ein zylindrisches Gehäuse 53,
welches um eine zur Schwenkachse A2 parallele Drehachse 57
drehbar angeordnet ist. Dazu greifen zwei Achszapfen 55 in fest
mit dem Stativbasisteil 7 verbundene Halterungswangen 59 ein.
In das zylindrische Gehäuse 53 ragt eine Zugstange 61, an deren
kolbenartig ausgebildetem Ende 63 sich eine Druckfeder 65 mit
ihrem einen Ende abstützt. Mit ihrem anderen Ende stützt sich
die Druckfeder 65 an der kolbenfernen Stirnfläche 67 des
zylindrischen Gehäuses 53 ab.
Die Zugstange 61 ist außerhalb des zylindrischen Gehäuses 53
mit einer Querstange 69 verbunden. Die Querstange 69 ist an der
Zugstange 61 über ein Drehlager 71 und an dem Schwenkarm 9 über
ein Drehlager 73 bzw. die in Fig. 1 lediglich schematisch
dargestellte Anlenkung 47 angelenkt. Der Widerlagerpunkt 49
befindet sich also im Schnittpunkt der Drehachse 57 des
Energiespeichergehäuses 53 mit der Ebene des den Schwenkarm 9
und den Parallelogrammarm 35 umfassenden Gelenkparallelogramms.
In Fig. 2 ist ferner ein Schwenklager 77 zu erkennen, über
welches der Schwenkarm 9 an einem Achszapfen 79 des
Stativbasisteils 7 um die Schwenkachse A2 schwenkbar gelagert
ist.
Die Wirkungsweise des Energiespeichers 45 ist anhand von
Fig. 3 zu erkennen. Fig. 3 ist eine Seitenansicht der
Detaildarstellung von Fig. 2 in Richtung des Pfeils III von
Fig. 2, wobei der Energiespeicher 45 geschnitten dargestellt
ist. Dabei unterscheidet sich die in Fig. 3 dargestellte
Situation jedoch insofern von Fig. 2, als der Schwenkarm 9 in
Fig. 2 vertikal ausgerichtet ist und in Fig. 3 aus seiner
Vertikalstellung in eine Schrägstellung geschwenkt ist.
In der in Fig. 2 dargestellten Stellung des Schwenkarms 9
wirkt auf den Schwenkarm 9 kein Drehmoment ein, da der
Schwerpunkt der auf den Schwenkarm 9 lastenden "effektiven
Masse" genau vertikal über der Schwenkachse A2 liegt. Deshalb
nimmt die Druckfeder 65 in der Stativstellung gemäß Fig. 2 den
gesamte Raum innerhalb des Energiespeichergehäuses 53 ein.
Bei der in Fig. 3 dargestellten Stellung des Schwenkarms 9
führt die "effektive Masse" zu einem Drehmoment, welches den
Schwenkarm 9 um die Schwenkachse A2 entgegen der
Uhrzeigerrichtung zu verdrehen versucht. In dieser Stellung
gemäß Fig. 3 ist aber auch die Zugstange 61 gegenüber ihrer
Position gemäß Fig. 2 aus dem Energiespeichergehäuse 53 unter
Komprimierung der Druckfeder 65 herausgezogen. Dem Drehmoment
der "effektiven Masse" wirkt also die durch die Komprimierung
der Druckfeder 65 erzeugte Federkraft entgegen und hält den
Schwenkarm 9 im Gleichgewicht.
Die Federkraft greift im Bereich der Anlenkung 47 am Schwenkarm
9 an und ist auf den Widerlagerpunkt 49 gerichtet, welcher auf
der Drehachse 57 des Energiespeichergehäuses 53 liegt, da die
in Fig. 3 gestrichelt dargestellte Längsachse 61a der
Zugstange 61 die Drehachse 57 schneidet und die Richtung der
auf den Schwenkarm 9 ausgeübten Federkraft parallel zur
Zugstangenlängsachse 61a ist. Dabei ist aufgrund der
Kraftübertragung vermittels der in Fig. 2 dargestellten
Querstange 69 die Verbindungslinie zwischen dem
Kraftangriffspunkt im Bereich der Anlenkung 47 und dem
Widerlagerpunkt 49 parallel zur Zugstange 61.
Da der Widerlagerpunkt 49 auf der Drehachse 57 des
Energiespeichergehäuses 53 liegt und die Drehachse 57 bei einer
Schwenkbewegung des Schwenkarms 9 um die Drehachse A2 raumfest
bleibt, ist die in den Fig. 1 und 3 gestrichelt
dargestellte, den Widerlagerpunkt 49 und die Schwenkachse A2
enthaltende Ebene 50 immer vertikal.
Aus dem genannten Aufsatz von H. Hilpert kann für jeden
gegebenen Anwendungsfall die Federkonstante der Druckfeder 65
auf die spezielle Stativkonfiguration und insbesondere auf den
konkret gewählten Kraftangriffspunkt 47 am Schwenkarm 9
angepasst werden. Siehe dazu insbesondere die Formeln (15) und
(22) auf den Seiten 62 und 63 in dem genannten Aufsatz.
Für den Gewichtsausgleich um die Drehachse A5 ist ein im
Gerätearm 13 angeordneter, in Fig. 4 angedeuteter, weiterer
Energiespeicher 95 vorgesehen, welcher ebenfalls nach dem in
dem Aufsatz von H. Hilpert dargelegten Prinzip arbeitet und
ebenfalls die Nachteile der in diesem Aufsatz beschriebenen
Energiespeicher vermeidet.
Aufbau und Funktionsweise dieses weiteren Energiespeichers 95,
von dem in Fig. 4 ein Einstellelement 97 zu sehen ist, werden
anhand der Fig. 5, 6 und 7 erläutert.
Fig. 5 ist eine Schnittansicht eines Teils des im Gerätearm 13
angeordneten Energiespeichers 95 gesehen in Richtung der Pfeile
V von Fig. 4. Deshalb ist die Drehachse A5 relativ zur
Zeichenebene von Fig. 5 orthogonal.
Fig. 6 ist eine Fig. 5 entsprechende Schnittansicht und zeigt
den Energiespeicher 95 in einer anderen Drehstellung des
Halterungsarms 15 um die Drehachse A5.
Ein parallel zur Drehachse A4 angeordneter Hebelarm 99 ist mit
dem Halterungsarm 15 fest verbundenen und ist deshalb zusammen
mit dem Halterungsarm 15 um die Drehachse A5 verschwenkbar,
wobei der Hebelarm 99 orthogonal zur Drehachse A5 ist und diese
schneidet.
Da, wie es im folgenden erläutert wird, der Schwerpunkt des
Operationsmikroskops 3 auf der Drehachse A4 liegt und sich die
Drehachsen A4 und A5 orthogonal schneiden, wirkt das vom
Operationsmikroskop 3 auf den Halterungsarm 15 ausgeübte
Drehmoment so, als ob das Operationsmikroskop 3 auf dem
Hebelarm 99 oder in Verlängerung des Hebelarms 99 angeordnet
wäre, wobei der Abstand zwischen dem Schnittpunkt der
Drehachsen A4 und A5 und dem Schwerpunkt des
Operationsmikroskops 3 mit der Hebellänge 1 aus dem genannten
Aufsatz von H. Hilpert gleichzusetzen ist.
Deshalb kann das Stativ 1 bezüglich des vom Operationsmikroskop
3 um die Drehachse A5 ausgeübten Drehmoments durch den am
Hebelarm 99 angreifenden Energiespeicher 95 ausbalanciert
werden.
Dazu ist zwischen dem Hebelarm 99 und einem im Inneren des
zylindrischen Gerätearms 13 verschiebbar aufgenommenen Kolben
101 ein Seil 103 gespannt, welches von einer Seilrolle 105 aus
der Längsachse des Gerätearms 13 zu einem Angriffspunkt 107 am
Hebelarm 99 umgelenkt wird. Zwischen dem Kolben 101 und einem
halterungsarmseitigen Ringanschlag 109 im Inneren des
Gerätearms 13 stützt sich eine schraubenförmige Druckfeder 111
ab.
Die Druckfeder 111 wird bei einer Verschwenkung des
Halterungsarms 15 um die Drehachse A5 in die Stellung gemäß
Fig. 6 komprimiert, da durch die an die Verschwenkung des
Halterungsarms 15 gekoppelte Drehung des Hebelarms 99 um die
Drehachse A5 der Kolben 101 über das Seil zur Drehachse A5 hin
gezogen wird. Die dadurch auf den Hebel 99 und damit den
Halterungsarm 15 ausgeübte Federkraft greift im Angriffspunkt
107 an und ist auf einen Widerlagerpunkt 113 am Umfang der
Seilrolle 105 gerichtet. Diese Federkraft soll das von den
Massen des Halterungsarms 15, der Verstellvorrichtung 16 und
des Operationsmikroskops 3 auf den Halterungsarm 15 um die
Drehachse A5 ausgeübte Drehmoment kompensieren und bezüglich
der Drehung um die Drehachse A5 ein indifferentes Gleichgewicht
herstellen.
Die Seilrolle 105 ist wippenartig derart gelagert, daß sie sich
frei um den Widerlagerpunkt 113 drehen kann, wobei die mit
einem Verschwenken des Halterungsarms 15 einhergehende
Lageänderung des Mittelpunkts 115 der Seilrolle 105 durch den
Doppelpfeil 117 angedeutet ist. Dadurch bleibt der
Widerlagerpunkt 113 auch bei einer Verschwenkung des
Halterungsarms 15 bzw. des Hebelarms 99 um die Drehachse A5
raumfest.
Da die Zeichenebene von Fig. 4 eine Vertikalebene ist und
sowohl die Drehachse A5 als auch die Längsachse des Gerätearms
13 enthält und der Widerlagerpunkt 113 auf dieser Längsachse
des Gerätearms 13 angeordnet ist, definiert der Widerlagerpunkt
113 zusammen mit der Schwenkachse A5 des Halterungsarms 15
eine Vertikalebene. Die Längsachse des Halterungsarms 13 ist in
Fig. 4 durch die Verbindungslinie der Pfeilspitzen der beiden
Pfeile V festgelegt.
Aufgrund der erläuterten wippenartigen Lagerung der Seilrolle
105 im Widerlagerpunkt 113 ist gewährleistet, daß der
Mittelpunkt 115 der Seilrolle 105 bei einer Verschwenkung des
Halterungsarms 15 derart ausgelenkt wird, daß der
Widerlagerpunkt 113 raumfest bleibt und die durch den
Widerlagerpunkt 113 und die Schwenkachse A5 definierte Ebene
stets eine Vertikalebene ist.
Damit ist, wie es bereits im Zusammenhang mit dem
Energiespeicher 45 beschrieben wurde, der Halterungsarm 15 in
jeder seiner Schwenkstellungen im indifferenten Gleichgewicht,
falls sich der Schwerpunkt der Massen des Halterungsarms 15,
der Verstellvorrichtung 16 und des Operationsmikroskops 3 auf
der zum Hebelarm 99 parallelen Drehachse A4 befindet.
Um auch beim Anbringen von Zusatzkomponenten am
Operationsmikroskop 3 ein Gleichgewicht um die Drehachse A5 zu
erhalten, ist der Angriffspunkt 107 des Seils 103 entlang des
Hebelarms 99 verschiebbar. Damit ist die im Aufsatz von H.
Hilpert prinzipiell in Bild 7 dargestellte Energiespeicher-An
ordnung verwirklicht.
Zu diesem Zweck ist der Angriffspunkt 107 an einem Gleitstück
121 angeordnet, welches in einer die Drehachse A5 orthogonal
schneidenden Längsnut 119 des Hebelarms 99 verschiebbar geführt
ist. Das Gleitstück 121 greift mit einem Zapfen 123 in eine
Spiralnut 125 einer mit dem Hebelarm 99 um die Drehachse A5
verschwenkbaren archimedischen Spirale 127 ein. Die
archimedische Spirale 127 liegt in einer zum Hebelarm 99 und
zur Drehachse A5 parallelen Ebene. Durch den fest mit der
archimedischen Spirale 127 verbundenen Drehknopf 97 kann die
archimedische Spirale 127 relativ zum Hebelarm 99 um eine die
Drehachse A5 orthogonal schneidende Drehachse 98 gedreht werden
und damit der Abstand des entlang des Hebelarms 99 geführten
Federkraftangriffspunkts 107 von der Schwenkachse A5
eingestellt werden. Da die Führungsnut 125, in welche der
Zapfen 123 eingreift, eine archimedische Spirale ist, ist die
Abstandsänderung stets proportional zu dem Drehwinkel des
Drehknopfs 97.
Anstelle der archimedischen Spirale 127 bzw. 125 kann das
Gleitstück 121 aber auch mit Hilfe einer Schraubspindel
verstellt werden, welche parallel zum Hebelarm 99 anzuordnen
wäre, und vom Drehknopf 97 aus über ein Kegelradgetriebe
verstellbar wäre. Der Drehknopf 97 sollte relativ zum Hebelarm
99 wie in Fig. 5 dargestellt angeordnet sein, um nicht durch
Anschlag an den Enden des Schlitzes 129 im Gerätearm 13 den
Schwenkbereich des Halterungsarms 15 einzuschränken.
In Fig. 7 ist die wippenartige Lagerung der Seilrolle 105
detaillierter dargestellt. Dabei ist 7 eine Schnittansicht
gesehen in Richtung der Pfeile VII von Fig. 5.
Die Seilrolle 105 ist um eine durch ihren Mittelpunkt 115
verlaufende Drehachse 137 drehbar an einem Trägerteil 131
gelagert. Das Trägerteil 131 ist mittels eines Drehlagers 133
um eine den Widerlagerpunkt 113 schneidende Drehachse 135
drehbar an dem Ringanschlag 109 des Gerätearms 13 gelagert.
Dadurch ist die Seilrolle 105 um die Drehachse 135 drehbar im
Widerlagerpunkt 113 wippenartig gelagert, wobei der
Widerlagerpunkt 113 in der Mitte des endlichen Querschnitts des
Seils 103 und auf der Drehachse 135 angeordnet ist.
Auch für den Energiespeicher 95 können aus dem genannten
Aufsatz von H. Hilpert für jeden gegebenen Anwendungsfall die
geeignete Federkonstante der Druckfeder 111 und die Lage des
Kraftangriffspunkts 107 am Hebelarm 99 ohne weiteres bestimmt
werden, siehe dazu insbesondere die Formeln (15) und (22) auf
den Seiten 62 und 63 in diesem Aufsatz. Wobei der
Energiespeicher 95 die Möglichkeit bietet, bei einer geeignet
gewählten mittleren Federkonstante den jeweiligen
Gewichtsausgleich durch Ausprobieren, d. h. durch geeignetes
Verschieben des Kraftangriffspunkts 107, herzustellen.
Zu Fig. 1 zurückkommend wird im folgenden erläutert, warum die
Drehachse A6 stets vertikal ausgerichtet ist und damit auf
einen der Drehachse A6 zugeordneten Energiespeicher bzw. auf
eine Einjustierung des Schwerpunkts der um die Drehachse A6
verschwenkten Massen auf die Drehachse A6 verzichtet werden
kann.
Zentrisch zur Drehachse A3 ist am oberen Ende des Schwenkarms 9
eine fest mit einem stets horizontal ausgerichteten
Horizontalarm 23 verbundene Umlenkrolle 17 gelagert. Am
gerätearmseitigen Ende des Tragarms 11 ist eine weitere relativ
zum Tragarm 11 drehbare Umlenkrolle 19 zentrisch um eine zur
Drehachse A3 parallele Drehachse A3' gelagert, wobei ein
geschlossener Seilzug 21 schlupffrei um die Umlenkrollen 17 und
19 herum verläuft. Dabei ist an der Umlenkrolle 19 das
Verbindungsstück 22 drehfest angeordnet.
Der an der Umlenkrolle 17 unverdrehbar angeordnete
Horizontalarm 23 ist über ein einachsiges Drehgelenk 25 mit
einem Ende einer Parallelogrammstange 27 verbunden, wobei die
Parallelogrammstange 27 an ihrem anderen Ende über ein
einachsiges Drehgelenk 29 an dem Basisteil 7 des Stativs 1
angelenkt ist. Dabei verlaufen die Drehachsen der Gelenke 25
und 29 parallel zur Drehachse A2 bzw. A3.
Der zwischen den Drehachsen A2 und A3 gelegene Abschnitt des
Schwenkarms 9 bildet zusammen mit der Parallelogrammstange 27
sowie dem Horizontalarm 23 und der gedachten, und deshalb in
Fig. 1 gestrichelt dargestellten Verbindungslinie 31 zwischen
der Schwenkachse A2 und dem Gelenk 29 ein Gelenkparallelogramm.
Es ist also der Abstand zwischen der Schwenkachse A2 und der
Drehachse A3 gleich dem Abstand zwischen der Drehachse des
Drehgelenks 25 und der Drehachse des Drehgelenks 29. Ferner ist
der Abstand zwischen der Schwenkachse A2 und der Drehachse des
Gelenks 29 gleich dem Abstand zwischen der Drehachse A3 und der
Drehachse des Gelenks 25. Da sich zudem die horizontale Lage
der gestrichelt dargestellten Verbindungslinie 31 bei einer
Verschwenkung des Stativs 1 um die Achsen A1 bis A6 nicht
ändert, ist der Horizontalarm 23 unabhängig von der jeweiligen
Stellung des Schwenkarms 9 stets horizontal ausgerichtet.
Bei einer Verschwenkung des Tragarms 11 um die Drehachse A3
oder bei einer Verschwenkung des Schwenkarms 9 um die
Schwenkachse A2 drehen sich die Umlenkrollen 17 und 19
gegenüber dem Tragarm 11 stets so, daß die Orientierung der
Umlenkrollen 17 und 19 relativ zur Vertikalrichtung konstant
bleibt, da ja der Horizontalarm 23 fest mit der Umlenkrolle 17
verbunden ist und die Umlenkrolle 17 über den ein
Seilparallelogramm bildenden, geschlossenen Seilzug 21 mit der
Umlenkrolle 19 gekoppelt ist.
Da der Gerätearm 13 über das Verbindungsstück 22 fest mit der
Umlenkrolle 19 verbunden ist, bleibt auch seine Orientierung
relativ zur Vertikalrichtung immer konstant. Deshalb bleibt die
Drehachse A6 selbst bei einer Verschwenkung des Schwenkarms 9
oder des Tragarms 11 stets vertikal ausgerichtet.
In Fig. 4 ist der den vorderen Abschnitt des Tragarms 11, den
Gerätearm 13, den Halterungsarm 15 und das Operationsmikroskop
3 umfassende Bereich des Stativs 1 dargestellt.
In Fig. 4 ist zu erkennen, daß der geschlossene Seilzug 21 im
Bereich der Umlenkrollen 17 und 19 als biegbares Seil 81 und
zwischen den Rollen 17 und 19 als starrer Stangenabschnitt 83
bzw. 85 ausgebildet ist. Die Seilabschnitte 81 umgreifen die
Umlenkrollen 17 und 19 schlupffrei und sind derart
dimensioniert, daß über den gesamten Schwenkbereich des
Tragarms 11 eine Berührung zwischen den starren
Stangenabschnitten 83 und 85 und den Umlenkrollen 17 bzw. 19
vermieden wird.
Durch eine derartige Ausgestaltung des die Umlenkrollen 17 und
19 sowie den geschlossenen Seilzug 21 umfassenden
Seilparallelogramms können unter Beibehaltung des
Gewichtsvorteils eines Seilparallelogramms gegenüber einem
Gestängeparallelogramm die durch ein Seil bedingten,
hystereseartigen Seildehnungseffekte weitgehend minimiert
werden. Dadurch kann das geringe Gewicht eines Seilzugs mit der
hohen Steifigkeit eines Gestänges kombiniert werden. Ohne die
Seilparallelogrammzugstangen 83 und 85 wäre zur Unterdrückung
dieser hystereseartigen Dehnungseffekte eine sehr hohe
Seilvorspannung erforderlich, welche die Lager der Umlenkrollen
17 und 19 übermäßig belasten würde.
Im folgenden wird der Gewichtsausgleich des Stativs 1 um die
Drehachse A4 erläutert.
Dazu wird mittels der zwischen den Halterungsarm 15 und das
Operationsmikroskop 3 geschalteten Verstellvorrichtung 16 der
Schwerpunkt des Operationsmikroskops 3 auf die Drehachse A4
gebracht und damit das Stativ 1 um die Drehachse A4
ausbalanciert.
Fig. 8 zeigt die Verstellvorrichtung 16 in einer Seitenansicht
gesehen in Richtung des Pfeils VIII von Fig. 4.
Die Verstellvorrichtung 16 ist als Linearschlitten/Schwenk-
Einheit ausgebildet, welche einen Linearschlitten 139 und ein
Schwenkelement 141 umfaßt. Der Linearschlitten 139 ist in
Richtung des Doppelpfeils 143 an einem um die Drehachse A4
verschwenkbaren Basisteil 145 der
Linearschlitten/Schwenkeinheit 16 verschiebbar. Auf dem
Linearschlitten 143 und deshalb mit diesem in Richtung des
Doppelpfeils 143 verschiebbar ist das Schwenkelement 141 um
eine Schwenkachse 147 verschwenkbar angeordnet. An dem
Schwenkelement 141 ist dann das Operationsmikroskop 3 fest
angeordnet. Da das Basisteil 145 am Halterungsarm 15 um die
Drehachse A4 drehbar angelenkt ist, kann das
Operationsmikroskop 3 zusammen mit der
Linearschlitten/Schwenkeinheit 16 auch um die Drehachse A4
gedreht werden.
In Fig. 8 ist ferner ein Drehknopf 149 zum Verschieben des
Linearschlittens 143 und ein weiterer Drehknopf 151 zum
Verschwenken des Schwenkelements 141 um die Schwenkachse 147 zu
sehen. Der Drehknopf 151 wirkt dazu auf ein auf dem
Schwenkelement 141 ausgebildetes Schneckenrad 153 mit
Schrägverzahnung ein.
Fig. 9 zeigt die Linearschlitten/Schwenkeinheit 16 in einer
die Drehachsen A4 und 147 umfassenden Schnittdarstellung
entlang der durch die Pfeile IX in Fig. 4 festgelegten
Schnittlinie.
In Fig. 9 ist zu erkennen, daß mit dem Drehknopf 149 eine
Schraubspindel 155 um eine in der Zeichenebene von Fig. 9
liegende Drehachse 156 verdreht werden kann. Die Schraubspindel
155 durchsetzt eine Gewindebohrung 158 des Linearschlittens
139, welcher in der Ausnehmung 157 des Basisteils 145 in
Richtung des Doppelpfeils 143 aus Fig. 8 verschiebbar geführt
ist. Durch Drehen am Drehknopf 149 kann der Linearschlitten 139
und damit das Operationsmikroskop 3 also relativ zur Fig. 9
nach oben oder nach unten bewegt werden.
An dem Linearschlitten 139 ist eine weitere Schraubspindel 159
drehbar um eine orthogonal zur Zeichenebene von Fig. 9
verlaufende Drehachse 161 angeordnet. Die weitere
Schraubspindel 159 kämmt dabei mit dem Schräggewinde des
Schneckenrads 153 des Schwenkelements 141. Da das Schneckenrad
153 über das Drehlager 163 relativ zum Linearschlitten 139 um
die Drehachse 147 verdrehbar ist, kann das Schwenkelement 141
und damit das Operationsmikroskop 3 durch eine Drehung der
Schraubspindel 159 verschwenkt werden. Eine derartige Drehung
der Schraubspindel 159 wird durch den in Fig. 8 zu sehenden,
fest mit der Schraubspindel 159 verbundenen Drehknopf 151
bewirkt.
In Fig. 9 ist ferner das die Drehung der
Linearschlitten/Schwenkeinheit 16 um die Drehachse A4
ermöglichende Drehlager 165 zu sehen.
Fig. 10 ist eine in Richtung des Pfeils X von Fig. 9 gesehene
Draufsicht auf die Linearschlitten/Schwenkeinheit 16 mit aus
der Vertikalen verschwenktem Schwenkelement 141.
In Fig. 10 ist der die Schraubspindel 159 aufnehmende
Abschnitt 167 des Linearschlittens 139 deutlich zu erkennen und
es sind am Schwenkelement 141 ausgebildete Befestigungslöcher
169 zu erkennen, mit deren Hilfe das in Fig. 10 aus
Darstellungsgründen nicht eingezeichnete Operationsmikroskop am
Schwenkelement 141 befestigt ist. Die Drehachse A4 verläuft
genauso wie die Drehachse 147 orthogonal zur Zeichenebene von
Fig. 10. Es ist zu beachten, daß um die Drehachse 147
lediglich das Schwenkelement 141, um die Drehachse A4 jedoch
die gesamte in Fig. 10 dargestellte
Linearschlitten/Schwenkeinheit 16 verschwenkbar ist.
Claims (12)
1. Stativ für ein bewegbar anzuordnendes Gerät (3), umfassend
und daß der Widerlagerpunkt (49; 113) bei einer Verschwenkung des Stativarms (9; 15) raumfest relativ zum ersten Stativteil (7; 13) ist.
- - einen ersten Stativteil (7; 13),
- - einen relativ zum ersten Stativteil (7; 13) bewegbaren zweiten Stativteil (9, 11; 15, 16) mit einem an dem ersten Stativteil (7; 13) angelenkten, um eine Schwenkachse (A2; A5) schwenkbaren Schwenkarm (9; 15)
- - und einen Energiespeicher (45; 95), welcher auf einen festen Angriffspunkt (47; 107) am Schwenkarm (9; 15) eine auf einen Widerlagerpunkt (49; 113) am ersten Stativteil (7; 13) gerichtete Kraft ausübt,
und daß der Widerlagerpunkt (49; 113) bei einer Verschwenkung des Stativarms (9; 15) raumfest relativ zum ersten Stativteil (7; 13) ist.
2. Stativ nach Anspruch 1, wobei der Energiespeicher (45; 95)
eine als Zugfeder geschaltete Druckfeder (65; 111) umfaßt.
3. Stativ nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Energiespeicher
(95) über ein am Angriffspunkt (107) angelenktes Seil
(103) auf den zweiten Stativteil (15, 16) einwirkt und
eine das Seil (103) zum Angriffspunkt (107) umlenkende
Seilrolle (105) um den am Außenumfang der Seilrolle (105)
liegenden Widerlagerpunkt (113) schwenkbar gelagert ist.
4. Stativ nach Anspruch 2 und 3, wobei sich die Druckfeder
(111) zwischen einem relativ zum ersten Stativteil (13)
festen Ringanschlag (109) und einem verschiebbaren, mit
dem Seil (103) verbundenen Kolben (101) abstützt.
5. Stativ nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der
Angriffspunkt (107) an einem Gleitstück (121) angeordnet
ist, welches in einer die Schwenkachse (A5) orthogonal
schneidenden Längsnut (119) verschiebbar ist.
6. Stativ nach Anspruch 5, wobei das Gleitstück (121) in eine
Spiralnut (125) eingreift, welche um eine zur Schwenkachse
(A5) orthogonale Drehachse (98) drehbar ist.
7. Stativ nach Anspruch 6, wobei die Spiralnut (125) als
archimedische Spirale ausgebildet ist.
8. Stativ nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der
Energiespeicher (95) im ersten Stativteil (13) aufgenommen
ist.
9. Stativ nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Energiespeicher
(45) über eine am Angriffspunkt (47) angelenkte Zugstange
(61) auf den zweiten Stativteil (9, 11) einwirkt.
10. Stativ nach Anspruch 9, wobei der Energiespeicher (45)
eine Zylinder-Kolben-Anordnung (53, 63) umfaßt, welche um
eine den Widerlagerpunkt (49) enthaltende Drehachse (57)
drehbar an dem ersten Stativteil (7) angelenkt ist.
11. Stativ nach Anspruch 2 und 10, wobei sich die Druckfeder
(65) innerhalb der Zylinder-Kolben-Anordnungen (53, 63)
zwischen einem mit der Zugstange (61) verbundenen Kolben
(63) und einer Zylinderstirnfläche (67) abstützt.
12. Stativ nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Zylinder-
Kolben-Anordnung (53, 63) seitlich neben dem Schwenkarm
(9) angeordnet ist und das kolbenferne Ende der Zugstange
(61) über eine Querstange (69) am Angriffspunkt (47)
angelenkt ist.
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