DE1938092A1 - Hydrodynamische Kupplung oder Bremse mit elastischer Ventilationsblende - Google Patents

Description

ap/A 2955 · . ■ -Voith Getriebe KG

Kennwort: "Blendenaniage" Heidenheim (Brenz)

Hydrodynamische Kupplung oder Bremse mit elastischer Ven.til-atlonsbl.ende

(Zusatz zu Patent .... (Patentanmeldung P 16 75 265.9))

Die Erfindung betrifft einen hydrodynamischen Arbeitskreislauf, insbesondere eine Bremse mit vorzugsweise am Außenumfang des Arbeitsraumes vor jedem Schaufelkanal angeordneten elastischen Zungen, die sich unter dem Druck de.r Arbeitsflüssigkeit an den Schaufelkanalgrund anlegen und bei von Arbeitsflüssigkeit entleertem Arbeitsraum, sich wieder aufrichtend, in den Schaufelkanal* hineinragen, insbesondere nach Patent .... (Patentanmeldung P 16 75 263.9), .

Es hat sich bei der Erprobung derartiger Ventilationshindernisse gezeigt, daß die elastischen Zungen nach relativ wenigen Schaltungen abbrechen. Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist darin gelegen,· solche ZungenbrÜcke durch geeignete Detailausbildung der beteiligten Einzelteile zu vermeiden. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Oberfläche des Schaufelkanalgrundes im Bereich der Anlage der elastischen Zungen nur eindimensional gekrümmt ist. _ < '

Wie die Versuche gezeigt haben, erzeugte der ehemals im Bereich der Anlagestelle zweidimensional gekrümmte Schaufelkanalgrund in der Metallzunge beim Anlegen hohe. Spitzenspannungen, die zu Abrissen, und.zwar zu einem stets wiederkehrenden Abrißbild führten. Diese Spannungsspitzen werden entweder da*· durch vermieden, daß die jeweiligen Anlageflächen lediglich eindimensional oder zylindrisch gekrümmt ausgeführt werden oder aber nach einem anderen Erfindungsgedanken dadurch, daß die Metallzungen jeweils in einzelne nebeneinander liegende, schmale» vorzugsweise etwa 3-5mm breite Streifen zerlegt werden. Eine Spannungserhöhung in diesen schmalen Streifen auf Grund einer

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zweidimensional .gekrümmten Unterlage ist unerheblich.

Eine weitere Maßnahme zur Verminderung der Abrißgefahr ist darin gelegen, .die Anlagefläche der Zungen möglichst glatt auszubilden, und zwar die Rauhigkeiten vorzugsweise auf 16 bis 25yum zu reduzieren, was nach DIN Jl41 einer mit zwei Bearbeitungszeichen gekennzeichneten Oberflächenbeschaffenheit entspricht. Die Versuche hatten nämlich ferner gezeigt, daß sich bei den Arbeitskreisläufen der eingangs genannten Art die Sandgußrauhigkeiten der Schaufeltaschenoberfläche in die sehr dünnen Metallzungen, beim Aufschlagen auf die Anlagefläche eindrücken und so- Ausgangspunkte für spätere Abrisse ausbilden. Diese Abrisse werden durch die glatte Ausführung der Anlagefläche vermieden. Insbesondere in Verbindung-mit einer eindimensional gekrümmten Anlagefläche sind die Abrißursachen dadurch schon weitgehend beseitigt, .

Zum noch weiteren Abbau der Abrißgefahr ist es ferner sachdienlich, die Zungen, wie nach einem weiteren Gedanken der Erfindung vorgesehen, in Umfangsrichtung insgesamt so breit wie möglich und in ihrer radialen Erstreckung derart auszubilden, daß sie zusammen genommen etwa 12-25 % der Querschnittsfläche des Arbeitsrauines im Schaufelradspalt überdecken. Aufgrund dieser kleinflächigen Ausbildung werden die Zungen sehr kurz, die Eigenschwingungszahlen sehr hoch und die Eigenschwingungsausschlage sehr gering. Dies trägt ebenfalls zu einer Erhöhung der Lebensdauer der Zungen bei, ohne daß durch die Verkleinerung der am Außenümfang konzentrierten Fläche dieser elastischen Strömlings· hindernisse deren Wirkung, nämlich die Verringerung der Luftzirkulation, nennenswert beeinträchtigt wird.

Da bei den meist schräg gestellten Schaufeln in den Schaufelrädern ein Abguß nur mit zerstörbarem Schaufeltaschenkern möglich ist, kommen somit praktisch lediglich Sandkerne für die Schaufeltaschen in Frage, deren Rauhigkeit sich am Abguß abbildet, \M nicht die Anlagestellen der Metallzungen in Jeder Sehaufeltasche eigens spanabhebend bearbeiten zu müssen, was bei schräg gestellten Schaufeln auf erhebliche Schwierigkeiten

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stoßen würde, wird in weiterer Ausgestaltung des Erfindungsgedankens vorgeschlagen, daß die Anlagestellen der elastischen Zungen in den Schaufeltaschen jeweils aus einem hinsichtlich Krümmung und Rauhigkeit entsprechend ausgebildeten, steifen, die ungeeignete Oberfläche des Schaufelrades überdeckenden Blech gebildet wird. Diese Einlegebleche können als Einzelotücke, segmentweise oder zu einem geschlossenen Ring kammartig zusammenhängend zwischen dem Gehäuseflansch eingeklemmt werden. Es ist in fertigungstechnischer wie auch in konstruktiver Hinsicht von besonderem Vorteil, die elastischen Zungen ebenfalls als Einzelstücke, segmentweise oder zu einem geschlossenen Ring kammartig zusammenhängend - an die zugehörigen Einlegebieche mittels elektrischer Punktschweißungen zu befestigen, und so die Zungen mit den Einlegeblechen zusammen in das Gehäuse einzubauen. .

Pie Anlegestellen ließen sich in ihrer Oberfläche auch dadurch glatt ausbilden, daß der Sehaufelkanalkern, zumindest im Bereich der Anlage der Zungen, eine eindimensional gekrümmte und glatt ausgebildete Stahlplatte oder dergleichen aufweist, oder daß der ganze Schaufelkanalkern aus Stahl besteht. Dann sollten jedoch die Schaufeln z.B. des schrägbeschaufelten Bremsstators wenigstens auf der Unterseite schraubenflächenförmig verwunden sein, damit die Schaufeltaschenkeme zusammenhängend ausgebildet werden können, und durch eine Schraubbewegung aus dem fertigen Abguß herausgehoben werden können.

Einen weiteren Ausgangspunkt für Abrisse der elastischen Zungen bilden die Mik'rorisse, die durch das Ausschneiden oder Ausstanzen der Zungen aus einer Blechtafel oder von einem Blechband entstehen. Insbesondere die vorzugsweise 0,2 bis 0,25 mm starken kaltgewalzten Federstahlbleche zeigen nach einem Scherenschnitt an den Schnittkanten Mikrorisse. Die Schnittkanten müssen daher nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung z.B. durch Schmirgeln oder Schleifen, von Mikrorissen befreit werden. Es

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sind natürlich auch Verfahren zum Ausschneiden von Metallzungen aus gewalzten Halbfabrikaten denkbar, bei denen keine . solchen Mikroanrisse an den Schnittkanten entstehen. Z.B. Her-ausätzen: Das Stahlband wird allseits mit säurebeständigem Wachs bestrichen, die Zungenkontur wird mit einer Nadel in das Wachs ■ geritzt und der Riß mit einer geeigneten Ätzflüssigkeit durch die ganze Dicke des Metalls herausgeätzt. Auch ist ein Ausschneiden der gewünschten Kontur mittels eines Energiestrahles von sehr hoher. Energiedichte (z.B. Laser- oder Elektronenstrahl) denkbar. Auch an dieses Verfahren ist bei dem eben"genannten Vorschlag gedacht. Natürlich sind die Seitenkanten der Metallzungen auch dann in aller Regel rißfrei, wenn man von vornherein einen auf die Breite der Zunge gewalzten Streifen verwendet. ■".,-■.".-.

Eine weitere Maßnahme zur Vermeidung von Abrissen der elastischen Zungen besteht in einem Abbau der Biegespannungen in den angelegten Zungen. Und zwar wird erfindungsgemäß dies dadurch erreicht, daß der Krümmungsradius der Anlagefläche etwa das 8"ö-bis 200-fache der Zungenstärke und im Vergleich zürn Arbeitsraumdurchmesser etwa 1/10 bis 1/5beträgt.

Die Erfindung ist an Hand zweier in den Zeichnungen dargestellter Beispiele im folgenden näher erläutert. Es zeigen:

Flg. 1 einen Radialschnitt durch eine Strömungsbremse, '

Fig. 2 einen geraden Schnitt schräg durch die Anlagestelle für eine elastische Zunge nach Linie II-II, .{

Fig. 2 und 4 Je eine axiale Ansicht auf das Innere des Statorrades mit den elastischen Zungen,

Fig. 5 einen Radialschnitt durch einen Strömungswandler mit elastischen Ventilationsblenden, .....

Fig. 6 einen achssenJcrechten Radialschnitt durch das Leit rad des Wandlers nach Fig. 5 mit den polygonartig angeordneten Ventilations-Zungen,

Fig. 7 eine vergrößerte Darstellung der Einspannstelle der Zungen an der Leitraddeckscheibe und: -

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Fig. 8 eine andere Art und Stelle der Zungenbefestigung bei einem Wandler, / .

Die in den Figuren dargestellte hydrodynamische Bremse weist einen Rotor 1, der mit der abzubremsenden Welle verbunden ist, und einen stillstehenden Stator 2 auf. Rotor wie Stator weisen je einen Kranz von Schaufeln J> bzw. 4 auf, die zusammen mit den Schaufelraddeckscheiben den Arbeitsraum j/k des hydrodynamischen Arbeitskreislaufes bilden. Die Bremse wird über den Zulauf 5 mit ArbeitsflUssigkeit versorgt und über die ringförmige Abiaufkammer 6 entleert. Im Luftspalt 7 zwischen den Schaufelkränzen sind am Außenumfang des Stator- oder Sekundärrades 2 die elastischen Zungen 9 angebracht. Die Schaufeln des Statorrades sind wie Fig. 2 zeigt - gegen die Achsrichtung schräggestellt, und demgemäß sind die Zungen von trapezförmigem Umriß ausgebildet.■ Die Zungen sind beispielsweise, aus einem Federbandstahl von einer Stärke S von 0,2 mm hergestellt. Hierdurch besitzen die Zungen eine-hohe Elastizität, so daß sie sich ohne plastische Verformungen bis an den Grund der Schaufeltaschen zurückbiegen lassen* Der Übergang 10 von der Teilfuge in den Schaufeltaschengrund des Statorrades erfolgt nicht rechtwinklig-scharfkantig, sondern mit einem Krümmungsradius R. Wie durch die Fig. 2 noch deutlich zu machen versucht wurde, ist bei herkömmlicher Art die Herstellung derartiger in Fig. 1 gezeigter Schaufelräder der Schaufeltaschengrund im Bereich der Anlage der Federzungen zweidimensional, d.h. in zwei senkrecht aufeinanderstellenden Richtungen gekrümmt, und zwar einmal*um die Rotationsachse der Bremse und zum anderen um das in Fig. 1 als Punkt Z^ erscheinende,als Linie ringförmig um die Bremse herum laufende Krümmungszentrum. Diese zweidimensional gekrümmte Fläche ist durch ein eindimensional mit dem Radius R gekrümmtes formbeständiges Einlegeblech 8 überdeckt, welches sich jedoch im übrigen dicht an den Schaufeltaschengrund anlegt. Dieses Blech weist auf der nach außen gekehrten Seite Rauhigkeiten von höchstens 16-25 /um auf; Der Radius R entspricht etwa dem 80- bis 200-fachen der BlechstKfke der Zunge und etwa 1/iÖ f 1/5 des Arbeltsräumaußendurehmessers D, so daß beim Anliegen der Zunge

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am Einlegeblech'8 deren Verformungen im elastischen Bereich ν und weit unterhalb der höchstzulässigen Dauer-Wechselbiegespannung bleiben (z.B.^ca. 60 kp/mm ), Auf der der abgerundeten Seite gegenüberliegenden Kante der Einspannung ist zur Erzielung einer Stützwirkung ein möglichst weit radial nach innen vorgeschobenes Stützblech 11 angebracht. Dank der eindimensionalen und schwachen Krümmung des Einlegebleches und Dank seiner glatten Oberfläche sind Spannungsanhäufungen beim Anliegen der Zungen 9 vermieden.

Wenn die Zungen wie in Fig. 4 gezeigt ist, aus mehreren,in Umfangsrichtung nebeneinanderliegenden,schmalen Streifen 9" gebildet werden,, so kann auf die lediglich eindimensional ausgebildete Krümmung verzichtet werden. Die absoluten Maßabweichungen der zweidimensionalgekrümmten Anlagefläche von der eindimensional gekrümmten sind, auf die Breite eines solchen schmalen Streifens gesehen, unbedeutend. Es muß jedoch beachtet werden, daß dann der Schaufeltaschengrund selber im Bereich des Anliegens eine glatte Oberfläche aufweist.

Die Zungen 9 oder die einzelnen Streifen der Zungen 9^f oder 9" sind' mittels elektrischer PunktschwelÖung (Schweißpunkte 12) an die zugehörigen Einlegebleche δ oder an ein kreisbogenförmig gebogenes Segment oder einen Ring (Stützblech 11 im Falle der Pig. 4), befestigt. Diese Befestigungsart bietet gegenüber anderen denkbaren Möglichkeiten sowohl fertigungstechnische wie konstruktive Vorteile. -

Bei entleerter, jedoch umlaufender Bremse möchten die Rotorschaufeln j5 die im Arbeitsraum 5/4 befindliche Luft nach außen schleudern. Die Luft trifft jedoch auf die bei entleerter Bremse radial in den Meridianquerschnitt des torusförmigen Arbeitsraumes hineinstehenden Zungen und wird aufgehalten. Es kommt nicht zu der sonst üblichen Luftzirkulation innerhalb des Arbeitsraumes und daher auch nicht zum Verzehr von Energie durch eine solche Luftzirkulation. Entgegen früheren Annahmen wird jedoch der Ab-

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bau der Luftzirkulation und demgemäß der Ventilations-Verlustleistung zu einem ganz beträchtlichen Maß (z.B. zu oereits durch sehr kleinflächige Strömungshindernisse (z.B. "■-.. \\)% des'Arbeitsraumquerschnittes im Schaufelradspalt 7) erzielt. Wird Arbeitsflüssigkeit mit einem in aller Regel etwa 700 bis VIjO n:aL schwereren spezifischen Gewicht als Luft in den Ar-^ beitsraum der laufenden Bremse gefüllt, so wird der auf.die frei in den Raum stehende Zunge ausgeübte Staudruck entsprechend der Zunahme des spezifischen Gewichtes größer. D.h. die Zun^e weicht selbst bei geringem Drehzahlunterschied zwischen . Primer- und Sekundärrad auch bei geringen Primärdrehzahlen oder hei neringer Teilfüllung der Strömung aus und legt sich glatt in die Einlegebleche ö des Arbeitsraumes an. .Eine Beeinflussung der Kennlinie des Arbeitskreislaufes durch die elastische Zunge findet nicht statt.

In Fig. 5 ist die Anwendung der elastischen Ventilationshindernisse bei einem Strömungswandler mit einem zentrifugal durchströmten Pumpenrad 14, einem radial außen unmittelbar anschließenden Turbinenrad 15 und einem zentripetal durchströmten Leitschaufelkranz l6 gezeigt. Die im Betrieb meridional kreisende Arbeitsflüssigkeit wird innerhalb der Schaufelkränze und in den schaufellosen Räumen durch eine äußere und eine Kernringwand geführt; insbesondere ist die Leitraddeckscheibe IT am Ein- und Austritt weit vorgezogen und bildet einen größeren Wandabschnitt^: des Kemringes.

Ein radial· im äußeren Bereich dieser Deckscheibe gelegener Wandabschnitt ist axial verlaufend und geht mit einem großen Radius in einen radialen V/andabschnitt, die eigentliche: Leitraddeckscheibe über (vergl. Fig. 7)· An der axialen Stelle sind mittels elektrischer Schweißpunkte 18 dünne Stahlbleche 9 vor dem Eintritt in die Leitschaufelkanäle befestigt. Diese Bleche ragen beim entleerten Wandler axial bis zur gegenüberliegenden Gehäusewand und versperren der durch das umlaufende Pumpenrad .

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nach außen geschleuderten Luft den Durchtritt durch das Leitrad. Wird der Wandler wieder mit öl gefüllt, so baut sich vor den Zungen aufgrund der sehr viel höheren Dichte des Öles gegenüber der Luft ein so hoher Staudruck auf, so daß dieser die Zungen in Strömungsrichtung völlig auf die Seite biegt (gestrichelte Linie in Fig. 5)r derart, daß die Zungen - ohne den geringsten Wider-» stand zu bieten - sich entlang der gestrichelten Linien in Fig. und 7 an die Leitraddeckscheibe anlegen.

Zwecks Abbau abrißgefährdender Spannungen in den Zungen beim Anlegen sind die Oberflächenteile der Deckscheibe, an die sich die, Zungen anlegen, d.h. die in den Fig. 6 und 7 überstrichelten Flächen lediglich eindimensional gekrümmt auszuführen. Dies kann z.B. dadurch erreicht werden, daß die genannten Flächen spanabhebend im Stirn- oder Umfangsschnltt eines rotierenden Werkzeuges entlang der im Meridianschnitt sichtbaren Deckscheibenkrümmung bearbeitet werden oder durch Ausbildung der Deckscheibe als entsprechend konstruiertes Genau-Gußtell. . ·

In Fig. 8 ist dargestellt, wie die eindimensionale Krümmung und die glatte Oberfläche der Leitschaufeln selber als Anlagestelle für die elastischen Ventilationszungen ausgenützt ist. Dort sind jeweils gerade rechteckige Federstahlplättchen entlang einer Seite, ähnlich wie in Fig. 7 gezeigt, an der gerundeten Kopfkante der Leitschaufeln elektrisch angepunktet, so daß sie tangential vom Kopfrundungsrdaius an die dem Schaufelkanal gegen-, überliegende Schaufelfläche anstoßen und den Schaufelkanal absperren. Strömt Arbeitsflüssigkeit durch das Leitrad hindurch, so werden die Zungen, sich glatt an die zugehörige^Schaufel anlegend, aus dem Schaufeikanal in Strömungsrichtung^heraus geschwenkt.

Die Vorteile der Erfindung liegen in der Einfachheit der die Ventilation verhindernden Einrichtung sowohl in fertigungstechnischer wie in konstruktiver Hinsicht sowie in deren.Betriebssicherheit. Ein weiterer Vorteil besteht in der Möglichkeit, daß die Einrichtung ohne Einbuße an Funktionssicherheit und ohne konstruktiven Mehraufwand auf als Ganzes umlaufende Strömungskupplungen übertragbar ist.

Heidenheim (Brζ), den 25.7.I969 009886/1172 Pö/HKn Ir ' ;

Claims (1)

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   ap/A 2955 Voith Getriebe KO

   Kennwort·: "Blendenanlage" Heidenheim (Brenz)

   Pa tent ansp rile he

   )JHydrodynamischer Arbeitskreislauf, insbesondere Bremse mit vorzugsweise am Außenumfang des Arbeitsraumes vor jedem Schaufelkanal angeordneten elastischen Zungen, die sich unter dem Druck der ArbeitsflUssigkeit an den Schaufelkanalgrund anlegen, und bei von Arbeitsflüssigkeit entleertem Arbeitsraum, sich wieder aufrichtend, quer in den Schaufelkanal hineinragen, insbesondere" nach Patent ....,* (Patentanmeldung P 16 75 263.9)> dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Schaufelkanalgrundes im Bereich der Anlage der elastischen Zungen nur eindimensional gekrümmt-ist.

   2) Hydrodynamischer Arbei-tskreislauf, insbesondere Bremse mit vorzugsweise am Außenumfang des Arbeitsraumes vor Jedem Schaufelkanäl angeordneten elastischen Zungen, die sich unter dem Druck der Arbeitsflüssigkeit an den Schaufelkanalgrund anlegen, und bei von Arbeitsflüssigkeit entleertem Arbeitsraum, sich wieder aufrichtend, quer in den Schaufelkanäl hineinragen, insbesondere nach Patent ..... (Patentanmeldung

   P 16 75 263.9), dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Schaufelkanalgrundes im Bereich der Anlage der elastischen Zungen möglichst glatt, vorzugsweise von einer Rauhigkeit von höchstens 16 bis 25 /um ausgebildet ist.

   j5) Bremse oder Kupplung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zungen jeweils aus mehreren in tftnfangsrichtung nebeneinanderliegenden, schmalen, vorzugsweise etwa nur > bis 5.-nun breiten Streifen (9") bestehen.

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   4) Hydrodynamischer Arbeitskreislauf nach Anspruch 1 und 2.

   5) Hydrodynamischer Arbeitskreislauf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zungen jeweils so breit wie möglich und in ihrer radialen Erstreckung derart ausgebildet sind, daß sie zusammengenommen nur etwa 12 bis 25$ der Querschnittsfläche des Arbeitsraumes im Schaufelradspalt überdecken.

   6) Hydrodynamischer Arbeltskreislauf nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dai3 die Anlagestellen d.er elastischen Zungen in den Schaufeltaschen jeweils aus einem hinsichtlich Krümmung und Rauhigkeit entsprechend ausgebildeten, am Äußenumfang des Arbeitsraurnes befestigten steifen Blech (8) gebildet sind.

   7) Hydrodynamischer Arbeitskreislauf nach Anspruch ο mit einem mit dem Sekundärschaufelrad verbundenen Gehäuse, welches in der Schaufelradebene geteilt α. mit Flanschen zusammengeschraubt ist,'dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckbleche (8) für mehrere benachbarte Schaufeltaschen kammartig an einem entsprechend dem Arbeitsraumaußendurchmesser kreisbogenförmig gebogenen Segment oder alle an einem ganzen Ring zusammenhängen, und daß diese Segmente bzw. der Ring zwischen den G^häusef!ansehen eingeklemmt sindi>2 w. ist·

   8) Hydrodynamischer Arbeitskreislauf nach Anspruch 6 oder 7* dadurch gekennzeichnet, daß die elastischen Zungen (9,9'>9") - als Einzelstücke oder segmentweise oder als ganzer Ring kammartig zusammenhängend ausgebildet - mittels Punktschweißung an die zugehörigen Einlegebleche (8) befestigt sind.

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   Q) Hydrodynamischer Arbeitskreislauf nach Ansprüchen 6,7 oder B, dadurch gekennzeichnet, daß die Zungen (9,9S9"> 9"', 9 ) aus kaltgewalztem Federstahlblech von etwa . 0,05 bis 0,^JV mm vorzugsweise von etwa 0,2 bis 0,25 nun Stärke bestehen und wenigstens die sich im Betrieb biegenden Schnittkanten von Mikrorissen befreit sind.

   10) Hydrodynamischer Arbeitskreislauf nach Anspruch 5* dadurch gekennzeichnet, daß die elastischen Zungen (9'*

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   9 , 9 ) rechteckig oder trapezförmig ausgebildet sind und von einem der in Umfangsrichtung gemessenen Breite der 'Zungen entsprechenden Bandstahl abgeschnitten sind, derart, daß die seitlicffjmlkrorißfreien Bandstahlseltenkar.ten die sich im Betrieb biegenden Seitenkanten der elastischen Zungen bilden.

   Heidenheim (Brz), den 25.7.I969 '

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