DE2334126A1

DE2334126A1 - Vorrichtung zur induktionshaertung von oberflaechenbereichen an wellen, insbesondere der lagerlaufflaechen von kurbelwellen

Info

Publication number: DE2334126A1
Application number: DE19732334126
Authority: DE
Inventors: Friedhelm Dr Ing Reinke; Gerhard Dr Ing Seulen; Edgar Stengel
Original assignee: AEG Elotherm GmbH
Current assignee: SMS Elotherm GmbH
Priority date: 1973-07-05
Filing date: 1973-07-05
Publication date: 1975-01-23
Also published as: GB1469822A; DE2334126C3; JPS5038616A; DE2334126B2; FR2236008A1; US3927870A; JPS5621047B2; FR2236008B1; IT1016280B

Description

Vorrichtung zur Induktionshärtving von Oberflächenbereichen an Wellen, insbesondere der Lagerlaufflachen von Kurbelwellen

Die Erfindung betrifft das induktionshärten von Oberflächenbereichen an Wellen, insbesondere der Lagerlaufflächen von Kurbelwellen mit Hilfe von Induktoren mit schleifenartigen Heizleitern, welche während des Erhitzungsvorganges auf den zu härtenden Oberflächenbereichen aufsitzen und diese dabei über einen Umschlingungswinkel von höchstens IbO nicht völlig umfassen, während diese zu härtenden Oberflächenbereiche durch Drehung der Welle relativ zum Induktor bewegt werden.

Eine halbautomatische Vorrichtung, die nach diesem Prinzip ar-. beitet, ist z.B. aus der deutschen Patentschrift bö5 J21 bekannt. Diese Vorrichtung enthält in ihrem Maschinengestell ein Becken zur Aufnahme des Abschreckmittels, eine über diesem Becken mit horizontaler Achse angeordnete Trägerwelle, an der - azimutal gegeneinander versetzt - vier Spannkopfpaare mit Einspannelementen zur Aufnahme einer Kurbelwelle angeordnet sind. Diese Trägerwelle ist mit einem Getriebe verbunden, das einerseits zur Ausführung von Durchteil-Drehungen der Trägerwelle dient, welche die in den Einspannelementen der Spannköpfe gehalterten Kurbelwellen jeweils von einer dem Bedienungsmann zugänglichen Einspannstation, in der gleichzeitig die induktive Härtung erfolgt, schrittweise über drei sich im Abschreckmittelbad befindlichen Stationen zurück zur Einspannstation verbringt.

Zur induktiven Erhitzung der Lagerflächon-Obez^flächenbereiche ist ein Härte wagen vorgesehen, der auf Trägerschienen am Rande des Abschreckmittelbeckens in Richtung parallel zur Trägerwellenachse bzw. zur Achse der eingespannten Kurbelwellen verfahrbar ist. Ein über flexible Zuleitungen gespeister Mittelfroquenz-

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Leistungstransformator, der an dem induktor sekundärseitig elektrisch, sowie auch mechanisch starr, jedoch lösbar, angeschlossen ist und mit diesem eine Einheit bildet, ist über seine Trägerplatte und ein doppeltes Gestänge nach Art eines Pantographen mit dem Härtewagen verbunden. Das Gewicht der Transformator-Induktor einheit mit Trägerplatte samt dem Gestänge ist zum größten Teil durch Gegengewichte ausgeglichen, so daß der Induktorblock während der induktiven Erhitzung mit einer relativ geringen Kraft auf dem zu härtenden Lager aufsitzt.

Im Betrieb werden jeweils vier Kurbelwellen von Hand aus durch den Bedienungsmann zwischen die vier spannkopfpaare der Trägerwelle eingespannt.

Danach verschiebt der Bedienungsmann den Härtewagen, bis die axiale Lage des Induktors mit der des zu härtenden Lagers der sich in Einspann- bzw. Erhitzungsstation befindlichen Kurbelwelle übereinstimmt, wonach er den Induktor von Hand aus auf das zu härtende Lager der inzwischen in Rotation versetzten Kurbelwelle aufsetzt, wonach die induktive Erhitzung des Lagers durch Einschalten des Induktorstromes eingeleitet wird. Die Abschaltung des induktotstromes erfolgt dann bei vollendeter Aufheizung mittels eines Zeitschalters, der Induktor hebt darauf automatisch ab, es startet eine Durchteil-Drehung der Trägerwelle, wodurch die Kurbelwelle mit dem eben aufgeheizten Lager zwecks Abschrekkung in das Abschreckmittelbad überführt, bzw. die nächste Welle in Aufheizposition gebracht wird. Nun kann in derselben stellung des Härtewagens auf analoge Weise die Härtung des entsprechenden Lagers der sich nun in der Aufheizstation befindlichen Kurbelwelle vorgenommen werden. Dies wird solange wiederholt, bis die dieser Härtewagenstellung entsprechenden Lager aller vier eingespannten Kurbelwellen gehärtet sind. Kann der eingespannte Induktor zur Härtung mehrerer Lager an der Kurbelwelle dienen, wird in den diesen Lagern entsprechenden Stellungen des Härtewagens der eben geschilderte Vorgang wiederholt. Dasselbe erfolgt jeweils mit einem oder mehreren anderen Induktoren bis alle Kur-

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belwellenlager gehärtet sind.

Zur Erhöhung des Kurbelwellendurchsatzes ist dabei eine Variante in_; der bekannten deutschen Patentschrift b65 321 beschriebenen Vorrichtung bekannt geworden, bei der nebeneinander zwei Härtebecken angeordnet sind, die jeweils eine Trägerwelle mit bpannköpfen zum Einspannen der Kurbelwellen aufweisen und die durch ein und denselben entlang von beiden Härtebecken verfahrbaren Härtewagen bedient werden. Dies hat den Vorteil daß, wenn an einem Härtebecken die Be- bzw. Entladung von Kurbelwellen erfolgt, an dem anderen Härtebecken gehärtet werden itfain und umgekehrt.

Bei diesem sogenannten halbautomatischen Vorrichtungstyp, der sich nun seit vielen Jahren bewährt hat, sind jedoch ständig ein- bzw. bei einer Zweibeckenvorrichtung - mindestens zwei Bedienungsleute erforderlich.

Zur Härtung vom. Kurbelwellen mit großen Durchsatzzahlen pro Stunde sind außerdem - z.B. aus der deutschen Patentschrift 1 2o9 137-selbsttätig arbeitende Vorrichtungen zum induktiven Härten von Kurbelwellen bekannt, bei welchen die Kurbelwellen mittels einer Transporteinrichtung in Richtung senkrecht zu ihren Achsen nacheinander zwei Härtestationen zugeführt werden, in denen sie jeweils eingespannt, mehrere ihrer Lager gleichzeitig dann in Eingriff mit jeweils einer zugehörigen Transformator-Induktoreinheit gebracht werden. Bei rotierender Kurbelwelle werden danach die Lager mittels der auf ihnen aufsitzenden Induktoren induktiv erhitzt, wonach die Abschreckung mit Hilfe von mit diesen Induktoren verbundenen Abschreckbrausen erfolgt. Danach wird die Kurbelwelle in ihrer Drehung angehalten,ausgespannt und weiter transportiert. ' _t

Diese bekannte selbsttätig arbeitende Vorrichtung zum induktiven Härten von Kurbelwellen stellt an sich, bzw. mit den für die gleichzeitige Härtung mehrerer Lager erforderlichen erhöhten Leistungsbedarf, einen hohen technischen Aufwand dar, der sich nur bei sehr großen Wellen - Durchsatzzahlen rechtfertigt.

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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung für das zumindest bis auf den Ein- und Ausspannvorgang selbsttätige induktive Härten von Oberflächenbereichen von eine Drehachse aufweisenden Werkstücken, insbesondere der Lager von Kurbelwellen, anzugeben, die einen nur wenig höheren Aufwand als die genannte bekannte halbautomatische Vorrichtung darstellt, jeweils eine einfache und rasche Umrüstung auf einen anderen Wellentyp erlaubt und wesentlich weniger aufwendig ist als die genannte bekannte selbsttätig arbeitende Kurbelwellenhärtevorrichtung.

Diese Aufgabe wird durch die erfindungsgemälle Vorrichtung gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Transformator-Induktoreinheit neben dem Transformator mehrere unterschiedliche Induktoren aufweist, die zu einem Induktorstern zusammengefaßt sind, an dem benachbarte Induktormittellinien um denselben Winkel gegeneinander versetzt sind, daß der Induktorstern an der Transformatorunterstützung um eine Achse drehbar gelagert ist, die mit allen Induktormittellinien denselben Winkel einschließt, daß an der Transformatorunterstützung ein Antrieb zur Erzeugung von Teildrehungen des Induktorsterns vorgesehen ist, um jeden der Induktoren in eine vorgegebene Arbeitsposition relativ zur Transformatorunterstützung zu verbringen,sowie eine Kupplung zum Ankuppeln tin der Transformatorunterstützung vorgesehenen Transformatorsekundär- und Kühlmittelanschlüsse an die entsprechenden Anschlüsse des sich in Arbeitsposition befindlichen Induktors, und daß eine Antriebs- und steuervorrichtung zur programmierten Einleitung und Ausführung der Schritte des Arbeitsablaufes der Vorrichtungvorgesehen sind. Dabei sind vorteilhaft die Mittellinien der Induktoren, die in Induktoraufheizposition senkrecht zu den zu härtenden Werkstückoberflächen stehen, alle in einer Ebene und die Drehachse des Induktorsterns horizontal und vorzugsweise pralle! zur Werkstückeinspannachse angeordnet.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die erfinderische Vorrichtungferner dadurch gekennzeichnet, daß der Induktorstern mit einer an eier Transformatorunterstützung drehbar gelagerte Welle verbunden ist und daß der mit der Welle gekuppelte Antrieb

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zur Erzeugung von Teildrehungen des Induktorsternes mit einer Verstelleinrichtung zur axialen Verschiebung des Induktorsteraes zwecks Kuppeins bzw. Entkuppeins der Anschlüsse verbunden ist. Dabei weist die Verstelleinrichtung vorteilhaft zum Kuppeln der Anschlüsse einen diese Anschlüsse gegeneinander pressenden Kraftspeicher, vorzugsweise eine Druckfeder, und zu ihrem Entkuppeln, einen den Knduktorstern gegen die Wirkung des Kraftspeichers verschiebenden Verstellzylinders auf.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren eingehend erläutert.

Fig. 1 zeigt in schematischer, perspektivischer Teildarstellung die für den Erfindungsgegenstand wesentlichen Teile einer bis auf den Belade- und Entladevorgang selbsttätig arbeitende Kurbelwellenhärte vorrichtung.

Das Maschinengestell 1 der Vorrichtung enthält ein Härtebecken 2, an dem mit horizontaler Achse 3 eine Trägerwelle k gelagert ist, deren vier Spannkopfpaare (in Fig.l sind zwei davon zu erkennen) geeignet sind, mit Hilfe von Pinolen 6 Kurbelwellen 7 zjwie.qhQn spitzen einzuspannen. Von den von der Trägerwelle k aufzunehmenden Kurbelwellen ist aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit in Fig. 1 jene Kurbelwelle dargestellt, die sich gerade in Heizposition außerhalb des Abschreckmittelbades befindet. Zum Antrieb der Durchteildrehung der Trägerwellen sowie der Pinolen b dient ein mit 6 angedeutetes Getriebe. An der Vorrichtung ist ferner am hinteren Beckenrand eine Rampe mit Schienen 9 angeordnet, auf der - mittels eines Getriebemotors Io über eine Spindel 11 angetrieben - ein Härtewagen 12 in Richtung parallel zur Kurbelwelleneinspannachse zwischen mehreren axialen Positionen verfahrbar ist. An dem Härtewagen 12 ist vertikal verschiebbar ein Schlitten l'J angebracht, an dem über ein pendelnd auslenkbares Parallelogrammgestänge Ik eine Transformatorunterstützung 15 in einer Ebene verschwenkbar ist, deren Normale parallel zur Kurbelwelleneinspannachse ist. Die Transfortnatorunterstützung 15 trägt einen Mittelfrequenz-Leistungs-

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transformator 16, der primärseitig über flexible Zuleitungen . (in Fig. 1 nicht dargestellt) mit der im Härtewagen, befindlichen Kondensatorbatterie eines Mittelfrequenzgenerators verbunden ist. An der Transformatorunterstützung 15 ist ein Induktorstern 17 mit mehreren unterschiedlichen Halbschalen-Induktoren Ib drehbar gelagert, wobei jeder dieser Induktoren Ib in eine Arbeitsstellung 1ö' gebracht werden kann, in der seine Mittellinie 19 eine vertikale Lage hat.

Das an dem Parallelogrammgestänge I^ aufgehängte>die Transformatorunterstützung 15 und den Induktorstern I7 umfassende Aggregat ist in Fig. 2 zum Teil im Schnitt dargestellt.

Die Transformatorunterstützung 15» an dem die Stangen Ik des Parallelogrammgestänges in Lagern I9 r angelenkt sind, weist eine Buchse 2o auf , in der eine Welle 21 drehbar gelagert ist. An einem Ende der !felle 21 ist - gegen Drehung gesichert - der Induktionsstern 17 aufgeschoben, während das andere Wellenende mit einem an der Buchse 2o angeflaschten Getriebe 22 gekuppelt ist. Dieses Getriebe 22, das mit einem Motor 23 ein Antriebsaggregat bildet, dient zur Erzeugung von-Durchteil-Drehungen des Induktorsterns I7. in der hohl ausgebildeten Welle 21 ist axial verschiebbar eine Verstellstange 2k angeordnet, die an einem Ende mit den Induktorstern I7 (nicht dargestellt) und am anderen Ende der Welle mit einer Druckfeder 2^ verbunden ist, die mittels eines Verstellzylinders 26 komprimiert werden kann. Die Transformatorsekundär- bzw. Induktorkühlmittelanschlüsse 27 sind jeweils mit dem entsprechenden Anschlüssen 2b des sich in Arbeitsstellung befindlichen Induktors gekuppelt.

Diese an Hand der Fig. 1 und 2 beschriebene Vorrichtung arbeitet nun wie folgt;

Es sei angenommen, der Härtewagen befinde sich in der Fig· I dargestellten Position mit dem Schlitten l'J in seiner höchsten Stellung. In dieser Phase des Arbeitsablaufes sei zum Beispiel die Härtung aller mittels des angekuppelten Induktors Ib zu

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härtenden Lager abgeschlossen. Dieser Zusatnd löst nun ein Startsignal für den inüuktorwechsel bzw. das Verfahren des Härtewagens 12 in seine zu dem nächsten Induktor gehörige erste axiale Härteposition aus.

Der Induktorwechsel geht nun so vor sich, daß zunächst durch Betätigung des Verstellzylinders 26 die Verstellstange 2k und mit ihr der Induktorstern gegen die Kraft der Druckfeder 25 (in Fig. 2 nach links) axial verschoben wird, dadurch werden die Transformatorsekundär- bzw. Induktorkühlmittelanachlüsse 27 von den entsprechenden Anschlüssen 2ö des auszuwechselnden Induktors ge·*- löst. Hiernach werden mittels des Antriebes 22,2'J eine oder mehrere Durchteildrehbewegungen des InduktorSternes 17 ausgeführt, bis der programmiert nächstanzusxihließende Induktor des Induktorsternes sich mit seinen Anschlüssen 2ö gegenüber den entsprechenden Anschlüssen 27 an der Transformatorunterstützung 15 befindet. Danach wird schließlich nach Lüftung des Verstellzylinders 25 der Induktorstern 17 unter der Wirkung der Druckfeder 26 gegen die Anschlüsse 27 gepreßt, wodurch der elektrische bzw. kühlmittelmäßige Anschluß des nun neu in Arbeitsstellung verbrachten Induktors hergestellt und der Induktorwechsel damit vollzogen ist.

Mit der Beendigung des Induktorwechsels wird dann der selbsttätige Härtevorgang an allen zu diesem neu angeschlossenen induktor gehörigen Kurbelwellenlagern ausgelöst.,

Dieser Härtevorgang besteht für jede zu¹diesem Induktor zwecks Härtung einzunehmende axiale Position des Härtewagens 12 aus vier aufeinanderfolgenden Härtevorgängen, wobei die Beendigung des HarteVorganges die Einleitung des jeweils nächsten ausgelöst und das Ende des jeweils letzten, vierten HärteVorganges das Verfahren des Härtewagens 12 in seine zum angekuppelten Induktor gehörige, nächste axiale Position bewirkt, in der dann erneut die vier zugehörigen Härtevorgänge ausgelöst werden, usw.^ bis alle zu dem eingespannten Induktor gehörigen Lager gehärtet sind und automatisch der nächste Induktorwechselvorgang erfolgt. Dies wird solange fortgesetzt, bis alle Lager· der eingespannten Wellen ge* härteten Kurbelwellen bzw. zum Beladen mit neuen Kurbelwellen

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angehalten wird.

Jeder der erwähnten Härtevorgänge besteht aus dem Aufsetzen des Induktors auf das zu härtende Lager durch Absenken des Schlittens 13 und Trennung des Schlittens von seiner Hebevorrichtung in einer Weise, wie es z.B. aus der deutschen Patentschrift 1 2o9 137 für automatische Kurbelwellenhärtevorrichtungen bekannt ist, dem Starten der Drehbewegung der Welle und Einschalten des Induktorstromes, dem Abschalten des Induktorstromes mittels eines Zeitschalters, dem Hochfahren des Schlittens l'J und schließlich der Durchteildrehung der Trägerwelle h, wodurch die Kurbelwelle mit dem eben induktiv erhitzten Lagers in das Abschreckmittelbad abgesenkt und eine andere Welle in die Aufheizposition verbracht wird. Das Ende des Härtevorganges leitet darauf den nachfolgenden HärteVorgang mit dem Absenken des Schlittens 13 bzw. dem Aufsetzen des Induktors auf das nun zu härtende Lager der in azimutal vorgegebener Position angehaltenden nächsten Kurbelwelle ein.

Statt mit einem Härtebecken, kann - wie in der Beschreibungseinleitung als an sich bekannt erwähnt - in einer bevorzugten Abwandlung der anhand von Fig. 1 beschriebenen Ausführung die Vorrichtung mit zwei Härtebecken ausgerüstet sein, die jeweils eine Trägerwelle mit Spannköpfen zum Einspannen der Kurbelwellen aufweisen. Bei einer so angewandelten Vorrichtung wird nun wieder, wenn an einem Härtebecken die Be- bzw. Entladung erfolgt, an dein anderen Becken gehärtet, bzw. umgekehrt und auf diese:· Weise ein erhöhter Kurbelwellendurchsatz erzielt .

Zur steuerung des selbsttätigen Arbeitsablaufes bei den beschriebenen Vorrichtungen dienen an sich bekannte Steuerelemete, wie find- und Näherungsschalter, die bei einer vorgegebenen Verstellung eines Vorrichtungsteiles, oder Zeitschalter., die z.U. bei der Einschaltperiode des Induktorstromes, die Beendigung des betreffenden Arbeitsschrittes der Vorrich-

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tung bewirken und-jgleichzeitig ein signal zur Einleitung des programmiert darauf folgenden Arbeitsschrittes der Vorrichtung oiroca. Insbesondere ist z.B. zum Anhalten des Härtewagens in seinen Arbeits- bzw. Induktorwechselpositionen am Maschinengestell eine Nockenleiste mit längs der Härtebahn verstellbaren Nocken vorgesehen, die am Härtewagen angebrachten Endschalter betätigen. Eine Umrüstung der Vorrichtung auf einen anderen Kurbelwellentyp kann dabei bereits allein durch, entsprechende Neubestückung des Induktormagazins mit zum neuen Kurbelwellentyp gehörigen Induktoren, einer entsprechenden Voreinstellung von Heizzeit, Heizleistung und Kompensationskondensatoren für jeden Induktor, sowie einer Neueinstellung der Nocken der genannten Nockenleiste erfolgen.

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Abweichend von den beschriebenen Vorrichtungen, die alle bis auf den Werkstückeinspann- bzw. Ausspannvorgang selbsttätig arbeiten, kann die erfinderische Vorrichtung auch mit selbsttätig arbeitenden Einrichtungen zur Werkstückzufuhr, zum Ein- und Ausspannen und zur Werkstückabfuhr ausgerüstet werden, wie es z.B. von der in der deutschen Patentschrift 1 2o9 137 beschriebenen Vorrichtung her bekannt ist. In diesem Fall sind die Induktoren mit Abschreckbrausen kombiniert, und das Abschrecken erfolgt in der Aufheizposition des Werkstückes. Eine solche Vorrichtung arbeitet dann vollautomatisch, d.h. der Härteablauf einschließlich der Be- und Entladevorgänge der Maschine verläuft selbsttätig.

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Claims

Patentansprüche

Vorrichtung zum induktiven Härten von Oberflächenbereichen von eine Drehachse aufweisenden Werkstücken, insbesondere der Lager an Kurbelwellen, im Umlaufverfahren, rait wenigstens einer Einspannvorrichtung zum Einspannen eines Werkstückes an seinen Enden und zu seinem Rotieren um seine im Einspannzustand horizontal angeordnete Achse, mit einem in Richtung der Werkstückeinspannachse zwischen mehreren axialen Positionen verfahrbaren Härtewagen und mit einer Mittelfrequenzstromquelle über flexible Primärzuleitungen verbundenen Transformator-Induktoreinheit, die durch ein schwenkbares und/ oder in vertikaler Richtung beweglich geführtes Gestänge mit dem Härtewagen derart verbunden ist, daß die Bewegungsfreiheit der Transformator-Induktoreinheit auf eine wenigstens nahezu translatorische Bewegung senkrecht zur Werkstückeinspannachse beschränkt bleibt, und bei der die Induktoren die zu härtenden Oberflächenbereiche nicht völlig umfassen, dadurch gekennzeichnet, daß die Transformator~Induktoreinheit neben dem Transformator (l6) mehrere unterschiedliche Induktoren (l&) aufweist, die zu einem Induktorstern (17) zusammengefaßt sind, an dem benachbarte Induktormittellinien um denselben winkel gegeneinander versetzt sind, daß der Induktorstern (17) an der Transformatorunterstützung (15) um eine Achse drehbar gelagert ist, die mit allen Induktormittellinien denselben Winkel eixxschließt, das an der Transformatorunterstützung (15) ein Antrieb (22,2,3) zur Erzeugung von Teildrehungen des Induktorstern vorgesehen ist, um jeden der Induktoren in eine vorgegebene Arbeitsposition relativ zur Transformatorunterstützung (15) zu verbringen, sowie eine Kupplung der an der Transformatorunterstützung (15) vorgesehenen Transformatorsekundär- und induktorkühlmittelanschlüsse (27) mit den entsprechenden Anschlüssen (2b) des sich in Arbeitsposition befindlichen Induktors, und daß eine Arbeits- und steuervorrichtung zur programmierten Einleitung und Ausführung der Schritte des Arbeitsablaufes der

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Vorrichtung vorgesehen sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittellinien der Induktoren (lö), die in Induktoraufheizposition senkrecht zur zu härtenden Werkstückoberfläche stehen₅alle in einer Ebene und die Drehachse des Induktorsterns (17) an der Transformatorunterstützung (15) horizontal angeordnet sind..
3· Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachse des Induktorsterns (17) parallel zur Werkstückeinspannachse angeordnet ist.
k. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3» dadurch gekennzeichnet, daß der Induktorstern (17) ^mit einer an der Transformatorunterstützung (15) drehbar gelagerten Welle (21) verbunden ist und daß der mit der Welle (21) gekuppelte Antrieb (22,23) zur Erzeugung von Teildrehungen des Induktorsterns (17) mit einer Verstelleinrichtung (25#26) zur axialen Verschiebung des Induktorsterns (17) zwecks Kuppeins bzw. Entkuppeins der Anschlüsse (27»2b) verbunden ist.
). Vorrichtung nach Anspruch*», dadurch gekennzeichnet, daß die Verstelleinrichtung zum Kuppeln der Anschlüsse (27_f2ö) einen .diese Anschlüsse gegeneinander pressenden Kraftspeicher, und zu ihrem Entkuppeln, einen den Induktorstern (17) gegen die Wirkung des Kraftspeichers verschiebenden Verstellzylinder (26) aufweist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftspeicher eine Druckfeder (25) ist.

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