DE2204305A1

DE2204305A1 - Klemmkoerper fuer freilaufkupplungen

Info

Publication number: DE2204305A1
Application number: DE2204305A
Authority: DE
Inventors: Karlheinz Dipl Ing Timtner
Original assignee: Ringspann Albrecht Maurer KG
Current assignee: Ringspann Albrecht Maurer KG
Priority date: 1972-01-31
Filing date: 1972-01-31
Publication date: 1973-08-09
Also published as: JPS4887239A; US3819019A; JPS567531B2; DE2204305C3; DE2204305B2

Description

DIPL.-ING. R. LEMCKE

Patentanwalt 75 Karlsruhe/Baden

Firma Ringspann Albrecht Maurer K.&., 6380 Bad Homburg v.d.H. _t Schaberweg 32-34

Klemmkörper für Freilaufkupplungen

Die Erfindung betrifft einen für Freilaufkupplungen bestimmten Klemmkörper, der mit seinen beiden konvexen Klemmflächen an der äußeren Laufbahn eines Freilauf-Innenringes einerseits und an der inneren Laufbahn eines Freilauf-Außenringes andererseits längs zweier paralleler, gerader Berührungslinien an-

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liegt und beim Ein- und Auskuppeln eine Kippbewegung ausführt, wobei der als Klemmwinkel £ definierte Winkel zwischen der Ebene durch die beiden genannten Berührungslinien und der Ebene durch eine dieser Berührungslinien und die Kupplungsdrehachse eine bestimmte Abhängigkeit von der Kippbewegung des Klemmkörpers aufweist.

Bei derartigen, in zahlreichen Ausführungsformen bekannten Freilaufkupplungen mit Klemmkörpern ist im allgemeinen der eine Freilaufring mit einer treibenden Welle oder dergleichen, der andere, hierzu konzentrisch angeordnete Freilaufring mit einer getriebenen Welle oder dergleichen verbunden. Die Klemmkörper können unmittelbar aneüianderliegen oder durch einen Käfig in gleichem Abstand voneinander gehalten werden. Das Ein- oder Auskuppeln wird durch die während des Kippens eintretende Änderung der Klemmkörperhöhe in radialer Richtung bewirkt.

Zur Einleitung des Einkuppelvorganges werden die Klemmkörper meist durch Federn an die Laufbahnen gedrückt. Da die Ursache der Kippbewegung in den zwischen Klemmfläche und Laufbahn auftretenden Reibungskräften liegt, hängt die Richtung der Kippbewegung von der Relativbewegung der beiden Laufbahnen

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zueinander ab. So führt die Relativbewegung in der einen Richtung zu einer die radiale Klemmkörperhöhe und damit auch die wirksamen Reibungskräfte verringernden Kippbewegung, d. h. zum Fr ei lauf be trieb, während die Relativbewegung in der anderen Richtung zu einer die radiale KlemmkörperhÖhe und damit auch die Reibungskräfte vergrößernden Kippbewegung führt. Im zuletzt genannten Fall kommt es zu einem Verklemmen zwischen dem Klemmkörper und den beiden Freilaufringen, so daß die Kupplung kraftschlüssig wird und ein Drehmoment von dem treibenden zum getriebenen Freilauf ring übertragen wird. Je größer das übertragene Drehmoment ist, um so fester verspannen sich die Klemmkörper zwischen den Freilaufringen, wobei senkrecht zu den Laufbahnen wirkende Uormalkräfte erzeugt werden. Es läßt sieh also folgender Zusammenhang feststellen: An den Berührungslinien zwischen Klemmfläche und Laufbahn wirken reibungsbedingte Umfangskräfte auf den Klemmkörper ein und unterziehen ihn einer Kippbewegung. Da bei dieser Kippbewegung die radiale Klemmkörperhöhe ansteigt, kommt es zu einer Erhöhung der Normalkräfte, bis letztere das Kippmoment der Umfangskräfte auszugleichen vermögen.

Aus der Praxis ist bekannt, daß für sicheres Greifen des Freilaufes beim Übergang von Freilauf- zu Kitnahmebetrieb das Verhältnis der Umfangskraft zur Normalkraft am Klemmkörper nicht größer als etwa 0,05

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sein darf. Dies ist eine Folge des an allen Teilen normalerweise haftenden Ölfilms. Nachdem dieser Ölfilm jedoch von den Klemmkörpern durchtrennt ist, kann mit einem etwa zwei- bis dreimal.so "hohen Wert gerechnet werden. Es ist daher bekannt, das Verhältnis von Umfangskraft zu Normalkraft in Abhängigkeit von der Belastung veränderlich zu gestalten, nämlich in der Weise, daß die beim Einkuppeln auftretende Umfangskraft eine relativ große Normalkraft erzeugt, die dem Klemmkörper ein Durchdringen des Ölfilmes ermöglicht. Dabei erhöht sich der Reibungsbeiwert sprunghaft, so daß man für den nachfolgenden Kippbereich des Klemmkörpers mit einer Normalkraft auskommt, deren Größe im Verhältnis zu der wirkenden Umfangskraft geringer ist als zu Beginn des Einkuppeins. Das hierbei maßgebliche Verhältnis von Umfangskraft zu Normalkraft ist identisch mit dem Tangens des eingangs erwähnten Klemmwinkels <£ , was an anderer Stelle näher erläutert wird.

Darüber hinaus ist es auch bekannt, den Klemmwinkel in dem Kippbereich vom Einkuppel- zum Freilaufzustand ansteigen zu lassen. Damit läßt sich im Freilaufzustand ein Freiwerden der Klemmflächen von den Laufbahnen des Innen- und Außenringes bei geringem Verdrehwinkel erreichen. Das gewünschte Ansteigen des Klemmwinkels beiderseits des Einkuppelpunktes wird

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ladurch erreicht, daß die eine Klemmflache des Klemmkörper s aus mehreren ineinander übergehenden achspa— rallelen Zylinderabschnitten verschiedener Radien zusammengesetzt ist. Dabei liefert jeder Zylinderabschnitt eine besondere Klemmwinkelcharakteristik in Abhängigkeit von der radialen Klemmkörperhöhe, so daß theoretisch ein optimales Ausnützen der zwischen ■Klemmfläche und Laufbahn herrschenden Reibungsverhältnisse möglich ist. Je nach der geometrischen Gestalt des Klemmkörpers ergibt sich zwischen Klemmwinkel und radialer Klemmkörperhöhe ein bestimmter funktioneller Zusammenhang, der im folgenden als Klemmwinkelkurve bezeichnet ist.

Nachteilig bei diesen bekannten Klemmkörpern ist jedoch die Tatsache, daß die aneinandergesetzten Zylinderabschnitte einer Klemmfläche an ihrer Verbindungsstelle einen scharfen Knick in der Klemmwinkelkurve hervorrufen. Dadurch ergibt sich im Einkuppelbereich der Klemmwinkelkurve nur ein schmaler Bereich der Kl-emmkörperhöhe bzw. des Kippwinkels, in dem der Klemmwinkel ausreichend klein ist, um ein sicheres Durchdringen des Ölfilmes durch den Klemmkörper zu gewährleisten. Dieser schmale Bereich läßt sich in der Praxis nicht über den gesamten Umfang de«· Freilaufringe aufrecht erhalten. Es muß vielmehr mit radialen Verlagerungen der Freilaufbahnen in der Größenordnung von ca. 1/10 mm gerechnet werden, so daß die den Einkuppelvorgang ermöglichende Klemmkörperhöhe nur an^v

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einzelnen Stellen des Umfanges angetroffen wird. Die Folge ist ungleichmäßiges Tragen, erhöhte Materialbeanspruchung und eine Minderung des maximal übertragbaren Drehmomentes. Dieselben Probleme treten in verstärktem Maße bei solchen Kupplungen auf, die entsprechend der deutschen Patentschrift Wr.1 079 904 zur gleichmäßigeren Klemmflächenabnutzung einen längs des Umfanges sich periodisch und stetig ändernden radialen Abstand zwischen innerer und äußerer Laufbahn aufweisen.

Zwar ließe sich eine flachere Charakteristik der Klemmwinkelkurve im Einkuppelbereich durch das Aufteilen der Klemmfläche in weitere achsparallele Zylinderabschnitte mit feinabgestuften Radien erzielen. Dadurch würde jedoch der ohnehin schon große Aufwand für die Herstellung der die Klemmkörper formenden Ziehmatritzen noch weiter erhöht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Klemmkörper zu schaffen, der im Einkuppelbereich eine zum sicheren Durchstoßen des Schmierfilms ausreichende, aber nicht unnötig große Normalkraft liefert, insbesondere bei an verschiedenen Stellen des Umfangs verschieden großem radialem Abstand zwischen äußerer .und innerer Laufbahn des Freilaufes. Ferner soll der Klemmwinkel bei Drehmomentbelastung des Freilaufes möglichst rasch ansteigen, ohne jedoch den Reibungswinkel der Ruhe zu überschreiten, um somit die Normalkräfte im Verhältnis zu den Umfangskräften möglichst klein zu halten, wobei der Klemmkörper bei geringem Verdrehwinkel eine große Höhenzunahme aufweisen soll, um elastische Verformungen der Freilaufringe gut

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überbrücken zu können. Darüber hinaus sollen die Klemmkörper bei Verdrehung im Entkupplungssinn nach Durchschreiten des Einkuppelbereiches eine möglichst rasche Höhenabnahme bei kleinem Verdrehwinkel aufweisen. Schließlich soll die Ausbildung der Klemmkörper auch derart sein, daß sich die Ziehmatritzen in verhältnismäßig einfacher Weise herstellen lassen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zumindest eine Klemmfläche als Evolventen-Zylinder ausgebildet ist, wobei aus Gründen der einfacheren Herstellung ein Kreisevolventenprofil am zweckmäßigsten ist. Die erfindungsgemäße Anwendung einer Evolvente bietet als Grenzfall unendlich vieler aneinandergereihter achsparalleler Kreiszylinder von unendlich feiner Radiusabstufung einen idealkontinuierlichen Verlauf der Klemmflächenkrümmung bei einem Minimum an technischem Herstellungsaufwand* Dementsprechend wird auch der Verlauf der Klemmwinkelkurve in dem kritischen Bereich des Einkuppeins derartig geglättet» daß der Klemmwinkel seinen Minimalwert über einen breiten Kippbereich nahezu konstant hält, wobei er aus dem Einkuppelbereich heraus sowohl bei geringerer als auch bei größerer radialer Klemmkörperhöhe stetig zunimmt. /

Im allgemeinen läßt sich durch eine Mittelpunktsverschiebung oder eine Radiusveränderung des Grundkfeises der Evolvente jede gewünschte Klemmkurvencharakteristik erzielen. In Sonderfällen besteht jedoch auch die Möglichkeit, daß der Evolventen-Zylinder aus

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Evolventen, verschiedener Grundkreise zusammengesetzt ist. Diese können dann unmittelbar ineinander übergehen oder durch einen die beiden Evolventen-Zylinder tangierenden Kreiszylinder verbunden sein.

Vorteilhafterweise ist lediglich die innere Klemmfläche eines jeden Klemmkörpers als Evolventen-Zylinder ausgebildet, während die äußere Klemmflache ein Kreiszylinderprofil aufweist, dessen Drehachse durch den Schwerpunkt des Klemmkörpers hindurchgeht. Hierdurch hat die bei höheren Drehzahlen der Freilaufkupplung in Betracht zu ziehende Fliehkraft keinen Einfluß auf die Kippbewegung des Klemmkörpers.

Schließlich hat es sich aus funktioneilen Gründen als zweckmäßig erwiesen, daß die kreiszylindrische äußere Klemmfläche konzentrisch zu kreiszy-Ii4drischen seitlichen Begrenzungsflächen des Klemmkörpers angeordnet ist. Letztere können sowohl als Bertihrflächen zu den benachbarten Klemmkörpern dienen als auch als Führungsflächen im Käfig.

Weitere Vorteile und Merkmale des Anmeldungsgegenstandes ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand 'von Zeichnungen; darin zeigt:

Fig. 1 die wichtigsten am Klemmkörper angreifenden Kräfte bei Drehmomentübertragung;

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Fig. 2 einen bekannten Klemmkörper mit einer aus zwei Zyli'nderabschnitten zusammengesetzten Klemmflächen;

Pig. 3 die zu dem Klemmkörper gemäß Fig. 2 gehörige Klemmwinkelkurve;

Fig. 4 einen erfindungsgemäßen Klemmkörper mit Evolventenprofil und

Fig. 5 die zu dem Klemmkörper gemäß Fig. 4 gehörige Klemmwinkelkurve.

Fig. 1 zeigt in einer schematischen Darstellung die an einem Klemmkörper angreifenden Kräfte unter Vernachlässigung des Eigengewichtes, der durch eine Feder im allgemeinen erzeugten Rückstellkraft und der bei Rotation auftretenden Fliehkraft. Mit H , H. sind die

a ι

reibungsbedingten Umfangskräfte an der äußeren bzw. der inneren Klemmfläche bezeichnet. Die von ihnen hervorgerufenen senkrecht auf der Klemmfläche stehenden Normalkräfte heißen an der äußeren Klemmfläche N_e und an der inneren Klemmfläche N.. Die Drehachse

α. Χ

der nicht näher dargestellten Kupplung fällt mit der Zylinderachse der äußeren und der inneren Laufbahn zusammen und geht durch den Punkt M. Die Punkte M_ und M^ fixieren die Achse der kreiszylindrischen äußeren bzw. inneren Klemmfläche.

Als Bedingung für den in Fig. 1 dargestellten Gleich-

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gewichtszustand eines .Klemmkörpers müssen die resultierenden Kräfte von N und H_Q bzw. von N. und H.

ei BL j. X

auf der gleichen Wirkungslinie liegen und einander entgegengesetzt gleichgroß sein. Es gilt:

H_a/N_a = tan £_& und
Η_±/Ν_± = tan £_± .

Der Tangens des eingangs definierten Klemmwinkels gibt somit das Verhältnis von Umfangskraft zu Normalkraft an. Infolge der geringen Winkelbeträge kann dieses Verhältnis in guter Näherung direkt dem im Bogenmaß gemessenen Klemmwinkel gleichgesetzt werden. Ein geringer Klemmwinkel bedeutet, daß bereits kleine Umfangskräfte eine relativ große Normalkraft verursachen. Dieser Zustand ist beim Einkuppeln erwünscht, damit alle Klemmkörper mit Sicherheit den zwischen Laufbahn und Klemmflächen befindlichen Ölfilm durchdringen und der darauf sich einstellende höhere Reibungsbeiwert ausgenutzt werden kann. Bei einem großen Klemmwinkel wird dagegen die Umfangskraft in einem geringeren Maße in Normalkraft umgesetzt. Dieser Zustand ist bei Höchstlast erwünscht, um die Hertz'sehe Pressung an den Klemmf^lächen möglichst gering ru halten. Allerdings muß der Klemmwinkel stets unterhalb des maximal möglichen Haftreibungswinkels bleiben,

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da anderenfalls die Kupplung durchrutscht.

Aufgrund dieser Zusammenhänge sind Klemmkörper "bekannt, deren Klemmwinkel sich'in Abhängigkeit von der radialen Klemmkörperhöhe ändert. Ein solcher Klemmkörper ist in Pig. 2 dargestellt. Der Klemmkörper 1 ruht mit seinen Klemmflächen a, b, c, d zwischen der inneren Laufbahn eines Freilauf-Außenringes 2 und der äußeren Laufbahn eines Freilauf--Innenringes 3» Bei Drehung des Außenringes 2 in der angezeigten Richtung erfährt der Klemmkörper 1 eine Kippbewegung, bei der der Klemmwinkel zunimmt, entsprechend dem Verlauf der Linie 7-9 in Fig. 3· Dabei nähert sich der Klemmwinkel allmählich dem Haftreibungsbeiwert, bei dessen Überschreiten es zum Durchrutschen der Kupplung kommt. Um dies zu verhindern, schließt sich an die Klemmfläche a des Klemmkörpers 1 eine Klemmfläche b mit verringertem Zylinderradius r ' an. Sobald diese Klemm-

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fläche b mit dem Außenring 2 in Kontakt kommt, stellt sich eine flachere Charakteristik des Klemmwinkels ein, entsprechend der Linie 9-10 in Fig. 3. Punkt 4 der Klemmfläche entspricht dabei dem Punkt 9 der Klemmwinkelkurve.

Bei Drehung des Außenringes 2 entgegen tfer Pfeilrichtung wird der Klemmkörper 1 im Sinne abnehmender radialer Klemmkörperhöhe gekippt, bis die Klemmflächen

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im Freilaufzustand nur noch mehr oder weniger lose an den Laufbahnen des 'Außen- und des Innenringes gleiten. Entsprechend der abnehmenden radialen Klemmkörperhöhe läuft der Klemmwinkel die in Pig. 3 dargestellte Klemmwinkelkurve zurück. Gegen Ende der Kippbewegung kommt die Klemmfläche c mit einem gegenüber der benachbarten Zylinderfläche verringerten Zylinderradius r.^! in Kontakt mit dem Innenring 3. Aufgrund der Radiusverringerung an der inneren Klemmfläche ändert sich die Charakteristik der Klemmwinkelkurve derart, daß der Klemmwinkel trotz abnehmender radialer Klemmkörperhöhe stark zunimmt, entsprechend der Linie 7-6 in Fig. 3. Das Minimum des Klemmwinkels im Zustandspunkt 7 in Fig. 3 wird dann durchlaufen, wenn die Berührlinie der inneren Klemmfläche am Innenring 3 durch den Punkt 5 geht.

Wie Fig. 3 zeigt, müssen sich die Klemmkörper während des Einkuppelvorganges in einem gewissen Bereich der Klemmk-örperhöhe befinden, damit der zur Drehmomentübertragung erforderliche Reibungsbeiwert unterhalb des tatsächlichen, infolge des Ölfilmes zunächst sehr geringen Eeibungsbeiwertes bleibt. Die in Fig. 3 als Einkuppelbereich gezeichnete Schwankungsbreite der Klemmkörperhöhe läßt sich in der Praxis Micht über den ganzen Umfang des Ri^graumes aufrecht erhalten, da bereits radiale Verlagerungen der Laufbahnen in

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der Größenordnung von ca. 1/10 mm genügen, um die von dieser Verlagerung be'troffenen Klemm.körper aus dem Einkuppelbereich herauszukippen. Bei Einleitung eines Drehmomentes in die Kupplung sind diese Klemmkörper nicht mehr in der Lage, den zwischen Laufbahn und Klemmfläche befindlichen Schmierfilm zu durchdringen und in den Bereich des Trockenreibungsbeiwertes zu gelangen. Sie fallen daher für die Drehmomentübertragung aus. ■>

Pig. 4- zeigt einen erfindungsgemäßen Klemmkörper 11, dessen eine Klemmfläche a das Profil einer Kreisevolvente aufweist. Die andere Klemmfläche b ist als übliche Kreiszylinderfläche ausgebildet. Der Grundkreis, an dem die Erzeugende sich abwickelt,· weist einen Radius R~ auf„

Der Mittelpunkt IYL des Grundkreises liegt etwas oberhalb der Horizontalachse des Klemmkörpers 11 und ist im übrigen so angeordnet, daß der Grundkreis den Mittelpunkt 0 de-r kreiszylindrischen Klemmfläche b umfährt. Der Mittelpunkt 0 ist gleichzeitig auch das Zentrum der beiden kreiszylindrischen Seitenflächen. · Selbstverständlich bestehen bezüglich der Anordnung des Grundkreises zahlreiche VariationsmcJglichkeiten, sowohl hinsichtlich der Pia c ierung des Grundkreismittelpunktes M„ als auch hinsichtlich der Bemessung

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des Grundkreisradius IU. Im übrigen besteht auch die Möglichkeit, anstelle des Grundkreises eine Ellipse oder ähnliche Kurve vorzusehen, auf der die Erzeugende abgewickelt wird. Allerdings ist die technische Reproduzierbarkeit einer Kreisevolvente wesentlich einfacher, da die erforderlichen Bewegungsabläufe von der Verzahnungstechnik her geläufig sind.

Die zu dem erfindungsgemäßen Klemmkörper 11 gehörige Klemmwinkelkurve ist in Fig. 5 dargestellt. Sie zeichnet sich durch einen über die gesamte Klemmkörperhöhe gleichmäßigen Verlauf und durch das Fehlen von Unstetigkeitsstellen aus. Entsprechend gleichmäßig verlaufen auch die während der Kippbewegung des Klemmstückes auftretenden Belastungsänderungen, wodurch sich die Lebensdauer der mit den erfindungsgemäßen Klemmkörpern ausgerüsteten Kupplungen erhöht. Weiterhin zeigt Fig. 5 deutlich, daß das erfindungsgemäße Evolventenprofil den Klemmkörpern einen relativ breiten Einkuppelbereich anbietet, der sicherstellt, daß alle Klemmkörper den zwischen Klemmfläche und Laufbahn befindlichen Schmierfilm durchdringen, selbst wenn der Ringspalt entsprechend der Patentschrift Nr.1 079 eine sich periodisch und stetig ändernde,radiale Breite aufweist oder durch Fertigungsungenauigkeiten radiale Versetzungen der beiden Kupplungsringe entstanden sind.

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Außerhalb des Einkuppeltoereiches steigt die winke!kurve in der gewünschten Weise an.

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Claims

Patentansprüche

1 J Für Freilaufkupplungen bestimmter Klemmkörper, ler mit seinen beiden konvexen Klemmflächen an der äußeren Laufbahn eines Freilauf-Innenringes einerseits und an der inneren Laufbahn eines Freilauf-Außenringes andererseits längs zweier paralleler, gerader Berührungslinien anliegt und beim Ein- und Auskuppeln eine Kippbewegung ausführt, wobei der als Klemmwinkel £ definierte Winkel zwischen der Ebene durch die beiden genannten Berührungslinien und der Ebene durch eine dieser Berührungslinien und die Kupplungsdrehachse eine bestimmte Abhängigkeit von der Kippbewegung des Klemmkörpers aufweist, dadurch gekennzeichnet,

daß zumindest eine Klemmfläche (a) als Evolventen-Zylinder ausgebildet ist.

2. Klemmkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Evolventen-Zylinder ein Kreisevolventenprofil aufweist.

5. Klemmkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Evolventen-Zylinder aus Evolventen verschiedener Grundkreise zusammengesetzt ist.

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4. Klemmkörper nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Evolventen verschiedener Grundkreise durch einen diese jeweils tangierenden Kreiszylinder verbunden sind.

5. Klemmkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der inneren Laufbahn des Außenringes in Berührung stehende äußere Klemmflache (b) des Klemmkörpers als Kreiszylinderfläche ausgebildet ist, deren Achse durch den Schwerpunkt des Klemmkörpers hindurchgeht.

6. Klemmkörper nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die kreiszylindrische äußere Klemmfläche konzentrisch zu kreiszylindrischen seitlichen Begrenzungsflächen des Klemmkörpers angeordnet ist.

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