DE2204305A1 - Klemmkoerper fuer freilaufkupplungen - Google Patents
Klemmkoerper fuer freilaufkupplungenInfo
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- Rolling Contact Bearings (AREA)
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Description
Patentanwalt
75 Karlsruhe/Baden
Firma Ringspann Albrecht Maurer K.&., 6380 Bad Homburg v.d.H. t Schaberweg 32-34
Klemmkörper für Freilaufkupplungen
Die Erfindung betrifft einen für Freilaufkupplungen bestimmten Klemmkörper, der mit seinen beiden konvexen
Klemmflächen an der äußeren Laufbahn eines Freilauf-Innenringes einerseits und an der inneren
Laufbahn eines Freilauf-Außenringes andererseits längs zweier paralleler, gerader Berührungslinien an-
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liegt und beim Ein- und Auskuppeln eine Kippbewegung
ausführt, wobei der als Klemmwinkel £ definierte Winkel zwischen der Ebene durch die beiden genannten
Berührungslinien und der Ebene durch eine dieser Berührungslinien und die Kupplungsdrehachse eine bestimmte
Abhängigkeit von der Kippbewegung des Klemmkörpers aufweist.
Bei derartigen, in zahlreichen Ausführungsformen bekannten
Freilaufkupplungen mit Klemmkörpern ist im allgemeinen der eine Freilaufring mit einer treibenden
Welle oder dergleichen, der andere, hierzu konzentrisch angeordnete Freilaufring mit einer getriebenen
Welle oder dergleichen verbunden. Die Klemmkörper können unmittelbar aneüianderliegen oder durch
einen Käfig in gleichem Abstand voneinander gehalten werden. Das Ein- oder Auskuppeln wird durch die während
des Kippens eintretende Änderung der Klemmkörperhöhe in radialer Richtung bewirkt.
Zur Einleitung des Einkuppelvorganges werden die Klemmkörper meist durch Federn an die Laufbahnen
gedrückt. Da die Ursache der Kippbewegung in den zwischen Klemmfläche und Laufbahn auftretenden Reibungskräften
liegt, hängt die Richtung der Kippbewegung von der Relativbewegung der beiden Laufbahnen
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zueinander ab. So führt die Relativbewegung in der einen Richtung zu einer die radiale Klemmkörperhöhe
und damit auch die wirksamen Reibungskräfte verringernden Kippbewegung, d. h. zum Fr ei lauf be trieb, während
die Relativbewegung in der anderen Richtung zu einer die radiale KlemmkörperhÖhe und damit auch die
Reibungskräfte vergrößernden Kippbewegung führt. Im zuletzt genannten Fall kommt es zu einem Verklemmen
zwischen dem Klemmkörper und den beiden Freilaufringen, so daß die Kupplung kraftschlüssig wird und ein
Drehmoment von dem treibenden zum getriebenen Freilauf ring übertragen wird. Je größer das übertragene
Drehmoment ist, um so fester verspannen sich die Klemmkörper zwischen den Freilaufringen, wobei senkrecht
zu den Laufbahnen wirkende Uormalkräfte erzeugt
werden. Es läßt sieh also folgender Zusammenhang
feststellen: An den Berührungslinien zwischen Klemmfläche und Laufbahn wirken reibungsbedingte Umfangskräfte
auf den Klemmkörper ein und unterziehen ihn einer Kippbewegung. Da bei dieser Kippbewegung die
radiale Klemmkörperhöhe ansteigt, kommt es zu einer Erhöhung der Normalkräfte, bis letztere das Kippmoment
der Umfangskräfte auszugleichen vermögen.
Aus der Praxis ist bekannt, daß für sicheres Greifen des Freilaufes beim Übergang von Freilauf- zu Kitnahmebetrieb
das Verhältnis der Umfangskraft zur Normalkraft am Klemmkörper nicht größer als etwa 0,05
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sein darf. Dies ist eine Folge des an allen Teilen normalerweise haftenden Ölfilms. Nachdem dieser
Ölfilm jedoch von den Klemmkörpern durchtrennt ist, kann mit einem etwa zwei- bis dreimal.so "hohen Wert gerechnet
werden. Es ist daher bekannt, das Verhältnis von Umfangskraft zu Normalkraft in Abhängigkeit von
der Belastung veränderlich zu gestalten, nämlich in der Weise, daß die beim Einkuppeln auftretende Umfangskraft
eine relativ große Normalkraft erzeugt, die dem Klemmkörper ein Durchdringen des Ölfilmes ermöglicht.
Dabei erhöht sich der Reibungsbeiwert sprunghaft, so daß man für den nachfolgenden Kippbereich
des Klemmkörpers mit einer Normalkraft auskommt, deren Größe im Verhältnis zu der wirkenden Umfangskraft
geringer ist als zu Beginn des Einkuppeins. Das hierbei maßgebliche Verhältnis von Umfangskraft zu Normalkraft
ist identisch mit dem Tangens des eingangs erwähnten Klemmwinkels <£ , was an anderer Stelle näher
erläutert wird.
Darüber hinaus ist es auch bekannt, den Klemmwinkel in dem Kippbereich vom Einkuppel- zum Freilaufzustand
ansteigen zu lassen. Damit läßt sich im Freilaufzustand ein Freiwerden der Klemmflächen von den
Laufbahnen des Innen- und Außenringes bei geringem Verdrehwinkel erreichen. Das gewünschte Ansteigen
des Klemmwinkels beiderseits des Einkuppelpunktes wird
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ladurch erreicht, daß die eine Klemmflache des Klemmkörper
s aus mehreren ineinander übergehenden achspa— rallelen Zylinderabschnitten verschiedener Radien zusammengesetzt ist. Dabei liefert jeder Zylinderabschnitt
eine besondere Klemmwinkelcharakteristik in Abhängigkeit von der radialen Klemmkörperhöhe, so
daß theoretisch ein optimales Ausnützen der zwischen ■Klemmfläche und Laufbahn herrschenden Reibungsverhältnisse
möglich ist. Je nach der geometrischen Gestalt des Klemmkörpers ergibt sich zwischen Klemmwinkel
und radialer Klemmkörperhöhe ein bestimmter funktioneller Zusammenhang, der im folgenden als
Klemmwinkelkurve bezeichnet ist.
Nachteilig bei diesen bekannten Klemmkörpern ist jedoch die Tatsache, daß die aneinandergesetzten Zylinderabschnitte
einer Klemmfläche an ihrer Verbindungsstelle einen scharfen Knick in der Klemmwinkelkurve
hervorrufen. Dadurch ergibt sich im Einkuppelbereich der Klemmwinkelkurve nur ein schmaler Bereich der
Kl-emmkörperhöhe bzw. des Kippwinkels, in dem der Klemmwinkel
ausreichend klein ist, um ein sicheres Durchdringen des Ölfilmes durch den Klemmkörper zu gewährleisten.
Dieser schmale Bereich läßt sich in der Praxis nicht über den gesamten Umfang de«· Freilaufringe
aufrecht erhalten. Es muß vielmehr mit radialen Verlagerungen der Freilaufbahnen in der Größenordnung
von ca. 1/10 mm gerechnet werden, so daß die den Einkuppelvorgang ermöglichende Klemmkörperhöhe nur anv
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einzelnen Stellen des Umfanges angetroffen wird. Die
Folge ist ungleichmäßiges Tragen, erhöhte Materialbeanspruchung und eine Minderung des maximal übertragbaren
Drehmomentes. Dieselben Probleme treten in verstärktem Maße bei solchen Kupplungen auf, die entsprechend
der deutschen Patentschrift Wr.1 079 904 zur gleichmäßigeren Klemmflächenabnutzung einen längs des
Umfanges sich periodisch und stetig ändernden radialen Abstand zwischen innerer und äußerer Laufbahn
aufweisen.
Zwar ließe sich eine flachere Charakteristik der Klemmwinkelkurve im Einkuppelbereich durch das Aufteilen
der Klemmfläche in weitere achsparallele Zylinderabschnitte mit feinabgestuften Radien erzielen. Dadurch
würde jedoch der ohnehin schon große Aufwand für die Herstellung der die Klemmkörper formenden Ziehmatritzen
noch weiter erhöht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Klemmkörper zu schaffen, der im Einkuppelbereich eine zum
sicheren Durchstoßen des Schmierfilms ausreichende, aber nicht unnötig große Normalkraft liefert, insbesondere
bei an verschiedenen Stellen des Umfangs verschieden großem radialem Abstand zwischen äußerer
.und innerer Laufbahn des Freilaufes. Ferner soll der
Klemmwinkel bei Drehmomentbelastung des Freilaufes möglichst rasch ansteigen, ohne jedoch den Reibungswinkel der Ruhe zu überschreiten, um somit die Normalkräfte
im Verhältnis zu den Umfangskräften möglichst klein zu halten, wobei der Klemmkörper bei geringem
Verdrehwinkel eine große Höhenzunahme aufweisen soll, um elastische Verformungen der Freilaufringe gut
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überbrücken zu können. Darüber hinaus sollen die Klemmkörper bei Verdrehung im Entkupplungssinn nach
Durchschreiten des Einkuppelbereiches eine möglichst rasche Höhenabnahme bei kleinem Verdrehwinkel aufweisen.
Schließlich soll die Ausbildung der Klemmkörper auch derart sein, daß sich die Ziehmatritzen
in verhältnismäßig einfacher Weise herstellen lassen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zumindest eine Klemmfläche als Evolventen-Zylinder
ausgebildet ist, wobei aus Gründen der einfacheren Herstellung ein Kreisevolventenprofil am zweckmäßigsten
ist. Die erfindungsgemäße Anwendung einer Evolvente bietet als Grenzfall unendlich vieler aneinandergereihter
achsparalleler Kreiszylinder von unendlich feiner Radiusabstufung einen idealkontinuierlichen
Verlauf der Klemmflächenkrümmung bei einem Minimum an technischem Herstellungsaufwand* Dementsprechend
wird auch der Verlauf der Klemmwinkelkurve in dem kritischen Bereich des Einkuppeins derartig
geglättet» daß der Klemmwinkel seinen Minimalwert über einen breiten Kippbereich nahezu konstant hält,
wobei er aus dem Einkuppelbereich heraus sowohl bei geringerer als auch bei größerer radialer Klemmkörperhöhe
stetig zunimmt. /
Im allgemeinen läßt sich durch eine Mittelpunktsverschiebung
oder eine Radiusveränderung des Grundkfeises der Evolvente jede gewünschte Klemmkurvencharakteristik
erzielen. In Sonderfällen besteht jedoch auch die Möglichkeit, daß der Evolventen-Zylinder aus
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Evolventen, verschiedener Grundkreise zusammengesetzt
ist. Diese können dann unmittelbar ineinander übergehen oder durch einen die beiden Evolventen-Zylinder
tangierenden Kreiszylinder verbunden sein.
Vorteilhafterweise ist lediglich die innere Klemmfläche eines jeden Klemmkörpers als Evolventen-Zylinder
ausgebildet, während die äußere Klemmflache ein Kreiszylinderprofil
aufweist, dessen Drehachse durch den Schwerpunkt des Klemmkörpers hindurchgeht. Hierdurch
hat die bei höheren Drehzahlen der Freilaufkupplung in Betracht zu ziehende Fliehkraft keinen Einfluß
auf die Kippbewegung des Klemmkörpers.
Schließlich hat es sich aus funktioneilen Gründen als zweckmäßig erwiesen, daß die kreiszylindrische
äußere Klemmfläche konzentrisch zu kreiszy-Ii4drischen
seitlichen Begrenzungsflächen des Klemmkörpers angeordnet ist. Letztere können sowohl als
Bertihrflächen zu den benachbarten Klemmkörpern dienen als auch als Führungsflächen im Käfig.
Weitere Vorteile und Merkmale des Anmeldungsgegenstandes ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
eines Ausführungsbeispieles anhand 'von Zeichnungen; darin zeigt:
Fig. 1 die wichtigsten am Klemmkörper angreifenden Kräfte bei Drehmomentübertragung;
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Fig. 2 einen bekannten Klemmkörper mit einer aus zwei Zyli'nderabschnitten zusammengesetzten
Klemmflächen;
Pig. 3 die zu dem Klemmkörper gemäß Fig. 2 gehörige Klemmwinkelkurve;
Fig. 4 einen erfindungsgemäßen Klemmkörper mit Evolventenprofil und
Fig. 5 die zu dem Klemmkörper gemäß Fig. 4 gehörige Klemmwinkelkurve.
Fig. 1 zeigt in einer schematischen Darstellung die an einem Klemmkörper angreifenden Kräfte unter Vernachlässigung
des Eigengewichtes, der durch eine Feder im allgemeinen erzeugten Rückstellkraft und der bei
Rotation auftretenden Fliehkraft. Mit H , H. sind die
a ι
reibungsbedingten Umfangskräfte an der äußeren bzw. der inneren Klemmfläche bezeichnet. Die von ihnen
hervorgerufenen senkrecht auf der Klemmfläche stehenden Normalkräfte heißen an der äußeren Klemmfläche
Ne und an der inneren Klemmfläche N.. Die Drehachse
α. Χ
der nicht näher dargestellten Kupplung fällt mit der Zylinderachse der äußeren und der inneren Laufbahn
zusammen und geht durch den Punkt M. Die Punkte M_ und M^ fixieren die Achse der kreiszylindrischen
äußeren bzw. inneren Klemmfläche.
Als Bedingung für den in Fig. 1 dargestellten Gleich-
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gewichtszustand eines .Klemmkörpers müssen die resultierenden
Kräfte von N und HQ bzw. von N. und H.
ei BL
j. X
auf der gleichen Wirkungslinie liegen und einander
entgegengesetzt gleichgroß sein. Es gilt:
Ha/Na = tan £& und
Η±/Ν± = tan £± .
Η±/Ν± = tan £± .
Der Tangens des eingangs definierten Klemmwinkels
gibt somit das Verhältnis von Umfangskraft zu Normalkraft
an. Infolge der geringen Winkelbeträge kann dieses Verhältnis in guter Näherung direkt dem im
Bogenmaß gemessenen Klemmwinkel gleichgesetzt werden. Ein geringer Klemmwinkel bedeutet, daß bereits kleine
Umfangskräfte eine relativ große Normalkraft verursachen.
Dieser Zustand ist beim Einkuppeln erwünscht, damit alle Klemmkörper mit Sicherheit den zwischen
Laufbahn und Klemmflächen befindlichen Ölfilm durchdringen und der darauf sich einstellende höhere Reibungsbeiwert
ausgenutzt werden kann. Bei einem großen Klemmwinkel wird dagegen die Umfangskraft in einem geringeren
Maße in Normalkraft umgesetzt. Dieser Zustand ist bei Höchstlast erwünscht, um die Hertz'sehe
Pressung an den Klemmf^lächen möglichst gering ru
halten. Allerdings muß der Klemmwinkel stets unterhalb des maximal möglichen Haftreibungswinkels bleiben,
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da anderenfalls die Kupplung durchrutscht.
Aufgrund dieser Zusammenhänge sind Klemmkörper "bekannt,
deren Klemmwinkel sich'in Abhängigkeit von der radialen Klemmkörperhöhe ändert. Ein solcher Klemmkörper
ist in Pig. 2 dargestellt. Der Klemmkörper 1
ruht mit seinen Klemmflächen a, b, c, d zwischen der inneren Laufbahn eines Freilauf-Außenringes 2 und der
äußeren Laufbahn eines Freilauf--Innenringes 3» Bei
Drehung des Außenringes 2 in der angezeigten Richtung erfährt der Klemmkörper 1 eine Kippbewegung, bei der
der Klemmwinkel zunimmt, entsprechend dem Verlauf der Linie 7-9 in Fig. 3· Dabei nähert sich der Klemmwinkel
allmählich dem Haftreibungsbeiwert, bei dessen Überschreiten es zum Durchrutschen der Kupplung kommt.
Um dies zu verhindern, schließt sich an die Klemmfläche a des Klemmkörpers 1 eine Klemmfläche b mit
verringertem Zylinderradius r ' an. Sobald diese Klemm-
et
fläche b mit dem Außenring 2 in Kontakt kommt, stellt sich eine flachere Charakteristik des Klemmwinkels
ein, entsprechend der Linie 9-10 in Fig. 3. Punkt 4 der Klemmfläche entspricht dabei dem Punkt 9 der
Klemmwinkelkurve.
Bei Drehung des Außenringes 2 entgegen tfer Pfeilrichtung
wird der Klemmkörper 1 im Sinne abnehmender radialer Klemmkörperhöhe gekippt, bis die Klemmflächen
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im Freilaufzustand nur noch mehr oder weniger lose an den Laufbahnen des 'Außen- und des Innenringes
gleiten. Entsprechend der abnehmenden radialen Klemmkörperhöhe
läuft der Klemmwinkel die in Pig. 3 dargestellte Klemmwinkelkurve zurück. Gegen Ende der Kippbewegung
kommt die Klemmfläche c mit einem gegenüber der benachbarten Zylinderfläche verringerten Zylinderradius r.! in Kontakt mit dem Innenring 3. Aufgrund
der Radiusverringerung an der inneren Klemmfläche ändert sich die Charakteristik der Klemmwinkelkurve
derart, daß der Klemmwinkel trotz abnehmender radialer Klemmkörperhöhe stark zunimmt, entsprechend
der Linie 7-6 in Fig. 3. Das Minimum des Klemmwinkels
im Zustandspunkt 7 in Fig. 3 wird dann durchlaufen, wenn die Berührlinie der inneren Klemmfläche
am Innenring 3 durch den Punkt 5 geht.
Wie Fig. 3 zeigt, müssen sich die Klemmkörper während des Einkuppelvorganges in einem gewissen Bereich der
Klemmk-örperhöhe befinden, damit der zur Drehmomentübertragung
erforderliche Reibungsbeiwert unterhalb des tatsächlichen, infolge des Ölfilmes zunächst sehr
geringen Eeibungsbeiwertes bleibt. Die in Fig. 3 als Einkuppelbereich gezeichnete Schwankungsbreite der
Klemmkörperhöhe läßt sich in der Praxis Micht über den ganzen Umfang des Ri^graumes aufrecht erhalten,
da bereits radiale Verlagerungen der Laufbahnen in
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der Größenordnung von ca. 1/10 mm genügen, um die von
dieser Verlagerung be'troffenen Klemm.körper aus dem Einkuppelbereich herauszukippen. Bei Einleitung eines
Drehmomentes in die Kupplung sind diese Klemmkörper nicht mehr in der Lage, den zwischen Laufbahn und
Klemmfläche befindlichen Schmierfilm zu durchdringen und in den Bereich des Trockenreibungsbeiwertes zu
gelangen. Sie fallen daher für die Drehmomentübertragung aus. ■>
Pig. 4- zeigt einen erfindungsgemäßen Klemmkörper 11,
dessen eine Klemmfläche a das Profil einer Kreisevolvente aufweist. Die andere Klemmfläche b ist als übliche
Kreiszylinderfläche ausgebildet. Der Grundkreis, an dem die Erzeugende sich abwickelt,· weist einen Radius
R~ auf„
Der Mittelpunkt IYL des Grundkreises liegt etwas oberhalb
der Horizontalachse des Klemmkörpers 11 und ist im übrigen so angeordnet, daß der Grundkreis den
Mittelpunkt 0 de-r kreiszylindrischen Klemmfläche b umfährt. Der Mittelpunkt 0 ist gleichzeitig auch das
Zentrum der beiden kreiszylindrischen Seitenflächen. · Selbstverständlich bestehen bezüglich der Anordnung
des Grundkreises zahlreiche VariationsmcJglichkeiten, sowohl hinsichtlich der Pia c ierung des Grundkreismittelpunktes
M„ als auch hinsichtlich der Bemessung
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des Grundkreisradius IU. Im übrigen besteht auch die
Möglichkeit, anstelle des Grundkreises eine Ellipse oder ähnliche Kurve vorzusehen, auf der die Erzeugende
abgewickelt wird. Allerdings ist die technische Reproduzierbarkeit einer Kreisevolvente wesentlich
einfacher, da die erforderlichen Bewegungsabläufe von der Verzahnungstechnik her geläufig sind.
Die zu dem erfindungsgemäßen Klemmkörper 11 gehörige Klemmwinkelkurve ist in Fig. 5 dargestellt. Sie
zeichnet sich durch einen über die gesamte Klemmkörperhöhe gleichmäßigen Verlauf und durch das Fehlen
von Unstetigkeitsstellen aus. Entsprechend gleichmäßig verlaufen
auch die während der Kippbewegung des Klemmstückes auftretenden Belastungsänderungen, wodurch
sich die Lebensdauer der mit den erfindungsgemäßen Klemmkörpern ausgerüsteten Kupplungen erhöht. Weiterhin
zeigt Fig. 5 deutlich, daß das erfindungsgemäße Evolventenprofil den Klemmkörpern einen relativ breiten
Einkuppelbereich anbietet, der sicherstellt, daß alle Klemmkörper den zwischen Klemmfläche und Laufbahn
befindlichen Schmierfilm durchdringen, selbst wenn der Ringspalt entsprechend der Patentschrift Nr.1 079
eine sich periodisch und stetig ändernde,radiale Breite
aufweist oder durch Fertigungsungenauigkeiten radiale Versetzungen der beiden Kupplungsringe entstanden sind.
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Außerhalb des Einkuppeltoereiches steigt die winke!kurve in der gewünschten Weise an.
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Claims (1)
- Patentansprüche1 J Für Freilaufkupplungen bestimmter Klemmkörper, ler mit seinen beiden konvexen Klemmflächen an der äußeren Laufbahn eines Freilauf-Innenringes einerseits und an der inneren Laufbahn eines Freilauf-Außenringes andererseits längs zweier paralleler, gerader Berührungslinien anliegt und beim Ein- und Auskuppeln eine Kippbewegung ausführt, wobei der als Klemmwinkel £ definierte Winkel zwischen der Ebene durch die beiden genannten Berührungslinien und der Ebene durch eine dieser Berührungslinien und die Kupplungsdrehachse eine bestimmte Abhängigkeit von der Kippbewegung des Klemmkörpers aufweist, dadurch gekennzeichnet,daß zumindest eine Klemmfläche (a) als Evolventen-Zylinder ausgebildet ist.2. Klemmkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Evolventen-Zylinder ein Kreisevolventenprofil aufweist.5. Klemmkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Evolventen-Zylinder aus Evolventen verschiedener Grundkreise zusammengesetzt ist.309832/01 424. Klemmkörper nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Evolventen verschiedener Grundkreise durch einen diese jeweils tangierenden Kreiszylinder verbunden sind.5. Klemmkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der inneren Laufbahn des Außenringes in Berührung stehende äußere Klemmflache (b) des Klemmkörpers als Kreiszylinderfläche ausgebildet ist, deren Achse durch den Schwerpunkt des Klemmkörpers hindurchgeht.6. Klemmkörper nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die kreiszylindrische äußere Klemmfläche konzentrisch zu kreiszylindrischen seitlichen Begrenzungsflächen des Klemmkörpers angeordnet ist.309832/0142Leerseite
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