DE2042106A1

DE2042106A1 - Als Pumpe oder Motor benutzbare hydraulische Maschine

Info

Publication number: DE2042106A1
Application number: DE19702042106
Authority: DE
Inventors: Turner Ronald A; Coakley James L
Original assignee: Abex Corp
Current assignee: PepsiAmericas Inc
Priority date: 1970-01-30
Filing date: 1970-08-20
Publication date: 1971-12-02
Also published as: GB1317922A; FR2074980A5

Description

Dining. Walter Meissner DipWng. HerbertJischer BERLIN 33, Herbertstraße 22 MUNCMtN

Fernsprecher: 8 87 72 37 - Drahtwort: Invention Berlin Postscheckkonto: W. Meissner, Berlin West 122 82

S SfÄft IWSS ■ 1 BERLIN 33 (GRUNEWALD), den

Herbertetraße 22 ....

A-n 24 143

Fifth üvenue,wew York (Vereinigte Staaten von

Amerika)

AIa Pumpe oder iuotor benutzbare hydraulische Maschine.

Die Erfindung bezieht sich auf hydraulische Maschinen, die als Pumpen oder Motoren benutzt werden können, und betrifft die Ausgestaltung der zum Antrieb der Kolben der Maschinen benutzten Gleitschuhe·

Man kennt hydraulische Maschinen, in denen mehrere, in einem umlaufenden Zylinderblock angeordnete Tauchkolben mit Gleitschuhen an ihrem aus dem Zylinderblock herausragenden Kolbenköpfen auf der Stirnfläche einer geneigten, nicht umlaufenden Taumelscheibe gleiten. Es ist auch bekannt, die hydraulische Flüssigkeit durch entsprechende Steueröffnungen auf der dem Gleitschuh gegenüber liegenden Seite des Zylinderblocks dem Kolben zuzuführen und von diesem durch Löcher in dem Kolbenkopf und in dem Gleitschuh in einen im Gleitschuh gegenüber der Taumelplatte liegenden Hohlraum zu leiten. Auf den Gleitschuh wirkt eine ziemlich große Kraft, die den Gleitschuh geyen die Taumelplatte drückt und nachstehend als Haltekraft bezeichnet werden soll.

Bei diesen Maschinen liegt eine Handleiste als Gleitfläche des Gleitschuhs auf der Stirnfläche der Taumelscheibe, die den Hohlraum im Gleitschuh umgibt· Bei

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einer Art dieser Maschinen, die man als "übergleichgewichtet" bezeichnet, ist die Tiefe des Hohlraums so bemessen, daß in ihm die Flüssigkeit überall einen im wesentlichen gleichen Druck hat· Die !Fläche des Hohlraums ist so groß, daß der Flüssigkeitsdruck eine Abhebekraft hervorruft, die die Haltekraft des Gleitschuhe überwindet. Dadurch wird der Gleitschuh geringfügig von der Stirnfläche der Taumelscheibe abgehoben und führt zu einem Spalt zwischen der Randleiste des Gleitschuhs und der Taumelscheibe· Die Flüssigkeitsmenge, die dem Hohlraum im Gleitschuh zugeführt wird, reicht dabei zum Ausgleich des Undichtigkeitsverlustes aus, wobei der Druck im Hohlraum sich vermindert. So stellt die Abhebung des Gleitschuhs sich von selbst so ein, daß die Abhebekraft mit der Haltekraft bei abgehobenem Gleitschuh im Gleichgewicht ist· Infolge dieses Gleichgewichts tritt bei dieser Bauart keine Metall-Berührung mit der gegenüber liegenden Metallfläche zwischen dem Gleitschuh und der Taumelplatte ein· Dabei sei bemerkt, daß man die austretende Flüssigkeitsmenge durch eine Verengung des Zuflußloches gering zu halten sucht·

Die Erfindung bezieht sich auf eine andere Bauart dieser Maschinen, die man als "untergleichgewichtet" bezeichnet· Bei dieser tritt eine Metall-Metall-Berührung zwischen dem Gleitschuh, und der Taumelscheibe auf, wobei die Grenzschicht eines Schmiermittels oder eine hydrodynamische Schmierung an dieser Gleitfläche aufgebaut werden, um eine zu starke Abnutzung zu verhindern. Bei dieser Maschinenbauart ist die Gesamtkraft, die während des Druckhubes auf das Innenende des Kolbens wirkt und den Gleitschuh gegen die Taumelscheibe drückt, größer als die Abhebekraft, die durch die Flüssigkeit in dem Hohlraum innerhalb der Bandleiste des Gleitschuhs erzeugt wird» So tritt kein Spalt unter der Randleiste

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während des Druc"khubes der Maschine auf j die Randleiste gleitet vielmehr über der Taumelscheibe in Metall-Metall-Berührung. Die Abhebekraft liegt also unter dem Gleichgewicht mit der Andrückkraft.

Wenn eine solche Maschine als Pumpe benutzt wird, und dabei der Kolben vom Druckhub zum Saughub übergeht, hebt sich der Gleitschuh aus der Metall-Metall-Berührung mit der Taumelscheibe plötzlich ab. Dabei entsteht ein Leerraum zwischen dem Gleitschuh und der Taumelscheibe.

Ein Leerraum kann auch zwischen dem Gleitschuh und der Taumelscheibe unabhängig davon, ob die Maschine als (

Motor oder Pumpe benutzt wird, jedes Mal dann entstehen, wenn sich der Gleitschuh von der Taumelscheibe aus irgendeinem Grunde plötzlich abhebt, z.B. bei einer geringfügigen Regelung oder bei einer Störung des auf den Kolben wirkenden Druckes.

Die Flüssigkeit zum Ausfüllen des Leerraumes wird sowohl durch das Eintrittsloch in der Mitte des Gleitschuhs als auch-aus seiner Umgebungsfläche zugeführt. Der Zuflußweg von der Umgebungsfläche des Gleitschuhs ist wegen der Länge des Weges, durch den die Flüssigkeit unter der Bandleiste hindurchfließen muß und wegen des kleinen Spaltes zwischen Randleiste und Taumelschei- | be, ziemlich beengt. Diese Verengung vermindert die Energie der von der Außenseite des Schuhs kommenden Flüssigkeit soweit, daß sie keine Beschädigungen an der Randleiste hervorrufen kann· Demgegenüber strömt die Flüssigkeit aus dem Mittelloch des Schuhs verhältnismäßig ungehemmt ein und tritt in den Hohlraum zwischen Schuh und Taumelscheibe mit einer merklichen kinetischen Energie ein· Bei hohen Arbeitsgeschwindigkeiten der Maschine verursacht diese kinetische Energie Schaden an der Innenfläche der Bandleiste und kann schließlich zum Versagen der Maschine führen·

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Die Erfindung hat die Aufgabe, die aus dem Füllen des Leerraums folgenden Beschädigungen der Randleiste bei "untergleichgewichteten" Maschinen dieser Art zu beheben und ihre Arbeitsverhältnisse so zu verbessern, daß sie mit höheren Geschwindigkeiten und Drücken als bisher arbeiten können.

Der Erfindungsgedanke beruht auf einer stufenweise Drosselung der Energie des in den Hohlraum zwischen Schuh und Taumelscheibe eintretenden Flüssigkeitsstromes, so daß keine plötzliche Vernichtung aiäser Energie in dem Augenblick eintritt, wenn der Leerraum ausgefüllt ist. Zu diesem Zweck sind Drosselleisten zwischen dem Zuflußloch und der Randleiste sowie hemmende Durchflußwege in den Drosselleisten vorgesehen. Dadurch wird die kinetische Energie der Flüssigkeit allmählich gedrosselt, so daß die nachteiligen Wirkungen einer plötzlichen Drosselung und die dadurch bedingten Betriebsbeschränkungen behoben werden.

Die weiteren Erfindungsmerkmale solion anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele beschrieben werden· In dieser zeigt:

Fig. 1 eine Teiiansicht des Aufbaus der Maschine nach der Erfindung,

Fig. 2 einen Querschnitt durch einen Teil des Zylinderblocks nach Fig. 1 mit dem Kolben, dem Gleitschuh und der Taumelscheibe,

Fig. 2A eine Teilansicht des Gleitschuhs und der Taumelscheibe nach Fig. 2 in vergrößertem Maßstab ,

Fig. 3 einen Querschnitt ähnlich der Fig. 2, der die Stellung des Gleitschuhs beim "übergang vom Druck- zum Saughub der Maschine zeigt,

Fig. 3A einen Teilschnitt des Gleitschuhs und der Taumelscheibe nach Fig. 3 in stark vergrößertem Maßstab,

1 0 9 8 A 97 0 9 13' - 5 -

Fig. 4 einen Schnitt durch einen Gleitschuh entsprechend der Fig. 3»

Fig. 5 eine Aufsicht auf den Gleitschuh nach Fig· 4, Fig. 6 einen Schnitt durch einen Gleitschuh einer anderen Ausführungsform nach der Erfindung, Fig. 7 eine Aufsicht auf den Gleitschuh nach Fig. 6, Fig. 8 einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform des Gleitschuhs und Fig. 9 eine Aufsicht auf den Gleitschuh nach Fig. 8·

In Fig. 1 sind die hier behandelten Arbeitsteile der Maschine als Ganzes mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet· ■

Sie enthält eine Eintrittsplatte 11 mit einer ebenen "

Ventiltragfläche 12, die auf die Stirnfläche 13 des Zylinderblocks 14 aufgelegt ist und beim Umlauf des Zylinders den Zu- und Abfluß der Flüssigkeit steuert.

Der Zylinderblock 14 ist mit einer Antriebswelle 16 verbunden, die ihrerseits mit einem Elektromotor oder einem Generator in Verbindung steht, der nicht dargestellt ist. Arbeitet die Maschine als Pumpe, so wird der Zylinderblock 14 durch die Welle 16 gedreht; arbeitet die Maschine als Motor, wird der Generator durch die Welle 16 angetrieben. Die Welle 16 liegt in Lagern des Maschinengehäuses, die der üblichen Bauart entsprechen und nicht dargestellt sind» "

Der Zylinderblock 14 enthält mehrere Zylinder, die durch gestrichelte Linien 17 in Fig. 1 angedeutet sind. Sie liegen parallel zur Achse der Welle 16 und sind in gleichem Abstand voneinander rund um die «felle 16 angeordnet· Ein pfannenförmig ausgebildeter Zylindereinlaß 18 erstreckt sich vom Zylinderboden 17 bis zur Endfläche des Zylinderblocks 14 (s. Fig. 2).

In jedem Zylinder 17 liegt ein hin- und hergehender Tauchkolben 21, der an seinem äußeren Ende einen

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kugelförmigen Kolbenkopf 23 trägt und mit diesem in eine kugelförmige Aussparung 24 eines Gleitschuhs 22 eingreift· Diese Gleitschuhe 22 gleiten mit ihrer gegenüberliegenden Fläche auf der Stirnfläche 25 einer nicht umlaufenden Taumelscheibe 26. Auf der Taumelscheibe 26 ist eine umlaufende Halteplatte 29 (s.Fig· 1) angeordnet, die die Gleitschuhe 22 gegen die Taumelscheibe 25 drückt.

Die Eintrittsplatte 11 hat Durchlässe, die beim Umlauf des Zylinderblocks jeweils eine Verbindung mit dem Zylindereinlaß 18 herstellen. Die Eintrittsplatte 11 wird zweckmäßig von einer gesonderten Platte umfaßt, die mit dem Maschinenkörper verbunden ist und dessen Endteil bildet, das in der Zeichnung nicht dargestellt ist.

Die vorstehend beschriebene Bauart der Maschine ist bekannt und soll deshalb nicht näher erörtert werden· Die Erfindung bezieht sich auf die Gestaltung der Gleitschuhe, die in mehreren Ausführungsformen in Fig. 2 bis 9 dargestellt sind·

Jeder Kolben 21 hat eine große exiale Bohrung 38, die zu einem unverschlossenen kleinen Loch 39 im Kolbenkopf 23 führt. Das Loch 39 endet in einer kugelförmigen Aussparung des Gleitschuhe 22. Von der Aussparung 24 führt ein unverschlossenes Loch in axialer Richtung zu einem Hohlraum 41 unter der Gleitfläche des Gleitschuhs 22, der von einer ringförmigen Randleiste 42 umgeben ist und mit dieser auf der Oberfläche 25 der Taumelscheibe 26 gleitet.

Erfindungsgemäß ist zusätzlich zu der Randleiste 42 in einem kleinen Abstand von ihr auf der Gleitfläche des Kolbenschuhs eine, zweite Ringleiste 45 vorgesehen, so

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daß eine ringförmige Hute 46 zwischen den beiden Ringleisten entsteht.

Wie insbesondere Fig. 2A und Fig.JA zeigen, ist die zweite Ringleiste 45 nicht so hoch wie die Ringleiste 42 und berührt nicht die Oberfläche der Taumelscheibe 26, so daß ein kleiner Spalt 47 zwischen der Ringleiste 45 und der Taumelscheibe 26 entsteht. In der bevorzugten Ausführungsform ist dieser Spalt 47 O,o25 bis 0,075 mm tief. Die Randleiste 42 ist 0,2 bis 0,25 mm hoch; die Ringleiste 45 ist 0,025 bis 0,075 mm weniger hoch· Die Breite der inneren Ringleiste 45 beträgt 0,75 nun und die Breite der Hute 46 zwischen den beiden Ringleisten 0,75 mm· *

Die vorstehend beschriebene Maschine benutzt "untergleichgewichtete" Kolben und Gleitschuhe im Gegensatz zu den Maschinen mit "übergleichgewichteten" Kolben und Gleitschujrfhen, wie dies schon einleitend erwähnt wurde* In den Maschinen mit "übergleichgewichteten" Kolben und Gleitschuhen ist die Kraft, die von dem Kolben auf die Gleitschuhe infolge des Druckes im Zylinder ausgeübt wird, wenn dieser über die Druckeintrittsöffnung 35 tritt, kleiner als die Kraft, die den Gleitschuh aus seiner Berührung mit der Taumelscheibe abhebt. So wird eine Abhebekraft erzeugt, die ausreichend ist, um die Haltekraft, die den Gleitschuh gegen die Taumelscheibe * drückt, zu überwinden. Der Gleitschuh hebt sich infolgedessen von der Taumelscheibe ab. Dadurch entsteht zwischen der Taumelscheibe und der Randleiste eine Undichtigkeit. Der Zufluß der Flüssigkeit durch das Mittelloch des Kolbens und des Gleitschuhs gleicht den durch die Undichtigkeit entstehenden Flüssigkeitsverlust aus, wobei aber der Druck in dem Hohlraum zwischen Gleitschuh und Taumelscheibe vermindert wird« Die Höhe der Abhebung des Gleitschuhs stellt sich von selbst auf

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ein solches Maß ein, daß die Undichtigkeit eine solche · Druckminderung unter dem Gleitschuh hervorruft, daß die Abhebekraft mit der Haltekraft im Gleichgewicht ist» Dabei sind Handleiste und Taumelscheibe getrennt und stehen nicht in Metall-Metall-Berührung.

Die Erfindung bezieht sich auf eine "untergleichgewichtete" Maschine, in der die Haltekraft, die den Kolben beim Druckhub gegen die Taumelscheibe drückt, größer ist als die Abhebekraft, die den Gleitschuh von der Taumelscheibe abzuheben sucht· Die Randleiste 42 berührt also die Taumesscheibe 26 auch beim Druckhub der Maschine. Bei dieser Bauart erfolgt die Schmierung der Randleiste des Gleitschuhs entweder als Grenzschicht oder als hydro-dynamische Schmierung.

Bei diesen Maschinen tritt eine plötzliche Entleerung des Hohlraumes 41 ein, z.B., wenn der Zylindereinlaß 18 von der Drucköffnung 35 zu der Saugöffnung 36 übergeht. Bei dem entstehenden Unterdruck unter dem Gleitschuh 22 hebt sich die Randleiste 42 von der Taumelscheibe 26 ab, soweit dies durch den Haltering 29 möglich ist. Dieses Abheben tritt schnell ein und führt dazu, daß eine Entleerung des Hohlraumes 41 zwischen dem Gleitschuh 22 und der Taumelscheibe 26 eintritt, so daß ein Leerraum unter der Taumelscheibe entsteht. Die Flüssigkeit zum wiederauffüllen des Leerraumes strömt dann durch den stets offenen Durchlaß 40 in der Mitte des Gleitschuhs und auch von der Umgebung des Gleitschuhs zu. Der Flüssigkeitszufluß von der Außenseite des Gleitschuhs ist durch die Länge des Weges be- · grenzt, der durch die Breite der Randleiste 42 und durch den schmalen Spalt zwischen der Fläche 43 der Randleiste 42 und der Taumelscheibe 26 gebildet wird. Biese Beschränkung des Weges vermindert die kinetische Energie

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der flüssigkeit, die von der Außenseite des Gleitsciiuhs in den Hohlraum 41 tritt, so daß dieser Flüssigkeitsstrom keine Beschädigungen der Handleiste und keine Geschwindigkeitsbegrenzungen der Maschine hervorrufen kann· Dagegen ist die Strömung der Flüssigkeit durch den Durchlaß 40 im wesentlichen ungehindert und bewirkt, daß die Flüssigkeit in beachtlicher Menge mit ziemlich großer kinetischer Energie zuströmt. In der Schlußphase des Auffüllens des Leerraumes hat bei der bisher bekannten Technik die plötzliche Vernichtung der kinetischen Energie des Flüssigkeitsstromes Kavitationsschädigungen an der Innenkante 50 der Randleiste 42 hervorgerufen. Diese Schädigungen begrenzen die Höchstgeschwindigkeit, mit der die Maschine arbeiten kann.

Die innere Ringleiste 45 mit ihrem kleinen Spalt 47 gegenüber der Taumelscheibe 26 vermindert die Energie der durch das Loch 40 einstrebenden Flüssigkeit, bevor der Zustrom plötzlich aufhörtfhne daß die Randleiste 42 beschädigtwird. Bei der neuen Bauart wird die Energie durch die Leiste 45 allmählich vermindert, bis der Leerraum auegefüllt ist· Diese Anordnung der die Energie drosselnden Ringleiste 45 ermöglicht eine sehr beachtliche Geschwindigkeitssteigerung der Maschine, ohne daß Kavitationsschäden oder starke Abnutzungen an der Randleiste 42 auftreten·

In Fig. 6 und 7 ist eine andere Ausführungsform der Maschine beschrieben. In dieser sind sechs konzentrisch im Abstand voneinander liegende Ringleisten zwischen dem Zuflußlöcir60 des Gleitschuhe 61 und der Randleiste 62 vorgesehen. Sie Höhe D dieser drosselnd wirkenden Ringleisten 63 ist gleich der der äußeren Randleiste 62· In den Ringleisten sind Einschnitte 64,65,66,67,68,69 in roller Leistenhöhe vorgesehen· Dabei sind die Einschnitte 64,65 und 66 in Jeder zweiten Ringleiste radial um

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180° zu den Einschnitten 6?,68,69 der benachbarten Ringleisten versetzt. Diese Einschnitte bilden einen gewundenen Weg für die durch das Loch 60 einströmende Flüssigkeit, die dadurch stark gedrosselt wird, wenn sie den Leerraum, unter dem Gleitschuh ausfüllt. Zweckmäßig sind diese Ringleisten 0,375 ™i "breit und. haben einen Abstand von O₁375 ™& voneinander. Sie sind dabei 0,2 bis 0,25 Jmn tief. '.

In dieser Ausführungsform dienen die Ringleisten 63 mit ihren drosselnden Ströiaungswegen derselben Aufgabe wie die einzige Ringleiste 45 nach Fig. 2 und 3» Sie drosseln die kinetische Energie der einströmenden Flüssigkeit, die den Leerraum ausfüllt· Sie kann somit keine Schaden hervorrufen oder die Arbeitsgeschwindigkeit der Maschine begrenzen»

Fig. 8 und 9 zeigen eine weitere Ausgestaltung des Erfindungsgedankens. In dieser Ausführungsform sind drei Drosselleisten 76,77,78 zwischen dem Mittelloch 80 und der Randleiste 81 des Gleitschuhs vorgesehen. Die Drosselleisten entsprechen in ihrer Höhe D, wie in Fig. 6 und 7> eier Höhe der Randleiste 81· Jede Drosselleiste ist mit je zwei um 180° vex^setzten Einschnitte versehen, wobei die Einschnitte 83 der mittleren Ringleiste 77 um 90° gegenüber den Einschnitten 82 und 84 der benachbarten Kingleisten 76 und. 76 versetzt sind. So hat die aus dem Mittelloch 80 einströmende Flüssigkeit einen gewundenen Weg beim Füllen des Leerraums zu durchströmen und wird dabei stark gedrosselt« Auch in dieser Ausführungsform sind die Drosselleisten zweckmäßig* 0,2 bis 0,25 buk tief; sie sind 0,625 mm breit und haben einen radialen Abstand von 0,625 mm»

Abschließend sei bemerkt, daß die Erfindung auch bei Maschinen ähnlicher Art anwendbar ist, die radi&l oder schräg geneigte Kolben haben*

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Claims

Patentansprüche.

(1·) Als Pumpe oder Motor benutzbare hydraulische Maschine, Tn der die in einem umlaufenden Zylinderblock angeordneten Tauchkolben mit Gleitschuhen an ihren aus dem Zylinderblock herausragenden Kolbenköpfen auf einer geneigten, nicht umlaufenden Taumelscheibe gleiten^ und in der die hydraulische Flüssigkeit durch entsprechende Steueröffnungen auf der den Gleitschuhen gegenüber liegenden Kolbenseite zugeführt wird und durch Löcher in den Kolbenköpfen und in den Gleitschuhen in einen Hohlraum des Gleitschuhes gegenüber der Taumelscheibe ein- i tritt, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Drosselleiste (45) in dem Hohlraum (41) des Gleitschuhs (42) zwischen dem Zuflußloch (40) und der äußeren Randleiste (42) vorgesehen und so bemessen ist, daß sie nur eine begrenzte Durchflußmenge unter Drosselung der Strömungsenergie der Flüssigkeit zulaßt, wenn der Gleitschuh (22) sich plötzlich von der Taumelscheibe (25)abgehoben und eine Entleerung des Hohlraumes (41) hervorgerufen hat.

2· Maschine nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß in dem Hohlraum (62,81) des Gleitschuhs (61,75) mehrere Drosselleisten vorgesehen sind, die zentrisch zwischen f

dem Zuflußloch (60,80) und der äußeren Bandleiste (62,81) angeordnet sind und einen Drosselweg für die einströmende Flüssigkeit bieten·

>· Maschine nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselleisten eine]
( «000 12 sq in) haben.

die Drosselleisten einen Querschnitt von etwa 0,00077 cm

4« Maschine nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten zwischen den Drosselleisten und der Eand-

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leiste des Gleitschuhs einen Querschnitt von wenigstens O,ooo77 cm ( «00012 sq in) haben.

5· Maschine nach .Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß jede Drosselleiste (63) wenigstens einen radialen Einschnitt in ihrer Querschnittsflache hat_e

6. Maschine nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß die Einschnitte (64 bis 69) der benachbarten Drosselleisten um 180° gegeneinander versetzt sind·

7» Maschine nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß Jede Drosselleiste (76,77*782 zwei einander gegenüberliegende Einschnitte (82,84) hat, die gegenüber den Einschnitten der benachbarten Dr/esellejfeten um 90 versetzt sind.

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ORtGINAL INSPECTED

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