DE2225925A1

DE2225925A1 - FLYWHEEL, IN PARTICULAR FOR THE STABILIZATION OF SPACE VEHICLES

Info

Publication number: DE2225925A1
Application number: DE19722225925
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dammert; Heinz Dr Rer Nat Wehde
Original assignee: Teldix GmbH
Current assignee: Rockwell Collins Deutschland GmbH
Priority date: 1972-05-27
Filing date: 1972-05-27
Publication date: 1974-01-17
Also published as: FR2189712B1; FR2189712A1; DE2225925C2

Description

Schwungrad, insbesondere zur Stabilisierung
von RaumfahrzeugenFlywheel, especially for stabilization
of spacecraft

State of the art:

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schwungrad, insbesondere zur Stabilisierung von Raumfahrzeugen, enthaltend einen mittels Lager gegenüber einen Stator drehbar angeordneten Eotor, welcher vorzugsweise am äußeren Radius einen Schwungring enthält.The present invention relates to a flywheel, in particular for stabilizing spacecraft containing an eotor rotatably arranged by means of bearings opposite a stator, which preferably has a Includes flywheel.

Hit einem derartigen Schwungrad soll bei einer bestimmten Drehzahl ein vorgeschriebener Drall erreicht werden, wobei die für die Raumfahrttechnik wesentlichen Forderungen nach geringem Gewicht und hoher Zuverlässigkeit erfüllt werdermüssen. Da bei einem rotierenden Körper das Trägheitsmoment und somit der Drall vom Quadrat des Abstandes der drehbarer. Masse abhängig ist, ist bei einen bekannten Schwungrad an äußeren Radius des Rotors ein Schwungring vorgesehen, welcher mittels Verbindungselementen beispielsweise Speichen mit dem Lager verbunden ist. Ein solcher Rotor stellt Qe- With such a flywheel, a prescribed swirl is to be achieved at a certain speed, whereby the requirements for low weight and high reliability, which are essential for space technology, must be met. Since with a rotating body the moment of inertia and thus the twist of the square of the distance of the rotatable. In a known flywheel, a flywheel is provided on the outer radius of the rotor, which is connected to the bearing by means of connecting elements, for example spokes. Such a rotor represents Qe

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doch, aufgrund der_a wenn auch, geringen elastischen Verformbarkeit vom Schwungring und Verbindungseiementen ein schwingungsfähiges System dar. Insbesondere beim Start des Raumfahrzeuges können bei Erreichen der Resonanzfrequenz des Rotors sehr große Belastungsspitzen auftreten, die zu Beschädigungen des Lagers, wenn nicht gar zu völliger Unbrauchbarkeit des gesamten Schwungrades führen können. Aus diesen Grunde mußten bisher bei der Dimensionierung entsprechende Sicherheiten berücksichtigt werden und vor allem die Lagerung entsprechend groß und schwer ausgelegt werden. Auch eine mechanische Arretierung des Schvungringes gegenüber dem Stator während des Startes würde eine Erhöhung aez Gesamtgewichtes zur Folge haben und darüber hinaus noch einen zusätzlichen Unsicherheitsfaktor mit sich bringen.but, due to _a albeit, low elastic deformability is the flywheel and Verbindungseiementen an oscillatory system. In particular, at the start of the spacecraft to the rotor large load peaks occur very upon reaching the resonance frequency, the damage to the camp, if not to utter uselessness of entire flywheel can lead. For this reason, appropriate safeguards had to be taken into account in the dimensioning and, above all, the storage had to be designed to be correspondingly large and heavy. A mechanical locking of the swing ring with respect to the stator during the start would also result in an increase in the total weight and, moreover, bring with it an additional uncertainty factor.

Task and solution:

Der'Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die genannten Nachteile zu vermeiden und mit einfachen Kitteln das Schwingungsverhalten wesentlich zu verbessern. Diese Aufgäbe wird gemäß dem Kennzeichen des ersten Patentanspruches gelöst.The invention is therefore based on the task mentioned Avoid disadvantages and significantly improve the vibration behavior with simple smocks. This task is solved according to the characterizing part of the first claim.

Advantages and advantageous training:

Für ein Schwungrad gemäß der vorliegenden Erfindung ergibt sich somit wegen der wirksamen Dämpfung von Schwingungen eine größere Sicherheit, sowie eine längere Lebensdauer, da Belastungsspitzen weitgehend reduziert werden. Weiterhin läßt sich die Erfindung mit einem geringen fertigungstechnischen Aufwand realisieren und das Gesamtgewicht kann un- , ter Beibehaltung der Leistungsdaten gegenüber bekannten Schwungrädern verringert werden.For a flywheel according to the present invention, this results in the effective damping of vibrations greater safety and a longer service life, since peak loads are largely reduced. Farther the invention can be realized with a low manufacturing effort and the total weight can be un-, ter retention of the performance data compared to known flywheels are reduced.

Untersuchungen und Berechnungen hinsichtlich des Schwingungsverhaltens eines bekannten Schwungrades mit Schwungring und Speichen haben ergeben, daß die Schwingungsanpli-Investigations and calculations regarding the vibration behavior of a known flywheel with flywheel and spokes have shown that the vibration coupling

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tuden an "bestimmten Stellen längs der Speichen und auch in Umfangsrichtung des Schwungrades Maxima bzw. Minima aufweisen. Dies gilt für Schwingungen sowohl in axialer als auch in radialer Richtung. Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung ist durch das Kennzeichen des dritten Patentanspruches gegeben, wodurch die Dämpfungswirkung besonders effektiv v/ird.tuden at "certain points along the spokes and also have maxima or minima in the circumferential direction of the flywheel. This applies to vibrations both in the axial and in the radial direction. A particularly advantageous development is given by the characteristic of the third claim, which makes the damping effect particularly effectively v / ird.

Eine v/eitere sehr wesentliche Ausbildung ist durch das Kennzeichen des siebten Patentanspruches gegeben. Bei dieser Ausführung wird beim Schwingen des Rotors aufgrund der Relativbewegung zwischen den Auflageflächen von Dämpfungsring und Speichen und der dabei entstehenden Reibung eine sehr starke Dämpfung erzielt. Die Herstellung solcher Dämpfungsringe erfordert nur einen geringen Aufwand. Weiterhin ist die Optimierung des Dämpfungsverhaltens sehr leicht durch Einstellen der Anpreßkraft zwischen den Dämpfungsringen und Speichen mittels der Haltevorrichtungen durchzuführen.Another very essential training is through the mark of the seventh claim. In this embodiment, when the rotor vibrates due to the relative movement between the contact surfaces of the damping ring and the spokes and the resulting friction strong damping achieved. The production of such damping rings requires little effort. Furthermore is the optimization of the damping behavior is very easy by adjusting the contact pressure between the damping rings and to carry out spokes by means of the holding devices.

Es sei ausdrücklich festgestellt, daß der Einsatz des erfindungsgemäßeh Schwungrades nicht allein auf Raumfahrzeuge beschränkt ist. Ein derart ausgebildetes Schwungrad kann beispielsweise auch für Zentrifugen von Kernreaktoren oder ganz allgemein immer dort in vorteilhafter Weise eingesetzt werden, wo aufgrund von Schwingungen unzulässige Belastungsspitzen zu erwarten sind.It should be expressly stated that the use of the invention Flywheel is not limited to spacecraft alone. A flywheel designed in this way can for example, also for centrifuges in nuclear reactors or, in general, always used there in an advantageous manner where inadmissible load peaks are to be expected due to vibrations.

Embodiments:

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:The invention is explained in more detail with reference to the exemplary embodiments shown in the drawing. Show it:

Fig. 1 - einen schematischen Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel, wobei die Speichen aus mehreren Schichten aufgebaut sind;Fig. 1 - a schematic longitudinal section through a first Exemplary embodiment, wherein the spokes are built up from several layers;

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Pig. 2 - einen Schnitt durch eine Speiche entlang der Linie II - II von Fig. 1;Pig. 2 - a section through a spoke along the Line II - II of Fig. 1;

Pig. 3 - eine Ansicht in axialer Richtung eines zweiten Ausführungsbeispieles, enthaltend auf den Speichen angeordnete Dampfungsringe;Pig. 3 - a view in the axial direction of a second Embodiment containing damping rings arranged on the spokes;

Fig. 4 - einen Schnitt durch eine Speiche des zweiten Ausführungobeispieles entlang der Linie IV - IV von FiG- 3;Fig. 4 - a section through a spoke of the second embodiment along the line IV - IV of Fig. 3;

Fig. 5 - eine v/eitere Ausführungsmöglichkeit mit Pederzungen als Haltevorrichtungen.Fig. 5 - a further possible embodiment with pedal tongues as holding devices.

In Fig. 1 ist ein schematischer Längsschnitt durch ein Schwungrad gemäß eines ersten Ausführungsbeispieles dargestellt. Ein Rotor enthält einen zylindrischen Schvmngring 1, alB Speichen 2 ausgebildete Verbindungselemente und eine Nabe 4, welche ein Lager 3 aufnimmt. Der Rotor ist mittels des Lagers 3 gegenüber dem Stator 5 um die Achse 23 drehbar, wobei der Antriebsmotor zur Vereinfachung der Zeichnung nicht dargestellt ist.In Fig. 1 is a schematic longitudinal section through a flywheel according to a first embodiment. A rotor contains a cylindrical swing ring 1, alB spokes 2 formed connecting elements and a Hub 4, which receives a bearing 3. The rotor is means of of the bearing 3 relative to the stator 5 rotatable about the axis 23, where the drive motor to simplify the drawing is not shown.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch eine Speiche 2, welche vier Schichten, welche als U-förmige Profilteile ausgebildet sind, aufweist. Zwischen den Profilstäben 6 sind dünne Schichten 7 aus¹ einem Material mit hohem Reibungskoeffizienten eingelegt. Die Profilstäbe 6 sind an der Nabe 4- und am Schvur.gring derart befestigt, daß zwischen den Reibflächen der Profilstäbe 6 und den Reibmaterial 7 eine bestimmte Anpreßkraft wirksam ist. Weiterhin sind an den durch die Linie 8 bezeichneten Stellen die Profilstäbe 6 mittels Schrauben 9 miteinander verbunden, so daß die genannte Anpreßkraft voll wirksam ist bzw. durch Anziehen der Schrauben noch verstärkt wird.Fig. 2 shows a section through a spoke 2, which has four layers, which are designed as U-shaped profile parts. Between the profile rods 6 thin layers 7 made of ¹ a material with a high coefficient of friction are inserted. The profile bars 6 are fastened to the hub 4 and to the Schvur.gring in such a way that a certain pressing force is effective between the friction surfaces of the profile bars 6 and the friction material 7. Furthermore, the profile rods 6 are connected to one another by means of screws 9 at the points indicated by the line 8, so that the aforementioned contact pressure is fully effective or is further increased by tightening the screws.

Bei Schwingungen des Schwungrades weisen die Schwingung^~ amplituden an dem mit den Linien 10, 11 bezeichneten StellenWhen the flywheel vibrates, the vibration ^ ~ amplitudes at the points indicated by the lines 10, 11

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ein Maximum auf, während an der mit der Linie 8 bezeichneten Stelle ein Minimum auftritt. Es entstehen zwischen den Profilstäben 6 und dem Eeibmaterial 7 Relativbevegunr::--::, welche in Verbindung mit der genannten Anpreßkraft zu einer Reibungsdämpfung der Schwingungen führen. Die Anbringung von Befestigungselementen beispielsweise der Schrauben 9 an den Stellen mit einem Minimum der Schwingungsamplituden ergibt eine definierte Anpreßkraft und erweist sich als besonders vorteilhaft.a maximum while at the indicated by the line 8 Make a minimum occurs. Relativbevegunr :: - ::, which, in conjunction with the aforementioned contact force, result in frictional damping of the vibrations. The attachment of fastening elements, for example the screws 9 at the points with a minimum of the oscillation amplitudes results in a defined contact pressure and proves to be particularly advantageous.

Es wird weiterhin vorgeschlagen, bei Verwendung von Hoh'lprofilspeichen, deren Innen- und/oder Außenflächen mit einer Schicht aus schwingungsdänpfenden Material zu umgeben, wobei vorzugsweise die Schichtstärke gegenüber der Wandstärke der Speichen groß ist. Auch bei Hohlprofilspeichen, deren Innenraum vollständig mit einem schwingungsdämpfenden Material ausgefüllt ist, werden aufgrund der inneren Reibung des genannten Materials Schwingungen des Schwungrades wirksam gedämpft. Es hat sich als sehr vor- · teilhaft erwiesen, jede Speiche aus zwei ineinander geschobene Hohlprofilstäbe auszubilden. Wird bei einer derartigen Ausbildung der zwischen den beiden Hohlprofiien liegende Raum mit einem Kämpfungsmaterial ausgefüllt, so kann eine sehr starke Dämpfung erreicht werden.It is also proposed, when using hollow profile spokes, to surround their inner and / or outer surfaces with a layer of vibration-damping material, wherein the layer thickness is preferably great compared to the wall thickness of the spokes. Even with hollow profile spokes, whose interior is completely covered with a vibration-damping Material is filled, vibrations of the material are due to the internal friction of the material Flywheel effectively damped. It has proven to be very advantageous for each spoke to be made up of two nested spokes Form hollow profile rods. With such a design, it becomes the position between the two hollow profiles lying space filled with a fighting material, so very strong damping can be achieved.

Wird bei einer Anordnung gemäß Fig. 1 zwischen Lager 3 * und Nabe 4- eine Zwischenhülse aus schwingungsdäcrpf endem Material vorgesehen, so wird ebenfalls eine wirksame Dämpfung erreicht. Diese Maßnahme führt auch in Kombination mit einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele zu sehr guter Dämpfung.If in an arrangement according to FIG. 1 between the bearing 3 * and the hub 4- an intermediate sleeve from schwingungsdäcrpf endem Material provided, effective damping is also achieved. This measure also works in combination very good damping with one of the preceding embodiments.

Fig. 3 zeigt eine Ansicht in axialer Richtung eines weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsbeispieles mit zwei am äußeren Rand der Speichen 12 angeordneten Dämpf ungsrirger: 13. Die genannten Dämpfungsringe 13 sind in axialer Richtung gesehen auf beiden Seiten der Speichen 12 aufgelegtFig. 3 shows a view in the axial direction of a further very advantageous embodiment with two am outer edge of the spokes 12 arranged damping device: 13. Said damping rings 13 are in the axial direction viewed on both sides of the spokes 12 placed

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und in Umfangsrichtung jeweils zwischen zwei benachbarten. Speichen mittels Haltevorrichtungen 14 gegeneinander vorspannt. Dadurch wird zwischen den als Reibflächen ausgebildeten Auflageflächen 15 und 16 von Dämpfungsringen und Speichen eine Anpreßkraft wirksam. Ua eine möglich hohe Dämpfung zu erreichen, sind die Dämpfungsringe 13 an den. Stellen 19 derart erweitert, daß die Auflageflächen 15 unü 16 möglichst groß sind. Werden außerdem auch die Speichen 12 an den Stellen 19, beispielsweise trapezförmig, nach außen erweitert (in Fig. 3 an der unteren Soeiche durch die strichpunktierten Linien 25 dargestellt;, so ergibt sich eine zusätzliche Vergrößerung der Auflageflächen. Die genannten Haltevorrichtungen sind als einschraubbare Spannbolzen (nicht dargestellt) ausgebildet, mit welchen die Anpreßkraft eingestellt wird. Die Haltevorrichtungen 1*- können beispielsweise auch als zwischen den beiden Dänpfungsringen angeordnete Zugfedern ausgebildet sein.and in the circumferential direction between two adjacent ones. The spokes are prestressed against one another by means of holding devices 14. As a result, between the bearing surfaces 15 and 16, which are designed as friction surfaces, of damping rings and Spokes a pressing force effectively. To achieve the highest possible damping, the damping rings 13 are on the. Places 19 expanded so that the bearing surfaces 15 unü 16 are as large as possible. Also will the spokes 12 at the points 19, for example trapezoidal, expanded to the outside (in Fig. 3 through the lower oak the dash-dotted lines 25 shown; so results an additional enlargement of the support surfaces. The holding devices mentioned are as screwable Clamping bolts (not shown) formed with which the contact pressure is set. The holding devices 1 * - can also be used, for example, as between the two dampening rings arranged tension springs be formed.

Der zylindrische Schwungring 1 und die genannten Däjcpfungsringe 13 bilden aufgrund ihrer unterschiedlichen Steifigkeit und Kasse zwei Schwingungssysteme mit unterschiedlichem Schvringungs verhalt en, so daß bei Schwingungen des 'Schwungrades an den Auflageflächen 15* 16 Relativbewegung^;: •zwischen Speichen und Dämpfungsringen auftreten. In Verbindung mit der genannten Anpre2kraft erfolgt somit eine wirksame Reibungsdämpfung der Schwingungen.The cylindrical flywheel 1 and the mentioned damping rings 13 form two vibration systems with different vibration behavior due to their different stiffness and cash, so that when the flywheel vibrates on the contact surfaces 15 * 16 relative movement ^ ;: • occur between spokes and damping rings. Thus, in conjunction with said Anpre2kraf t is carried out, an effective frictional damping of the vibrations.

Die Dämpfungsringe 13 sind weiterhin gegenüber dem Schvrur.p:- ring 1 mittels Zentrierkeiifn 17 fixiert um Verschiebungen der Däapfungsringe in radialer Richtung und eine daraus resultierende Unwucht des Rotors zu vermeiden. Die Zentrierkeile 17 sind in ümfangsrichtung an den Stellen angeordnet, an welchen die Schwingungsamplituden des Schwungringes ein Minimum aufweisen. Dies ist für die Dänpfungswirkung von entscheidender Bedeutung, da somit eine möglichst geringe Koppelung zwischen Dämpfungsringen und Schwungring gewährleistet wird.The damping rings 13 are still opposite the Schvrur.p: - ring 1 by means of centering pins 17 fixed around displacements to avoid the damping rings in the radial direction and a resulting imbalance of the rotor. The centering wedges 17 are arranged in the circumferential direction at the points at which the oscillation amplitudes of the oscillating ring have a minimum. This is for the dampening effect of of decisive importance, as this ensures the lowest possible coupling between the damping rings and the flywheel will.

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Eine sehr vorteilhafte Möglichkeit zur Zentrierung der Dämpfungsringe 13 i-^c-t dadurch gegeben, daß die Dämpfungsringe 13 entsprechend den Erweiterungen der Speichen (wie beispielsweise durch die Linien 25 angegeben) geformte Nuten aufweisen (nicht dargestellt). Durch die zu den Auf- · lageflächen 15» 16 im wesentlichen senkrecht stehenden zusätzlichen Berührungsflächen zwischen Speichen und Dämpfungsringen werden unzulässige Verschiebungen der Dämpfungsringe vermieden. A very advantageous possibility for centering the damping rings 13 i- ^c -t is provided in that the damping rings 13 have grooves (not shown) that correspond to the extensions of the spokes (as indicated, for example, by the lines 25). The additional contact surfaces between the spokes and the damping rings, which are essentially perpendicular to the supporting surfaces 15, 16, prevent impermissible displacements of the damping rings.

Fig. 4 zei^t einen Schnitt durch, eine Speiche 12 entlang der Linie IV - IV von Fig. 3» wobei zusätzlich zwischen den Auflageflächen 15i 16 eine Schicht aus einem Material mit hohem Reibungskoeffizienten vorgesehen ist. Damit wird die Reibungskraft stark erhöht und somit die Reibungsdämpfung besonders effektiv.Fig. 4 shows a section through a spoke 12 along the line IV - IV of Fig. 3 »with additional between the Support surfaces 15i 16 with a layer of a material high coefficient of friction is provided. This greatly increases the frictional force and thus the frictional damping particularly effective.

In Fig. 5 ist ein Schnitt durch eine Speiche eines weiteren Ausführungsbeispieles dargestellt, wobei die Haltevorrichtungen als Federzungen .21 ausgebildet sind. Die Federzungen 21 sind an der Nabe 22 befestigt und drücken mit der am äußeren Umfang angebrachten Reibfläche 24 beidseitig geger die Speichen. Sie bewirken die erforderliche AnpreSkraft zwischen den Reibflächen 24 und Speichen 12. Zur Erhöhung der Reibungskraft ist zwischen den Reibflächen 24 und den Speichen eine "Schicht 20 aus einem Material mit .hohem Reibungskoeiiizienten vorgesehen.In Fig. 5 is a section through a spoke of another Embodiment shown, wherein the holding devices are designed as spring tongues .21. The spring tongues 21 are attached to the hub 22 and press against on both sides with the friction surface 24 attached to the outer circumference the spokes. They cause the required contact force between the friction surfaces 24 and spokes 12. To increase the frictional force is between the friction surfaces 24 and the Spoke a "layer 20 of a material with a high coefficient of friction intended.

Das Ausführungsbeispiel entsprechend Fig. 5 kann auch in der Weise abgeändert werden, daß die Federzungen mit den Reibflächen einseitig gegen die Speichen drücken. Auch ' in diesem Falle wird eine Dämpfung von Schwingungen erziel:;, da mittels der Anpreßkrafi; und der Relativbewegung swisck-:: Federzunge in Verbindung mit der Reibfläche 24 und den £peichen Reibungskx'äfte wirksam werden.The embodiment according to FIG. 5 can also be used in be modified in such a way that the spring tongues press with the friction surfaces on one side against the spokes. Even ' in this case a damping of vibrations is achieved:;, because by means of the Anpreßkrafi; and the relative movement swisck- :: Spring tongue in connection with the friction surface 24 and the spokes Frictional forces become effective.

-Patentansprüche---Patent claims--

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Claims

1. Flywheel, in particular for stabilizing spacecraft, containing a rotor rotatably arranged by means of bearings relative to a stator, which preferably contains a flywheel on the outer radius, characterized in that the connecting elements arranged between the flywheel and bearing have devices for damping vibrations, which preferably are arranged at the points with the greatest oscillation amplitudes. "" ~

2. Flywheel according to claim 1, wherein the connecting elements are designed as spokes, characterized in that each spoke consists of at least two closely adjacent Layers is built up and the contact surfaces of the layers are designed as friction surfaces.

5 · Flywheel according to claim 2, characterized in that Material with a high coefficient of friction between the contact surfaces is arranged.

4. Flywheel according to claim 1, characterized in that the connecting elements designed as spokes have a tubular shape. Have cross-section, and on the inner and / or outer surfaces with a compared to their wall thickness are preferably surrounded by a thick layer of vibration-damping material,

5 · flywheel according to claim 1, wherein the connecting elements are designed as spokes, characterized in that each spoke as two hollow profile rods pushed into one another is formed lind that between the said Kohlprofilstäben Damping material is provided.

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6. Flywheel according to one of claims 1 to 5, characterized in that that between the bearing and the hub of the rotor, a sleeve made of vibration damping material is arranged is.

7. The flywheel of claim 1, wherein the connecting elements are designed as spokes, characterized in that on the spokes, preferably at their outer ends, at least a damping ring is placed, which means a holding device is pressed against the spokes.

8. Flywheel according to claim 7 »characterized in that seen in the axial direction, two damping rings from below and are placed on top of the spokes and that preferably in the circumferential direction between two adjacent spokes there is a holding device which braces the said damping rings against one another in a defined manner.

9 · Flywheel according to claim 7 or 8, characterized in that that between the contact surfaces of the spokes and damping r ing en. Material is arranged with a high coefficient of friction.

10. Flywheel according to one of claims 7 "to 9, characterized in that that between the flywheel and the damping rings preferably at the points at which the vibration amplitudes have a minimum, centering elements are provided.

11. Vane wheel according to one of claims 7 or 9, characterized in that that the bearing surfaces of the spokes are preferably expanded trapezoidally outwards, and that the Have damping rings shaped like the support surfaces of the spokes.

Heidelberg, November 24, 1972
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