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Sollganganzeiger
der für Schaltungen aller Bauweisen eines Fahrrads geeignet
ist, der Widerstands- und leistungsfähigkeitsabhängigen
den aktuellen Sollgang ohne Stromzufuhr ermittelt und visuell anzeigt,
wobei die aktive Schaltung von Hand vorgenommen wird.
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Stand der Technik:
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Derzeit
sind automatische Schaltungen am Markt bekannt, jedoch eine Ausnahme,
da diese teuer und oder nicht in der Funktion befriedigen. Auch
ein nachträglicher Einbau ist wegen einer Änderung
des Fahrradrahmens zum Einbau der Sensoren und der Schaltung nicht
möglich.
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Viele
Menschen haben mit ihrer handbetätigten Schaltung nicht
die Übung, oder das Verständnis, den richtigen
Gang, d. h. die Wegstrecke pro einer Tretkurbel-Umdrehung, zu wählen,
um für Ihre Person die optimale Tretkraft und Tretdrehzahl
zu erreichen.
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Stand
der Technik sind Neigungsmesser mit dem Wasserwagen-Prinzip (z.
B. sky-mounti und von Dörr GmbH), die am Fahrrad angebracht
werden und lediglich eine Skala für die Steigung aufweisen.
Auch Fahrradcomputer mit Sensoren und digitaler Anzeigen der Steigung
sind bekannt.
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DE 195 24 397 A1 benützt
einen Sensor mit Steuergerät mit Display für die
Tretdrehzahl und einen für die Raddrehzahl. Als Sollwert
gibt der Fahrer die Tretdrehzahl manuell ein und der Soll-Gang wird
errechnet und visuell angezeigt. Der Fahrer schaltet manuell den
angezeigten Gang von Hand. Die Fahrwiderstände am Fahrrad
und damit die Tretkraft bzw. Tretleistung sind nicht direkt berücksichtigt.
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Die
vom Fahrer aufzubringende Leistung setzt sich aus den Anteilen für
Steigung -den Steigungswiderstand-, den Luftwiderstand und den Rollwiderstand
zusammen. Der Wirkungsgrad für die Kette und Rad-, sowie
Tretkurbellager ist bei den heutigen Fahrrädern relativ
klein. In mehr ebenem Gelände ist der Luftwiderstand der
größte Anteil und am Berg der Steigungswiderstand.
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Eine
einfache visuelle Sollganganzeige, mit einer Vorgabe der aufzubringenden
Leistung unter Berücksichtigung dieser 3 Widerstände,
ist derzeit auf dem Markt nichts zu finden.
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Die
erwähnten bekannten Neigungsmesser können nur äußerst
bedingt, höchstens an sehr steilen Wegstrecken, zur Gangwahl
herangezogen werden.
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Aufgabenstellung:
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Mit
der Neuerung soll eine Lücke am Markt geschlossen werden.
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Das
Primere für den Antriebsaufwand eines Radfahrers ist, welche
Tretkraft, bzw. Leistung, muss er bei jedem unterschiedlichen Streckenabschnitt
aufbringen. Die Tretkraft ist entscheidend für den Stoffwechsel in
den Muskeln. Bei höherer Tretdrehzahl und mittlerer Tretkraft
hat man die längste Ausdauer. Hingegen bei hoher Tretkraft
und niederer Tretdrehzahl übersäuert die Muskulatur
und es tritt bekanntlich rasch Ermüdung ein.
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Die
ideale Tretdrehzahl (Tretfrequenz) ist von Mensch zu Mensch unterschiedlich,
etwa nt = 60 bis 100 l/min und ist bei dem trainierten Fahrer immer
höher.
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Deshalb
ist es sehr wichtig den richtigen Gang zu wählen. Ein Sollganganzeiger
soll hierzu eine Hilfe sein.
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Es
muss eine Lösung für einen automatisch, ohne Strom
arbeitender Sollganganzeiger gefunden werden, welche den Sollwert
für die Leistung, insbesondere die Tretkraft und Leistung
an der Tretkurbel, nach der Kondition des Fahrers berücksichtigt.
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Die
Istwerte aller Widerstände für Steigung, Luftwiderstand
und Rollreibung müssen ebenfalls bei der Sollganganzeige
Berücksichtigung finden.
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Eine
möglichst preiswerte, für jeden erschwingliche
und einfach nachzurüstende, an dem Lenker anzubringende,
kompakte Lösung ist anzustreben.
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Beim
Einsatz von Kettenschaltungen muss erkenntlich sein, welches Kettenrad
vorne und hinten jeweils optimal aktiv sein soll. Denn man plagt
sich unnötig, besonders bei der Auswahl der sinnvollen
und zulässigen Gänge bei den Kettenschaltungen
bis zu 27 Gängen. Gang-Einstellungen mit äußersten
hinteren und vorderen Zahnrädern erhöhen den Kettenverschleiß,
scheiden aus, und einige Gänge haben annähernd
das gleiche Übersetzungsverhältnis. Die Reihenfolge
der Gänge, d. h. die Wahl der Kettenräder vorne
und hinten zum nächst größeren oder kleineren Übersetzungsverhältnis
ist chaotisch und kaum zu merken. Lösung
der Aufgabe: Tabelle
verwendeter Formelzeichen:
| cr | Rollwiderstandsbeiwert |
| cwA | Luftwiderstandswert |
| D | Raddurchmesser
vom Hinterrad |
| Fl | Luftwiderstand |
| Fr | Rollwiderstand |
| Fs | Steigungswiderstand |
| Ft | Tretkraft |
| g | Erdbeschleunigung |
| i | Übersetzung
Zv/Zh |
| L | Tretkurbellänge |
| m | Masse
Radfahrer + Fahrrad |
| nt | Tretdrehzahl |
| r | Radius
innen von Klarsichtkörper |
| v | Luftgeschwindigkeit |
| Zh | hintere
Zähnezahl |
| Zv | vordere
Zähnezahl |
| α(Σα) | Steigungswinkel Σα = αr
+ αs + αl (Roll-, Steigungs- und Luftwiderstand) |
| ρ | Luftdichte |
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Neu
bei folgendem Vorschlag ist grundsätzlich, dass der Luft-
und Rollwiderstand sowie der Steigungswiderstand in Winkeleinheiten
gemessen und umgerechnet werden. Der Rollwiderstand wird entsprechend
Fahrrad + Fahrer als veränderliche Konstante auch in Winkeleinheiten
berücksichtigt.
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Die
Tretdrehzahl bestimmt der Fahrer selbst, benötigt hierzu
den richtigen Gang für die richtige Tretkraft.
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Damit
gilt:
| Steigungswiderstand: | Fs
= m*g*sinα | sinαs
= Fs/m*g | |
| Luftwiderstand: | Fl
= 0,5*cwA*ρ*v2 | sinαl
= Fl/m*g | |
| Rollwiderstand: | Fr
= m*g*cr* | sinαr
= Fr/m*g = cr | |
| Tretkraft: | Ft = (D/2*L*i)*(Fr
+ Fl + Fs) = D*i*m*g*sinΣα/(2*L) | Σα = αr
+ αs + αl |
| Übersetzung | i
= Ft*2*L/(D*m*g*sinΣα) | | |
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Gemäß der
Erfindung wird der Steigungswinkel αs + Luftwinkel αl
mittels des Wasserwagen-Prinzips im Sollganganzeiger gemessen; im
Wesentlichen bestehend aus einem mit dm Fahrrad verbundenen Grundkörper
und einer Schwenkeinheit. Die Sollgang-Skalierung und eine Leistungsmarke
befinden sich auf einem durchsichtigen Gummiband, über
der Oberfläche eines, in Fahrtrichtung und 90° dazu
gekrümmten, Klarsichtkörpers gespannt, der sich
in der Schwenkeinheit befindet. Im Klarsichtkörper ist
eine Flüssigkeit und darin die Libelle (Gasblase).
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Steht
das Fahrrad waagrecht, wird bei der Montage die Libelle des Sollganganzeigers,
durch Schwenken des Sollganganzeigers, auf eine Justiermarke am
Klarsichtkörper einmalig eingestellt, die einen aktuellen Rollwiderstandswinkel αr
als Konstante berücksichtigt. Dabei kann die Art der Fahrradreifen
und die Masse von Fahrrad + Fahrer zugrunde gelegt werden.
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Der
Luftwiderstand wird wie folgt berücksichtigt: Der Klarsichtkörper,
angebracht auf der im Grundkörper gelagerten Schwenkeinheit,
schwenkt um die Luft-Schwenkachse, entsprechen dem momentanen Luftwiderstand,
den Luftwinkel αl (sinαl = 0,5*cwA*ρ*v2/m*g), zusätzlich zum Steigungswinkel αs
der Fahrbahn.
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Das
Schwenken der Schwenkeinheit und damit des Klarsichtkörpers
um den Winkel αl wird ermöglicht, indem die Kraft,
dh. das Drehmoment, gemäß der Kraft der Luftgeschwindigkeit
v auf eine Druckplatte in der Schwenkeinheit mit der Federkraft
zwischen Grundkörper und Schwenkeinheit im Gleichgewicht
gehalten wird.
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Fläche
der Druckplatte A = K*tanαl/ρ*v2 und
K ist eine Konstruktionskonstante, die von den Baumaßen und
der Federkonstante der Feder oder des Federelements abhängt.
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Durch
Veränderung des Befestigungswinkels der Druckplatte, Veränderung
der Flache der Druckplatte, des Flächen-Schwerpunktes oder
die wirksame Länge des Federelemets ist eine Abstimmung
des cwA Wertes bezogen auf den Fahrer + Fahrrad möglich.
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Eine
Skalierung der Tretkraft und Leistung ist am Klarsichtkörper
angebracht und auf dem transparenten Gummiband, über den
Klarsichtkörper gesannt, die Sollgang-Skalierung und eine
Leistungsmarke. Beim Strecken des Gummibandes zeigt die Leistungsmarke
auf die Tretkraft und die Tretleistung, welche als Grundlage der
aktuellen Sollgang-Skalierung dienen.
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Weitere
Einzelheiten in den Ausführungsbeispielen und den Patentansprüchen.
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Ausführungsbeispiele:
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1:
Seitenansicht eines Sollganganzeigers, bestehend aus einem Grundkörper 17 der
mit dem Deckel 18 und den Schrauben 19 an dem
Lenker 36 befestigt ist und der Schwenkeinheit 1,
mit Schwenkstück 5 mit dichtend und fest eingefügten
Klarsichtkörper 2. Der dadurch gebildete Hohlraum
ist gefüllt mit einer hoch viskosen Flüssigkeit 3,
bis auf eine Gasblase- die Libelle 4.
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Das
Schwenkstück 5 und der Grundkörper 17 sind
an der Luft-Schwenkachse 34 mit einer im Grundkörper 17 fest
sitzender Achse verbunden. Die Feder 22, in den Federaufhängungen 25,
im Grundkörper 17 und Schwenkstück 5,
zieht das Schwenkstück 5 auf die im Grundkörper 17 befindliche
Fixierschraube 24, eingestellt auf ca. Null N. Wenn eine
Druckfeder statt der eingezeichneten Zug-Feder 22 verwendet
wird, dann wirkt diese zweckmäßig in der Richtung
F, oder um 90° nach oben gedreht, auf das Schwenkstück 5.
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Die
Druckplatte 6, auf welche die Luftgeschwindigkeit v einwirkt,
kann mit den Fixierschrauben 24 an den Grundkörper 5 in
verschiedenen Abständen zur Luft-Schwenkachse 34 befestigt
werden.
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Eine
Klemme 10 mit Klemmschrauben 11 hält
ein Gummiband 12 an einer darauf befindlichen Nullmarke 35 am
gekrümmten Klarsichtkörper 2 fest. Am
Gummiband 12 ist die Sollgang-Skala aufgedruckt. Auf der
anderen Seite des Gummibandes 12 ist dieses auf einer Wickelrolle 13 aufgewickelt
und kann mit dem Stellteil 14 über den gekrümmten
Klarsichtkörper 2 auf die gewünschte
Soll-Tretkraft oder -Leistung gedehnt werden.
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Das
Zentrum der Krümmung des Klarsichtkörpers 2 und
die Lage der Luft-Schwenkachse 34 sind so zu wählen,
dass die Sollgang-Skalierung den gewünschten Maßstab
hat.
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2:
Seitenansicht einer Schwenkeinheit 1, bestehend aus dem
im Schwenkstück 5 mit dichtend und fest eingefügten
Klarsichtkörper 2. Der dadurch gebildete Hohlraum
ist gefüllt mit einer hoch viskosen Flüssigkeit 3,
bis auf eine Gasblase- die Libelle 4. Die Druckplatte 6 hat
zur Fixierung Formschluss in der Fixiermulde 7 und ist
mit der Fixierschraube 8 befestigt, die in einer der Fixierbohrungen 9 entsprechend
einer Winkelstellung eingeschraubt ist. Eine Klemme 10 mit
Klemmschrauben 11 hält, an einer auf der am Gummiband 12 angebrachten
Nullmarke 35, das Gummiband 12 am gekrümmten
Klarsichtkörper 2 fest. Auf der anderen Seite
des Gummibandes 12 ist dieses auf einer Wickelrolle 13 aufgewickelt
und kann mit dem Stellteil 14 über den gekrümmten
Klarsichtkörper 2 gedehnt werden. Der Mittelpunkt
der 2 Rollen 15, welche mit der Wellen 16 am Schwenkstück 5 befestigt
sind, befindet sich auf einer Kreisbahn 34a um die Luft-Schwenkachse 34.
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3:
Schnitt X-X von Ansicht 6. Die komplette Schwenkeinheit 1 (2)
ist mittels der Rollen 15 in den Grundkörper 17 fixiert.
Der Grundkörper 17 wird mittels Deckel 18 mit
den Schrauben 19 an dem Lenker 36 befestigt. Die
beiden Rollen 15 können sich auf der Kreisbahn
außen 20 und Kreisbahn innen 21 mit wenig Spiel
um den Luft-Schwenkachse 34 abrollen. Die Feder 22 stützt
sich über die schwenkbaren Federteller 23 am Grundkörper 17 und
dem Schwenkstück 5 ab und wird über die
Justierschraube 40 in der dargestellte Nullstellung auf
Kraft 0 eingestellt. Entsprechend der Belastung während
der Fahrt, durch einen Luftwiderstand auf die Druckplatte 6,
wird die Schwenkeinheit 1 gegen die Feder 22 geschwenkt.
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Im
Gegensatz zu 1 können, durch das
Schwenken der Schwenkeinheit 1 über die im Grundkörper 17 geführten
Rollen 15, auch der Mittelpunkt der Krümmung des
Klarsichtkörpers 2 mit der Luft-Schwenkachse zusammenfallen.
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4:
Die beiden Federteller 23 von 3 sind hier
funktionell mit einem Dämpfer 37 erweitert worden,
der in bekannter Weise mit Gas oder einer Flüssigkeit die
Schwenkbewegung des Schwenkstücks 5 dämpft.
Dieser besteht im Wesentlichen aus dem Dämpfungsrohr 39 und
der Dämpfungsstange 38.
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5:
Schnitt Y-Y von 3. Die zwei Rollen 15 sitzen
fest auf den Wellen 16, welche im Schwenkstück 5 mit
einen kleinen Durchmesserspiel gelagert sind. Die Rollen 15 können
sich auf der Kreisbahn außen 20 und der Kreisbahn 21 des
Grundkörpers 17 um die Luft-Schwenkachse 34 abrollen.
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6:
Ansicht A von 3. Das Gummiband 12 ist über
den Klarsichtkörper 2 gespannt, welcher in das
Schwenkstück 5 eingelassen ist und mit der Klemme 10 mit
Klemmschrauben 11 an einer am Gummiband 12 markierten
Nullmarke 35 fixiert. Bei waagrechtem Fahrrad wird der
komplette Ganganzeiger an dem Lenker so befestigt, dass sich die
Libelle 4, wie gezeichnet, an der Justiermarke 26 befindet,
welche am Klarsichtkörper 2 aufgedruckt ist. Entsprechend
dem Rollwiderstand des Fahrrads kann sich die Justiermarke 26 weiter oben
oder unten befinden.
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Am
Klarsichtkörper 2 ist die Skala für die
Sollwerte Tretkräfte 29 in N und die Leistung 30 in
W, bei z. B. bei 60 Umdrehungen an der Tretkurbel.
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Auf
dem transparenten Gummiband 12 ist eine Skala für
eine Kettenschaltung mit theoretisch 21 Gängen aufgedruckt,
wobei nur 17 Gänge sinnvoll einsetzbar sind. Auf der linken
Seite sind die Sollgänge links 27 (vorderes Kettenrad)
und rechts die Sollgänge rechts 28 (hinteres Kettenrad).
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Wird
das auf der Wickelrolle 13 aufgewickelte Gummiband 12 mehr
oder weniger durch Drehen der Wickelrolle 13 gedehnt, so
zeigt die Leistungsmarke 31 die Soll-Tretkraft 29 und
die Leistung 30 an. Das Stellteil 14 hat einen
radialen Formschluss 32 mit der Wickelrolle 13.
Wird das Stellteil 14 festgehalten und die Stellschraube 33 gelockert,
so kann das Gummiband 12 durch Drehen am Stellteil 14 mehr
oder weniger gedehnt werden. Durch Anziehen der Stellschraube 33 wird
diese Stellung fixiert.
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Man
sieht die Befestigung der Druckplatte 6 mittels der Fixiermulden 7 und
der Fixierschrauben 8. Die Ansicht B auf die Druckplatte 6 ist
in der 7 abgebildet.
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8:
Entspricht 6 mit der Änderung,
dass das Gummiband 12 nicht oder wenig gedehnt ist und die
Leistungsmarke 31 von Trittkraft (von 160 N 4)
auf 40 N gestellt ist. Die am Gummiband 12 aufgedruckte
Skala 27/28 wurde hiermit enger zusammengedrängt.
Um besser den von der Libelle 4 angezeigten Sollgang 27/28 ablesen
zu können ist es zweckmäßig, den Druck
zweifarbig zu gestalten, wobei die benachbarten Sollgänge 27/28 zum
nächsten je unterschiedliche Farben aufweisen. Auch ein
Vergrößerungsglas über dem Gummiband 12,
welches gleichzeitig dieses schützt, kann hilfreich sein.
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9:
Seitenansicht eines Sollganganzeigers, bei dem folgende Teile der 1 entsprechen: 2, 3, 4, 10, 11, 12, 14, 18, 19, 35, 36.
Die Feder 22 ist durch das Federelement 41 ersetzt.
Dieses wird an das anders gestaltete Schwenkstück 5 mit
Befestigungsschrauben 43 angeschraubt und auf der Gegenseite
an den Grundkörper 17 mit den Einstellschrauben 42.
Die Druckplatte 6 ist hier ein Stück mit dem Schwenkstück 5. Sobald
infolge der Luftgeschwindigkeit v eine Krafteinwirkung auf die Druckplatte 6 entsteht,
d. h. auf die gesamte Schwenkeinheit 1, biegt sich das
Federelement 41 und die Schwenkeinheit 1 mit Klarsichtkörper 2 schwenkt
um den Luftwinkel zum Grundkörper 17. Der Abstand
a ist mit der Befestigung mittels der Einstellschrauben 42 veränderbar,
wodurch eine Abstimmung der cwA Wertes vom Fahrer + Fahrrad erfolgen
kann.
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Die
praktische Anwendung könnte so aussehen,
dass für
alle gängigen Schaltungen entsprechend bedruckte Gummibänder
12 zur
Auswahl des Anwender zur Verfügung stehen. Bezugszeichenliste:
| 1 | Schwenkeinheit |
| 2 | Klarsichtkörper |
| 3 | Flüssigkeit |
| 4 | Libelle |
| 5 | Schwenkstück |
| 6 | Druckplatte |
| 7 | Fixiermulde |
| 8 | Fixierschraube |
| 9 | Fixierbohrung |
| 10 | Klemme |
| 11 | Klemmschraube |
| 12 | Gummiband |
| 13 | Wickelrolle |
| 14 | Stellteil |
| 15 | Rolle |
| 16 | Welle |
| 17 | Grundkörper |
| 18 | Deckel |
| 19 | Schraube |
| 20 | Kreisbahn
außen |
| 21 | Kreisbahn
innen |
| 22 | Feder |
| 23 | Federteller |
| 24 | Fixierschraube |
| 25 | Federaufhängung |
| 26 | Justiermarke |
| 27 | Sollgang
links |
| 28 | Sollgang
rechts |
| 29 | Tretkraft |
| 30 | Leistung |
| 31 | Leistungsmarke |
| 32 | Formschluss |
| 33 | Stellschraube |
| 34a | Kreisbahn |
| 34 | Luft-Schwenkachse |
| 35 | Nullmarke |
| 36 | Lenker |
| 37 | Dämpfer |
| 38 | Dämpferstange |
| 39 | Dämpferrohr |
| 40 | Justierschraube |
| 41 | Federelement |
| 42 | Einstellschraube |
| 43 | Befestigungsschraube |
| a | Abstand |
| v | Luftgeschwindigkeit |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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