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Kolbenmaschine. Die Erfindung bezieht sich auf Kolbenmaschinen mit
Schubstange zur Übertragung der Bewegung des Kolbens auf die Kurbelwelle und hat
den Zweck, eine Zusammendrängung des Triebwerkes auf einen kleinen Raum zu -ermöglichen,
um die Abmessungen der Maschinenteile und die .äußeren Abmessungen der Maschine
und damit das Maschinengewicht zu verringern.
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Zu diesem Zweck sind gemäß der Erfindung der Kolben und die Schubstange
durch ein oder mehrere Systeme von Zahnrädern und Zahnstangen verbunden, welche
je aus einem mit dem Schubstangenzapfen verbundenen Zahnrad und zwei in dieses eingreifenden
Zahnstangen bestehen, von denen eine mit dem Kolben verbunden isst, während die
andere feststeht.
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Dabei kann die Ausbildung dieses Ü bersetzungsgetriebes derart getroffen
sein, daß der Kolben von seitlichen Drücken entlastet wird, wodurch ein Teil der
Reibungsverluste im Motor vermieden und die Abnutzung des Kolbens vermindert wird.
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Bei Verwendung des Üb: rsetzungsgetriebes gemäß der Erfindung bei
zwei- und mehrzylindrigen Kolbenmaschinen können zwei oder mehrere Kolben mittels
je eines Übersetzungsgetriebes mit einer gemeinsamen Schubstange derart verbunden
werden, daß Biegungsbeanspruchungen in dem Verbindungsstück zwischen den Kolben
und der Schubstange infolge ungleicher Kolbendrücke durch eine gewisse Wechselwirkung
zwischen den verschiedenen Übersetzungsgetrieben aufgehoben werden. Diese Wechselwirkung
wird durch eine zwangläufige Verbindung der Übersetzungszahnräder erzielt, und zwar
derart, daß ausgleichende Drehmomente von dem Zahnrad oder den Zahnrädern eines
mit höherem Kolbendruck betätigten. Getriebes auf entsprechende Zahnräder. eines
weniger belasteten Getriebes übrtragen werden. Die ausgleichenden Drehmomente rufen
entsprechende Reaktionskräfte an den festen Zahnstangen hervor, wodurch das Biegungsmoment
in dem verbindenden Maschinenteil zwischen den Kolben und der gemeinsamen Schubstange
aufgehoben wird.
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Die letztere Einrichtung läßt sich vorzugsweise bei mehrzylindrigen,
nach dem Viertaktprinzip arbeitenden. Verbrennungsmotoren verwerten, deren Kolben
paarweise gleichläufig sind, aber mit abwechselnden Ausdehnungshuben .arbeiten.
Diese Einrichtung kann aber auch bei anderen Verbrennungsmotoren mit Vorteil verwendet
werden, und zwar bei Zweitaktmotoren, bei welchen beträchtliche Ungleichheiten der
Kolbendrücke zusammenwirkender Kolben durch Fehlzündungen oder durch Ungleichförmigkeit
der Brennstoffzufuhr in den verschiedenen Zylindern auftreten, können.
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Die Erfindung ist offenbar nicht auf Verbrennungsmotoren
beschränkt,
sondern kann auch bei Kolbenmaschinen anderer Art mit Vorteil verwendet werden.
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Die Erfindung soll an Hand der beiliegenden, einige zweckentsprechende
Ausführungsformen darstellenden Zeichnungen näher beschrieben werden. Die verschiedenen
Abbildungen haben folgende Bedeutung: Abb. i und 2 sind schematische Darstellungen
zur Erläuterung des Prinzips der Erfindung.
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Abb.3 ist ein schematisches Beispiel einer zweizylindrigen Maschine.
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Abb. q. ist ein Längsschnitt durch einen einzylindrigen Motor.
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Abb. 5 ist ein Querschnitt nach Linie 5-5 in Abb. 4..
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Abb. 6 zeigt eine Einzelheit der Abb. 4. und 5.
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Abb.7 zeigt in achsialem Schnitt eine Abänderung der Ausführungsform
nach Abb. q..
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Abb.8 ist ein Längsschnitt nach Linie 8-8 in Abb. 7 und Abb.9 ein
Querschnitt nach Linie 9-9 ü' Abb. 7.
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Abb. io zeigt im Längsschnitt den unteren Teil der Zylinder und des
Kurbelkastens eines zweizylindrigen Motors mit gemeinsamer Schubstange für beide
Kolben, wobei die Übersetzungsgetriebe derart angeordnet sind, daß Biegungsbeanspruchungen
in. dem Kreuzkopf zwischen den Kolben vermieden werden.
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Abb. i i ist ein Schnitt nach Linie i i-i i in Abb. i o und Abb. 12
ein Schnitt nach Linie 12-12 in Abb. i i.
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Abb. 13 zeigt in schematischer Darstellung die Wirkungsweise der Ausführung
nach Abb. i o bis 12.
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Abb. 14 isst ein Grundriß einer anderen Ausführungsform des Kreuzkopfes
nach Abb. i o, und Abb. 15 zeigt einen Schnitt nach Linie 15-15 in Abb. 14.
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In sämtlichen schematischen Abbildungen sind die festen und beweglichen
Verzahnungen durch entsprechende Teilkreise bzw. Teillinien ersetzt.
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In Abb. i, welche das Prinzip der übertragungseinrichtung zwischen
dem Kolben und der Schubstange veranschaulicht, bezeichnet i ein ,als Kreuzkopf
dienendes Zahnrad, auf dessen Welle 2 das obere Ende der Schubstange 3 gelagert
ist, und welches einerseits in eine feste Zahnstange ¢, anderseits in eine mit dem
Kolben verbundene Zahnstange 5 eingreift. Die Kurbel ist mit 6 und die Kurbelwelle
mit 7 bezeichnet. Bei der hin und her gehenden Bewegung der Zahnstange 5 rollt das
Zahnrad i auf der festen Zahnstange 4., wobei der Schubstangenzapfen 2 eine zur
Kolbenbewegung parallele Bahn beschreibt, deren Länge halb so groß ist wie der Kolbenweg.
Der Kurbelarm ist folglich auf den vierten Teil des Kolbenweges verkleinert. Wie
aus der Abb. i hervorgeht, ist der übertragungsmechanismus derart eingerichtet,
daß der Abstand des Schubstangenzapfens 2 von dem äußeren Kolbenende während des
abwärts gerichteten Kolbenhubes abnimmt und am kleinsten ist, wenn die Kurbel sich
in ihrer untersten Stellung befindet.
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Bei der Ausführung nach Abb.2 ist das obere Ende 2 der Schubstange
3 auf dem Zahnrad i exzentrisch gelagert, und zwar zweckmäßigerweise derart, daß
der Schubstangenzapfen 2 beim Rollen des Zahnrades i sich zwischen der festen Zahnstange
q. und einer zur letzteren parallelen, durch die Achse des Zahnrades gelegten Ebene
bewegt. Die Abb. 2 stellt den Moment dar, in welchem sich die Kurbel 6 in ihrer
tiefsten Lage befindet. Der Schubstangenzapfen 2 befindet sich dann in seiner höchsten
Lage relativ zu dem Mittelpunkt des Zahnrades. Die Rollbewegung ist zweckmäßigerweise
derart bemessen, daß der Schubstangenzapfen 2 während der Bewegung der Kurbel aus
ihrer tiefsten in ihre höchste Lage bis zu einem im Verhältnis zur Mittelachse des
Zahnrades tiefsten Punkt sinkt, welcher senkrecht unter der früher erwähnten höchsten
relativen Lage liegt. Die Weglänge des Schubstangenzapfens wird also in diesem Falle
noch mehr verkürzt, und der Kurbelarm wird im Vergleich zu dem in Abb. i dargestellten
Falle um einen Betrag verkürzt, welcher dem halben Abstand zwischen den beiden Grenzlagen
des Schubstangenzapfens 2 am Zahnrad gleichkommt. Durch Vergrößerung der Exzentrizität
des Schubstangenzapfens 2 kann der Kurbelarm beliebig verkürzt werden. .
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Bei Anwendung der Einrichtung nach Abb. i bei Verbrennungs- oder Explosionsmotoren
kann der Kolben durch zweckmäßige Wahl der Drehrichtung der Kurbelwelle von einem
Teil des von der Schubstange ausgehenden seitlichen Druckes entlastet werden. Wenn
nämlich die Kurbelbewegung den durch den Pfeil angegebenen Drehsinn hat, wird der
seitliche Schubstangendruck während des Ausdehnungshubes von der festen Zahnstange
4. aufgenommen werden, dagegen wird die mit dein Kolben verbundene Zahnstange nur
dem unbedeutenderen seitlichen Druck wähnend des Verdichtungshubes ausgesetzt. Man
kann den Zylinder noch weiter vom seitlichen Druck entlasten durch Parallelverschiebung
der Kurbelwelle in Richtung von der festen Zahnstange fort, wie in Abb.2 dargestellt.
Die
feste Zahnstange ¢ wird dann praktisch allein den seitlichen
Schubstangendruck aufnehmen.
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Abb. 3 zeigt schematisch eine zweizylindrige Maschine, bei der die
beiden Zylinder oben miteinander in Verbindung stehen. Die mit den Kolben verbundenen
Zahnstangen 5 greifen je in ein Zahnrad i ein. Diese Zahnräder i greifen je in eine
von zwei Verzahnungen q. ein, die zu beiden Seiten eines Teiles der Scheidewand
zwischen den Zylindern angeordnet sind. Die Zapfen 8 der Zahnräder i sind in einem
in zweckmäßiger Weise geführten Kreuzkopf 9 gelagert, welcher den S.chubstangenzapfen
2 trägt. Der von der Schubstange 3 ausgehende seitliche Reaktionsdruck wird zum
Teil von den festen Zahnstangen und zum Teil von den Führungen des Kreuzkopfes aufgenommen.
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Bei den bis jetzt gezeigten Ausführungen des übersetzungsgetriebes
besteht auch nach vollständiger Entlastung von dem durch die Schubstange ausgeübten
Druck ein von der zu den Zahnstangen senkrechten Zahndruckkomponente herrührender
seitlicher Druck auf den Kolben.
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Bei den im folgenden beschriebenen Aus.-' führungsforme,n der Erfindung
wird ;auch die Einwirkung dieser Zahndruckkomponente auf den Kolben ausgeschaltet,
und zwar durch eine im Verhältnis zur Kolbenachse symmetrische Anordnung zweier
zusammenwirkender Systeme von Zahnrädern und Zahnstangen, deren seitliche Zahndrücke
einander in bezug auf den Kolben aufheben.
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Bei der Ausführung nach den Abb. 4. bis 6 Bind zwei feststehende Zahnstangen
io einander diametral gegenüber in je einer rechteckigen Aussparung i i im unteren
Teil der Zylinderwandung 12 angebracht. Die feststehenden Zahnstangen io sind mit
Flanschen 13 versehen, welche an der Zylinderwandung festgeschraubt sind und gasdicht
schließende Deckel für die Aussparungen i i bilden. In einer an der unteren Seite
des Kolbens 1q. achsial angebrachten Hülse 15 ist das obere, zapfenförmig ausgebildete
Ende 16 einer mit zwei Verzahnungen 17 versehenen Zahnstange 18 eingesetzt und festgeschraubt.
Zwischen jeder der beweglichen Verzahnungen 17 und der gegenüberliegenden festen
Verzahnung io ist j e ein Zahnrad i g angebracht, welches in die beiden zugeordneten
Verzahnungen eingreift. Die beiden Zahnräder sind auf Zapfen 2o gelagert, welche
durch zwei Platten 2 i getragen werden. Letztere bilden mit den. Zapfen 2o zusammen
einen Kreuzkopf, an welchem die Schenkel 22 des oberen gabelförmigen Endes der Schubstange
3 mittels Zapfen 23 gelagert sind. Um eine gleichmäßige Rollbewegung der Zahnräder
i9 auf den zugeordneten Verzahnungen zu erzielen und Stöße so--,vie Reibungsverluste
infolge Abgleitens der Zahnköpfe in den Zahnzwischenräumen zu vermeiden, sind sowohl
die Zahnräder i 9 als auch die Zahnstangen i o und 18 mit glatten Rollbahnen 2.1
bzw. 26 bzw. 25 versehen. Diese Rollbahnen der Zahnräder bestehen aus Ringen 24.,
welche an beiden Seiten der Zahnräder festgeschraubt sind, und deren ,äußerer Durchmesser
gleich ist dem Teilkreisdurchmesser der Zahnräder. Diese Ringe 24. berühren die
geraden Rollbahnen 26 und 25 an den beweglichen und feisten Zahnstangen i o und
18. Die Anordnung der geraden Rollbahnen 26, welche zugleich den Zweck erfüllen,
die seitlichen Drücke der Schubstange aufzunehmen, geht am deutlichsten aus Abb.6
hervor. Die geraden glatten Rollbahnen 26 sind hier durch Schienen gebildet, deren
Rollflächen in gleicher Höhe mit der Teillinie- der zugehörigen Zahnstange io liegen
und welche an der Zahnstange mittels Schrauben 27 festgeschraubt sind. Die geraden
glatten Rollbahnen 25 der beweglicher. Zahnstange 18 sind in ähnlicher Weise angeordnet.
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Durch die Verkürzung des Kurbelarmes auf die Hälfte seiner gewöhnlichen
Länge kann auch die Schubstange um die Hälfte ihrer normalen Länge reduziert werden.
Hierdurch ist es, wie aus Abb. q. hervorgeht, möglich geworden, die Abmessungen
des Kurbelkastens 28 bedeutend zu verkleinern.
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Da. der Kolben in der Ausführungsform nach Abb. 4. bis 6 durch die
Rollbahnen 25 eine verlängerte Führung zwischen den Ringen 24. erhält, so kann er
kürzer als bei gewöhnlichen Verbrennungsmotoren ausgeführt werden, es sei denn,
daß die normale Kolbenlänge, wie bei Zweitaktmotoren, erforderlich ist, um die Ein-
und Auslaßöffnungen des Zylinders ordnungsgemäß zu decken. Wenn eine normale Kolbenlänge
aus dem letztgenannten Grunde beibehalten werden muß, so kann es zweckmäßig sein,
die starre Zapfenverbindung zwischen dem Kolben und der Zahnstange 18 durch eine
gelenkige Verbindung zu ersetzen.
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Die Ausführung :nach Abb. 7 bis 9 unterscheidet sich von der eben
beschriebenen hauptsächlich dadurch, daß die Ebene der s Kurbelbewegung zu der gemeinsamen
Symmetrieebene der Zahnstangen senkrecht steht oder, mit anderen Worten, zu den
Zahnradachsen parallel ist.
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Ferner sind die Übersetzungszahnräder i 9 in einem gemeinsamen Kreuzkopf
29 gelagert, der mit zwei zylindrisch bearbeiteten Lagerflächen 3o versehen ist,
auf denen zwei Lagerringe 31 der Schubstange 3 gelagert sind. Die Achse der Schubstangenlager
steht somit s in diesem Falle auf den Zahnradachsen senkrecht. Die Lagerringe 31
sind mit dem äußeren
Schubstangenkopf 32 durch zwei parallele
Arme 33 verbunden und zu einer durch den Kreuzkopf hindurchgehenden, parallelepipedisch
geformten Bohrung 34 symmetrisch angeordnet. Durch diese Bohrung geht die mit dem
Kolben 14 verbundene Zahnstange 18 hindurch und greift hier mit ihren in der Bohrung
liegenden Zähnen 35 in die Zahnräder i 9 ein. Die Zahnräder i 9 sind aus zylindrischen
Rollen herausgearbeitet, aus denen die Zähne ausgefräst sind, und zwar derart, daß
die beiden Enden neben den Zähnen zwecks Lagerung der Zahnräder zylindrisch erhalten
geblieben sind. Die Zahnräder i9 sind in Querbohrungen 36 im Kreuzkopf 29, deren
Durchmesser demjenigen der zylindrischen Enden der Zahnräder gleichkommt, lose eingelegt
und werden in ihrer Lage durch die Lagerringe 31 der Schubstange 3 gehalten, an
welchen die sphärisch abgerundeten Enden 37 der Zahnrüder anliegen. Man kann in
diesem Falle den Kreuzkopf als einen vergrößerten Schubstangenzapfen ansehen, welcher
außer der gewöhnlichen Aufgabe noch diejenige erfüllt , als Lagerung der Zahnräder
zu dienen. Der Kreuzkopf 29 ist mit vier Führungsleisten 38 versehen, welche paarweise
die feststehenden Zahnstangen io umfassen. Diese Führungsleisten 38 gleiten längs
entsprechenden Gleitbahnen an den Seiten der Zalin:stangen io und übertragen dabei
die seitlichen Drücke der Schubstange auf diese Gleitbahnen. Die feststehenden Zahnstangen
. io sind an einem Stahlring 39 festgeschraubt, welcher zwischen der unteren Kante
des: Zylinders ia und einem an der oberen Kante des Kurbelkastens vorgesehenen Flansch
4o angebracht und mittels Schrauben 41 festgehalten ist.
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Bei der zuletzt beschriebenen Ausführung werden Biegungsb,eanspruchungen.
der Lagerzapfen, wie sie in den Lagerungen an den Platten a i bei der Ausführung
nach Abb. 4 und 5 vorkommen, sowie durch diese hervorgerufene Reibungsverluste vermieden.
Die Unterbringung des Getriebes innerhalb des engen Raumes in der Verlängerung des
Zylinders wird durch die beschriebene Ausbildung der Zahnräder i 9 in Form von dünnen
Rolleis ermöglicht.
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Bei der Ausführungsform nach Abb. io bis 12 (eines zweizylindrigen
Verbrennungsmotors mit gemeinsamer Schubstange für beide Kolben) sind die Zahnräder
i9 der flbersetzungsgetriebe, ebenso wie bei der zuletzt beschriebenen Ausführung,
in Form von Rollen ausgebildet, welche zur Ebene der Kurbeibewegung parallel liegen,
wobei aber die Zähne an den Enden der Rollen eingefräst sind, während die mittleren
zylindrischen Tei=e 42 der Rollen in durchgehenden Bohrungen eines für beide Zylinder
gemeinsamen Kreuzkopfes 43 melagert sind. Letzterer ist zwischen den Zahnstangen
18 der Kolben 14 angeordnet, ohne diese Stangen zu umfassen. Die Zahn-', räder i9
sind symmetrisch zu der durch die Kolbenachsen gelegten Ebene angeordnet, so daß
Seitendrücke zwischen den Kolben und Zylindern, wie bei den Ausführungen nach Abb.
4. bis 9, vollständig aufgehoben werden. Die beiden Verzahnungen 35 jedes Zahnrades
i9 greifen in je eine der beweglichen Zahnstangen 18 und in die gegenüberstehenden
festen Zahnstangen io ein, welch letztere in diesem Falle in vierfacher Anzahl vorhanden
sind. Der obere Teil 44 des Kreuzkopfes 43, den die beiden Arme 33 der Schubstange
3 gabelförmig umfassen, ist als Hülse ausgebildet, in welcher der mit den. oberen
Enden der Arme 33 verbundene Schubstangenzapfen 45 senkrecht zu den Zahnrädern i9
gelagert ist. Die Enden des Zapfens 45 tragen Ringe 46, welche bei der Bewegung
des Kreuzkopfes in Führungen 47 gleiten, die in der Wandung der Kurbelkammer
28 neingefräst sind. Gegebenenfalls kann der Zapfen 45 an den Enden mit Rädchen
versehen sein, die in den Führungen rollen.
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Durch die Verkürzung der Schubstange und die erhöhte Lagerung derselben
im Kreuzkopf sowie durch die Ausnutzung des ganzen Raumes zwischen den Kolben zur
Unterbringung des Getriebes wird eine bedeutende Verkleinerung der Abmessungen des
Kurbelkastens ermöglicht, wobei trotzdem die Lager und Zahnhängen, wie die Abbildungen
zeigen, reichlich bemessen werden können. Nur eh unbedeutender Zwischenraum trennt
dieuntere Kante des Kreuzkopfes 43 von der Lagerhülse 49 des Kurbelzapfens 48, und
die Kurbelwelle 5o ist in gleicher Höhe mit -den unteren Kanten der feststehenden
Zahnstangen io gelagert. Sowohl bei dieser Ausführungsform wie bei Anwendung der
Erfindung im allgemeinen sollen die übersetzenden Organe möglichst unmittelbar neben
dem Zylinderende angeordnet werden, damit die mit der Erfindung verbundenen Vorteile
vollständig ausgenutzt werden können. Die Verwendung einer einzigen Kurbel und einer
einzigen Schubstange, welche beiden Kolben gemeinsam sind, hat offenbar den Vorteil,
daß die Massenkräfte und dadurch die Beanspruchungen der Lager wesentlich verringert
werden.
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Die Wirkungsweise der Ausführung nach Abb. i o bis i z soll an Hand
der Abb. 13 erläutert werden, und zwar unter der Annahme, daß der betreffende Verbrennungsmotor
nach dem Viertaktprinzip arbeitet, wobei die beiden Kolben sich gleichläufig bewegen
in solcher Weise, daß der Saughub des einen Kolbens mit dem Ausdehnungshub des anderen
zusammenfällt.
In Abb. 13 - sind die Zahnräder ig durch ihre Teilkreise a, die beweglichen
und feststehenden Zahnstangen 18 bzw. io durch die entsprechenden Teillinien ä bzw.
c und der Kreuzkopf ¢3 durch die Zahnradachsen d dargestellt. In dem Augenblick
z. B., in dem die Ausdehnungsperiode des linken Kolbens einsetzt, sei der Kolbendruck
auf diesen Kolben gleich P. Wäre nun die direkte zwangläufige Verbindung mit den
Zahnrädern des rechten Kolbens nicht vorhanden, so würde das auf die Zahnräder des
linken Kolbens durch den Kolbendruck P ausgeübte Drehmoment an jeder der beiden
zugehörigen feststehenden Zahnstangen eine Reaktionskraft
hervorrufen. Der Kolbendruck nebst diesen Reaktionskräften würde dann auf den linken
Teil des Kreuzkopfes ¢3 eine resultierende, abwärts gerichtete Kraft 2 P ausüben,
und diese würde in Verbindung mit der gleich großen und aufwärts gerichteten Komponente
des Schubstangendruckes ein Dreh- oder Biegungsmoment P # L auf den
Kreuzkopf ausüben, wobei L den Abstand zwischen den Kolbenachsen bedeutet. Durch
Vermittlung der Zahnräder ig werden aber diejenigen Drehmomente, welche sonst durch
die von den feststehenden Zahnstangen des linken übersetzungsgetriebes ausgehenden
Reaktionskräfte auf die Zahnräder ausgeübt werden, zum größten Teil auf die entgegengesetzten.
Enden der Zahnräder übertragen, wodurch die betreffenden Zahnstangen entlastet und
die feststehenden Zahnstangen des rechten Übersetzungsgetriebes in entsprechendem
Maße belastet werden. Die senkrechten Komponenten der ,auf den Kreuzkopf wirkenden
Kräfte werden sich somit in der Hauptsache so verteilen, wie Abb. 13 schematisch
zeigt. Nach unten wirken die Kraft
an den nach innen gekehrten Zähnen jedes der beiden lLnken Zahnräder und die Kraft
an den nach außen gekehrten Zähnen jedes der beiden rechten Zahnräder. Nach oben
wirkt die Kraft 2 P in der Mitte des Kreuzkopfes. Der auf den linken Teil des Kreuzkopfes
wirkende Kolbendruck übt in bezug auf die Mittelebene 12-12 in Abb. i i .ein Drehmoment
i/2 P # L
aus; dieses wird aber durch ein entgegengesetztes und gleich
großes Drehmoment aufgehoben, welches durch die auf den rechten Teil des Kreuzkopfes
wirkenden Reaktionskräfte zustande kommt.
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Bei der in Abb. 1¢ und 15 dargestellten abgeänderten Lageranordnung
für die Schubstange 3 in dem Kreuzkopf ¢3 ist letzterer in der Mitte reit einer
durchgehenden, senk-Bohrung versehen, welche -zur Aufnahme des oberen Endes 52 der
Schubstange 3 dient, wobei der Zapfen ¢5 der letzteren in aufwärts gerichteten Augen
53 des Kreuzkopfes gelagert ist. Die beweglichen Zahnstangen müssen in diesem Falle
etwas dicker ausgeführt werden als bei der vorher beschriebenen Ausführung.
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Die beschriebenen Ausführungen haben. in erster Linie den Zweck, :eine
bedeutende Verminderung des Umfanges und des Gewichtes der Maschine zu erzielen,
wobei zugleich vers hiedene andere Vorteile gewonnen werden, und zwar z. B. :eine
Verringerung der innerhalb der Maschine. Die Erfindung ist offenbar nicht auf die
dargestellten beschränkt, diese sind vielmehr als beispielsweise, zweckmäßige Durchführungsformen
der Erfindung zu betrachten.