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Einrichtung zur Dämpfung der Schwingungen. elektrischer Maschinen
mit zylindrischem Ständergehäuse Die Erfindung betrifft Verbesserungen äii schwingungsgedämpften
elektrischen Maschinen und insbesondere von Maschinen mit einer Reibungsdämpfung
zur Unterdrückung von Resonanzschwingungen bei einer oder mehreren der natürlichen
Schwingungsarten .des Maschinengehäuses. Eine der wesentlichen Ursachen des sogenannten
»magnetischen Geräusches« elektrischer Maschinen sind bekanntlich Schwingungen.
des Ständergehäuses, die durch periodisch wirkende mäghetische Kräfte zwischen den
Polen des Feldes und der genuteten Oberfläche des Ankers hervorgerufen werden. Diese
mit Nutfrequenz und deren Harmonischen oder Polfrequenz und deren Harmonischen auftretenden
Geräusche können durch Gehäuseresonanz äußerst laut werden, wenn eine Störkraftfrequenz
mit der Eigenfrequenz des Ständergehäuses zusammenfällt.
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Daher stellen besonders elektrische Maschinen mit veränderlicher Drehzahl
ein schwieriges Problem bezüglich der Dämpfung von Schwingungen dar, da innerhalb
des vorkommenden Drehzahl- und Lastbereiches das Maschinengehäuse verschiedene Schwingungsformen
annehmen kann, wobei Schwingungen mit beträchtlichen Amplituden bei einer Anzahl
von Resonanzfrequenzen erregt werden können.
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Gleichstrommotoren mit ausgeprägten Polen für Schiffsantriebe sind
eine Art solcher elektrischer Maschinen,_ die in einem großen Drehzahl- und Lastbereich
arbeiten müssen.
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Die Amplitude der Gehäuseschwingungen der bisherigen elektrischen
Maschinen, die bei Resonanz arbeiten oder diese während einer Drehzahländerung langsam
durchlaufen, ist durch den Betrag der in dem System vorhandenen Dämpfung bestimmt.
Diese Dämpfung ist verhältnismäßig gering und wird im wesentlichen durch Energievernichtung
in den Verbindungen des Maschinengebildes oder im Fundament verursacht. ,Infolgedessen
werden in den üblichen Maschinen verhältnismäßig große Resonanzspitzen mechanischer
Schwingungen beobachtet, wobei das Maschinengeräusch wesentlich über die in der
unmittelbaren Umgebung der Resonanzspitze vorhandene Stärke ansteigt. In absoluten
Werten sind solche Resonanzamplituden nicht hoch und liegen in der Größenordnung
von 0,025 mm oder weniger, aber trotzdem stellen sie eine störende Geräuschquelle
dar. Dieser niedrige absolute Wert der Schwingungen hat bisher die Aufgabe, sie
mit Hilfe, der früher bekannten Mittel und Maßnahmen wirsam zu dämpfen, schwierig
gemacht.
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. Bei elektrischen Hochfrequenzmaschinen treten Drehschwingungen des
Gehäuses um die Rotationsachse auf, die unerwünschte Frequenzsdhwankungen zur Folge
haben.. Bei derartigen Maschinen ist es bekannt, die Schwingungen des Maschinengehäuses
durch besonders sorgfältiges Tarieren des umlaufenden Teiles zu vermindern oder
zu beseitigen. Für denselben Zweck ist es bekannt, an dem Maschinengehäuse zusätzliche
Einrichtungen anzubringen, die vorzugsweise auf die Frequenz der störenden Schwingungen
abgestimmt sind und die mit einem geeigneten Dämpfungsmittel versehen sind. Weiterhin
können am Maschinengehäuse exzentrisch gelagerte rotierende Massen angebracht sein,
die synchron mit dem Anker der Maschine umlaufen und Ausgleichskräfte hervorrufen.
Es ist auch bekannt, die Schwingungen durch zusätzliche Versteifungen der Gehäuse
oder durch Vergrößerung ihrer Masse zu verringern.
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Derilgegenüber behandelt die vorliegende Anmeldung nicht das Problem,
Drehschwingungen des Gehäuses, sondern Schwingungen desselben in radialer Richtung
zu dämpfen. Diese Schwingungen sind eine Folge der mit der Funktion der elektrischen
Maschine verknüpften zeitlich schwankenden magnetischen Kräfte in Verbindung mit
den elastischen Eigenschaften der gegebenen Konstruktion. Die radialen Schwingungen
können daher auch nicht durch sorgfältiges Tarieren oder die obengenännten am Maschinengehäuse
angebrachten besonderen Mittel behoben werden. Auch Versteifungen oder Massenvergrößerungen
des Gehäuses bewirken bei wirtschaftlich
vertretbarem Aufwand keine
Beseitigung der Schwingungen, sondern lediglich eine Verschiebung derselben in einen
anderen Frequenzbereich.
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Zur Dämpfung der Gehäuseschwingungen sind an sich bekannte viskose
Dämpfungsmittel wegen der auftretenden geringen Schwingungsgeschwindigkeiten ungeeignet.
Das gleiche gilt für Bremszylinderanordnungen, weil diese sich soweit elastisch
verformen, daß während des größten Teiles der Schwingungsamplitude keine Energievernichtung
stattfindet.
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Es ist bereits bekannt, Reibungskräfte zur Schwingungsdämpfung an
Werkzeugmaschinen zu benutzen. Dabei können zwischen den Wänden eines Maschinengestells
flächenhaft an diesen unter Druck anliegende Reibkörper vorgesehen sein. Die Schwingungen
der Wände bewirken örtliche Verformungen, an denen r-aüch -die an -den. Wänden anliegenden
Flächen der Reibkörper teilnehmen. Dabei kommt es zwischen den anliegenden Flächen
zu Verschiebungen, bei denen durch Reibung Schwingungsenergie aufgezehrt wird.
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Gemäß der Erfindung sind zur Dämpfung der Schwingungen elektrischer
Maschinen mit zylindrischem Ständergehäuse an den Stirnseiten des Ständergehäuses
Ringe angeordnet, die eine größere Steifigkeit als das Ständergehäuse aufweisen
und die durch an mehreren am Umfang verteilten Stellen angeordnete Verbindungsmittel
derart mit dem Ständergehäuse verbunden sind, daß bei Relativbewegungen zwischen
den Ringen und den Stirnflächen des Ständergehäuses der Gehäuseschwingung entgegenwirkende
Reibungskräfte erzeugt werden.
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Bei einer gemäß der Erfindung aufgebauten Einrichtung führen die radialen
Schwingungen des Ständergehäuses zu Relativbewegungen zwischen den Dämpfungsringen
und den Stirnflächen des Ständergehäuses. Hierbei kommt es zu gleitender Reibung
zwischen diesen Teilen, wodurch Schwingungsenergie vernichtet wird. Durch die geeignete
Wahl der Steifigkeit der Dämp_ fungsringe wird erreicht, daß während eines großen
Teiles der Schwingungsamplitude gleitende Reibung auftritt und dabei der Gehäuseschwingung
entgegenwirkende Reibungskräfte erzeugt werden.
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Im Rahmen der Erfindung können als Verbindungsmittel in gleichmäßig
am Umfang des Ständergehäuses verteilte Bohrungen -eingeschraubte Bolzen verwendet
werden, die sich durch Bohrungen in den Dhmpfungsringen erstrecken und gegen deren
Köpfe sich Federn abstützen, welche die Dämpfungs= ringe gegen das Ständergehäuse
drücken.
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Die Bohrungen der Dämpfungsringe können mit Hülsen aus-einem elastischen
Werkstoff mitniedrigem Elastizitätsmodul ausgefüttert sein. Hierdurch werden einerseits
Relativbewegungen zwischen den Dämpfungsringen und dem Ständergehäuse ermöglicht,
und andererseits werden die Dämpfungsringe gegenüber dem Ständergehäuse zentriert.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand "der Zeichnung näher erläutert.
In den F i g. 1 A bis 1 H sind acht verschiedene Arten von Gehäuseschwingungen-
einer vierpoligen elektrischen Maschine mit ausgeprägten Polen dargestellt; F i
g. 2 zeigt eine Stirnansicht eines Ständergehäuses einer elektrischen Maschine mit
einem daran befestigten Dämpfungsring; F i g. 3 ist ein Querschnitt der Anordnung
nach der F i g. 2 entlang der Linie III-III; in der F i g.. .4 ,ist eine. Einzelansicht
eines der Befesti güngsböl'zen - für -den - Dämpfungsring- nach "F'i g: `:
dargestellt; -F i g. 5 zeigt einen Schnitt durch den Befestigungs bolzen entlang
der Linie V-V der F i g. 4; F i g. 6 zeigt eine Seitenansicht eines zweiten Aus
führungsbeispieles der Erfindung; in der' F i g. 7 ist eine Stirnansicht der in
der F i g. t dargestellten zweiten Ausführungsart der Erfindunj gezeigt. ' Zur Erläuterung
der Wirkungsweise des Gegen standes der Erfindung dient -die F i g. 8, die einE
Anordnung von Massen und Federn in schematische: Darstellung zeigt. _ Zunächst sollen
an Hand der F i g. 1 A bis 1 H diE verschiedenen Schwingungsformen der Gehäuse elek
trischer Maschinen erläutert werden. Den Betrach. tungen liegt das zylindrische
Gehäuse 15 mit der vier Polen 16, 17, 18 und" 19- zugrunde.
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In der 171 g. 1 A bewegen -sich die Pole 16, 17, 1i und 19
gleichphasig in radialer Richtung. - Dabe: ändert sich periodisch- der- Gehäusedurchmesser,
während das Gehäuse rin wesentlichen kreisförmig bleibt. Diese Art der Schwingung
tritt häufig bei symmetrischen Ständern mit ausgeprägten Polen auf. Das Gehäuse
ändert seinen- Durchmesser periodisch von der Größe 15 zu beispielsweise dem strichpunktierten
Kreis a', der den" größten Durchmesser des Gehäuses darstellt, und zu dem gestrichelten
Kreis a", der den geringsten Durchmesser wiedergibt.
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In der F i g. 1 B bewegt sich das Gehäuse wie in F i g. 1 A, aber
die Stirnseiten sind um 180° außer Phase. Das Gehäuse bleibt bei dieser Art der
Schvvin= gung nicht zylindrisch, sondern wird zu einem Kegel= stumpf, dessen Basis
zwischen den beiden Stirnflächen des Gehäuses wechselt. Die Vorderseite des Gehäuses
ist durch den strichpunktierten Kreis b' dargestellt, während die hintere Seite
des Gehäuses durch die -strichpunktierte Linie b" angedeutet ist.
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In der F i g. 1 C nimmt das Gehäuse eine vier-Tappige Gestaltung an,
wobei die Pole sich radial mit einem kleinen Teil des Gehäuses bewegen und wobei
der zwischen den Polen befindliche Gehäuseteil sich außer Phase mit der Polbewegung
bewegt. Die Gehäusebewegung ist durch die strichpunktierte Linie c' angedeutet.
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In der F i g. 1 D ist die Art- der Schwingung ein vierlappiger Kegelstumpf,
wobei die Stirnseiten des Gehäuses -sich, wie in F i g. 1 C, aber um 180° außer
Phase bewegen. Die Vorderseite des Gehäuses in F i g. 1 D ist durch die strichpunktierte
Linie d gekennzeichnet, während die hintere Seite durch die strichpunktierte
Linie d" angedeutet ist.
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In F i g. 1 E nimmt das Gehäuse eine elliptische Gestalt mit in der
großen und der kleinen Achse der Ellipse angeordneten Polen an, und die Gestalt
des Gehäuses ist durch die Linie e' angedeutet.
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In F i g. 1 F ist -die Art der Schwingung ein, zweilappiger Kegelstumpf
mit um 180° außer Phase sich bewegenden Gehäuseenden, wobei -die Vorderseite durch
die strichpunktierte Linie f' und die hiritere Seite durch die strichpunktierte
Linie f" angedeutet ist.
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In F i g. 1 G ist der Querschnitt der Gehäuseschwingung ein vierläppiger
Zylinder mit sich winklig in den radialen Knotenpunkten des Gehäuses bewegenden
Polen. Die Achsen der Polrotation sind parallel zu der Gehäuseachse. Diese Bewegung
ist durch die Linie g' gekennzeichnet.
In F i g. 11-1 befinden
sich. die Pole wieder in den radialen Knotenpunkten eier elliptischen Schwingungsart
und rotieren um Achsen parallel zu der Symmetrieachse des, Gehäuses. Diese Bewegung
ist durch die gestrichelte Linie h' angedeutet.
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Bei allen diesen möglichen Schwingungsarten bewegen sieh die Stirnseiten
des Gehäuses mit großen oder maximalen Amplituden. Daher sind die Stirnseiten des
Gehäuses für die Anbringung von dämpfenden Reibungskräften besonders. geeignet.
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Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
In der F i g. 2 ist eine elektrische Maschine mit dem Ständergehäuse 21 und
mit den Polen 22, 23, 24 und 25 dargestellt, die mit den Polschuhen 26, 27, 28 und
29 und den Spulenkörpern 77, 78, 79 und 80 versehen sind. Die Pole können an dem
Ständergehäuse 21 durch irgendwelche geeignete, nicht dargestellte Mittel, beispielsweise
Bolzen, befestigt sein. An der Stirnseite des Gehäuses ist mit Hilfe der Bolzen
31 bis 38 ein Dämpfungsring 30 befestigt, dessen Maße T und b
so gewählt
sind, daß der Dämpfungsring 30 gegenüber radialen Biegekräften eine größere Steifigkeit
aufweist als das Ständergehäuse 21 mit den Maßen B und t (F i g. 3). Die Bolzen
gehen durch in der F i g. 2 nicht gezeigte Bohrungen in dem Dämpfungsring 30 hindurch
und greifen in ebenfalls nicht dargestellte Gewindebohrungen des Gehäuses ein.
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Weitere Einzelheiten sind der F i g. 3 zu entnehmen, die einen Querschnitt
nach der Linie III-III der F i g. 2 zeigt.
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Es ist zu sehen, daß das Gehäuse einen weiteren Dämpfungsring
40 an der anderen Stirnseite des Gehäuses besitzt, der in ähnlicher Weise
wie der Dämpfungsring 30 mit dem Gehäuse durch Bolzen verbunden ist, von denen ein
Teil in der F i g. 3 gezeigt und mit 41, 45, 46, 47 und 48 bezeichnet ist.
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Die an ihren Enden mit Gewinde versehenen Bolzen erstrecken sich durch
Bohrungen der Dämpfungsringe 30 und 40 und sind in Gewindebohrungen des Ständergehäuses
21 eingeschraubt. Die Bohrungen der Dämpfungsringe 30 und 40 haben einen
größeren Durchmesser als die Bolzen. Der zwischen den Bolzen und den Bohrungen der
Dämpfungsringe 30 und 40 verbleibende Raum ist durch Hülsen aus einem elastischen
Material mit niedrigem Elastizitätsmodul ausgefüllt.
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In der F i g. 3 ist die beschriebene Anordnung am Beispiel der Bolzen
31, 35 und 41 zu ersehen. Die genannten Bolzen erstrecken sich durch die Bohrungen
51, 55 und 50 der Dämpfungsringe 30 und 40 und sind mit ihren Gewindeenden 71, 75
und 58 in die Gewindebohrungen 72, 76 und 59 des Ständergehäuses 21 eingeschraubt.
52, 56 und 54 sind die Hülsen aus elastischem Material, die radiale Verschiebungen
der Dämpfungsringe 30 und 40 gegenüber den Bolzen und damit dem Ständergehäuse 21
ermöglichen. Ferner sind die Dämpfungsringe im Ruhezustand durch die elastischen
Hülsen gegenüber dem Ständergehäuse zentriert.
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Die Dämpfungsringe 30 und 40 werden durch Federn, die
sich gegen die Bolzenköpfe abstützen, gegen die Stirnseiten des Ständergehäuses
21 gedrückt. In der F i g. 3 sind die den Bolzen 31, 35 bis 38 und 41 zugeordneten
Federn 61, 65 bis 68 und 49 eingezeichnet. Zwischen die Dämpfungsringe und die Stirnseiten
des Ständergehäuses sind über jeden Bolzen konische Unterlegscheiben eingelegt,
die so bemessen sind, daß sie unter dem Druck der Federn nahezu flach gepreßt werden.
Beispielsweise sind über die Bolzen 31, 35 und 41 die Ui iterlegscheiben 81, 85
und 57 eingelegt.
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Die Anordnung der Federn, der elastischen Hülsen und der Unterlegscheiben
stimmt bei allen Bolzen überein. Da die magnetischen Störkräfte am Umfang des Ständergehäuses
mit Polteilung- verteilt sind, ist es vorteilhaft, die Dämpfungskräfte'ähnlich zu
verteilen, indem für jeden der beiden @Dämpfungsringe Befestigungsbolzen vor den
Polen und in der Mitte zwischen den Polen vorgesehen. sind, wie es die F i g. 2
zeigt: Durch die Verwendung der Unterlegsdheiben wird erreicht, daß die Dämpfungskräfte
nur in der Umgebung der Bolzen erzeugt werden.
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Die F i g. 4 und 5 zeigen in zwei Ansichten einen gegenüber der F
i g. 3 vergrößerten Ausschnitt mit einer genaueren Darstellung der 'Umgebung des
Bolzens 41 mit den angrenzenden Teilen des Ständergehäuses 21 und des Dämpfungsringes
40. Das Gewindeende 58 des Bolzens 41 ist in die Gewindebohrung 59 des Ständergehäuses
21 eingeschraubt. Der Dämpfungsring 40 wird mittels der Feder 49 über die zwischengelegte
flachgepreßte Unterlegscheibe 57 gegen die Stirnseite des Ständergehäuses 21 gedrückt.
Durch die elastische Hülse 54 wird der Dämpfungsring 40 gegenüber dem Bolzen 41
zentriert.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der F i g. 6
in einer Seitenansicht und in der F i g. 7 in einer Stirnansicht dargestellt.
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Das Ständergehäuse 83 der elektrischen Maschine mit der Welle 150
ist mit Füßen versehen, von denen in den F i g. 6 und 7 die Füße 141, 142 und 143
eingezeichnet sind. Das Ständergehäuse 83 ist mit zwei Reihen fluchtender angegossener
Ösen versehen. Hiervon zeigt ie F i g. 6 auf der einen Seite des Ständergehäuses
83 die Ösen 91 bis 95 und auf der anderen Seite die Ösen 96 bis 100. Die F i g.
7 zeigt die weiteren angegossenen Ösen 144 bis 146.
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Die Dämpfungsringe 87 und 88 werden durch die Bolzen 111 bis 115 und
116 bis 120 und die nicht bezeichneten Federn gegen die Stirnflächen der Ösen gedrückt.
Zwischen die Stirnflächen der Ösen und die Dämpfungsringe sind, wie in dem ersten
Ausführungsbeispiel, konische Unterlegscheiben eingelegt, die durch die Federkräfte
nahezu flach gepreßt werden. Die Anordnung der Unterlegseheiben 101 bis 105 und
106 bis 110 ist aus der F i g. 6 zu entnehmen.
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Weiterhin sind die elastischen Hülsen 121 bis 125 und 126 bis 130
vorgesehen, um die Dämpfungsringe 87 und 88 gegenüber dem Ständergehäuse 83 zu zentrieren
und diesem gegenüber radiale Verschiebungen zu ermöglichen.
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Bei ausreichender Steifigkeit der Dämpfungsringe werden große Relativbewegungen
zwischen ihnen und dem Ständergehäuse auftreten, und zwar bei jeder Art von Schwingungen
mit großer Energievernichtung an den Reibflächen. Für symmetrische Arten von Schwingungen,
wie sie in den F i g. 1 A bis 1 H dargestellt sind, werden alle Reibungskräfte im
Gleichgewicht sein, und es ergibt sich keine wesentliche Reaktion auf die Maschinenbasis
oder das Fundament.
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Die Wirkungsweise des Gegenstandes der Erfindung wird nachstehend
an Hand der F i g. 8 kurz erläutert.
Theoretisch ist, die Reibungskraft,
die zwischen dem Ständergehäuse und den Oberflächen der Dämpfungsringe entsteht,
eine nichtlineare Größe, die stets- der relativen Gleitgeschwindigkeit zwischen
den Oberflächen entgegengesetzt ist, aber- im wesentlichen unabhängig von, der Größe
der Geschwindigkeit ist. .Infolge ihrer- nichtlinearen Eigenschaft ist es günstiger,
die -Wirkungsweise der Erfindung an Hand einer Energiebetrachtung . zu - erläutern
als durch Untersuchung des Kräftegleichgewichtes. -Es wird nun insbesondere auf
F i g. 8 verwiesen. Die Wirkung der Oämpfungsringe gegenüber den verschiedenen Arten
von- Gehäuseschwingungen kann durch die- Beziehungen dargestellt werden, die sich
an dein in -der F i g. 8 dargestellten System ableiten lassen. Die effektive Gehäusemasse
und die Biegungssteifigkeit des. gegebenen Gehäuses sind mit M bzw. SM bezeichnet;
als ob sie die einzelne an der Feder aufgehängte Masse nach F i g. 8 darstellen
würden. 1V1 ist einer periodischen Störkraft P cos w t ausgesetzt. Die Dämpfungsringe
sind. durch die Masse m an einer Tragfeder mit der Steifigkeit S@ dargestellt; die
Mässe m. ist gegenüber der Masse M so angeordnet, . daß Reibungskräfte der Größe
.F auftreten können.-