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In
der deutschen Patentschrift
DE
42 07 710 C2 ist eine elektromagnetisch betätigbare
Reibscheibenkupplung für
ein Lüfterrad
eines Ventilators beschrieben, bei welcher das Lüfterrad über eine erste elektromagnetische
Reibscheibenkupplung direkt mit einem Antrieb verbunden und an die
Drehzahl des Antriebs angepasst wird. Bei nicht geschalteter erster Reibscheibenkupplung
kann das Lüfterrad über eine mittels
einer zweiten Reibscheibenkupplung schaltbaren Wirbelstromkupplung
auf eine niedrigere Schleppdrehzahl angetrieben werden. Die Reibscheibenkupplungen
weisen Ankerscheiben auf, die an einer Feder angeordnet sind, so
dass sich nach einem Anziehen der Ankerscheibe durch den Elektromagneten
bei nicht betätigtem
Elektromagneten ein Luftspalt zwischen Elektromagnet und Ankerscheibe durch
Zurückfedern
der Ankerscheibe einstellt.
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Die
Ankerscheibe ist auf die Feder z.B. aufgeschraubt oder aufgenietet.
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Aufgabe
und Vorteile der Erfindung: Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
eine Reibscheibenkupplung mit Ankermittel und Federmittel bereitzustellen,
die bei einer gegebenen Kupplungsbaugröße ein vergleichsweise größeres Schaltmoment
ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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In
den Unteransprüchen
sind vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen
der Erfindung angegeben.
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Anspruch
7 bezieht sich auf eine Anwendung.
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Die
Erfindung geht zunächst
von einer elektromagnetisch betätigbaren
Reibscheibenkupplung aus, die einen Elektromagneten, durch den Elektromagneten
bewegbare Ankermittel aus magnetisierbarem Werkstoff sowie Federmittel
umfasst, mit welchen die Ankermittel in eine erste Position zurückbewegbar
sind, nach einer Bewegung durch den Elektromagneten in eine zweite
Position. Der Kern der Erfindung liegt nun darin, dass die Federmittel
mit den Ankermitteln verschweißt
sind.
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Bislang
wird bei Reibscheibenkupplungen eine Federscheibe mit einer Ankerscheibe
verschraubt oder vernietet. Hierdurch wird jedoch der Magnetfeldverlauf
in der Ankerscheibe aufgrund der Nieten oder Schrauben nachteilig
beeinflusst, was eine maximale Kraftübertragung zwischen Ankerscheibe
und Rotor mindert. Bei einer Einscheibenelektromagnetkupplung ist
beispielsweise ein Elektromagnet vorgesehen, der aus einem U- profilförmigen Kreisring
und einer Kupferspule besteht. Eine Ankerscheibe kann über die
Magnetkraft des bestromten Elektromagneten an einen Rotor gezogen
werden. Sowohl Ankerscheibe als auch Rotor haben umfänglich verlaufende
nierenförmige
Schlitze, die in der Ankerscheibe und dem Rotor radial versetzt
sind. Die Schlitze sind beispielsweise so angeordnet, dass der sich
ausbildende magnetische Fluss eine Kontaktfläche zwischen Ankerscheibe und
Rotor mehrfach durchfließen
muss. Diese Ausführungsform
der Kupplung wird auch als mehrfach durchflutet bezeichnet. Ein
Antriebsmoment von einer Eingangswelle lässt sich über eine Feder auf die Ankerscheibe übertragen.
Bei ausgeschalteter Kupplung hebt die Feder die Ankerscheibe vom
Rotor ab. Die Feder ist mit der Ankerscheibe verschraubt oder vernietet. Eine
Verschraubung oder Vernietung der Feder mit der Ankerscheibe stört allerdings
die Mehrfachdurchflutung in der Ankerscheibe, was das Schaltverhalten der
Kupplung und damit das maximal übertragbare Moment
an der Kontaktfläche
zwischen Ankerscheibe und Rotor nachteilig beeinflusst. Durch eine
erfindungsgemäße Schweißverbindung
zwischen Ankermittel und Federmittel, z.B. an der Außenumrandung der
Ankermittel, kann ein magnetischer Fluss durch die Ankermittel völlig ungestört von der
Verbindung verlaufen. Dies gilt insbesondere dann, wenn zusätzlich Federmittel
aus nicht oder nur schwach magnetisierbarem Material bestehen, die
keine unerwünschte
Umlenkung des magnetischen Flusses in den Bereich der Federmittel
herbeiführen.
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Eine
Anbringung einer Schweißverbindung am äußeren Rand
der Federmittel hat im Hinblick auf die Federmittel den Vorteil,
dass durch die Schweißverbindung
keine Gefügeveränderung
an den Stellen der Federmittel auftritt, die für die Federeigenschaften und
die Bewegung der Ankermittel verantwortlich sind.
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Darüber hinaus
hat eine Schweißverbindung zwischen
den Federmitteln und den Ankermitteln grundsätzlich den Vorteil, dass diese
schnell und damit kostengünstig
ausgeführt
werden kann.
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Durch
eine Schweißverbindung
entfallen Schraub- oder Nietverbindungen, die bei einer Optimierung
der Ankermittel somit auch nicht berücksichtigt werden müssen bzw.
eine Optimierung der Ankermittel hinsichtlich der Durchflutung ansonsten
limitieren.
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In
einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die
Ankermittel als scheibenförmiges
Rotationsteil mit einer umfangsseitigen Stirnfläche ausgebildet, wobei die
Federmittel zumindest abschnittsweise radial bis an die Stirnfläche heranreichen
und wobei eine Schweißverbindung
zwischen den Federmitteln und den Ankermitteln im Bereich der umfänglichen
Stirnfläche
zwischen Stirnfläche
und an diese heranreichende Federmittel ausgeführt ist. Durch diese Vorgehensweise
wird die Schweißverbindung
in einen Bereich gelegt, in welchem der Einfluss auf den magnetischen
Fluss durch die Ankermittel unwesentlich ist und außerdem die Federeigenschaften
der Federmittel nicht oder im Wesentlichen nicht beeinflusst werden.
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Die
Federmittel können
als einteilige Feder ausgeführt
sein oder aus mehreren Einzelfedern bestehen.
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In
einer einfachen Ausführungsform
weisen die Ankermittel und die Federmittel zumindest abschnittsweise
einen gleichen Außendurchmesser auf.
In diesem Fall ist es bevorzugt, wenn eine Schweißnaht zwischen
den Ankermitteln und den Federmitteln am Außendurchmesser angebracht ist.
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Um
die thermische Belastung der Bauteile beim Schweißprozess
zu minimieren, wird im Weiteren vorgeschlagen, dass die Schweißverbindung durch
Laserschweißen
ausgeführt
ist.
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Eine
nachteilige Beeinflussung des magnetischen Flusses in den Ankermitteln
durch die Federmittel kann nicht nur durch eine entsprechende Materialauswahl
der Federmittel minimiert werden, sondern auch durch eine entsprechende
geometrische Anordnung, bei welcher in wesentlichen Teilen die Federmittel
beabstandet von den Ankermitteln verlaufen.
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Vorzugsweise
sind die Federmittel senkrecht zu deren flächigen Erstreckung, insbesondere
bei scheibenförmigen
Federmitteln, über
ein oder mehrere Abstandhalter an den Ankermitteln im Abstand zu
wesentlichen Flächenteilen
der Ankermittel angeschweißt.
Hierzu kann ein Abstandhalter an den Ankermitteln angeformt sein,
beispielsweise bei einer Ankerscheibe im Form eines Distanzringes.
Es ist jedoch auch denkbar, einen oder mehrere Abstandhalter z.B.
aufzuschweißen
oder anderweitig mit den übrigen
Ankermitteln zu verbinden. Bei einer entsprechenden Beabstandung
der Federmittel zu den Ankermitteln besteht die Möglichkeit,
magnetisierbares Material für
die Federmittel einzusetzen, da durch die Anordnung über Abstandhalter
ein Luftspalt zwischen dem größten Teilen
der gegenüberstehenden Bereiche
von Federmitteln und Ankermitteln ausgebildet ist.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird eine elektromagnetische
Reibscheibenkupplung als Kupplungselement in einer Webmaschine eingesetzt.
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Zeichnungen
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Mehrere
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden unter
Angabe weiterer Vorteile und Einzelheiten nachstehend näher erläutert. Es
zeigen
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1 einen Schnitt durch eine
elektromagnetische Reibscheibenkupplung,
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2 jeweils eine Draufsicht
auf eine und 3 Ankerscheibe
mit Federmitteln,
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4 einen Schnitt durch eine
Kupplungs-Brems-Kombination
für eine
Webmaschine,
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5a in einer jeweils schematischen
und 5b Schnittdarstellung
ein Feldlinienverlauf an unterschiedlichen Stellen einer elektromagnetischen
Reibscheibenkupplung,
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6 eine Draufsicht auf eine
Ankerscheibe mit Federmitteln, die herkömmlich verschraubt sind,
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7 ein Schnitt durch eine
elektromagnetische Reibscheibenkupplung mit elastischem Dämpfungselement
und
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8 eine Teilansicht im Schnitt
einer Übergangsstelle
einer Ankerscheibe zu einem Rotor.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist eine elektromagnetische
Reibscheibenkupplung dargestellt, die einen Elektromagneten 2,
aus einem U-profilförmigen Kreisring 3 und z.B.
einer Kupferspule 4, einem Rotor 5 und eine Ankerscheibe 6 umfasst,
die mit einer Feder 7 verbunden ist, welche mit einer Eingangswelle 8 z.B. über Schraubmittel 9 in
Verbindung steht. Die Ankerscheibe 6 und die Feder 7 sind
an ihrem jeweiligen Außenumfang 6a bzw. 7a miteinander
verschweißt.
Hierzu ist zwischen der Ankerscheibe 6 und der Feder 7 eine Schweißnaht 10 zumindest
abschnittsweise, vorzugsweise ganzumfänglich angebracht.
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Bei
bestromtem Elektromagnet 2 wird die Ankerscheibe 6 unter
Auslenkung der Feder 7 auf den Rotor 5 gezogen,
so dass ein Antriebsmoment von der Eingangswelle 8 über die
Feder 7 und die Ankerscheibe 6 auf den Rotor 5 übertragen
werden kann. Bei ausgeschaltetem Elektromagneten, d.h. bei ausgeschalteter
Kupplung, hebt die Feder 7 die Ankerscheibe 6 vom
Rotor 5 ab, so dass keine Momentenübertragung auf den Rotor 5 mehr
möglich
ist. Die Feder ist beispielsweise aus Federstahl gefertigt.
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Regelmäßig besitzen
sowohl die Ankerscheibe 6 als auch der Rotor 5 azimutal
verlaufende nierenförmige
Schlitze 11 bzw. 12 die in der Ankerscheibe 6 bzw.
im Rotor 5 radial versetzt sind. Die Schlitze sind so angeordnet,
dass der sich ausbildende magnetische Fluss die Kontaktfläche zwischen der
Ankerscheibe 6 und dem Rotor 5 mehrfach durchfließen muss.
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In 5a und 5b sind entsprechende Feldlinienverläufe von
schematisch angedeuteten Feldlinien 13 durch die Ankerscheibe 6,
den Rotor 5 und das U-förmige
Profil 6 um die Kupferspule 4 symbolisch dargestellt.
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In 2 ist eine Draufsicht auf
die Ankerscheibe 6 mit Feder 7 und den radial
versetzt verlaufenden gebogenen nierenförmigen Schlitzen 12 abgebildet.
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Damit
die Ankerscheibe 6 ihren Zusammenhalt behält sind
Unterbrechungen 16 zwischen den Schlitzen 12 mit
z.B. der Breite A erforderlich.
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Das
gilt auch, für
die in 3 dargestellte Ankerscheibe 14,
die sich aber von der Anordnung gemäß 2 dadurch unterscheidet, dass keine einzelne
Feder 7 zur Anwendung kommt, sondern mehrere Federn 15,
die jeweils am Außenumfang
der Anordnung mit der Ankerscheibe 14 verschweißt sind.
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Wenn
die Schlitze 11 und 12 alternierend zueinander
positioniert sind, müssen
die Feldlinien so wie in 5a dargestellt
die Ankerscheibe 6 gezwungener Maßen dreifach durchlaufen.
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Betrachtet
man den Feldlinienverlauf in radialer Richtung nach außen durch
die Stelle 16 der Breite A verläuft, ergibt sich ein Feldlinienverlauf
gemäß 5b. Danach durchdringen
die Feldlinien die Ankerscheibe 6 nur zweimal, weil an
der Stelle 16 kein Schlitz vorhanden ist, der die Feldlinien
zurück
in Rotor zwingt.
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Solche
Bereiche sind jedoch für
die Kraftausbildung zwischen der Ankerscheibe 6 und dem
Rotor 5 weitgehend nutzlos, was eine Limitierung der maximalen übertragbaren
Momente über
eine Kupplung bzw. eine Bremse zur Folge hat.
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Bei
einer Verbindung der Federmittel 7 bzw. 15 mit
der Ankerscheibe 6 bzw. 14 mittels einer Schweißnaht (nicht
dargestellt) am äußeren Rand lassen
sich jedoch Unterbrechungen in den Schlitzen 12 auf das
Maß reduzieren,
das gerade notwenig ist, um den Zusammenhalt der Ankerscheibe 6, 14 zu gewährleisten.
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Im
Stand der Technik, sieht die Situation anders aus. Dies ist durch 6 verdeutlicht.
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Danach
werden Federmittel 17 über
drei Schraubverbindungen 18 mit einer Ankerscheibe 19 verbunden.
Ebenfalls sind Nietverbindungen bekannt.
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Schraubverbindungen 18 oder
auch Nietverbindungen machen größere Unterbrechungen
in der Ankerscheibe 19 z.B. auch zwischen einzelnen Schlitzen 19a erforderlich,
die eine Breite B aufweisen, welche deutlich größer ist als die Breite A der Stege 16.
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Dementsprechend
sind die Störungen
im Feldlinienverlauf im Sinne von 4b großflächiger ausgebildet,
wodurch das Schaltmoment der Kupplung verglichen zu einem erfindungsgemäßen Aufbau
mit gleicher Dimensionierung zwangsläufig kleiner ausfällt.
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Bei
Kupplungen wird somit durch eine Schraub- oder Nietverbindung das
Schaltmoment reduziert, sofern man die Technik auf eine Bremsanordnung überträgt wird
das Bremsmoment reduziert.
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In 4 ist eine kombinierte Kupplungs-Brems-Kombination
dargestellt. An einer Feder 20 sind zwei Ankerscheiben 21, 22 am
umfänglichen
Rand miteinander verschweißt,
so dass zwei Schweißnahtbereiche 23, 24 ausgebildet
sind. Die Feder 20 ist mit einer Welle 25 verbunden.
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Für den Fall,
dass ein linker Elektromagnet 27 bestromt ist, wird die
Feder 20 mit Ankerscheibe 21 nach links gegen
einen Rotor 28 ausgelenkt, der den Antrieb darstellt.
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D.h.
bei bestromten Elektromagnet 27 wir die Welle 25 durch
die Ankerscheibe 21 und die Feder 20 angetrieben.
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Um
die Welle 25 möglichst
rasch abbremsen zu können,
kann der Elektromagnet 27 abgeschaltet und ein Elektromagnet 29 eingeschaltet
werden, wodurch die Feder 20 nach rechts ausgelenkt wird,
mit der Folge, dass die Ankerscheibe 22 in Kontakt mit einem
feststehenden Bremsring 30 kommt. Abhängig vom maximalen Bremsmoment
wird die Welle 25 schneller bzw. weniger schnell abgebremst.
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Das
Schaltmoment der Kupplung bzw. das Bremsmoment der Bremse aus Rotor 28 und
Ankerscheibe 21 bzw. Bremsring 30 und Ankerscheibe 22 hängen von
deren Baugröße und deren
geometrischer Optimierung ab.
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Durch
das erfindungsgemäße Anbringen
der Schweißnähte in den
Bereichen 23 und 24 und dem Vermeiden von Schraubverbindungen
oder Nietverbindungen im Ankerscheibenbereich lässt sich das Schaltmoment bzw.
das Bremsmoment erhöhen, ohne
die Baugröße im Vergleich
zu einer Anordnung aus dem Stand der Technik verändern zu müssen.
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Im
Ergebnis erzielt man somit bei vergleichbarer Baugröße eine
leistungsfähigere
Kupplungs-Brems-Kombination.
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In 7 ist eine zu 1 vergleichbare Ausführungsform
einer Reibscheibenkupplung 31 dargestellt, die sich nur
dadurch unterscheidet, dass eine Federeinheit 32 zum Einsatz
kommt, die mit einem elastischen Element 33 mit einer Welle 34 gekoppelt ist.
Ansonsten handelt es sich um die exakt gleiche Ausführungsform
mit entsprechender Funktionalität wie
in 1.
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Wie
bereits oben beschreiben, stellt die Unterbringung einer Schraub-
oder Nietverbindung in einer Ankerscheibe, z.B. einer Ankerscheibe 19,
eine Unterbrechung der ansonsten kreisrunden Reibfläche dar,
die einen gewünschten
Feldlinienverlauf stört.
Darüber
hinaus hat sich rausgestellt, dass wie in 8 angedeutet, am Rand 34 einer
Bohrung 35 einer Schraub- oder Nietverbindung 36 in
Richtung der Bewegung eines Rotors 37 im Einsatz, insbesondere
bei Kupplungen mit kurzen Schaltzeiten, eine Materialakkumulation
im Bewegungsrichtung abgewandten Teil des Bohrungsrandes 34 auftritt,
was einen Luftspalt zwischen der Ankerscheibe 19 und dem Rotor 37 verursacht,
so dass Schalt- oder Bremsmomente verschlechtert werden. Der in 8 dargestellte Pfeil symbolisiert
die Bewegungsrichtung des Rotors 37.
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Bei
nicht Vorhandensein derartiger Verbindungsstellen, treten solche
Aufwerfungen nicht auf, womit bei kleinerem Luftspalt zwischen Anker
und Rotor gearbeitet werden kann, was sich günstig auf ein Schalt- oder
Bremsmoment einer solchen Anordnung auswirkt.
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- 1
- Reibscheibenkupplung
- 2
- Elektromagnet
- 3
- U-Profil
- 4
- Kupferspule
- 5
- Rotor
- 6
- Ankerscheibe
- 6a
- Außenumfang
- 7
- Feder
- 7a
- Außenumfang
- 8
- Eingangswelle
- 9
- Schraubverbindung
- 10
- Schweißnaht
- 11
- Schlitz
- 12
- Schlitz
- 13
- Feldlinien
- 14
- Ankerscheibe
- 15
- Feder
- 16
- Steg
- 17
- Federmittel
- 18
- Schraubverbindung
- 19
- Ankerscheibe
- 19a
- Schlitz
- 20
- Feder
- 21
- Ankerscheibe
- 22
- Ankerscheibe
- 23
- Schweißnahtbereich
- 24
- Schweißnahtbereich
- 25
- Welle
- 26
- Schraubverbindung
- 27
- Elektromagnet
- 28
- Rotor
- 29
- Elektromagnet
- 30
- Bremsring
- 31
- Reibscheibenkupplung
- 32
- Federelement
- 33
- Elastisches
Element
- 34
- Rand
- 35
- Bohrung
- 36
- Schraub-
oder Nietverbindung
- 37
- Rotor