DE1538730A1

DE1538730A1 - Magnetostriktive Vorrichtung zum Bewirken eines begrenzten Bewegungshubes

Info

Publication number: DE1538730A1
Application number: DE19661538730
Authority: DE
Inventors: Bergstrand Gunnar Magnus; Per-Arne Tove
Original assignee: BERGSTRAND GUNNAR MAGNUS
Current assignee: BERGSTRAND GUNNAR MAGNUS
Priority date: 1965-05-26
Filing date: 1966-05-25
Publication date: 1969-09-11
Also published as: SE336832B; DK113591B; GB1124127A; US3439199A

Description

Dipl.-lng, Heinz Uff·γ -ι coo7or»

fetenfamwolt I Ö <ί ö / J U

8 MOndien 61, Cosimastrafi· 81 · Teiefom (0611) 483820 ■ Τ·1·χι 05-24351

25. 5. 1966 Og/bo L 7518

Gunnar Magnus Bergstrand

Gökvägen 75* Näsbypark, Schweden, und ,

Per-Arne Tove, Ringvägen "$6, üppsala, Schweden

Magnetostriktive Vorrichtung zum Bewirken eines begrenzten

Bewegungshubes

Die Erfindung bezieht sich auf eine magnetostriktive Vorrichtung zum Bewirken eines begrenzten Bewegungshubes unter dem Einfluss eines magnetischen Feldes. ~

Unter Magnetostriktion versteht man die Längenänderung eines langgestreckten Körpers unter dem Einfluss eines magnetischen Feldes. Es ist bekannt, dass es Stoffe mit positiver Magnetostriktion und Stoffe mit negativer Magnetostriktion gibt, wobei als massgebender Faktor der Werkstoff in Betracht zu ziehen ist. Es ist nun festzuhalten, dass die relative

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Längenänderung der meisten Stoffe verhlltnisaaässig klein ist, dass diese kleine Längenänderung aber innerhalb gewisser Grenzen vergrösserbar ist, weiaaa man langgestreckte Körper positiver und negativer Magnetostriktion abwechselnd derart in einer Kette miteinander verbindet, dass die positiven und negativen Längenänderungen zu einer Bewegungsphase addierbar sind, die nur in einer Hielifeumg ausgerichtet ist.

Da nun die relative Längenänderung verfoültniSBiässig klein ist, ist man daran Interessiert, solche magnetostriktiven Werkstoffe zu verwenden, die die absolut grossten Werte aufweisen, Hier wäre insbesondere auf bestirnte Itetallferrite, wie beispielsweise Kobaltferrite, hinzuweisen, die verhält-Bismässig hohe magnetostriktive Werte aufweisen und bei welchen durch Messungen beispielsweise festgestellt wurde, dass ein magnetisches Feld die Länge eines aus Köbaltferrit hergestellten Stabes um mehr als ICT⁴Ii verkürzt werden kann. Ein solcher Wert liegt vergleichsweise höher als die Werte, die. sich in der einschlägigen Literatur finden. In diesem Zusammenhang muss aber nun festgehalten werden, dass gesiaterte Oxydpulver sehr spröde sind, insbesondere dann, wenn sie Zugspannungen oder Biegespannungen ausgesetzt werden, was selbst dann festzustellen ist, wenn solche Stäbe sehr druckwiderstandsfähig sindj es wäre in diesem Zusammenhang weiter-

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Schreiben vom 25.5.1966 betr. Magnetostriktive Vorrichtung Blatt *r

hin darauf hinzuweisen, dass gesinterte Werkstoffe nur sehr schwer mit anderen Werkstoffen, beispielsweise Metallen, in Verbindung bringbar sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine solche magnetostriktive Vorrichtung in Vorschlag zu bringen, mit welcher es möglieh ist, nicht nur grosse Kräfte zu übertragen, sondern auch einen verhältnismässig grossen Bewegungshub zu bewirken. Der Erfindung ist insbesondere die Aufgabe zugrunde gelegt, die Anwendung hoehmagnetostriktiver gesinterter Werkstoffe zu ermöglichen, obwohl diesbezüglich keine Beschränkung ausgesprochen werden soll. Zur Lösung dieser Aufgaben wird nun erfindungsgemäss vorgeschlagen, eine Vielzahl positive und negative Magnetostriktion aufweisender langgestreckter Körper in mindestens einer Reihe parallel zueinander und nebeneinander derart anzuordnen, dass jeweils ein langgestreckter Körper mit positiver Magnetostriktion neben einem solchen mit negativer Magnetostriktion liegt. Die Enden benachbarter Körper sind nun erfindungsgemässekonstruktiv derart ausgebildet, dass benachbarte Körper in loser Verbindung mit^in/nander stehen, es ist , also für eine Art Zickzack-Verbindung der Körper Vorsorge ge- -_; troffen, so dass dadurch eine kontinuierliche Kette gebildet wird, die fähig ist, Kräfte in der Längsrichtung der Stäbe zu übertragen. Schliesslich ist noch dafür gesorgt, dass das freie Ende des ersten Körpers der Reihe auf einer stationären Unterlage ruht, während das freie Ende des letzten Körpers der Reihe

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Dipl.-lng. Heinz Lesser, Patentanwalt

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mit einem bewegbaren Glied in Wirkverbindung steht.

Erfindungsgemäss weist deshalb Jeder zweite Körper an seinen beiden Enden sich nach verschiedenen Richtungen erstreckende Haken auf, so dass diese Haken mit den Stirnflächen der dazwischen liegenden Körper in Wirkverbindung stehen. Bei einer bevorzugten erfindungsgemassen Ausführungsform weisen die langgentreckten Körper mit der grössten Zugfestigkeit, also im allgemeinen die metallischen Stäbe guter positiver Magnetostrikt ion, solche Haken auf. Es ist dann in diesem Zusammenhang wichtig, darauf hinzuweisen, dass die mit diesen Haken in Wirkverbindung stehenden langgestreckten Körper lediglich Druckkräfte zu übertragen haben, da die auftretenden Biegespannungen dadurch unschädlich gemacht werden können, dass sich die Stäbe über ihre Länge gegenseitig stützen, diese Stäbe sollten daher über ihre Länge aneinander anliegen.

Es wird später im Zusammenhang mit der Beschreibung der Ausführungsbeispiele noch darauf hingewiesen werden, dass mehrere Reihen in der erfindungsgemassen Art und Weise lose miteinander in Verbindung stehender Körper zu einer ein Bündel bildenden Einheit zusammengefasst werden können, diese Einheit weist dann ein sehr dichtes Gefüge auf. Ein wesentlicher Vorteil gemäss der Erfindung ist somit darin zu finden, dass derartige Vorrichtungen sehr billig sind, weil in ihrer Form ver-

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hältnismässig einfache Stäbe verwendet werden können, die wirtschaftlich mit sehr niedrigen Kosten herzustellen sind und die in einfacher Art und Weise zu Einheiten gewünschter Grosse kombiniert werden können. .

Das ein magnetisches Feld erzeugende Solenoid kann mit Gleich- oder Wechselstrom beaufschlagt werden. Eine mit Gleichstrom arbeitende Vorrichtung bewirkt eine Bewegungsphase konstanter Grosse, 'eine solche Vorrichtung ist daher anwendbar beispielsweise für die Steuerung von Ventilen einer bestimmten Art. Kommt Wechselstrom zur Anwendung, dann wird das bewegbare Glied in Abhängigkeit mit der Periode des Stromes einer oszillierenden Bewegung unterworfen, eine solche Vorrichtung eignet sich beispielsweise für das Stempeln verschiedener Werkstoffe, beispielsweise Metall, und zwar deshalb, weil das Oszillieren das Arbeiten wesentlich erleichtert.

Im Rahmen des Erfindungsgedankens ist es nun·weiterhin möglich, die Grosse des Ausschlages einer solchen mit Wechselspannung arbeitenden Vorrichtung beträchtlich zu steigern, beispielsweise auf mehr als das Zehnfache, wenn die Gesamtmasse der Vorrichtung in Resonanz mit der Periode des Wechselstromes zum Schwingen gebracht wird. Eine solche Resonanzbewegung, die in der bekannten Art und Weise über eine elastische Lagerung ver-

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DIpl.-Inq. Heinz Leuer, Patentanwalt Schreiben vom 25.5· 1966 betr. Magnetostriktive Vorrichtung Blatt "6

stärkt werfen kann, lässt sich entweder durch das Anpassen der natürlichen Frequenz der Masse an die Periode oder durch das Anpassen der Periode an die natürliche Frequenz erzielen. Im letzteren Fall ist es möglich, einen Transistorschwinger zu verwenden, dessen Frequenz der , Frequenz des mechanischen Systems dadurch anpassbar ist, dass geeignete Bauteile oder eine magnetische Kupplung in dem Schwingsystem verwendet wird. Die schwingende Bewegung, die in bekannter Art und Weise vergrössert werden kann, kann auch durch an sich bekannte Mittel gedämpft werden, beispielsweise durch mechanische oder hydraulische Filter, so dass nur der Mittelwert dieser Bewegung übertragen wird und somit das System ohne beachtenswerte Schwingung einen beträchtlich grösseren Bewegungshub ausführt.

Es wurde eingangs bereits darauf hingewiesen, dass nur Werkstoffe höchster Magnetostriktion verwendet werden sollen. In diesem Zusammenhang wurde bereits auf eine Eisen-Kobalt-Legierung (30 % Fe, 70 % Co) hingewiesen die einen Koeffizienten von 130 χ 10"" für die positive Magnetostriktion aufweist, sowie auf ein Kobaltferrit (CoFpOh), die einen Koeffizienten von -110 χ 10 für die negative Magnetostriktion aufweist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand mehrerer in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher beschrieben;

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Diph-Ing. Heinz Lesser, Patentanwalt

Schreiben vom 25.5.1966 _Mr. Magnetostriktive Vorrichtung _Blott

Es zeigt:

Pig. 1 eine schematische Seitenansicht eines ersten vereinfachten Ausführu^gsbeispieles zum Zwecke der Veranschaulichung des Erfindungsgedankens;

Pig. 2 und J5: Endansichten zweiter weiterer Ausführungsbeispiele, jeweils ein Bündel magnetostriktiver Körper darstellendj

Fig. k einen Axialschnitt durch eine magnetostriktive Vorrichtung gemäss einem weiteren Ausführungsbeispiel, die der Steuerung eines Ventils dient;

Fig. 5 das Schaltbild eines Transistorschwingers, der einer magnetostriktiven Vorrichtung gemäss der Erfindung zugeordnet ist.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, besteht die erfindungsgemässe Vorrichtung aus einer Reihe, eine glatte Oberfläche aufweisender Stäbe 5*6 und etwa Z-fö'rmig gestalteten Stäben 7, das heisst die Enden dieser Stäbe 7 sind mit Haken 8 versehen, welche sich nach verschiedenen Richtungen erstrecken. Die oberen Haken 8 zweier innerer Stäbe 7 sind aufeinander zu gerichtet, sie stehen in Wirkverbindung mit dem oberen Ende eines eine glatte Oberfläche aufweisenden zentralen Stabes 5, dessen anderes Ende mit einer auf einer stationären Unterlage 9 ruhenden Druckfeder 10 in Wirkverbindung steht.

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Die unteren Haken der Stäbe 7 stehen mit den Stirnflächen der neben ihnen angeordneten Stäbe 6 in Wirkverbindung, eine solche Zuordnung benachbarter Stäbe kann in beliebiger Zahl wiederholt werden. Bei der Anordnung ist lediglich darauf zu achten, dass beide Stabketten,bezogen auf den zentral angeordneten Stab 5*eine identische Anzahl von Stäben 6,7 aufweisen. Der jeweils letzte Stab jeder Stabreihe 6,7 steht durch die Kraft der Feder 10 in Wirkverbindung mit einem stationären Bauteil 11.

Aus der Zeichnung ist ersichtlich, dass die Stäbe über ihre Länge miteinander in Berührung stehen, so dass sie sich gegenseitig abstützen, das !gezeichnete Bündel von Stäben kann von einer nicht dargestellten Hülse umfasst sein, die das ein magnetisches Feld erzeugende Solenoid trägt. Benachbarte Stäbe haben nun unterschiedliche Magnetostriktion, das heisst, ein Stab mit positiver Magnetistriktion ist neben einem solchen mit negativer Magnetostriktion angeordnet. Eine Ausnahme bildet lediglich der zentral angeordnete Stab 5, der aus einem solchen Werkstoff hergestellt sein kann, welcher als neutral hinsichtlich der Magnetostriktion zu bezeichnen ist. Weiter oben wurde bereits darauf hingewiesen, dass nun die Stäbe 6 aus gesintertem Werkstoff mit negativer Magnetostriktion" hergestellt sind, während die Haken aufweisenden Stäbe 7 aus Metallen mit positiver Magnetostriktion hergestellt sind.

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Sdn«ib«n vom 25» 5 . 1966 b«tr. Magnetostriktive Vorrichtung Blatt «9v

Die oberen Enden der zwei inneren Z-förmig ausgebildeten Stäbe 7 tragen nun einen konisch ausgebildeten Körper 12, der das die Bewegung übertragende Glied darstellt. Wird nun das Bündel aus Stäben 6,7 durch das magnetische Feld eines Solenoid beeinflusst, dann wird sich der Körper 12 nach oben bewegen, und zwar deshalb, weil jeder zweite Stab 6 relativ verkürzt, während die dazwischen angeordneten Stäbe 7 relativ verlängert werden. Wird ani'/das Solenoid ein Wechselstrom angelegt, dann wird das Bündel aus Stäben 6,7 einer schwingenden Bewegung ausgesetzt, und zwar entsprechend der Periode eines solchen Wechselstromes. Der Körper 12 dient dann, wie an sich bekannt, als mechanischer Bewegungsformer, das heisst, die Querschnittsfläche des Körpers 12 verringert sich exponential , so dass auf diese Art und Weise die Bewegung auf mehr als das Zehnfache.gesteigert werden kann. Wie weiterhin bekannt, kann eine solche schwingende Bewegung durch in der Technik bekannte Mittel gedämpft werden, so dass der beträchtlich

gesteigerte Bewegungshub in einem Mittelwert zur Verfugung steht. -

In diesem Zusammenhang wäre darauf hinzuweisen, dass die relative !Bewegung zwischen zwei benachbarten Stäben unter bestimmten Bedingungen verhältnismässig klein ist, wird die Reibung zwischen den Stäben als schädlich empfunden, dann können alle Stäbe oder wenigstens einige der Stäbe mit einem die

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Reibung vermindernden Belag, beispielsweise in der Form eines dünnen Teflon-Filmes, versehen werden.

Die Figuren 2 und J5 zeigen zwei weitere ÄusfiShrungsbeispiele von Stabbündeln, die für den praktischen Einsatz besser geeignet sind als Stabbündel gemäss dem ersten Ausführungsbeispiel. In beiden Fällen sind die Stabketten in der gleichen Art und Weise wie die Stabketten gemäss Fig. 1 aufgebaut, das heisst, es 1st wiederum ein zentraler erster Stab 5 vorhanden, der auf einer stationären Unterlage ruht, hier sind jedoch die Stäbe schraubenförmig um diesen Stab 5 herum angeordnet, so dass das Stabbündel eine quadratische Umrissform (Fig. 2) bzw. eine runde Umrissform (Fig. 3) beispielsweise erhält. In beiden Ausführungsbeispielen weisen die aus gesinterfcem Werkstoff hergestellten Stäbe 6 quadratischen Querschnitt auf, während die metallischen Stäbe 7, die mit Haken versehen sind, im /wesentlichen rund sind. Das in Fig. 2 dargestellte Stabbündel ist zusammengesetzt aus zwei Reihen von Stäben, von denen ;jede Reihe aus zwölf runden Stäben f und zwölf quadratischen Stäben 6 besteht. Am Ende Jeder Reihe sind zwei quadratische Stäbe 6¹ angeordnet, die, wie im Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1, mit einer stationären Unterlage in Wirkverbindung stehen. Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel sind drei symmetrisch angeordnete EndstMbe vorgesehen, um so einen besseren Ausgleich zu ermöglichen. Es sollte in diesem Zusammenhang darauf hingewiesen werden, dass

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Dipl.-lng. Heinz Lesser, Patentanwalt

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zur Vereinfachung der Darstellung die Stäbe in den Figuren 2 und 35 mit gegenseitigem lichten Abstand dargestellt wurden, diese Stäbe stehen in Wirklichkeit ebenfalls untereinander in Berührung, um den Vorteil zu erzielen, wie er anhand des ersten Ausführungsbeispieles bereits beschrieben ,wurde. Um die schraubenförmige Umrissform der Stabketten zu erzielen, ist es offensichtlich erforderlich, die Haken 8 wenigstens s einiger Stäbe 7 mit einem Winkel von. weniger als l80° zueinander in dem Verbund des Bündels zu versehen. In einigen Fällen kann auch ein Winkel von 90° erforderlich sein, wie dies aus den Figuren 2 und 3 ersichtlich ist.

In Fig. 4 ist das Bündel der Stäbe zum Zwecke zeichnerischer Vereinfachung ähnlich dem Bündel des in Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispieles dargestellt. Es.soIIb hier vermerkt werden, dass auch diese Stäbe so angeordnet sein können, wie dies die Figuren 2 und 3 des zweiten und dritten Ausführungsbeispieles zeigen. Das Stabbündel wird von einer Isolierhülse 13 umfasst, diese Hülse trägt das Solenoid l4, welches mit Qleich-oder Wechselstrom beaufschlagt werden kann. Das Solenoid l4 ist seinerseits von einer Hülse 1-5 aus Grauguss umgeben. Diese Hülse 15 weist einen Deckel 16 auf, der in Wirkverbindung mit dem jeweils letzten Stab einer Reihe des Stabbündels steht. An dem dem Deckel 16 entgegengesetzten Ende ist dem Stabbündel ein aus zwei Teilen bestehender Block 17 zugeordnet, der ein zentrales Ventilgehäuse 18 bildet» Die

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vom 25. 5. I966 betr. Magnetostriktive Vorrichtung _B|_att Vt

zentrale stationäre Unterlage 5 des Stabbündels ruht auf dem freien Ende einer Kolbenstange 19, die ihrerseits einen unter der Vorspannung einer Feder 21 stehenden Ventilteller im VeH-tilgehäuse 18 trägt. Dabei ist eine solche Anordnung gewählt,~ dass das Stabbündel 5, 6, 7 zwischen dem Deckel l6 und der Stirnfläche des Kolbens 19 gehalten wirdj es ist also eine Anordnung ähnlich der in Fig. 1 dargestellten getroffen. In der Ausgangslage, die in der Fig. 4 dargestellt ist, wM der Ventilteller 20 durch das Stabbündel gegen den Ventilsitz 22 gedrückt, so dass die Leitung 23 zum Zuführen einer Druckflüssigkeit abgeschlossen ist. In dieser Lage des Ventiltellers steht ein Auslass 25 mit· einem Kanal 24 in Verbindung, dieser Kanal 24 kann beispielsweise an einen Zylinder od.dgl. angeschlossen werden. Wird nun das Solenoid 14 mit einem Strom beaufschlagt, dann lässt das Stabbündel ein Bewegen der Kolbenstange 19 nach oben unter Einfluss der Feder 21 zu, der Ventilteller 20 kommt daher in Wirkverbindung mit dem Ventilsitz 26, so dass der Auslass 27 ausser ^; Anschluss mit dem Kanal 24 kommt, Kanal 24 ist dann an die Leitung 23 angeschlossen. Das in Fig. 4 dargestellte Ausführungsbeispiel ist nur ein solches vereinfachter Ausführungsform zur Darstellung der Verwendung der erfindungsgemässen Magnetostriktiven Vorrichtung. Es sollte hier auch noch darauf hingewiesen werden, dass der magnetostriktiven Vorrichtung verschiedene Mittel zum Vergrössern des Bewegungshubes und/oder Mittel zum Dämpf en der durch den Weehselr

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Schreib™ vom 25»5.1966 b«tr, / Magnetostrictive Vorrichtung _Blatt g

strom bewirkten Schwingbewegung zugeordnet sein können, auf solche Mittel wird nachstehend im Zusammenhang mit der Beschreibung des in Pig. 5 dargestellten Ausführungsbeispieles hingewiesen.

Der in Pig. 5 dargestellte Transistorschwinger ist als , solcher in der Teohnik bekannt, er ist dazu geeignet, die Periode eines Wechselstromes der natürlichen Frequenz der Vorrichtung anzupassen. Ein Anschluss einer Batterie 27 oder einer ähnlichen Gleichstromquelle ist über eine Leitung 28 mit der zentralen Zapfstelle eines Solenoids.29 verbunden, das das erforderliche magnetische Feld erzeugt. Ein Leiter 30, der einen Regelwiderstand 31 aufweist, verbindet den anderen Pol 27 mit dem Emifctor des Transistors 32. Ein Kondensator ist parallel zu dem Regelwiderstand 31 geschaltet. Ein Leiter 34 verbindet den Kollektor des Transistors 32 mit dem einen Ende des -Solenoid 29, dessen anderes Ende mit der Basis des Transistors über einen Leiter 35, der' einen Kondensator aufweist, verbunden ist. Ein Widerstand 37 verbindet.den Leiter 28 mit deni Kondensator 36 und Basis des Transistors 32 verbindenden Leiter, ein Widerstand 38 verbindet den Leiter von Kondensator 36 und Basis des Transistors 32 mit dem Leiter Die zwei Leiter 34 und 35 stehen über einen Abstimmkondensator miteinander in Verbindung, der parallel zu dem Solenoid 29 angeordnet ist. Es ist demzufolge möglich, die Frequenz des

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Dlpl.-Ing. Η·!ηζ Uuer, Patentanwalt

SAr*ib«nvom 25. 5, 1966 betr. Magnetostriktiv« Vorrichtung Blatt *^

Stromes in Abhängigkeit von der natürlichen Frequenz des mechanischen Systems zu regeln. Der Regelwiderstand 31 er-•möglicht eine Regelung der Amplitude beispielsweise dann, wenn Drosselventile zu steuern sind. Die auf Gleichstrom arbeitende Batterie 27 kann auch durch eine Wechselstromquelle und einen dieser zugeordneten Gleichregler ersetzt werden.

Patentanwalt Dipl.-!ng. Heinz Lesser

München. 61 Coilmastraß· 81 909837/0678

Claims

Schreiben vom 25« 5.' 1966 betr. Magnetostriktjve Vorrichtung Blatt

Patentansprüche

.) Magnetostriktive Vorrichtung zum Bewirken eines begrenzten Bewegungshubes unter dem Einfluss eines magnetischen Feldes, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl positive und negative Magnetostriktion aufweisender langgestreckter Körper (6,7) in abwechselnder Magnetostriktion in Reihe nebeneinander derart angeordnet sind, dass die Enden benachbarter Körper abwechselnd in loser Verbindung, dabei eine kontinuierliche in'Längsrichtung der Körper Kräfte tibertragende Kette bildend, miteinander stehen, wobei das freie Ende des ersten Körpers der Reihe auf einer stationären Unterlage ruht, während, das freie Ende des letzten Körpers der Reihe in Wirkverbindung , mit einem bewegbaren Glied steht.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennz e i ch η e t , dass jeder zweite langgestreckte Körper (7) an seinen beiden Enden mit je einem Haken (8) versehen ist, die, sich nach verschiedenen Richtungen erstreckend, mit den Stirnflächen benachbarter Körper (5,6) in Wirkverbindung stehen.

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Dlpl.-lng. Heinz Lesser, Patentanwalt

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3· Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , dass sich mindestens zwei Kräfte tibertragende Ketten von einem gemeinsamen zentralen Unterstützungsglied erstrecken.

4, Vorrichtung nach Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet, dass die Ketten in Bezug auf das zentral angeordnete UnterstUtzungsglied schraubenförmig zu einem kompakten Stabbündel angeordnet sind.

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