DE1046655B - Elastisches Rad, insbesondere fuer Schienenfahrzeuge, und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Elastisches Rad, insbesondere fuer Schienenfahrzeuge, und Verfahren zu seiner Herstellung

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DE1046655B
DE1046655B DEK25153A DEK0025153A DE1046655B DE 1046655 B DE1046655 B DE 1046655B DE K25153 A DEK25153 A DE K25153A DE K0025153 A DEK0025153 A DE K0025153A DE 1046655 B DE1046655 B DE 1046655B
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wheel
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Otto Schultz
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KLOECKNER GEORGSMARIENWERKE AG
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    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60BVEHICLE WHEELS; CASTORS; AXLES FOR WHEELS OR CASTORS; INCREASING WHEEL ADHESION
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    • B60B17/0027Resilient wheels, e.g. resilient hubs
    • B60B17/0031Resilient wheels, e.g. resilient hubs using springs
    • B60B17/0034Resilient wheels, e.g. resilient hubs using springs of rubber or other non-metallic material
    • B60B17/0041Resilient wheels, e.g. resilient hubs using springs of rubber or other non-metallic material of substantially rectangular cross section
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
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    • B60B17/0031Resilient wheels, e.g. resilient hubs using springs
    • B60B17/0034Resilient wheels, e.g. resilient hubs using springs of rubber or other non-metallic material
    • B60B17/0044Resilient wheels, e.g. resilient hubs using springs of rubber or other non-metallic material single element arranged in V-form

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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Butt Welding And Welding Of Specific Article (AREA)

Description

  • Elastisches Rad, insbesondere für Schienenfahrzeuge, und Verfahren zu seiner Herstellung Die Erfindung bezieht sich auf ein elastisches Rad, insbesondere für Schienenfahrzeuge, und ein Verfahren zu seiner Herstellung.
  • Es sind elastische Räder bekannt, bei denen das elastische Material Schub- und/oder druckbeansprucht und vorgespannt zwischen den metallischen Radteilen unter Verwendung unlösbarer Verbindungsbolzen angeordnet ist, die die verbundenen Teile zu einem unteilbaren Stück vereinigen.
  • Solche durch Nieten erzeugten unlöslichen Verbindungen führen, ebenso wie die ebenfalls bekannten Verbindungen mittels Schraubenbolzen, zu einem vorzeitigen Ausfall der Räder, und zwar aus folgendem Grunde: Bei Schienenfahrzeugrädern treten neben den Raddrücken auch Seitenkräfte auf, welche durch die Führung des Rades an der Schiene hervorgerufen werden. Bei einem Rad mit einem Laufkreis von 660 mm Durchmesser und einem Raddruck von 3,75 t ergeben sich Seitenkräfte bis zu 60% des Raddruckes = 2,25 t.
  • Bei einem üblichen Rad bedeutet das ein seitliches Ausweichen von etwa 1 mm.
  • Diese wechselnde Beanspruchung äußert sich bei einer Schraub- oder Nietverbindung als Biegebeanspruchung am Schrauben- oder Nietkopf bzw. an der Schraubenmutter. Neben einer Längung der Bolzen (bleibende Dehnung) entsteht eine Lockerung der Schrauben- oder Nietverbindung, wodurch die Druckvorspannung der Gummiteile verloren geht. Die Folge ist Verlust der Tragfähigkeit des Rades und im weiteren Zerstörung.
  • Erfindungsgemäß werden, wie durch langfristige Fahrversuche erwiesen wurde, diese Nachteile dadurch vermieden, daß die Verbindungsbolzen, die das elastische Material druckbeansprucht und vorgespannt zwischen den metallischen Radteilen halten, mit den metallischen Radteilen durch eine stoffschlüssige Verbindung, wie Schweißen oder Hartlöten, vereinigt sind.
  • Das erfindungsgemäße Rad setzt sich in einer bevorzugten Ausführungsform aus verschiedenen Einzelteilen zusammen, die alle miteinander stoffschlüssig vereinigt sind, denn auch die Zwischenlagen aus elastischem Material, z. B. Gummi, sind vorteilhaft mit den angrenzenden Radteilen, beispielsweise durch Vulkanisation, festhaftend verbunden. Man erhält so am Schluß der Fertigung ein praktisch einstückiges Rad im Gegensatz zu den bekannten Rädern, die auch im Fertigzustand aus mehreren Stücken bestehen, deren Verbindung den oben geschilderten Lockerungserscheinungen ausgesetzt ist, durch die die Radzerstörungen auftreten.
  • Zweckmäßig kann das elastische Material in an sich bekannter Weise als geschlossener Ring ausgebildet sein, doch besteht auch die Möglichkeit, die Erfindung bei Radausführungen anzuwenden, bei denen die elastische Schicht wie gleichfalls bekannt aus einzelnen Teilen aufgebaut ist.
  • Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung bestehen die äußeren Radscheiben, die die Lagen aus elastischem Material abdecken, mit der Nabe des Rades aus einem Stück und halten zwischen sich einen einteiligen, den Radreifen tragenden T-Ring. Hierbei kann die Nabe im Schnitt entlang der Radachse U-förmige Ansätze tragen, mit denen die Scheiben verschweißt sind, und die an die U-förmigen Ansätze geschweißten Scheiben, deren Innenflächen parallel laufen, können sich in Richtung auf den Radreifen verjüngen.
  • Die Ausführungsform kann aber auch so getroffen werden, daß die Innenflächen der angeschweißten Scheiben in Richtung auf den Radreifen in an sich bekannter Weise divergieren, wobei die Spaltbreite zwischen T-Ring und den Scheiben sich von außen nach innen in an sich bekannter Weise verändern kann.
  • In der Nähe der Schweißnähte können Entlastungsnuten in den metallischen Radteilen vorgesehen sein. Es ist vorteilhaft, das geschilderte erfindungsgemäße Rad dadurch herzustellen, daß die unter Wärmeanwendung bewirkte unlösliche Verbindung der Bolzen mit den Radteilen jeweils nur auf einen Teil des Umfanges jedes Bolzens mit anschließender Abkühlung vorgenommen wird. Das Rad kann nach dem Heften der Teile und dem Fertigschweißen jeder seiner Hälfte in ein Wasserbad getaucht werden.
  • Nach der unlöslichen Verbindung der Bolzen mit einer Radseitenscheibe wird das zum weiteren Aufbau des Rades benötigte Nabenteil auf diese Scheibe gelegt und eingeschweißt, das Ganze zusammengedrückt, in diesem Zustand die zweite Radseitenscheibe an die Bolzen bzw. an das Nabenteil geheftet und dann die unlösliche Verbindung mit der zweiten Radseitenscheibe hergestellt.
  • Das Heften der Bolzen bzw. der anderen Radteile an die zweite Radseitenscheibe kann hierbei unter einer Presse durchgeführt werden.
  • Das geschilderte Verfahren ermöglicht eine einfache Herstellung des Rades, erhöht dessen Betriebssicherheit, mindert das Gewicht und vermeidet die Wartungskosten.
  • Die Vorbearbeitung der Metallteile stellt keine Genauigkeitsanforderungen, denn Passungen, genaue Lochteilungen und Flanschungen entfallen.
  • Zur Vereinfachung von Vulkanisationsformen kann so vorgegangen werden, daß Radscheiben und Ringgummiflächen ohne Bohrungen angefertigt werden. Erst nach dem Vulkanisieren werden dann die Bohrungen durch spanabhebende Bearbeitung eingebracht. Man spart dadurch Zeit und hebt die Güte der Bindung zwischen den Metall- und Gummiteilen.
  • Die äußeren Radscheiben können aus Blechen herausgeschnitten werden und erfahren je nach Ausbildung lediglich noch eine Drehbearbeitung. Auf jede Warmverformung oder Einfräsung kann verzichtet werden. Trotzdem bleibt eine vielfältige Ausbildung der Gummiquerschnitte möglich.
  • Der U-förmige Aufbau des -Radkörpers mit den eingeschweißten Verbindungsbolzen ergibt eine Rahmenkonstruktion, welche die auftretenden Raddrücke und Seitenkräfte besonders gut aufnehmen kann.
  • Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel sind der Radreifenträger und die Gummiformteile von den U-Schenkeln fest umschlossen. Sie bewirken somit eine Zwangsführung, die bei Zerstörung des Gummis noch Spurhaltung und Nottlaufeigenschaften gewährleistet.
  • Dieser Umstand macht das erfindungsgemäße Rad für Vollbahnen, Triebwagen und Schnellbahnen besonders geeignet.
  • . Trotz des großen Gummiquerschnittes, welcher die Voraussetzung für gute Federeigenschaften darstellt, ermöglicht der neue Radaufbau eine weitgehende hermetische Abschließung der Gummioberfläche. Dieses ist besonders wichtig für die Lebensdauer des Gummis. Bekanntlich wird diese Lebensdauer von Luftsauerstoffangriff, von Sonneneinstrahlung und Aggression durch Öl, Benzin, Fett usw. beeinträchtigt.
  • Für die beim Erfindungsgegenstand noch offen liegende kleine Gummiringfläche kann z. B. ein Überzug aus Kunstkautschuk zur Konservierung vorgesehen werden, der ähnliche Dehnungseigenschaften wie der Naturkautschuk aufweisen muß, um den Federungsbewegungen des Gummis zu folgen. Durch diese Anordnung und den Überzug ist die Voraussetzung zur Erreichung hoher Lebensdauer geschaffen. Die geschlossene Anordnung bietet weiterhin den Vorteil, daß, ganz gleich, ob das Rad steht oder läuft, keine Fremdkörper wie Schmutz, Flüssigkeit usw. eindringen können.
  • Die Gewichtsminderung ergibt sich aus der möglichen sparsamen Anwendung der Werkstoffe und aus der Vermeidung von Schraubenverbindungen und Anflanschungen. Der T-Ring, welcher als Radreifenträger dient, kann auch aus hochfestem Leichtmetall hergestellt werden. Damit läßt sich das Gewicht gegenüber dem üblichen Stahl-T-Ring um die Hälfte absenken.
  • Das Rad weist eine kaum zu- übertreffende Werkstoffausnutzung auf. Gummigefederte Räder bisheriger Bauarten müssen laufend auf Vorhandensein der Druckvorspannung und auf festen Sitz an den Verbindungsstellen überprüft werden. Diese Wartungsarbeit entfällt bei der erfindungsgemäßen Konstruktion.
  • Unabhängig von der bisher beschriebenen Grundausführung der Erfindung besteht auch die Möglichkeit, für größere Raddrücke eine Zwillings- oder Mehrfachanordnung vorzusehen. Vorteilhaft ist hierbei auch wieder der im Schnitt U-förmige Aufbau des Rades.
  • Bei verschiedenen bekannten Radkonstruktionen kann durch das Einschweißen der Bolzen und Anschweißen der Deckscheiben an einer ungeteilten Nabe eine beträchtliche Verbesserung erzielt werden. Dabei ist es unerheblich, welche Form die Gummikörper haben. Eine Festhaftung der Gummiteile am Material ist auch nicht Voraussetzung, da der Reibungsschluß, welcher durch die Vorspannung entsteht, die auftretenden Kräfte übertragen kann.
  • Das Einschweißen der Bolzen wird vorzugsweise mit Lichtbogenschweißung unter Beachtung der Kühlmethoden vorgenommen. Es besteht aber auch die Möglichkeit, mittels Widerstands-Abbrandschweißung maschinelle Schweißungen anzuwenden, welche wegen des kurzzeitigen Schweißvorganges mit anschließender Kühlung verringerte Wärmeauswirkungen ermöglichen.
  • Durch Druckvorspannung und Schubbeanspruchung der Gummiteile entstehen Randspannungen, welche zu Ablösungen bei fest haftenden Gummiteilen führen können. Zur Umgehung dieser Ablösung wird vorgeschlagen, daß in einem Abstand von etwa 10 bis 20 mm von der Schweißnaht eine Entlastungsnut in die Blechteile eingedreht wird.
  • Die Erfindung ist in den Zeichnungen veranschaulicht: Fig. 1 zeigt in perspektivischer Ansicht ein erfindungsgemäß aufgebautes Rad mit zwei um 90° versetzten Halbaxialschnitten; Fig.2 bis Fig.5 veranschaulichen verschiedene Ausführungsmöglichkeiten der Erfindung in Halbaxialschnitten; in Fig.6 bis Fig. 11 werden verschiedene Ausführungsformen des elastischen Materials in Vorderansicht und in entsprechenden Querschnitten gezeigt; Fig. 12 ist ein Halbaxialschnitt eines abgeänderten Ausführungsbeispiels; Fig. 13 und Fig. 14 zeigen Einzelheiten der Erfindung; und die Fig. 15 und Fig. 16 veranschaulichen eine besondere Herstellung der festen Schweißverbindungen mittels Widerstandsabbrandschweißung ; Fig. 17 zeigt ein Schema für die Herstellung eines erfindungsgemäß ausgestalteten Rades.
  • In Fig. 1 ist an entsprechenden Vorsprüngen der Radnabe 1 eine ringförmige Metallscheibe 2 durch eine Schweißnaht 3 und eine zweite gleiche Scheibe 4 durch die Schweißnaht 5 befestigt.
  • In den Zwischenraum der Scheiben 2 und 4 ragt ein T-Ring 6 hinein, auf dem der Radkranz 7, beispielsweise durch Aufschrumpfen, befestigt ist. Zwischen den Scheiben 2 und 4 einerseits und dem T-Ring 6 andererseits sind ringförmige Gummilagen 8, 9 eingelegt, die beispielsweise durch an sich bekannte Vulkanisationsverfahren mit den ihnen benachbarten 14i etallflächen fest haftend verbunden sind.
  • Die genannten Teile werden durch Bolzen 10 zusatnmen- bzw. unter Vorspannung gehalten. Die Bolzen 10 sind mit der Scheibe 2 durch eine Schweißnaht 1 1 und mit der Scheibe 4 durch eine Schweißnaht 12 fest und unlösbar verbunden.
  • Die Vulkanisation zwischen Gummi und Metall erfolgt in der Weise, daß zwischen den Gummiringen 8 und 9, wie bekannt, eine Gummibrücke 13 entsteht, die den inneren Rand des T-Ringes 6 abdeckt.
  • In Fig. 2 bis Fig. 5 sind verschiedene Formen der Scheiben 2 und 4 sowie des T-Ringes 6 veranschaulicht. Fig. 2 zeigt einen sich teilweise nach außen auf der Außenseite verjüngenden Querschnitt der Scheiben 2 und 4, während in Fig.3 diese Scheiben mit nach außen auf der Innenseite sich verjüngenden Querschnitten gezeichnet sind, wobei der Steg des T-Ringes 6 sich nach innen zu im Querschnitt verjüngt.
  • Bei den bisher veranschaulichten Ausführungsforinen bleibt der Querschnitt der Gummizwischenlagen gleich stark.
  • Die Ausführungsform kann aber, wie aus Fig. 4 hervorgeht, auch so getroffen werden, daß sich dieser Querschnitt der Gummilagen verändert, beispielsweise nach außen zu stärker wird.
  • In Fig.4 ist weiterhin veranschaulicht, daß die Scheiben 2 und 4 zusammen mit dem Radnabenteil 1 einen stimmgabelförmigen Querschnitt haben können.
  • Fig.5 zeigt eine Anordnung der Gummiteile, bei der die Bolzen 10 außerhalb des Bereiches dieser Gummiteile durch die Scheiben 2, 4 hindurchgeführt sind.
  • In Fig. 6 und 7 werden einzelne trapezförmige Gummiteile 14 als Zwischenlagen, auf zwei konzentrischen Kreisen angeordnet, verwendet und in Fig. 8 und Fig. 9 kreisförmige Gummiteile 15. Fig. 7 und 9 stellen Querschnitte nach der Linie A-B der Fig.6 bzw. 8 dar.
  • In Fig. 10 und Fig. 11 ist gezeigt, daß der Radkranz 7 auch durch die Außenscheiben 16, 17 des Rades getragen werden kann, während die Nabe 1 sich in einer ringförmigen Scheibe 18 fortsetzt.
  • In den Außenscheiben 16, 17 sind Öffnungen 19 vorgesehen, und die Gummiringe 8, 9 sind auf beiden Seiten durch besondere Bleche 20, 21 abgedeckt.
  • Fig.12 zeigt eine Verdoppelung der Gummischichten.
  • In Fig. 13 ist mit 22 eine ringförmige Entlastungsnut veranschaulicht, die in die Scheiben 2 und 4 eingefräst ist und in die beim Vulkanisationsvorgang die elastische Masse eintritt.
  • Hierdurch wird die Randspannung im Gummi verkleinert, weil die Materialbreite um die Nuttiefe vergrößert wird. Die Lage der Nut ist so gewählt, daß sie dort einsetzt, wo die Bindung zwischen Gummi und Metall vorhanden ist. In unmittelbarer Nähe des Bolzens wird durch den Schweißvorgang die Bindung zwischen Metall und Gummi aufgehoben.
  • In Fig. 13 ist mit 25 eine Bohrung bezeichnet, welche sich im T-Ring 6 jeweils an der Durchgangsstelle des Bolzens 10 befindet. Die Bohrung 25 ist so groß gehalten wie der Innendurchmesser der Nut 22.
  • Eine ähnliche Entlastungsnut ist in Fig. 14 mit 23 bezeichnet, die in der Nähe der Schweißnähte 3, 5 angeordnet ist.
  • In Fig. 15 und Fig. 16 wird die Ausbildung der Schweißnähte 11 durch Widerstands-Abbrandschweißung veranschaulicht. Die oberen Hälften der beiden Schnitte veranschaulichen die Ausbildung der zu verschweißenden Teile vor der Schweißung und die unteren Hälften die gleichen Teile nach Fertigstellung der Schweißnaht.
  • Zu dem Schema der Fig. 17, die den Schweißablauf bei den gummigefederten Rädern mit 785 mm Laufkreis-Durchmesser (beispielsweise je Rad 12 Bolzen) erläutert, wird folgendes bemerkt: Es werden vier Räder in einem Vorgang wie folgt geschweißt 1. Nabe 1 und Bolzen 10 in eine Seitenscheibe, z. B. 2, einheften.
  • 2. Einbringen des Rades ins Wasserbad.
  • 3. Schweißen der Nabe 1 und der Bolzen 10 der ersten Radseite 2.
  • a) Ein Drittel des Bolzenumfanges vom 1. bis zum 48. Bolzen wird hintereinander an allen vier Rädern geschweißt, Schweißen des 2. Drittels, Schweißen des letzten Drittels.
  • b) Die Nabe wird zwischen und nach dem Schweißen der Bolzen in sechs Teilabschnitten ebenfalls an allen vier Rädern hintereinander in der Weise geschweißt, daß nach dem 1., 3. und 5. Sechstel des Nabenumfanges das gegenüberliegende 2., 4. und 6.. Sechstel geschweißt werden kann.
  • 4. Rad aus dem Wasserbad herausnehmen und unter der Presse zusammenpressen.
  • 5. Heften der Nabe und der Bolzen der 2. Radseite unter der Presse.
  • 6. Einbringen des Rades ins Wasserbad.
  • 7. Schweißen der Nabe und der Bolzen der 2. Radseite wie unter 3.

Claims (16)

  1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Elastisches Rad, insbesondere für Schienenfahrzeuge, bei dem das elastische Material schub-und/oder druckbeansprucht und vorgespannt zwischen den metallischen Radteilen unter Verwendung unlösbarer Verbindungsbolzen angeordnet ist, die die verbundenen Teile zu einem unteilbaren Stück vereinigen, dadurch gekennzeichnet, daß diese Bolzen (10) mit den metallischen Radteilen (2, 4) durch eine stoffschlüssige Verbindung vereinigt sind.
  2. 2. Rad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die stoffschlüssige Verbindung aus einer Schweißverbindung besteht.
  3. 3. Rad nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elastischen Teile (8, 9) an den sie einschließenden Teilen (2, 4, 6) festhaftend angebracht sind.
  4. 4. Rad nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für das elastische Material Gummi als Werkstoff dient.
  5. 5. Rad nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Material (8, 9) in an sich bekannter Weise als geschlossener Ring ausgebildet ist.
  6. 6. Rad nach dien Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Radscheiben (2, 4), die dieLagen (8,9) aus elastischem Material abdecken, mit der Nabe (1) des Rades aus einem Stück bestehen und zwischen sich einen einteiligen, den Radreifen (7) tragenden T-Ring (6) halten.
  7. 7. Rad nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Nabe (1) im Schnitt U-förmige Ansätze trägt, mit denen die Scheiben (2, 4) verschweißt sind. B.
  8. Rad nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die an die im Schnitt U-förmigen Ansätze geschweißten Scheiben (2, 4), deren Innenflächen parallel laufen, sich in Richtung auf den Radreifen (7) verjüngen (Fig.2).
  9. 9. Rad nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenflächen der angeschweißten Scheiben (2,4) in Richtung auf den Radreifen (7) in an sich bekannter Weise divergieren (Fig. 3).
  10. 10. Rad nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltbreite zwischen T-Ring (6) und den Scheiben (2,4) sich von außen nach innen in an sich bekannter Weise verändert (Fig. 4).
  11. 11. Rad nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der T-Ring (6) aus hochfestem Leichtmetall besteht.
  12. 12. Rad nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß in der Nähe der Schweißnähte (11, 12 bzw. 3, 5) Entlastungsnuten (22, 23) in den metallischen Radteilen (2,4) vorgesehen sind (Fig. 13).
  13. 13. Verfahren zur Herstellung eines elastischen Rades nach den Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die unter Wärmeanwendung bewirkte unlösliche Verbindung der Bolzen (10) mit den Radteilen (2,4) jeweils nur auf einen Teil des Umfanges jedes Bolzens mit anschließender Abkühlung vorgenommen wird.
  14. 14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Rad nach dem Heften der Teile und dem Fertigschweißen jeder seiner Hälfte in ein Wasserbad getaucht wird.
  15. 15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß nach der unlöslichen Verbindung (3,11) der Bolzen (10) mit einer Radseitenscheibe (z. B. 2) die zum weiteren Aufbau des Rades benötigten Teile (8, 6, 9) auf diese Scheibe gelegt, das Ganze zusammengedrückt, in diesem Zustand die zweite Radseitenscheibe an die Bolzen bzw. anderen Radteile (1) geheftet und dann die unlösliche Verbindung (5, 12) mit der zweiten Radseitenscheibe hergestellt wird.
  16. 16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Heften der Bolzen (10) bzw. der anderen Radteile (1) an die zweite Radseitenscheibe (4) unter einer Presse durchgeführt wird. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 16 774, 262 992, 483 218, 918 573; schweizerische Patentschrift Nr. 167 359; USA.-Patentschriften Nr. 1982 043, 2 005 302, 2 014 360, 2 054 803, 2 477 874; Werbeschrift der Georgsmarienwerke A. G., Osnabrück: »Das gummigefederte Rad«.
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