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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein System von Elementen aus Kunststoff
zum reibungskupplungsartigen Zusammenbau von statischen oder dynamischen
Konstruktionen zu Spiel- oder
Lehrzwecken.
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Es
sind mehrere Systeme von Elementen aus Kunststoff bekannt, die durch
Reibungskupplung miteinander verbunden werden können und den Zusammenbau von
statischen Konstruktionen ermöglichen,
an denen auch einige dynamische Elemente vorgesehen sein können. Bei
den meisten derartigen Systemen weist jedes Element wenigstens ein
Einsteck-Kupplungsteil
und wenigstens ein Aufsteck-Kupplungsteil auf, wobei der Zusammenbau erzielt
wird, indem ein Einsteck-Kupplungsteil eines Elements in ein Aufsteck-Kupplungsteil
eines anderen Elements eingesteckt wird. Ein erster Nachteil dieses
Prinzips ist darin gegeben, dass die Einsteck- und Aufsteck-Kupplungsteile,
da sie integrale Bestandteile eines Elements sind, aus demselben
Material bestehen, sodass die Effizienz der Reibungskupplung ausschließlich von
der dimensionalen Genauigkeit der Teile und von der Elastizität des Materials
abhängig
ist. Da das ganze Element einstückig aus
demselben Material ausgebildet werden sollte, besteht aufgrund von
technischen Anforderungen, ästhetischen
Anforderungen und wirtschaftlichen Beschränkungen keine Wahlfreiheit
hinsichtlich des Materials. Es kann also eine schwache Kupplung
resultieren, die insbesondere durch dauerhafte Verformungen aufgrund
des bei verschiedenen Kunststoffmaterialien gegebenen „kalten
Flusses" verstärkt wird,
wenn Elemente für
eine längere
Zeit miteinander verbunden bleiben. Dies wird außerdem dadurch verstärkt, dass
die Einsteck-Kupplungsteile allgemein sehr kleine Dimensionen haben.
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Dieser
Nachteil kann gemäß dem italienischen
Patent Nr. 1.147.731 durch Elemente überwunden werden, bei denen
separate Einsteck-Kupplungsteile an dem Elementkörper befestigt werden, sodass
diese aus einem anderen Material ausgebildet werden können als
der Elementkörper
und die Aufsteck-Kupplungsteile. Es ist jedoch deutlich, dass die
Herstellung von Elementen aus mehreren Teilen wesentlich kostspieliger
ist, da die einzelnen Teile miteinander verbunden werden müssen.
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Bei
den meisten bekannten Systemen weist die Symmetrie der Kupplungsteile
allgemein eine Ordnung vier auf, wobei die Elemente nur an einer Anzahl
von Positionen miteinander verbunden werden können, die jeweils mit Winkeln
von 90° zueinander
beabstandet sind. Wenn jedoch eine Anordnung mit einem anderen Winkel
wie etwa 45° gewünscht wird,
kann dies nicht mit den normalen Elementen des Systems erreicht
werden, sondern es müssen spezielle
Elemente vorgesehen sein. Dies erhöht jedoch die Herstellungsaufwand
und macht das System komplizierter.
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Das
Dokument CH-464,759 A, das als wichtigster Stand der Technik betrachtet
wird, gibt ein System von Elementen aus Kunststoff zum reibungskupplungsartigen
Zusammenbau von statischen oder dynamischen Konstruktionen zu Spiel-
oder Lehrzwecken an, wobei das System zwei Arten von Hauptelementen
umfasst, wobei jedes Hauptelement der ersten Art ein Abstandsstück ist,
dessen Enden Aufsteck-Kupplungsteile bilden, während jedes Hauptelement der
zweiten Art ein Verbindungsstück
ist, das aus einem dünnen
Flansch besteht, der an beiden Seiten mit Einsteck-Kupplungsteilen
versehen ist, die zu den Aufsteck-Kupplungsteilen der Hauptelemente der
ersten Art komplementär
sind. Dieses System gestattet jedoch keine Anordnung der Elemente
mit Winkelvielfachen von 45°.
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Weiterhin
gibt das Dokument EP-A-0-029.100 ein System von Elementen mit Einsteck-
und Aufsteck-Kupplungsteilen an, wobei die Aufsteck-Kupplungsteile
eine Symmetrie der Ordnung acht aufweisen und die Einsteck-Kupplungsteile
eine Symmetrie der Ordnung vier aufweisen.
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Es
ist eine erste Aufgabe der Erfindung, die bekannten Systeme von
kombinierbaren Elementen zu verbessern, um systematisch und ohne
Verwendung von speziellen Elementen Anordnungen mit allen möglichen
Winkelvielfachen von 45° zu
gestatten, wobei einerseits effektive und dauerhafte Verbindungen
sichergestellt und andererseits Herstellungsschwierigkeiten und
erhöhte
Kosten vermieden werden. Eine besondere Aufgabe der Erfindung ist
es, die Systemelemente mit Grundelementen und anderen möglichen
Elementen zu integrieren, sodass die Anwendungsmöglichkeiten des System erweitert werden.
Eine weitere besondere Aufgabe der Erfindung ist es, das Anbringen
von dynamischen Elementen wie etwa Rädern oder Zahnrädern zu
ermöglichen,
die miteinander zusammenwirken können, auch
wenn sie sich in verschiedenen Ebenen befinden.
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Die
Hauptaufgabe der Erfindung wird durch die Eigenschaften von Anspruch
1 gelöst.
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Dank
einer Aufteilung der Kupplungsaufgaben auf zwei verschiedene Arten
von Elementen können
verschiedene Vorteile erhalten werden. Der erste und größere Vorteil
besteht darin, dass die Elemente mit allen möglichen Winkelvielfachen von
45° zusammengebaut
werden können,
ohne dass dazu spezielle Elemente verwendet werden müssen. Die
dadurch ermöglichte
Flexibilität
sollte deutlich sein. Die systematische Verwendung von Elementen
der zweiten Art zur Herstellung der Verbindungen unter den Systemelementen
der ersten Art führt
eine konstruktive Logik ein, die vorteilhaft zu dem didaktischen
Charakter passt. Weil die Einsteck-Kupplungsteile eine Symmetrie
der Ordnung vier aufweisen, kann für diese Elemente ein extrem
einfacher Aufbau verwendet werden, der einfach herzustellen ist,
ohne dass dadurch die Flexibilität
für den
Zusammenbau beeinträchtigt
wird, die ja durch die Symmetrie der Ordnung acht der Aufsteck-Kupplungsteile
gewährleistet wird.
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Außerdem wird
eine große
Kontaktfläche zwischen
den Einsteck- und Aufsteck-Kupplungsteilen durch einfache Strukturen
erhalten, die einfach beim Formen des Kunststoffmaterials der Elemente hergestellt
werden können,
wobei der Benutzer zudem extrem einfach die Positionen der korrekten
Verbindung zwischen den Elementen bestimmen kann.
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Vorzugsweise
sind bei den Elementen der zweiten Art zylinderförmige Rohrstützen, die
die an der einen Seite des Flansches angeordneten Einsteck-Kupplungsteile
bilden, gegenüber
zylinderförmigen
Rohrstützen,
die die an der anderen Seite des Flansches angeordneten Einsteck-Kupplungsteile bilden,
um 45° versetzt.
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Auf
diese Weise wird auch die Elastizität des Flansches genutzt, um
bessere Kupplungen zu erhalten, wobei dank dieser Anordnung und
der zylinderförmigen
Rohrstützen
im wesentlichen eine Gleichmäßigkeit
in der Dicke des Materials erhalten wird, was für den Formprozess vorteilhaft
ist.
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Vorzugsweise
sind die Elemente der ersten Art aus einem sehr beständigen Kunststoff
hergestellt, der ansprechend aussieht und sich angenehm anfühlt, wie
etwa ABS, während
die Elemente der zweiten Art aus einem Kunststoff hergestellt sind,
der wie etwa Polyamid- oder
Azetalharz eine gute Elastizität
und einen niedrigen Reibungskoeffizienten aufweist und gegen eine
Verformung aufgrund eines kalten Flusses beständig ist.
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Auf
diese Weise wird eine große
Stabilität und
Beständigkeit
der Elemente und ihrer Kupplungen erhalten. Es sollte deutlich sein,
dass dies bei Elementsystemen mit Einsteck- und Aufsteck-Kupplungsteilen, die Teil
des Elementkörpers
sind, nicht möglich
wäre.
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Vorzugsweise
weist das System auch komplexe Elemente auf, die aus einem Element
bestehen, das im wesentlichen zur ersten Art gehört und mit wenigstens einem
Einsteck- Kupplungsteil
versehen ist, der aus einer seitlichen Wand ragt. Diese Elemente
dienen dazu, Winkelverbindungen in einer Konstruktion vorzusehen.
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Vorzugsweise
sind die komplexen Elemente mit zwei Einsteck-Kupplungsteilen versehen,
die entweder diametral entgegengesetzt sind oder dazwischen einen
Winkel bilden. In einer vollständigeren Form
sind sie mit vier Einsteck-Kupplungsteilen versehen, die sich von
der Seitenwand erstrecken und um 90° voneinander beabstandet sind,
sodass ein Sechswegelement gebildet wird.
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Es
ist ein Vorteil, dass einige der Einsteck-Kupplungsteile, mit denen
die komplexen Elemente versehen sind, eine elastische Achse aufweisen,
auf die ein Rad oder ein Zahnrad drehbar gelagert werden kann.
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Vorzugsweise
sind die Einsteck-Kupplungsteile der komplexen Elemente mit Oberflächen versehen,
die mit sechs Rändern
enden und so angeordnet sind, dass sie in zwei Richtungen wirken
können, und
zwar innerhalb der acht Kreisbogenflächen, die die Wände der
Elemente der ersten Art bilden.
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Auf
diese Weise wird die Elastizität
der Wand der Elemente der ersten Art vorteilhaft genutzt, um die
Verbindung zu verbessern.
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Vorzugsweise
umfasst das System weiterhin Elemente für die Verbindung mit Grundplatten,
wobei die Elemente im wesentlichen durch ein Element der ersten
Art, eventuell mit veränderter
Länge,
bestehen, wobei sich aus dem einen Ende dieses Elements Zapfen erstrecken,
die in Bohrungen einer Grundplatte eingreifen können.
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Vorzugsweise
umfasst das System weiterhin maßeinheitliche
Grundplatten, die ein Raster aus Verbindungsbohrungen aufweisen,
mit denen die Bauteile über
die Elemente in verschiedenen Lagen zum Plattenanschluss verbunden
werden können.
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Derartige
maßeinheitliche
Grundplatten mit einem Raster von Verbindungsbohrungen sind an sich
bekannt, wobei aber ihre Anwendungsmöglichkeiten erweitert werden
und zufriedenstellender gemacht werden, wenn sie mit dem Elementsystem
der vorliegenden Erfindung kombiniert werden.
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Schließlich ist
es ein Vorteil, dass das System weiterhin bewegliche Elemente, insbesondere Räder und
Zahnräder
enthält,
die auf die elastischen Achsen gelagert werden können, mit denen einige komplexe
Elemente versehen sind. Die Räder
und Zahnräder
sind vorteilhaft mit einem Raster von Verbindungsbohrungen versehen,
in denen Zierelemente oder andere Bauteile eingesetzt werden können.
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Auch
derartige Zahnräder
mit einem Raster von Verbindungsbohrungen sind an sich bekannt, wobei
aber ihre Anwendungsmöglichkeiten
erweitert werden und zufriedenstellender gemacht werden, wenn sie
mit dem Elementsystem der vorliegenden Erfindung kombiniert werden.
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Vorzugsweise
sind die Hauptelemente der ersten Art und die komplexen Elemente
des Systems in verschiedenen Größen vorgesehen
und bilden mit den Elementen der zweiten Art ein Baukastensystem,
das das Raster der Verbindungsbohrungen der Platten, die Abmessungen
der Platten, die Achsstände
der Zahnräder
und die zur Dicke der Flansche der Elemente addierte Länge der
Elemente der ersten Art bestimmt und einschließt.
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Auf
diese Weise wird eine korrekte Kombinierbarkeit der Teile und eine
korrekte Verbindung der Zahnräder
vorteilhaft gefördert.
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Diese
und andere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden
durch die folgende Beschreibung einer Ausführungsform mit Bezug auf die
beigefügte
Zeichnung verdeutlicht, die eine Explosionsansicht einer Anzahl
von Elementen zeigt, die ein System gemäß der Erfindung bilden und
in Positionen gezeigt sind, in denen sie miteinander verbunden werden
können.
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Das
Bezugszeichen 1 gibt ein Hauptelement der ersten Art an.
Es ist deutlich, dass dieses Hauptelement ein im wesentlichen zylinderförmiges Abstandsstück ist,
dessen Wand im Querschnitt durch acht miteinander verbundene Kreisbögen definiert wird,
deren konkave Teile der Achse des Elements zugewandt sind. Das Element
kann vorzugsweise an der Mitte seiner Länge eine gebohrte Querverstärkung aufweisen,
die dem Element Festigkeit verleiht. Die Wand des Elements 1 bildet
an ihren Endteilen zwei Aufsteck-Kupplungsteile, die mit weiter
unten beschriebenen Einsteck-Kupplungsteilen zusammenwirken können. Die
Hauptelemente der ersten Art können
wie durch 1 und 1' angegeben
mit verschiedenen Längen
vorgesehen sein, wobei weiter unten erläutert wird, in Übereinstimmung
mit welchen Kriterien diese Längen
gewählt
werden können.
Die Elemente der ersten Art bilden den sichtbaren Teil der zusammenzustellenden
Konstruktion, sodass sie vorzugsweise aus einem beständigen Kunststoffmaterial
wie etwa ABS hergestellt werden, das ansprechend aussieht und sich
angenehm anfühlt.
Es ist zu beachten, dass ihr einfacher Aufbau derart beschaffen
ist, dass sie kostengünstig
unter Verwendung von einfachen Formen ohne bewegliche Teile hergestellt werden
können.
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Das
Bezugszeichen 3 gibt einen Flansch an, der die Basis eines
Elements der zweiten Art bildet. Die Konturen dieses Flansches 3 entsprechen
den Konturen eines Hauptelements 1 der ersten Art. Von einer
Seite dieses Flansches 2 stehen vier gleichmäßig beabstandete
zylinderförmige
Rohrstützen 4 mit einem
kreisförmigen
Querschnitt vor, und von der gegenüberliegenden Seite stehen vier
weitere zylinderförmige
Rohrstützen
mit einem kreisförmigen
Querschnitt vor. Der Außenradius
der Rohrstützen 4 und 5 entspricht
dem Innenradius der Kreisbögen,
die den Querschnitt der Wand der Elemente 1 der ersten
Art bilden, und der Abstand zwischen den diametral gegenüberliegenden
Rohrstützen
entspricht dem Abstand zwischen den Zentren der Bögen, wobei
die vier Rohrstützen 4 oder 5 eines
Elements der zweiten Art mit vier Kreisbögen aus den acht Kreisbögen, die den
Querschnitt eines Elements der ersten Art bestimmen, verbunden werden
können.
Es ist zu beachten, dass die besondere Form der mit Kreisbögen versehenen
Wände der
Element der ersten Art es ermöglicht,
die Formelastizität
dieser Elemente für
eine korrekte Kupplung zu nutzen. Es ist deshalb deutlich, dass
mit einem Element der zweiten Art zwei Elemente der ersten Art mit
allen möglichen
Winkelvielfachen von 45° um
die Achsen der Elemente verbunden werden können. Es ist weiterhin zu beachten, dass
die Elemente der zweiten Art einen einfachen Aufbau aufweisen, sodass
sie kostengünstig
unter Verwendung von einfachen Formen ohne bewegliche Teile hergestellt
werden können.
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Die
Elemente der zweiten Art können
vorteilhaft aus einem Kunststoffmaterial hergestellt werden, das
eine gute Elastizität
und einen niedrigen Reibungskoeffizienten aufweist und keinen Verformungen
aufgrund von einem kalten Fluss unterliegt. Zum Beispiel sind Polyamid-
und Azetalharze besonders gut geeignet.
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Es
ist von Vorteil, dass die vier zylinderförmigen Rohrstützen 5 auf
einer Seite des Flansches 3 an dem Element der zweiten
Art um jeweils 45° zu
den entsprechenden vier zylinderförmigen Rohrstützen 4 auf
der anderen Seite des Flansches 3 versetzt sind. Diese
Anordnung ist vorteilhaft, weil sie die Nutzung einer bestimmten
elastischen Verformbarkeit des Flansches 3 ermöglicht,
um die Kupplungen zu verbessern. Weil die Rohrstützen zudem hohl sind, ermöglicht dies
eine wesentliche Gleichförmigkeit
der Dicke des Materials, was für
das Formen der Elemente der zweiten Art vorteilhaft ist.
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Das
Zusammenstecken der beschriebenen Elemente der ersten und der zweiten
Art ermöglicht das
Zusammenbauen einer linearen Konstruktion beliebiger Größe. Um die Konstruktion
in einer anderen Richtung über
Winkelverbindungen zu erweitern, sind sechs komplexe Elemente vorgesehen,
die allgemein durch das Bezugszeichen 6 angegeben werden.
Jedes Element wird durch eine Wand 7 mit Kreisbögen gebildet,
die im wesentlichen der Wand eines Hauptelements der ersten Art
entspricht, das an seinen Endteilen Aufsteck-Kupplungsteile aufweist,
die für
das Zusammenwirken mit Elementen der zweiten Art gedacht sind, wobei
aber von dieser Wand wenigstens ein Einsteck-Kupplungsteil 8 zur Seite
vorsteht, das für
die Verbindung mit einem Aufsteck-Kupplungsteil eines Elements der
ersten Art (oder eines anderen, dem Element 6 ähnlichen
komplexen Elements) gedacht ist. Das Einsteck-Kupplungsteil 6 besteht
wie gezeigt aus Flächen,
die derart angeordnet sind, dass Vorsprünge in die Vertiefungen von
einigen Kreisbögen
an der Wand eines Elements der ersten Art eingesteckt werden können, um
die gewünschte
winkelige Verbindung für
die Konstruktion zu erhalten.
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Das
gezeigte komplexe Element 6 weist um seine Wand 7 herum
vier Einsteck-Kupplungsteile 8 auf, die mit jeweils 90° zueinander
beabstandet sind, sodass ein Sechswegelement gebildet wird. Es ist
jedoch zu beachten, dass ähnliche
komplexe Elemente mit einer geringeren Komplexität auf den Seitenwänden 7 mit
drei, zwei oder auch nur einem Einsteck-Kupplungsteil 8 vorgesehen
werden können.
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Vorzugsweise
werden die Einsteck-Kupplungsteile 8 der komplexen Elemente
durch Flächen gebildet,
in diesem Fall durch plane Flächen,
die in sechs Vorsprüngen
enden. Diese Vorsprünge
sind derart angeordnet, dass sie in Übereinstimmung mit zwei orthogonalen
Richtungen innerhalb der acht Flächen
in der Form von Kreisbögen
an der Wand der Elemente der ersten Art zusammenwirken können. Auf
diese Weise wird die Elastizität
der Wand des Elements der ersten Art vorteilhaft für eine korrekte Kupplung
genutzt. Um eine stabile Kupplung zu erhalten, die derjenigen zwischen
den Elementen der ersten Art und der zweiten Art entspricht, ist
die Haftung zwischen den Einsteck-Kupplungsteilen 8 und den
Aufsteck-Kupplungsteilen der Elemente der ersten Art größer als
die Haftung zwischen den Elementen der ersten und der zweiten Art.
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Weiterhin
stehen bei dem gezeigten komplexen Element 6 einige Einsteck-Kupplungsteile 8 vor und
bilden Achsen 9, die vertikal geschnitten sind, um elastisch
zu sein. Auf den Achsen 9 können einige bewegliche Elemente
wie etwa Räder,
Zahnräder oder ähnliches
drehbar montiert werden. Natürlich können die
Achsen auf allen komplexen Elementen 6 oder nur auf einigen
von diesen vorgesehen sein.
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Es
ist zu beachten, dass auch ein komplexes Element 6 dank
seines beispielhaft gezeigten Aufbaus kostengünstig unter Verwendung von
einfachen Formen ohne bewegliche Elemente hergestellt werden kann.
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Das
Bezugszeichen 10 gibt ein Zahnrad mit einer Bohrung 11 an,
mittels der es an einer Achse 9 eines komplexen Elements 6 montiert
werden kann. Weiterhin weist das Zahnrad 10 Verbindungsbohrungen 12 auf,
die dazu geeignet sind, andere Elemente wie zum Beispiel Figurenelemente
(nicht gezeigt) aufzunehmen. Zahnräder dieses Typs sind an sich bekannt,
wobei aber ihre Anwendungsmöglichkeiten durch
die Kombination mit dem Elementsystem der vorliegenden Erfindung
erweitert werden. Die Zahnräder
für die
Verwendung mit dem Elementsystem der vorliegenden Erfindung haben
verschiedene Anzahlen von Zähnen,
wobei die Anzahlen der Zähne gewählt werden,
um der Modularität
des Systems entsprechende Abstände
zwischen den Achsen zu erhalten.
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Eine
durch die beschriebenen Elemente gebildete Konstruktion kann für sich stabil
sein, sodass keine Grundplatte erforderlich ist. In bestimmten Fällen ist
es jedoch vorteilhaft, wenn die Konstruktion auf Grundplatten-Elementen
errichtet wird. Dabei können
die beschriebenen Elemente mit einer Grundplatte wie etwa der Platte 13 kombiniert
werden. Die Platte 13 weist ein Raster aus Verbindungsbohrungen 14 auf.
Derartige Platten sind an sich bekannt, wobei aber ihre Anwendungsmöglichkeiten durch
die Kombination mit dem Elementsystem der vorliegenden Erfindung
stark erweitert werden.
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Um
die beschriebenen Elemente mit einer Grundplatte zu verbinden, sind
spezielle Elemente 15 vorgesehen. Jedes dieser Elemente
wird im wesentlichen durch ein Element der ersten Art gebildet, das
unter Umständen
keine modulare Länge
aufweist und von dessen unterer Fläche einige Zapfen vorstehen,
zum Beispiel vier Zapfen 16, die für die Verbindung mit den Verbindungsbohrungen 14 einer Grundplatte 13 geeignet
sind. Das spezielle Element ermöglicht
also eine Konstruktion unter Verwendung der Elemente der vorliegenden
Erfindung, wobei an einem beliebigen Punkt einer Grundstruktur gestartet wird,
die durch eine Anzahl von Platten 13 gebildet wird. Außerdem können die
Elemente 15 in mit den Bohrungen 12 eines Zahnrads 10 verbunden
werden, um bewegliche Teile einer Konstruktion vorzusehen, die auf
einem Zahnrad befestigt sind.
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Die
Größe der Elemente
des Systems gemäß der Erfindung
kann in Übereinstimmung
mit verschiedenen Kriterien gewählt
werden, wobei aber insbesondere ein modulares System vorgesehen wird,
dass dem Modul des Rasters der Verbindungsbohrungen der Grundplatten
und der Zahnräder
sowie weiterhin den Abständen
zwischen den Achsen entspricht, in Übereinstimmung mit denen die
Anzahlen der Zähne
der Zahnräder
gewählt
werden. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass die Zahnräder gut
ineinander greifen, unabhängig
davon, ob sie in einer Ebene oder mit einem Winkel zueinander angeordnet
sind. Um insbesondere die letztere Anordnung sicherzustellen, können einige
Elemente 15 mit verschiedenen nicht-modularen Längen vorgesehen
werden. Dadurch kann eine korrekte Anordnung zwischen Zahnrädern erreicht
werden, die nicht in einer Ebene liegen.
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Es
ist zu beachten, dass durch die Verbindung von Elementen mit Winkelvielfachen
von 45° auch
Konstruktionen gebildet werden können,
die sich in geneigten Richtungen zu den eigenen orthogonalen Hauptrichtungen
der Konstruktion erstrecken.
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Die
Erfindung ist nicht auf die beschriebene beispielhafte Ausführungsform
beschränkt.
Es wurden mehrere mögliche
Modifikationen beschrieben, wobei weitere Modifikationen durch den
Fachmann vorgenommen werden können.
Zum Beispiel können die
Größen und
Proportionen der Elemente verschieden gewählt werden, und es können weitere
zusätzliche
Elemente für
verschiedene Zwecke hinzugefügt werden.