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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Bodenfräse mit Rutschkupplung nach
dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie die Rutschkupplung zur
mechanischen Entkopplung eines rotierenden Bearbeitungswerkzeugs
von einer Antriebswelle.
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Im
Stand der Technik sind Bodenfräsen
zum Bearbeiten von Oberflächen,
insbesondere Straßen, Bodenflächen von
Gebäuden,
Fabrikhallen oder dgl. Objekten bekannt, wobei die Flächen unter
anderem aus Beton, Asphalt, Teer oder im Straßen- oder Hochbau bekannten ähnlichen
Materialien bestehen. Bekannte Fräsen bestehen aus einer um eine
horizontale Achse drehbar angetriebenen Frästrommel, an deren Außenumfang äquidistant
verteilt Meißel zum
Bearbeiten der Fläche
angeordnet und vorzugsweise austauschbar befestigt sind. Das Fräsen erfolgt
dadurch, dass die Bodenfräse
in Vorwärtsrichtung über die
zu bearbeitende Fläche
geführt
wird, wobei die Frästrommel
derart rotiert, dass die Meißel in
Bearbeitungsrichtung gegen die zu fräsende Oberfläche auf
diese aufschlagen. Durch die aufschlagenden Meißel wird die Oberfläche abgetragen
und z.B. eingeebnet.
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Des
Weiteren sind Bodenfräsen
bekannt, bei denen der Rotationsbewegung der Frästrommel eine exzentrische
Bewegung höherer
Drehzahl mit einer Exzentrizität
(E) um die Drehachse der Frästrommel überlagert
ist. Dadurch beschreiben die Meißel bzw. die -spitzen eine
zykloidische Bahnkurve, wobei bei geeigneter Wahl der Exzentrizität bzw. des
Durchmessers der Frästrommel
eine Beschleunigung der Meißel
in der Abwärtsbewegung
erreicht wird, so dass eine erhöhte
Fräsleistung
bei geringerem Gesamtgewicht der Bodenfräse erreichbar ist.
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Die
Meißel
sind hierbei derart um den Umfang der Frästrommel verteilt angeordnet,
dass aufeinander folgende Meißel
stets dieselbe Bahnkurve durchlaufen, um ein gleichmäßiges Bearbeitungsergebnis
zu erhalten. Hierbei entspricht die Anzahl der Meißel auf
der Frästrommel
dem ganzzahligen Übersetzungsverhältnis zwischen
Fräswelle
und Exzenterwelle.
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Des
Weiteren ist es bekannt, dass derartige Bodenfräsen mit einer mechanischen
Vorrichtung zur Entkopplung der Frästrommel von einer Antriebswelle,
mit der die Frästrommel antreibbar
ist, ausgestattet sind. Diese mechanische Vorrichtung besteht in bekannter
Weise aus zwei mit einer Feder gegeneinander vorgespannte Reibflächen, in
Form einer dem Fachmann bekannten Rutschkupplung. Dabei sind die
beiden Scheiben der Rutschkupplung zum einen drehfest mit der Frästrommel
und zum anderen drehfest mit dem Gehäuse der Bodenfräse verbunden. Tritt
nun, z.B. durch Stahlarmierungen in einer zu bearbeitenden Betonfläche eine Überlastung
der Bodenfräse
auf, die sich in einem erhöhten
Widerstand des zu bearbeitenden Materials gegen die darauf aufschlagenden
Meißel äußert, so
verdrehen sich die beiden mit einer Federkraft gegeneinander vorgespannten
Scheiben, wobei zwischen den beiden Scheiben nur noch die Gleitreibungskräfte wirken, die
gegenüber
den Haftreibungskräften
im nicht durchrutschenden Zustand der Rutschkupplung geringer sind.
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Als
nachteilig hierbei hat sich erwiesen, dass zum einen durch Verschleiß der beiden
Scheiben die Haft- und Gleitreibungskräfte kontinuierlich verringert werden,
da die miteinander in Berührung
stehenden Oberflächen
der Scheiben durch das Durchrutschen geglättet werden. Zum anderen ist
die Kraft, die zum erstmaligen Durchrutschen der Rutschkupplung
aufgebracht werden muss größer als
die darauffolgend von der Rutschkupplung aufgebrachte Gleitreibungskraft,
die einem weiteren Durchrutschen entgegenwirkt. Dies wird als "Stick-Slip- Effekt" bezeichnet. Des
Weiteren ist als nachteilig anzusehen, dass das Durchrutschen an
beliebiger Winkellage der Rutschkupplung wieder beendet werden kann,
wenn das auf die Meißel
ausgeübte
Drehmoment verringert wird. Das bedeutet, dass keine exakte Ausrichtung
der Meißel
auf der Umfangsfläche
der Frästrommel
zu einem Zustand vor dem Durchrutschen erhalten wird. Dies führt auf
Grund der vorstehend beschriebenen zykloidischen Bahnkurven der
exzentrisch gelagerten Frästrommel
zu einer Verschiebung im Fräsbild, da
nunmehr die aufeinanderfolgenden Meißel nicht mehr am selben Punkt
auf die Oberfläche
aufschlagen.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik ist der Fachmann vor die Aufgabe gestellt,
eine Bodenfräse
dahingehend zu verbessern, dass auch beim Ansprechen einer Rutschkupplung
das Fräsbild
dadurch nicht beeinträchtigt
wird, insbesondere die lagerichtige Ausrichtung der Meißel auch
beim Durchrutschen der Kupplung zueinander erhalten wird und die
Rutschkupplung nicht bei einer nur kurzzeitig auftretenden Überlastung
sofort durchrutscht.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch eine Bodenfräse
mit Rutschkupplung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Eine
entsprechende Kupplung selbst ist in Patentanspruch 5 angegeben.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand
von Unteransprüchen.
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Der
Kerngedanke der Erfindung besteht darin, dass zwischen den Reibflächen bzw.
zwischen den beiden Kupplungsscheiben zusätzlich um den Umfang der Reibflächen äquidistant
verteilt Wälzkörper vorgesehen
sind. Diese sind jeweils in Vertiefungen in den Reibflächen angeordnet,
wobei die einander gegenüberliegenden
Vertiefungen in den Reibflächen
für jeweils
einen Wälzkörper vorzugsweise symmetrisch
ausgebildet sind. Des Weiteren sind zwischen den Vertiefungen in
Form einer Kreisbahn Laufbahnen für die Wälzkörper ausgebildet, um es den
Wälzkörpern zu
ermöglichen,
sich aus einer Vertiefung heraus entlang der Laufbahn in die darauffolgende
Vertiefung hineinzubewegen. Die Laufbahnen sind in Form einer Rinne
gebildet, allerdings mit geringerer Tiefe als die Vertiefungen.
Des Weiteren ist die Anzahl der Wälzkörper, die um den Umfang der Reibflächen äquidistant
verteilt angeordnet sind, auf die Anzahl der Meißel um den Umfang der Frästrommel
derart abgestimmt, dass die Wälzkörper ein ganzzahliges
Vielfaches bzw. einen ganzzahligen Bruchteil der Anzahl der Meißel sind.
Das bedeutet, dass z.B. bei vier um den Umfang der Frästrommel herum
verteilt angeordneten Meißel
auch vier oder acht, zwölf,
sechzehn etc. Wälzkörper an
der Kupplung vorgesehen sind. Ebenso könnten auch nur zwei Wälzkörper, also
die Hälfte
der Meißel,
vorgesehen sein.
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Der
Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch die erfindungsgemäße Anpassung
der Anzahl der Wälzkörper zwischen
den Reibflächen
der Rutschkupplung das Durchrutschen der Kupplung um eine Rasterung,
das heißt,
wenn alle Wälzkörper in
die darauffolgende Vertiefung weiterbewegt werden, die lagerichtige
Ausrichtung der jeweils zykloidischen Bahnkurven der Meißel oder
Meißelspitzen zueinander
erhalten bleibt. Um das Durchrutschen der Kupplung herbeizuführen, das
heißt,
dass die Wälzkörper jeweils
entlang der Laufbahn in die darauffolgende Vertiefung gelangen,
ist zunächst
eine erhebliche Erhöhung
oder des üblicherweise
an der Frästrommel
auftretenden Drehmoments notwendig. Durch diese Überlastung werden die Wälzkörper an den
Flanken der Vertiefungen aus diesen heraus bewegt, wobei dieser
Bewegung die Federkraft, mit der die Kupplung vorgespannt ist, entgegenwirkt.
Sind die Wälzkörper vollständig aus
den Vertiefungen herausgebracht, so wird von der Rutschkupplung
praktisch überhaupt
keine Rückstellkraft
mehr aufgebracht, da die nunmehr auf den Laufbahnen zwischen den
Vertiefungen sich abwälzenden
Wälzkörper der
Federkraft, die die beiden Reibflächen üblicherweise zusammenpresst,
entgegenwirken. Ein Verschleiß der
Reibflächen
durch diese Bewegung tritt hier ebenfalls nicht auf, da die Reibflächen durch die
dazwischen angeordneten Wälzkörper außer Kontakt
gebracht werden, sobald die Wälzkörper sich in
den Laufbahnen abwälzen.
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In
vorteilhafter Weise sind die Vertiefungen für die Wälzkörper in den Reibflächen an
ihren seitlichen Flanken asymmetrisch ausgebildet und zwar dergestalt,
dass in normaler Drehrichtung der Frästrommel die Flanken einen
sanft ansteigenden Verlauf aufweisen, so dass die Wälzkörper unter
geringerer Kraftausübung,
das heißt,
bei Drehmomentanstiegen, die durch Hindernisse in dem zu bearbeitenden
Untergrund auftreten, leichter aus den Vertiefungen in die Laufbahnen
verbringbar sind. Die gegenüber
liegenden Flanken der Vertiefungen dagegen sind mit einem steileren
Anstieg versehen, um ein Durchdrehen oder Durchrutschen der Kupplung in
Gegenrichtung durch einen hierzu nötigen größeren Kraftaufwand, der mit
einem größeren Drehmoment,
das auf die Frästrommel
einwirkt, verbunden ist, zu vermeiden.
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Um
sicherzustellen, dass alle Wälzkörper zwischen
den Reibflächen
gemeinsam und synchron aus ihren Vertiefungen in die Laufbahnen
eintreten und in der nächsten
Vertiefung einrasten sind alle Wälzkörper in
einem gemeinsamen Lagerkäfig,
der auch zwischen den Reibflächen
angeordnet ist, eingebracht, wobei sie auch zu diesem gemeinsamen Laufkäfig frei
verdrehbar in diesem angeordnet sind. Damit ist sichergestellt,
dass die Wälzkörper gemeinsam
jeweils von einer Vertiefung zur nächsten springen, um das rastweise
Durchrutschen der erfindungsgemäßen Rutschkupplung
in der Bodenfräse zu
gewährleisten,
so dass die winkelgetreue Ausrichtung der Meißel an der Frästrommel
gewahrt ist.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung sind die Wälzkörper Kugeln
oder die Wälzkörper weisen
eine, im Querschnitt betrachtet, tonnenförmige, zylindrische oder kegelförmige Gestalt auf.
Geeignete Materialien für
die Wälzkörper, den gemeinsamen
Lagerkäfig
sowie die Reibflächen
sind vom Fachmann wählbar,
wobei hier korrossions- und verschleißarme Werkstoffe, wie z.B.
gehärtete
Metalle, Verwendung finden. Die gesamte Rutschkupplung kann auch
in an sich bekannter Weise druckgeschmiert sein.
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Eine
erfindungsgemäße Rutschkupplung kann
nicht nur für
Bodenfräsen
zur Bearbeitung von Flächen
verwendet werden, sondern auch für
alle anderen Arten von Bearbeitungswerkzeugen mit einem rotierenden
Werkzeug, z.B. ein Bohrer, Fräser,
ein Flügelglätter oder
eine Schleifmaschine.
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Weitere
Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung lassen sich dem
nachfolgenden Beschreibungsteil entnehmen, in dem anhand von Zeichnungen
Ausführungsbeispiele
der Erfindung näher
dargestellt sind. Es zeigen:
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1 den gewünschten
Bahnverlauf von Meißeln
an einer Frästrommel,
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2 den tatsächlichen
Bahnverlauf mit einer Rutschkupplung aus dem Stand der Technik,
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3 eine erfindungsgemäße Rutschkupplung,
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4 die neue Kupplung in getrenntem
Zustand,
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5 die Laufbahnen und Vertiefungen
für die
Wälzkörper, und
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6 Vertiefungen und Laufbahnen
mit unterschiedlichen Flanken.
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Aus
der Darstellung in 1 ist
der ideale zykloidische Bahnverlauf eines Meißels 2 an einer Frästrommel 1 in
einer Bodenfräse
mit exzentrisch angetriebener Frästrommel 1 dargestellt.
Die Frästrommel 1 ist
drehend um die Achse M von einer Fräswelle 3 angetrieben.
Gleichzeitig wird diese Achse M mit höherer Drehzahl mit der Exzentrizität E um die
Achse A bewegt. Daraus resultiert die dargestellte Bahnkurve in
Form einer Zykloide des Meißels 2. Bei
geeigneter Wahl der Rotationsgeschwindigkeiten der Frästrommel 1 und
der überlagerten
Exzenterbewegung um die Achse A wird eine Beschleunigung in der
Abwärtsbewegung
des Meißels
und eine Verzögerung
der Vertikalgeschwindigkeit des Meißels im oberen Umkehrpunkt
erreicht und insbesondere eine höhere
Schlagkraft des Meißels 2.
Bei geeigneter äquidistanter
Anordnung mehrerer Meißel 2 um
den Umfang der Frästrommel 1 wird
außerdem
erreicht, dass alle Meißel,
wenn die Frästrommel 1 in
Pfeilrichtung angetrieben wird, stets der selben Zykloide folgen.
Wird dann die Bodenfräse
an sich vorwärts
bewegt, in 1 nach links
durch den Pfeil V angedeutet, so wird das Material des Untergrundes
vollständig
in gewünschter
Tiefe abgetragen.
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Verfügt die Frästrommel 1 über eine
an sich bekannte Überlastsicherung
in Form einer herkömmlichen
Rutschkupplung, z.B. wenn ein Meißel 2 im Untergrund
auf eine Stahlarmierung auftritt und somit ein hohes Drehmoment
entgegen der Drehrichtung der Frästrommel 1 auf
diese ausgeübt
wird, so tritt ein Winkelversatz ΔW
an der Frästrommel
auf, da das Maß des
Durchrutschens der Rutschkupplung nicht festgelegt ist. Dies führt dazu,
dass bei einer Weiterbewegung der Frästrommel 1 der nachfolgende
Meißel 2 gegenüber dem
vorhergehenden Meißel 2 eine
andere Winkellage, um den Betrag ΔW,
annimmt und insbesondere die Eindringtiefe des Meißels 2 in
den Untergrund um den Betrag ΔT
verändert
wird, so dass in Bewegungsrichtung V der Bodenfräse gesehen, Querwellen im Untergrund
auftreten, wie in 2 dargestellt.
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Aus
der Darstellung in 3 ist
eine erfindungsgemäße Kupplung
im Querschnitt ersichtlich. Dabei wird eine Fräswelle 3 über ein
Zahnrad mit Innenverzahnung 4 angetrieben. Dieses wälzt sich
um eine außenmittige
Achse auf einem Zahnrad mit Außenverzahnung 5 ab.
Dieses Zahnrad mit Außenverzahnung 5 ist
auf einem im Gehäuse 6 längsbeweglichen
Zahnradträger 7 drehbar
gelagert. Das Zahnrad 5 ist auf einer Seite mit einer ersten
Kupplungsscheibe 8 drehfest verbunden. Eine zweite Kupplungsscheibe 9 ist
drehfest mit dem Gehäuse 6 verbunden.
Zwischen den Kupplungsscheiben 8, 9 befinden sich
Wälzkörper 10,
hier in Form von Kugeln, deren Position zueinander bzw. deren Winkelabstand um
den Umfang der Kupplungsscheiben 8, 9 durch einen
Lagerkäfig 11 vorgegeben
ist. Die Kupplungsscheiben 8, 9 weisen Vertiefungen 12 und
eine Laufbahn 13 in Form einer Rinne auf, wie auch in 5 ersichtlich.
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Der
Zahnradträger 7 ist
gegen Verdrehen gegenüber
dem Gehäuse 6 mit
Stiften 14 gesichert, die in Nuten 15 im Gehäuse 6 eingreifen.
Der Zahnradträger 7 ist
auf der der Kupplungsscheibe 9 gegenüberliegenden Gehäuseseite
mit einem Federgehäuse 16 ebenfalls
drehfest verbunden, z.B. verschraubt. Im Ruhezustand der Kupplung
wird der Zahnradträger 7 über zwischen
dem Federgehäuse 16 und
dem Gehäuse 6 eingespannten
Federn 17, hier in Form von zwei Tellernfedern, mit Federkraft vorgespannt.
Bei steigender Belastung, z.B. wenn ein Meißel 2 auf eine Stahlarmierung
in der zu bearbeitenden Fläche
trifft, so dass ein Drehmoment entgegen der üblichen Rotationsbewegung der Frästrommel 1 auf
die Bodenfräse
ausgeübt
wird, muss zunächst
die Vorspannkraft der Federn 17 überwunden werden, um die Kupplung
aus ihrem Ruhestand auszulenken.
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Wird
die Vorspannkraft der Federn 17 überschritten, beginnt sich
die mit dem Zahnrad 5 verbundene Kupplungsscheibe 8 gegen
die mit dem Gehäuse 6 verbundene
Kupplungsscheibe 9 zu verdrehen. Die Kupplungsscheiben 8, 9 werden
dabei durch die Wälzkörper 10 auseinander
gedrückt.
Durch diese Relativbewegung der Kupplungsscheiben 8, 9 zueinander
wird auch der Zahnradträger 7 in
Pfeilrichtung relativ zum Gehäuse 6 verschoben.
Die Federn 17 werden dabei stark zusammengedrückt und
eine Rückstellkraft
entgegen dieser Auslenkung auf die Kupplungsscheiben 8, 9 und
die dazwischen angeordneten Wälzkörper 10 ausgeübt.
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Fällt das
belastende Drehmoment ab, kehrt die Kupplung unmittelbar wieder
in ihre Ruhelage zurück.
Steigt das auslösende
Moment hingegen weiter an, werden die Kupplungsscheiben 8, 9 soweit
auseinander gedrückt,
bis die Wälzkörper 10 in
die Laufbahn 13 eintreten können. Hierbei fällt das
Rückstellmoment
der Kupplung trotz einem weiteren Zusammenpressen der Federn 17 unmittelbar
ab, da die Wälzkörper 10 auf
der Laufbahn 13 ein Aufeinanderzubewegen der Kupplungsscheiben 8, 9 verhindern. Erst
bei Erreichen der nachfolgenden Vertiefung 12, in die die
Wälzkörper 10 hineingleiten,
kehrt die Kupplung wieder in ihre Ruhelage zurück, wobei hierbei die drehwinkelgenaue
Ausrichtung der Meißel 2 an
der Frästrommel 3 erhalten
bleibt. Dieser Vorgang wiederholt sich so lange, bis das belastende
Drehmoment wegfällt.
Hierbei dreht sich allerdings die Frästrommel 1 nicht weiter,
da die Fräswelle 1 vollständig vom
Antrieb entkoppelt ist. Demzufolge findet auch kein Materialabtrag
mehr statt, was vom Bediener der Bodenfräse unmittelbar wahrgenommen wird,
so dass er an dieser Stelle den Fräsvorgang abbrechen und ein
eventuell vorhandenes Hindernis im Untergrund entfernen kann.
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In 4 ist die Kupplung im getrennten
Zustand dargestellt. Dabei kann die Längsbewegung in Pfeilrichtung
des Zahnradträgers 7 relativ
zum Gehäuse 6 z.B.
mit einem Sensor 18 erfasst werden. Ein vorzugsweise elektrisches
Signal dieses Sensors 18 kann zur Anzeige am Bedienpult
der Bodenfräse
für den
Bediener verwendet werden bzw. unmittelbar mit diesem Signal die
Fräsleistung
reduziert werden.
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Aus
der Darstellung in 5 sind
die Vertiefungen 12 bzw. die Laufbahn 13 an den
Kupplungsscheiben 8, 9 in Draufsicht sowie im
Querschnitt dargestellt, wobei in der unteren Abbildung die Kupplungsscheiben 8, 9 durch
die in der Laufbahn 13 angeordneten Wälzkörper 10 im getrennten
Zustand sind.
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Aus
der Darstellung in 6 sind
weitere Vertiefungen 12 bzw. Laufbahnen 13 für die Wälzkörper 10 dargestellt,
wobei in der oberen Darstellung die Wälzkörper 10, wenn die
erste Kupplungsscheibe 8 in Pfeilrichtung bewegt wird,
entlang einer steil ansteigenden Flanke aus der Vertiefung 12 heraus
verbracht werden müssen,
so dass ein starkes Drehmoment hierzu notwendig ist, so dass die
Kupplung im Wesentlichen gegen ein Durchrutschen in dieser Richtung
gesperrt ist. In der unteren Darstellung ist eine Bewegung der ersten
Kupplungsscheibe 8 in entgegengesetzter Richtung abgebildet,
wobei die Wälzkörper 10 hier
an flach ansteigenden Flanken 13 aus den Vertiefungen 12 heraus
verbracht werden. Hierzu ist nur ein geringeres Drehmoment notwendig.
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Die
erfindungsgemäße Kupplung
kann nicht nur bei Bodenfräsen
zur Bearbeitung von Flächen verwendet
werden, sondern auch in allen anderen Werkzeugen oder Werkzeugmaschinen
mit einem rotierenden Werkzeug, bei denen eine Überlastung z.B. von Schneid-
oder Scherkräften
vermieden werden soll.
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- 1
- Frästrommel
- 2
- Meißel
- 3
- Fräswelle
- 4
- Zahnrad
mit Innenverzahnung
- 5
- Zahnrad
mit Außenverzahnung
- 6
- Gehäuse
- 7
- Zahnradträger
- 8
- erste
Kupplungsscheibe
- 9
- zweite
Kupplungsscheibe
- 10
- Wälzkörper
- 11
- Lagerkäfig
- 12
- Vertiefungen
für Pos. 10 in
Pos. 8 und 9
- 13
- Laufbahn
für Pos. 10 in
Pos. 8 und 9
- 14
- Stift
- 15
- Nut
- 16
- Federgehäuse 17 Feder
- 18
- Sensor
- V
- Vorschubrichtung
einer Bodenfräse
- M
- Rotationsachse
von Pos. 1
- A
- Exzenterachse
- e
- Exzentrizität
- ΔT
- Höhenversatz
- ΔW
- Winkelversatz