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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antriebseinheit für einen Bodenroboter. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Antriebseinheit für einen Reinigungsroboter in einem Haushalt.
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Ein Staubsaugroboter ist dazu eingerichtet, sich autonom über eine Bodenfläche zu bewegen und diese zu reinigen. Dazu umfasst der Staubsaugroboter eine Saugeinrichtung und eine Antriebseinrichtung. Eine Steuereinrichtung ist dazu eingerichtet, mittels einer Anzahl Sensoren ein Umfeld des Staubsaugroboters abzutasten und den Staubsaugroboter auf der Bodenfläche zu steuern. Der Staubsaugroboter kann insbesondere in einem Haushalt eingesetzt werden.
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Unterschiedliche Bodenbeläge, auf dem Boden liegende Objekte wie Teppiche, Kabel oder Möbelstücke, oder bauliche Gegebenheiten wie Türschwellen oder unebene Abschnitte können große Anforderungen an die Flexibilität der Antriebseinrichtung stellen. Üblicherweise umfasst die Antriebseinrichtung zwei Antriebsräder, die jeweils mittels eines zugeordneten Elektromotors angetrieben werden können. Die Antriebsräder sind rechts und links am Staubsaugroboter angebracht, wobei vor und hinter den Antriebsrädern noch Stützräder vorgesehen sein können. Bevorzugt ist jedes Antriebsrad einzeln aus dem Gerät ausfederbar, sodass ein Bodenkontakt aufrechterhalten werden kann, wenn das Gerät mit einer vorderen oder hinteren Kante auf ein Hindernis aufläuft.
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Um ein Hindernis verbessert überwinden zu können wurde vorgeschlagen, einen Kettenantrieb vorzusehen. Dieser umfasst ein vorderes und ein hinteres Kettenrad, über die eine Kette läuft, die üblicherweise aus einem Kunststoff gefertigt ist. Eine Auflagefläche auf dem Untergrund kann vergrößert sein, sodass die Traktion verbessert sein kann. Allerdings ist die vertikale Lagerung des Kettenantriebs bezüglich des Staubsaugroboters schwierig, sodass ein bekannter Kettentrieb ein Hindernis in der Praxis oft auch nicht besser überwinden kann als ein konventionelles Antriebsrad.
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Eine der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht in der Angabe einer verbesserten Antriebseinheit für einen Bodenroboter. Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
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Eine Antriebseinheit für einen Bodenroboter umfasst ein erstes Rad; ein zweites Rad; ein Zugmittel, das über beide Räder läuft; einen Antriebsmotor zum Antrieb des zweiten Rads und ein elastisches Element. Das erste Rad ist auf einem Kreisbogen bezüglich einer Drehachse des zweiten Rads beweglich angebracht; und das elastische Element ist dazu eingerichtet, das erste Rad gegenüber dem Bodenroboter nach unten zu drücken, sodass ein Trum des Zugmittels auf einem ebenen Untergrund aufliegt.
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Erfindungsgemäß kann ein unteres Trum des Zugmitteltriebs in verbesserter Weise in Kontakt mit dem Untergrund gehalten sein, sodass die Antriebseinheit verbessert auf dem Untergrund Halt finden kann. Durch die elastische Lagerung des ersten Rads in vertikaler Richtung kann ein Hindernis verbessert überfahren werden.
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Bevorzugt liegt das erste Rad bezüglich einer üblichen Fahrtrichtung des Bodenroboters vor dem zweiten Rad. Ein Antriebsmoment des Antriebsmotors kann dazu beitragen, das erste Rad nach unten zu bewegen, um es an den Untergrund anzudrücken. Das auf dem Untergrund anliegende Trum des Zugmittels kann ein Lasttrum sein.
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Es ist weiterhin bevorzugt, dass die Räder gleiche Durchmesser haben. Die Fähigkeit, ein Hindernis zu überwinden, kann für eine Fahrtrichtung vorwärts wie rückwärts gut sein. Die Antriebseinheit kann einfach und kompakt aufgebaut sein. Eine Zahl an Gleichteilen kann erhöht sein. Das Zugmittel kann weniger auf Biegung an einem kleinen Radius beansprucht werden, sodass seine Lebensdauer vergrößert sein kann.
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Der aus dem ersten Rad, dem zweiten Rad und dem Zugmittel gebildete Zugmitteltrieb kann insbesondere als Kettentrieb ausgeführt sein, bei dem ein erstes Kettenrad, ein zweites Kettenrad und eine Kette eingesetzt sind. Die Kette ist bevorzugt gelenklos ausgeführt und kann aus einem Kunststoff herstellbar sein. Zwischen der Kette und den Kettenrädern kann Formschluss in Umlaufrichtung hergestellt sein. In einer anderen Ausführungsform kann der Kraftschluss in Umfangsrichtung durch Reibkraft hergestellt sein. In diesem Fall handelt es sich um einen Riementrieb. Durch die gewählte Konstruktion kann ein Abstand zwischen den beiden Rädern unabhängig von einer Bewegung des ersten Rads um das zweite sein. Eine Spannung des Zugmittels kann daher verbessert konstant gehalten sein. Ein Spannmechanismus kann nicht erforderlich sein.
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Ist der Zugmittelantrieb als Kettenantrieb ausgebildet, so kann ein Formschluss zwischen dem Zugmittel und einem Rad mittels einer Vertiefung und einem darin eingreifenden Vorsprung bewirkt werden. So können Kräfte in Umlaufrichtung und/oder senkrecht dazu übermittelt werden.
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Insbesondere wenn das Zugmittel gelenklos aufgebaut ist, kann das Zugmittel einen in Richtung der Räder weisenden Steg umfassen, wobei eines der Räder eine radiale Vertiefung zur Aufnahme des Stegs oder eines Abschnitts davon aufweist. In einer Ausführungsform ist der Steg umlaufend und eines der Räder weist eine radiale Nut auf. Üblicherweise liegt der Steg am Zugmittel bezüglich einer Drehachse eines der Räder mittig. Der Steg kann auch außermittig liegen, es ist jedoch bevorzugt, dass der Steg seitens der Räder auf beiden axialen Seiten geführt ist. In einer weiteren Ausführungsform können auch mehrere Stege vorgesehen sein. Durch den Steg kann verhindert werden, dass das Zugmittel in axialer Richtung von einem der Räder abrutscht. Durch den Verzicht auf konventionelle, außen liegende axiale Anlaufscheiben kann ein erforderlicher Bauraum reduziert sein.
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In einer weiteren Ausführungsform weist das Zugmittel eine den Rädern zugewandte Vertiefung auf und wenigstens eines der Räder umfasst einen radialen Steg zum Eingriff in die Vertiefung. Dabei kann der Steg in beiden axialen Richtungen an den Rädern geführt sein. Insbesondere kann der Steg axial ungefähr mittig am Zugmittel ausgebildet sein. Es können auch mehrere Stege vorgesehen sein, die bevorzugt jeweils axial beidseitig geführt sind. Eine Kombination dieser Ausführungsform mit der letztgenannten ist ebenfalls möglich.
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Das elastische Element kann insbesondere eine Druckfeder umfassen. Die Druckfeder kann kompakt in der Antriebseinheit untergebracht sein. Auch bei einem Bruch der Druckfeder kann eine elastische Restwirkung verbleiben. Optional kann auch eine Bogenfeder verwendet werden, um das erste Rad auf dem Kreisbogen verbessert zu federn. In alternativen Ausführungsformen können auch eine Spiralfeder oder ein Drehstab zur elastischen Lagerung des ersten Rads verwendet sein. Der Drehstab kann insbesondere längs oder quer zur Fahrtrichtung der Antriebseinheit angebracht sein.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Antriebseinheit einen Lagerbock zur Anbringung am Bodenroboter, wobei die Antriebseinheit als separat handhabbare Einheit ausgebildet ist. Dabei können alle beweglichen Elemente der Antriebseinheit am Lagerbock angebracht sein, sodass die Funktion der Antriebseinheit bezüglich des Lagerbocks erbracht sein kann. Eine elektrische Verbindung für den Antriebsmotor oder einen Sensor an der Antriebseinheit kann mittels eines Steckverbinders hergestellt werden. Die Antriebseinheit kann rasch und mit geringem Aufwand an einem Bodenroboter angebracht werden, sodass der Bodenroboter schnell einsatzbereit sein kann. Insbesondere kann sich die Antriebseinheit für einen modularen Einsatz an verschiedenen Bodenrobotern eignen. In entsprechender Weise können verschiedene hierin beschriebene Antriebseinheiten modular an einem Bodenroboter eingesetzt werden.
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Ein erstes System umfasst einen Bodenroboter und mehrere verschiedene hierin beschriebene Antriebseinheiten. Ein zweites System umfasst eine hierin beschriebene Antriebseinheit und mehrere verschiedene Bodenroboter. Die Systeme können miteinander kombiniert beziehungsweise integriert sein. So kann nach Art eines Baukastens in Abhängigkeit vorliegender Anforderungen ein Bodenroboter mit einer passenden Antriebseinheit ausgestattet werden.
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Die Antriebseinheit kann einen Anschlag zur Beschränkung der Beweglichkeit des ersten Rads auf dem Kreisbogen umfassen. Dadurch kann sichergestellt sein, dass sich das erste Rad nicht über ein vorbestimmtes Ende des Kreisbogens hinausbewegt. Ein Anstellwinkel zwischen einem unteren Trum des Zugmittels und einem Untergrund kann einseitig oder zweiseitig beschränkt sein.
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Der Anschlag kann von einer Kulissenführung umfasst sein. Dabei kann der Anschlag eine Nut aufweisen, in der eine Achse des ersten Rads geführt ist. Die Nut kann die Form des Kreisbogens haben, sodass eine Bewegung des ersten Rads sowohl bezüglich eines Radius als auch bezüglich Enden des Kreisbogens bestimmt ist. Die Bewegung des ersten Rads kann einfach und sicher festgelegt sein. Der Anschlag kann an dazu eingerichtet sein, am Bodenroboter, insbesondere dessen Bodenplatte, angebracht zu werden. In einer anderen Ausführungsform ist der Anschlag am Lagerbock angebracht oder mit diesem integriert ausgeführt.
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Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Bodenroboter eine hierin beschriebene Antriebseinheit. Bevorzugt umfasst der Bodenroboter zwei Antriebseinheiten, deren Drehachsen weiter bevorzugt miteinander fluchten. Die Antriebseinheiten können identisch aufgebaut sein oder ein rechter Antrieb kann von einem linken Antrieb nach Art eines Spiegelbilds unterschiedlich aufgebaut sein.
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Die Erfindung wird nun unter Bezug auf die beiliegenden Figuren genauer beschrieben, in denen:
- 1 einen Bodenroboter;
- 2 eine Antriebseinheit für einen Bodenroboter;
- 3 eine nach oben ausgelenkte Antriebseinheit;
- 4 eine nach unten ausgelenkte Antriebseinheit;
- 5 ein Zugmittel und ein Rad für eine Antriebseinheit in einer ersten Ausführungsform; und
- 6 ein Zugmittel und ein Rad für eine Antriebseinheit in einer zweiten Ausführungsform
darstellt.
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1 zeigt einen beispielhaften Bodenroboter 100. Der Bodenroboter 100 ist dazu eingerichtet, einen Untergrund zu befahren und zu bearbeiten. Dazu umfasst er eine Bearbeitungseinrichtung 105, die vorliegend beispielhaft eine Borstenwalze umfasst, und eine Antriebseinrichtung 110. Die Antriebseinrichtung 110 umfasst ein linkes und ein rechtes Bodenrad 115, die auf unterschiedlichen Seiten des Bodenroboters 100 angebracht sind und unabhängig voneinander angetrieben werden können. Vor und hinter den Bodenrädern 115 können Stützräder 120 angebracht sein. Fährt der Bodenroboter 100 mit seinem Chassis oder einem Stützrad 120 auf eine Erhebung auf, so können die Bodenräder 115 aufgrund einer elastischen Lagerung automatisch ausfedern. Die Antriebseinrichtung 110 ist bevorzugt an einer Bodenplatte 125 des Bodenroboters 100 angebracht.
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2 zeigt eine Antriebseinheit 200 für eine Bodenroboter 100. Die Antriebseinheit 200 steht beispielhaft auf einem ebenen, flachen Untergrund 205. Die Bodenplatte 125 nimmt einen vorbestimmten Winkel gegenüber dem Untergrund 205 ein. Eine bevorzugte Fahrtrichtung 210 verläuft in der Darstellung von 2 von rechts nach links. Bezüglich eines zur Referenz dargestellten Koordinatensystems entspricht dies der negativen x-Richtung. Eine y-Richtung erstreckt sich vertikal und eine z-Richtung lateral. Koordinatensysteme in weiteren Figuren erleichtern eine geometrische Zuordnung.
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Die Antriebseinheit 200 umfasst einen Zugmitteltrieb 215, der ein erstes Rad 220, ein zweites Rad 225 und ein Zugmittel 230 umfasst. Der Zugmitteltrieb 215 ist bevorzugt als Kettentrieb ausgeführt, wobei das Zugmittel 230 weiter bevorzugt eine gelenklose Kette umfasst, die einstückig ausgeführt sein kann und weiter bevorzugt aus einem Kunststoff herstellbar ist. Zwischen dem Zugmittel 230 und den Rädern 220, 225 kann eine Verzahnung zum gegenseitigen Eingriff und zur Übertragung von Kräften in Umfangsrichtung der Räder 220, 225 vorgesehen sein. Die Verzahnung kann auch Kräfte in Querrichtung übertragen.
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Ein Halter 235 hält die Räder 220, 225 drehbar in einem vorbestimmten relativen Abstand. Der Halter kann als Joch, Balken, Schwinge oder Abstandshalter ausgebildet sein. Dabei ist der Halter 235 um eine Drehachse 240 drehbar gelagert, um die auch das zweite Rad 225 drehbar ist. Mittels eines Antriebsmotors 245 kann das zweite Rad 225 um die Drehachse 240 angetrieben werden. Der Halter 235 ist mittels eines elastischen Elements 250 um die Drehachse 240 vorgespannt, um das erste Rad 220 um die Drehachse 240 bezüglich des Bodenroboters 100 in Richtung des Untergrunds 205 zu drücken. Das elastische Element 250 kann eine Metallfeder, insbesondere eine Zylinderfeder und weiter bevorzugt eine Druckfeder umfassen.
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Zur leichteren Erläuterung ist in der dargestellten Ausführungsform das elastische Element 250 an einem Hebel 255 angebracht, der mit dem Halter 235 verbunden ist, und das elastische Element 250 wirkt in horizontaler Richtung. In einer anderen Ausführungsform kann das elastische Element 250 auch platzsparend im Bereich des ersten Rads 220 vorgesehen sein. Insbesondere kann das elastische Element 250 in vertikaler Richtung auf eine Achse des ersten Rads 220 wirken. Das elastische Element 250 ist gegenüber dem Bodenroboter 100 gelagert und kann gegenüber einem Lagerbock 260 abgestützt sein, der mit der Bodenplatte 125 verbunden ist. Ein Lager, das den Halter 235 um die Drehachse 240 lagert, kann ebenfalls am Lagerbock 260 angebracht sein.
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Weiter bevorzugt ist ein Anschlag 265 vorgesehen, um eine Bewegung des ersten Rads 220 zu begrenzen. Der Anschlag 265 kann Enden der Kreisbewegung des ersten Rads 220 um die Drehachse 240 festlegen. Außerdem kann der Anschlag 265 den Kreisbogen definieren, auf dem die Achse des ersten Rads 220 um die Drehachse 240 geführt wird, indem der Anschlag 265 einen radialen Abstand der Achse des ersten Rads 220 von der Drehachse 240 bestimmt. Der Anschlag 265 kann eine Kulissenführung für eine Achse des ersten Rads 220 umfassen, die wie in 2 dargestellt ist. Alternativ kann der Anschlag 265 auch mit dem Lagerbock 260 integriert ausgeführt sein. Die Antriebseinheit 200 kann als separat handhabbare Einheit ausgebildet sein, die durch Verbinden des Lagerbocks 260 am Bodenroboter 100 in diesen eingebaut werden kann.
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3 zeigt eine nach oben ausgelenkte und 4 eine nach unten ausgelenkte Antriebseinheit 200. Mit durchgezogenen Linien ist die Antriebseinheit 200 in einer Normalstellung und mit unterbrochenen Linien in einer nach oben bzw. nach unten ausgelenkten Stellung dargestellt. Dabei ist von der Antriebseinheit 200 im Wesentlichen der Zugmitteltrieb 215 dargestellt. Eine Fahrtrichtung 210 verläuft bevorzugt in positiver oder in negativer x-Richtung bezüglich der dargestellten Koordinatensysteme. Es ist erkennbar, wie durch das vertikale Auslenken des ersten Rads 220 eine positive oder eine negative Stufe verbessert überwunden werden kann.
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In 3 ist gezeigt, wie das erste Rad 220 auf ein (nicht dargestelltes) Hindernis auflaufen und an ihm hochklettern kann. Durch das Zugmittel 230 ist das erste Rad 220 über das zweite Rad 225 angetrieben, sodass es selbst dann an einem Hindernis hochklettern kann, wenn das Hindernis höher als ein Radius des ersten Rads 220 ist. Hebt das erste Rad 225 vom Untergrund 205 ab, so kann mittels des zweiten Rads 225 weiter eine Vortriebskraft ausgeübt werden. Das zweite Rad 225 kann auf das Hindernis zu bewegt werden, wodurch das erste Rad 220 weiter verbessert nach vorne und nach oben gedrückt werden kann. So kann die Antriebseinheit 100 insbesondere an einem Hindernis mit steilen oder senkrechten Wänden Überwindungsfähigkeiten zeigen, die denen eines bekannten Antriebs überlegen sind.
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In 4 ist gezeigt, wie das erste Rad 220 an einem Abgrund nach unten ausfedern kann. Der Abgrund kann als negatives Hindernis aufgefasst werden, da es sich nach unten und somit in umgekehrter vertikaler Richtung (y-Richtung) wie ein positives Hindernis (vgl. 3) erstreckt. Während des Ausfederns des ersten Rads 220 kann der Bodenroboter 100 mittels des zweiten Rads 225 sicher auf dem Untergrund 205 gehalten sein. Insbesondere kann verhindert werden, dass sich der Bodenroboter 100 unkontrolliert in eine Senke oder über eine Stufe nach unten bewegt. Vielmehr kann ein kontrolliertes, ruckarmes Hinunterklettern ermöglicht sein. Für die vertikale Bewegung muss die Antriebseinheit 200 nicht aktiv gesteuert werden, sondern kann ihre Funktion allein aufgrund ihrer konstruktiven Merkmale rein passiv erbringen.
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5 zeigt ein Zugmittel 230 und ein zweites Rad 225 eines Zugmitteltriebs 215 einer Antriebseinheit 200 für einen Bodenroboter 100. Die dargestellte Ausführungsform stellt eine formschlüssige Sicherung des Zugmittels 230 am zweiten Rad 225 in axialer Richtung sicher. Dabei wird rein beispielhaft auf das zweite Rad 225 Bezug genommen; das erste Rad 220 kann in entsprechender Weise ausgebildet sein. Die Darstellung von 6 zeigt einen vertikal verlaufenden Querschnitt durch das zweite Rad 225, wobei das Zugmittel 230 nur im unteren Bereich und vom zweiten Rad 225 abgenommen dargestellt ist.
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Das zweite Rad 225 umfasst einen radialen Steg 505, der dazu eingerichtet ist, in eine Vertiefung 510 des Zugmittels 230 einzugreifen und einen axialen Formschluss herzustellen. Dabei liegen Flanken des Stegs 505 und der Aussparung 510 bevorzugt in einer Rotationsebene um die Drehachse 240. Der Steg 505 kann um das zweite Rad 225 umlaufen und die Aussparung 510 kann in Form einer am Zugmittel 230 umlaufenden Nut ausgeführt sein. In einer anderen Ausführungsform können der Steg 505 und die Vertiefung 510 unterbrochen sein, sodass sie gleichzeitig als Verzahnung zur Übertragung einer Kraft in Umfangsrichtung um die Drehachse 240 am zweiten Rad 225 wirken können.
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In der dargestellten Ausführungsform sind der Steg 505 und die Vertiefung 510 axial mittig angeordnet. In einer anderen Ausführungsform kann auch eine nach rechts oder links versetzte Position gewählt werden. In noch einer weiteren Ausführungsform sind mehrere Stege 505 mit dazu korrespondierenden Aussparungen 510 axial verteilt vorgesehen.
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6 zeigt ein Zugmittel 230 und ein zweites Rad 225 analog der Darstellung von 6 in einer zweiten Ausführungsform. Hier ist in umgekehrter Weise der Steg 505 am Zugmittel 230 und die Vertiefung 510 am zweiten Rad 225 vorgesehen. Die oben bezüglich 6 genannten möglichen Variationen können auch hier implementiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Bodenroboter
- 105
- Bearbeitungseinrichtung
- 110
- Antriebseinrichtung
- 115
- Bodenrad
- 120
- Stützrad
- 125
- Bodenplatte
- 200
- Antriebseinheit
- 205
- Untergrund
- 210
- Fahrtrichtung
- 215
- Zugmitteltrieb
- 220
- erstes Rad
- 225
- zweites Rad
- 230
- Zugmittel
- 235
- Halter
- 240
- Drehachse
- 245
- Antriebsmotor
- 250
- elastisches Element
- 255
- Hebel
- 260
- Lagerbock
- 265
- Anschlag
- 505
- Steg
- 510
- Vertiefung, Aussparung
