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Die Neuerung betrifft ein schnelllaufendes Antriebssystem mit einem cordverstärkten Flachriemen zur Übertragung von Antriebskräften von einer motorgetriebenen Antriebsriemenscheibe auf eine angetriebene Riemenscheibe, bei dem eine kraftübertragende Oberfläche des Flachriemens reibschlüssig mit ebenfalls flächig ausgebildeten Oberflächen der Riemenscheiben zusammenwirkt.
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Elektrische Antriebe sind in vielen Anwendungsbereichen auf dem Vormarsch und ersetzen hydraulische Systeme, insbesondere bei kleinen, aber sehr leistungsfähigen elektrischen Werkzeugen, bei Haushaltsgeräten oder auch bei Servosystemen in Kraftfahrzeugen. Dabei ist es aufgrund der geringen Leistungsdichte des elektromagnetischen Feldes vorteilhaft, Elektromotoren klein im Durchmesser zu bauen und diese mit hohen Drehzahlen zu betreiben. Die Anwendungen, d.h. die Arbeitsmaschinen, Werkzeuge, Servo-Systeme etc., erfordern aber üblicherweise deutlich niedrigere Drehzahlen, so dass Zwischengetriebe notwendig sind.
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Besonders geeignet sind hier Riemengetriebe, die oft weniger komplex aufgebaut und leichter sind als Rädergetriebe. Bei diesen Riemengetrieben besteht jedoch das Problem, dass alle Arten von Umschlingungsmitteln/Antriebsriemen aus mit Festigkeitsträgern (Corden) und ggf. Gewebelagen verstärkten Elastomermaterialien/Gummi aufgrund ihrer Massebelegung und ihrer limitierten Längssteifigkeit in der zulässigen Umfangsgeschwindigkeit begrenzt sind, da durch die im Betrieb hervorgerufenen Fliehkräfte der Riemen eine zusätzliche Längung erfährt und die Vorspannung herabgesetzt wird.
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Dabei ist die Längssteifigkeit des Riemens direkt von den Festigkeitsträgern im Antriebsriemen, d.h. von den dort eingesetzten Corden, abhängig. Beim Zugkraftauf- und -abbau in den Kontaktbögen der Riemenscheiben entsteht prinzipbedingt der sog. Dehnschlupf. Diese Mikrobewegungen in Umfangsrichtung sind Verlustquellen und direkt von der Steifigkeit der Corde abhängig.
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Weiterhin führt die endliche Steifigkeit eines flexiblen Materials wie eines Elastomers in einem mehr oder minder hohen Riemenquerschnitt zu mit zunehmender Höhe und Breite steigenden Walkverlusten. Die Erwärmung eines Riemens und des Gesamtsystems begrenzt die zulässige Riemengeschwindigkeit, da die Menge der abzuführenden Verluste der Biegefrequenz und damit der Riemengeschwindigkeit proportional ist.
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Die
EP 1 217 256 A1 offenbart einen selbstzentrierenden Riementrieb, bei dem als Antriebselement ein Zahnriemen mit einer V-Verzahnung/Doppelschrägverzahnung mit der gezahnten Antriebsscheibe kämmt, jedoch auf einer mit einer glatten Oberfläche versehenen getriebenen Scheibe (Abtriebsscheibe) lediglich mit seinen Zahnköpfen aufliegt. Während die mit der Antriebsscheibe kämmende verzahnte Seite des Riemens einen hohen Reibkoeffizienten aufweist, ist die getriebene Scheibe zur Geräuschminderung mit einer möglichst glatten Oberfläche und möglichst geringem Reibwert ausgebildet. Bei diesem Kompromiss soll der hohe Reibwert des Riemens der sicheren Kraftübertragung dienen, während die glatte Oberfläche der Scheibe der Geräuschminderung dient. Ein solches Antriebssystem ist jedoch allein durch die Zahnung nur für maximal mittlere Drehzahlen geeignet und kann für schnelllaufende Antriebssysteme kaum eingesetzt werden.
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Für die Neuerung bestand also die Aufgabe, ein schnelllaufendes Antriebssystem bereitzustellen, in welchem ein mit hohen Drehzahlen arbeitender kleiner Elektromotor eingesetzt werden kann, welches eine hohe Leistungsdichte bei gutem Wirkungsgrad aufweist und welches auch bei hohen Riemengeschwindigkeiten wenig Erwärmung des Systems bewirkt, die letztlich unvermeidliche Erwärmung aber bis in hohe Temperaturbereiche hinein über eine große Lebensdauer erträgt.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Hauptanspruchs. Weitere vorteilhafte Ausbildungen sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Dabei ist der Körper bzw. Grundkörper des Flachriemens aus einer Kautschukmischung aus EPDM (Ethylen-Propylen-Dien-Monomer) oder HNBR (hydriertem Acrylnitrilbutadien-Kautschuk) oder einem Verschnitt derselben ausgebildet und überwiegend mit Corden verstärkt, die Carbonfasern aufweisen. Carbonfasern bieten die größtmögliche Steifigkeit der für Corde verwendbaren Materialien. Die Riemenhöhe H des Flachriemens im ungespannten Zustand beträgt dabei mehr als das 1,5-fache eines Corddurchmessers d. Mindestens eine Riemenscheibe weist darüber hinaus eine den Flachriemen seitlich zentrierende Einrichtung auf.
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Diese Merkmale führen zu synergetischem Zusammenwirken, wobei die Materialeigenschaften der EPDM-/HNBR-Mischung mit ihrer geringen Dichte und hohen Temperaturstabilität ergänzt werden durch die geringe Massebelegung bei der niedrigen Gesamthöhe des Riemens, indem diese durch die minimal erforderliche Materialmenge zur Einbettung und Abschirmung des Cords gegen Seitendruck bestimmt wird.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, dass die Riemenhöhe H des Flachriemens im ungespannten Zustand das 1,5 bis 4-fache eines Corddurchmessers d beträgt. Zusammen mit einer weiteren vorteilhaften Ausbildung, bei der die Riemenhöhe H des Flachriemens von der Cordmitte ausgehend unsymmetrisch aufgeteilt ist und einen Abstand h1 zur kraftübertragenden Oberfläche des Flachriemen aufweist, der verschieden ist von einem Abstand h2 zur Rückenoberfläche des Flachriemens, kann ein Riemen ausgebildet werden, der hohe Riemenumfangsgeschwindigkeiten zulässt.
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Die Teilhöhe von Cordmitte zur kraftübertragenden Oberfläche kann so je nach den Durchmessern der Scheiben im Antriebssystem unterschiedlich zur Teilhöhe von der Cordmitte zur Rückenoberfläche eingestellt werden. Die Kombination erlaubt höchste Riemenumfangsgeschwindigkeiten, ohne dass Wärmeprobleme auftreten, aus denen allerdings beträchtliche Fliehkräfte resultieren, die die überwiegend aus Carbonfasern bestehenden Corde als Verstärkungselemente des Flachriemens bei geringer Dehnung aufnehmen und so für die nötige Längenstabilität und sichere Kraftübertragung ohne Vorspannungsabfall sorgen. Daher braucht in dem Riementrieb keine zusätzliche Vorspannung aufgebracht bzw. für Betriebspunkte höchster Drehzahlen zur Kompensation von unvertretbaren etwaigen Längungen vorgehalten zu werden.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, dass die zentrierende Einrichtung als eine im Außenprofil mit einer balligen (konvexen) Oberfläche versehene Riemenscheibe ausgebildet ist. Damit entfallen Flansche oder Führungskragen an den Scheiben und die damit einhergehende zusätzliche Erwärmung der Randbereiche eines Riemens.
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Bei geringen Abstrichen an die Verlustarmut besteht eine weitere vorteilhafte Ausbildung darin, dass die zentrierende Einrichtung als eine an mindestens einer Seite einen Bord aufweisende Riemenscheibe oder Rolle ausgebildet ist, vorzugsweise als in der Riemenscheibe oder Rolle integrierte oder letzeren angebrachte Bordscheibe, ggf. auch zusätzlich zur Balligkeit einzelner Scheiben. Je Ablaufrichtung wird quer zur Riemenumlaufgeschwindigkeit genau ein Flansch oder Führungskragen eingesetzt.
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Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass mindestens eine Riemenscheibe in Form eines Axiallüfters ausgebildet ist, insbesondere dadurch, dass die Riemenscheibe als Speichenrad ausgeführt ist und Speichen in Form von Blättern eines Axiallüfters aufweist.
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Bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten unterliegt ein Riemen einer hohen Biegefrequenz, so dass auch die geringen Walk- und Schlupfverluste des Flachriemens in einem kompakten Antriebssystem sich zu einem nennenswerten Wärmestrom aufsummieren, der abzuführen ist. Durch die Ausbildung von einer Riemenscheibe als Axiallüfter kann ein Luftstrom gezielt von der Umgebung durch das Gehäuse des Antriebssystems und wieder hinaus abgeführt werden, indem er im Systemgehäuse durch Leitwände gezielt geführt wird.
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Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass mindestens eine Beruhigungsrolle oder Beruhigungsgleitschiene in das System integriert ist, mit deren Hilfe Schwingungen des Riemens gedämpft oder begrenzt werden können.
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Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass die Antriebsriemenscheibe mit Radius R und Umschlingungswinkel α des Riemens mit dem Motor auf einer selbsteinstellenden Motorwippe gelagert ist, wobei die Exzentrizität E der Motorwippe, d.h. der Abstand von Mittelpunkt der Antriebsriemenscheibe zur Drehachse der Motorbefestigung, im Verhältnis zum Radius R der Antriebsriemenscheibe so gewählt wird, dass gemäß
eine Sicherheit S gegen Durchrutschen von mindestens 15% (S = 1,15) erreicht wird.
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Bei einem Motor, der auf einer Motorwippe drehbar gegen den Systemrahmen gelagert ist, kann damit die Exzentrizität E der Motorwippe auf den vorliegenden Reibwert unter Berücksichtigung einer entsprechenden Sicherheit zugeschnitten werden. Damit kann die Riemenspannung im Betrieb und die Lagerlast reduziert werden, indem sich das System selbständig und optimal dem geforderten Abtriebs- bzw. Motormoment anpasst und sogar letztlich vorteilhaft ist gegenüber formschlüssigen Zahnriemen oder Riemen mit größeren höheren Reibkontaktflächen wie Keilriemen oder Keilrippenriemen.
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Vorteilhafterweise ist das Antriebssystem über die selbsteinstellende Motorwippe durch das Eigengewicht von Motor und Antriebsriemenscheibe, ggf. zusätzlich durch eine Feder, vorgespannt, um eine minimale Grundvorspannung und damit sichere Anlage des Flachriemens auf den Riemenscheiben in jedem Betriebszustand und in jeder Lage des Antriebssystems im Raum zu gewährleisten.
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Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass der Flachriemen auf der Rückenoberfläche mit einer konvektionsverstärkenden Struktur, insbesondere in Form von Durchbrüchen ausgebildet ist, die in regelmäßigem oder unregelmäßigem Muster von der kraftübertragenden Oberfläche zur Rückenoberfläche führen. Solcherart konvektionsverstärkende Strukturen sorgen beim Umlauf des Riemens für eine Verwirbelung der den Riemen umgebenden Luft und damit für eine verbesserte Wärmeabführung. Zur Erzeugung solcher Strukturen können z.B. durch Stanzen Durchbrüche in den Riemenkörper eingebracht werden, so dass eine verbesserte Wärmeableitung der durch Walkverluste im Inneren des Riemens entstandenen Wärme stattfinden kann.
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Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass der Flachriemen in der kraftübertragenden Oberfläche feuchtigkeitsabführende Drainagenuten oder Rändel aufweist. So verhindert die Ausbildung von Drainagenuten im Kontakt zu den Riemenscheiben, dass sich bei Feuchtigkeitseintrag aus der Umgebung auf der kraftübertragenden Oberfläche ein Wasserfilm ausbildet.
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Um die Verschleißbeständigkeit des Flachriemens bei Berührung mit Beruhigungsrollen oder -gleitschienen zu verbessern, besteht eine weitere vorteilhafte Ausbildung darin, dass der Flachriemen auf mindestens einer Seite durch Vlies, Gewebe oder Gestrick armiert ist.
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Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass der Flachriemen auf der Rückenoberfläche durch PTFE, Graphit, Polyethylen oder Molybdändisulfid beschichtet ist. Dadurch wird der Reibwert gegenüber Beruhigungsrollen oder -gleitschienen und damit der Verschleiß herabsetzt.
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Anhand eines Ausführungsbeispiels soll die Neuerung näher erläutert werden. Es zeigen
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1 ein erfindungsgemäßes schnelllaufendes Antriebssystem mit einem Flachriemen
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2 einen Teil eines Flachriemens gemäß 1 im Querschnitt
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3 Prinzipskizzen von angetriebener Riemenscheibe und Antriebsriemenscheibe eines Antriebssystems gemäß 1
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4 eine Ausführung eines Flachriemens mit einem Wellenprofil auf der Rückenoberfläche
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5 eine Ausführung eines Flachriemens mit einer Gewebeverstärkung auf der Rückenoberfläche
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6 ein Diagramm, in welchem für ein erfindungsgemäßes Antriebssystem das Kraftverhältnis der Lasttrumkraft F1 zur Leertrumkraft F2 über der Exzentrizität bei 0,2 Nm Federmoment dargestellt ist
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7 ein Diagramm, in welchem für ein erfindungsgemäßes Antriebssystem das Kraftverhältnis der Lasttrumkraft F1 zur Leertrumkraft F2 über dem Motormoment bei 0 und bei 0,2 Nm Federmoment dargestellt ist
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8 ein Diagramm, in welchem für ein erfindungsgemäßes Antriebssystem die wirkenden Last- und Leertrumkräfte F1 und F2 bei Steigerung des antriebsseitigen Motormoments vom Leerlauf bis auf 4 Nm dargestellt sind
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Die 1 zeigt ein schnelllaufendes Antriebssystem 1 mit einem Flachriemen 2 zur Übertragung von Antriebskräften von einer motorgetriebenen Antriebsriemenscheibe 3 mit mm Durchmesser auf eine angetriebene Riemenscheibe 4 mit 120 mm Durchmesser im Achsabstand von 100 mm. Dabei wirkt die kraftübertragende Oberfläche 5 des Flachriemens 2 reibschlüssig mit ebenfalls flächig ausgebildeten kraftübertragenden Oberflächen 6, 7 der Riemenscheiben 3, 4 zusammen.
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Die auf der Motorachse angeordnete Antriebsriemenscheibe 3 mit einem Radius von 15 mm ist über den Motor 8 auf einer Motorwippe 9 mit einer Exzentrizität E von 7,5 mm gelagert und weist einen Umschlingungswinkel α von ca. 127° auf.
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Die Motorwippe 9 ist durch eine Zugfeder 10 mit 27 N gegen das Systemgehäuse 11 angestellt, was einem Drehmoment von 0,2 Nm entspricht. Die Abtriebsriemenscheibe 4 ist im Systemgehäuse 11 gelagert und als Axiallüfter mit Speichen in Form von Lüfterblättern 20 ausgeführt. Das Antriebssystem 1 weist eine Beruhigungsrolle 19 auf, mit deren Hilfe Schwingungen des Riemens 2 mechanisch begrenzt werden
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2 zeigt im Querschnitt einen Teil des Flachriemens 2, der mit Corden 12 des Durchmessers d = 1,0 mm verstärkt ist, welche überwiegend aus Carbonfasern bestehen. Der Körper/Grundkörper 13 des Flachriemens 2 besteht aus einer Ethylen-Propylen-Dien-Momomer-Kautschukmischung (EPDM) und weist eine unsymmetrisch aufgeteilte Riemenhöhe H = h1 + h2 = 1,6 mm auf. Der Reibwert zwischen Riemen und Riemenscheiben aus Metall beträgt ca. 0,5.
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3 zeigt rein prinzipiell und ohne Berücksichtigung der tatsächlichen Durchmesser die angetriebene Riemenscheibe 4, deren Oberfläche 7 mit einem Profil ausgebildet ist, nämlich mit einem nach außen gewölbten Außenprofil 14 zur Bildung einer balligen (konvexen) Außenoberfläche zur Zentrierung des Flachriemens. Bei der ebenfalls rein prinzipiell dargestellte Antriebsriemenscheibe 3 weist die kraftübertragende Oberfläche 6 eine größere Breite auf als der Flachriemen 2, so dass die Riemenzentrierung durch die angetriebene Riemenscheibe 4 völlig ausreicht.
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4 zeigt eine andere Ausführung eines Flachriemens 15 mit einem Wellenprofil auf der Rückenoberfläche 16, welches als konvektionsverstärkende Struktur beim Umlauf des Riemens für eine Verwirbelung der den Riemen umgebenden Luft und damit für eine verbesserte Wärmeabführung sorgt.
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5 zeigt eine weitere Ausführung eines Flachriemens 17 mit einer Gewebeverstärkung auf der Rückenoberfläche 16.
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Beide Ausführungen von Flachriemen 15 und 17 sind mit Drainagenuten 18 versehen, die verhindern, dass sich bei Feuchtigkeitseintrag aus der Umgebung auf der kraftübertragenden Oberfläche ein Wasserfilm ausbildet.
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6 zeigt das steigende Kraftverhältnis der Lasttrumkraft F1 zur Leertrumkraft F2 über der Exzentrizität bei 0,2 Nm Federmoment und verdeutlicht die vorteilhafte Einstellung einer Exzentrizität E auf 7,5 mm, wo bei dem Reibwert von µ = 0,5 das maximal erreichbare Kraftverhältnis der Lasttrumkraft F1 zur Leertrumkraft F2 ca. 3,0 beträgt. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Exzentrizität E gemäß der Beziehung
stellt sich aufgrund der Hebelverhältnisse ein Kraftverhältnis F1/F2 von ca. 2,6 ein, so dass eine Sicherheit von 15% gegen Durchrutschen gewährleistet ist.
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7 zeigt das sich einstellende Kraftverhältnis von Lasttrumkraft F1 zur Leertrumkraft F2 bei Steigerung des antriebsseitigen Motormoments vom Leerlauf bis auf 4 Nm, sowohl ohne als auch mit Vorspannung durch die Zugfeder 10.
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Im theoretischen Fall ohne Federmoment ist das Kraftverhältnis zunächst völlig unabhängig vom anliegenden Drehmoment bei 2,6; mit Federmoment zur eindeutigen Positionierung von Motor und demzufolge der Antriebsriemenscheibe liegt das Kraftverhältnis im Leerlauf bei 1,0, um dann schnell in Richtung optimaler Vorspannung zu wachsen.
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8 zeigt die wirkenden Last- und Leertrumkräfte F1 und F2 bei Steigerung des antriebsseitigen Motormoments vom Leerlauf bis auf 4 Nm. Beide Verläufe sind nahezu Ursprungsgeraden, also dem wirkenden Drehmoment nahezu proportional. Das Antriebssystem 1 arbeitet aufgrund der geometrischen Festlegung der Hebelverhältnisse über die Exzentrizität E mit niedrigsten Vorspannungen nahe den Kräften bzw. Drehmomenten, welche limitiert durch den physikalischen Reibwert übertragen werden können und arbeitet damit nahe dem optimalen Wirkungsgrad eines Antriebssystems mit Riemen überhaupt.
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Das Antriebssystem wie beschrieben erlaubt Motordrehzahlen über 30.000 U/min, bevor die Festigkeitsgrenzen des Cordmaterials erreicht werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Antriebssystem
- 2
- Flachriemen
- 3
- Antriebsriemenscheibe
- 4
- Angetriebene Riemenscheibe
- 5
- Kraftübertragende Oberfläche des Flachriemens
- 6
- Oberfläche der Antriebsriemenscheibe
- 7
- Ballig konvexe Oberfläche der angetriebenen Riemenscheibe
- 8
- Motor
- 9
- Motorwippe
- 10
- Zugfeder
- 11
- Systemgehäuse
- 12
- Cord, Verstärkungscord im Flachriemen
- 13
- Körper/Grundkörper des Flachriemens
- 14
- Gewölbtes Außenprofil der angetriebenen Riemenscheibe 4
- 15
- Flachriemen
- 16
- Rückenoberfläche des Flachriemens
- 17
- Flachriemen
- 18
- Drainagenut
- 19
- Beruhigungsrolle
- 20
- Speiche in Form eines Lüfterblattes
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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