DE2429856A1 - Rotorpaar fuer eine schraubenrotormaschine und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Rotorpaar für eine Schraubenrotormaschine zur Kompression oder Expansion einer elastischen Arbeitsflüssigkeit, so wie sie in den

4>. folgenden U.S. Patentschriften beschrieben und dargestellt

to ist:

ω 3 073 513 3 088 659

S 3 073 514 3 102 681

£ 3 07^ 624 3 129 877

^ω 3 084 851 3 245 612

3 088 656 3 423 017 ,

DR. G. MANITZ · DIPL.-INO. M. FINSTERWALD DIP L. -!NO. W. CRAMKOW ZENTRALKASSE BAYER. VOLKSBANKEN

Eine Schraubenrotormaschine umfasst allgemein ein Gehäuse mit einem Arbeitsvolumen, das Hochdruck- und Niederdruck A.üs- und Einlassöffnungen hat und wenigstens zwei' sich überschneidende Bohrungen mit parallelen Achsen enthält; sowie zusammenwirkende Rotoren männlichen und weiblichen Typs mit in schraubenförmiger Weise vorstehenden Gebieten und damit verzahnten Einbuchtungen mit einem Umhüllungswinkel von weniger als J56O . Ein männlicher Rotor ist ein Rotor, bei dem von jedem Gebiet und jeder Einbuchtung wenigstens der grössere Teil ausserhalb des Rollkreises des Rotors gelegen ist und der zwei im allgemeinen konvexe Flanken hat, die ausserhalb des Rollkreises liegen. Ein weiblicher Rotor ist dagegen ein Rotor, bei.dem von jedem vorstehenden Gebiet und jeder Einbuchtung wenigstens der grössere Teil innerhalb des Rollkreises des Rotors gelegen ist und der zwei im allgemeinen konkave Flanken hat, die innerhalb des Rollkreises des Rotors liegen.

In den oben zitierten und anderen Patenten sind viele und verschiedene Schraubenprofile vorgeschlagen worden, und in den letzteren der aufgelisteten Patente wurde auf viele und verschiedene Mängel der früheren Profile hingewiesen. Gewisse der vorgeschlagenen Profile wurden und werden weithin im Bereich der Druck- und Unterdruckerzeu-

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gung verwendet, ohne jedoch alle Mängel zu beheben. Das betrifft insbesondere einen Nachteil,der in keinem der früher bekannten Patente erwähnt wird, die dem Erfinder bekannt sind, nämlich denjenigen,' der in der Schwierigkeit der Herstellung und Ausmessung von Oberflächen mit Profilen von erzeugten Kurven liegt, wie sie von den neuesten und besten Schraubenprofilen - anzutreffen bei den oben erwähnten Patenten - gefordert werden.

Die vorliegende Erfindung richtet sich auf Profile auf der Basis von Evolventen, die auf einer Standard-Zannradfräsmaschine gefertigt werden können, anstelle einer speziellen Holroyd Gewindefräsmaschine, wie sie zur Herstellung solcher erzeugten Flächen verwendet werden muss. Ausser der Schwierigkeit bei der Herstellung solcher Oberflächen liegt eine noch grössere Schwierigkeit darin, sie genau auszumessen, mit dem Ergebnis, dass man äusserst abhängig ist. von der Genauigkeit des Fräsens und der Nichtigen Einstellung der Holroyd-Anordnung. Ein besonders wichtiger Nachteil des Unvermögens, die Rotoren genau zu überprüfen, beruht auf der Notwendigkeit, einen weiblichen Rotor einem besonderen männlichen Rotor paarweise . zuzuordnen, und diese paarige Zuordnung während der Lagerung und der Montage zu erhalten. Dieser Nachteil bedingt ferner, dass beide Rotoren ersetzt werden müssen, falls einer beschädigt werden sollte.

Sowohl das männliche wie auch das weibliche Rotorprofil der Erfindung verbinden einen kreisförmigen Bogen und

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Evolventen . mit dem Ergebnis, dass diese neuen Profile nicht nur auf standardmässigen Schneidfräs- oder-Abwälzfräsmaschinen hergestellt werden können, ebenso' * erzeugt auch ein Schneid- oder Walzenfräser - unter dem Basissteigungswinkel zur Grundlinie geneigt und eine ebene Fläche mit dem Werk-_ stück bildend - , ausgehend von dem Grundlinienprinzip, wie es bei einer Evolventen - Schraubenverzahnungsform angewendet wird, an einem rotierenden Teil die Evolventenspiralform, während dieses an der Schneide oder Walze mit gleichförmiger Geschwindigkeit vorbeizieht. Es ist daher möglich, gehärtete Rotoren herzustellen und zu bearbeiten, um sie dann als Vergleichsmodelle zu verwenden, gegen die die spätere laufende Produktion verglichen wird.

Andere Vorteile der vorgeschlagenen Zahnprofile sind:

1) Die effektive Fläche der männlichen Rotorzähne ~ ist geringfügig grosser als die schon bestehender Rotoren, was einen erhöhten Luftdurchfluss ergeben sollte.

2) Das vorgeschlagene Profil eignet sich gut dazu, durch Abwälzfräsen, Zahnradfräsen oder andere Methoden erzeugt zu werden, die von der einfachen Zahnradfräse als Schneidwerkzeug Gebrauch machen.

3) Alle theoretischen Kontaktpunkte zwischen den Rotoren· sind auf abgerollten Oberflächenteilen der Zähne gelegen und können leicht mithilfe der Trigonometrie von Evolventen berechnet werden.

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4) Die/Abmessungen aller vorgeschlagenen Rotorzähne können genau ausgemessen werden, indene man sowohl die normalen Dicken der Zähne am Grundkreis als auch die Mikrometermessungen über Präzisionskugeln benutzt.

5) Rotoren, die solche Profile haben, wie sie durch diese Erfindung vorgeschlagen werden, können auf der Basis laufender Produktion gefertigt und überprüft werden. Dadurch wird das Anpassen der Rotoren überflüssig und 'Produktions- und Lagerhaltungskosten werden verringert.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine neue und verbesserte Schraubenrotormaschine zu entwickeln.

Weiter soll durch diese Erfindung eine neue und verbesserte Schraubenrotormaschine geschaffen werden mit Rotorprofilen, die durch Abwälz-, Zahnradfräsen oder mit einem anderen Präsverfahren hergestellt werden können, das von einer einfachen Zahnradfräse als Schneidwerkzeug.Gebrauch macht.

■Diese und andere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden noch offensichtlicher durch Betrachtung der folgenden Beschreibung und Zeichnungen:

Fig. 1 ist eine Teilansicht im Querschnitt der Rotationsebene des männlichen Rotors, der nach den Prinzipien der Erfindung konstruiert ist.

Fig. 2 ist eine Teilansicht im Querschnitt der Rotationsebene des weiblichen Rotors, der nach den Prinzipien der Erfindung konstruiert ist.

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Fig. 3 ist ein Querschnitt durch die Rotationsebene eines Rotorpaares, .das gemäss den Prinzipien der Erfindung konstruiert

In den Fig. 1 und 2 sind Profile von Rotorzähnen dargestellt, allgemein mit 10 und entsprechend 12 bezeichnet, welche die entsprechenden Umrisse des Querschnitts eines männlichen und weiblichen Rotors, in der Rotationsebene dargestellt, umfassen. Solche Profile nach den Prinzipien der Erfindung werden am besten beschrieben, indem ein Verfahren angegeben wird, nach dem solche Profile entwickelt werden können. Man entscheidet sich zunächst für die wesentlichen Parameter des Kompressors, wie z.B. den äusseren Durchmesser des Rotors und den Abstand zwischen ihren Zentren. Dann werden die Rollkreisdurchmesser des männlichen und weiblichen Rotors berechnet, und die damit zusammenhängenden Fusskreisdurchmesser werden von der Beziehung zu den Aussendurchmessern der paarigen Rotoren abgeleitet, wonach dann die Prinzipien dieser Erfindung angewendet werden.

Durch die Entscheidung, die gut entwickelten Prinzipien und Techniken einer Evolventenverzahnung zu. verwenden aus Gründen, wie sie schon oben umrissen wurden, und nachdem man sich für einen Zahneingriffswinkel von 20 entschieden hat, werden der entsprechende Durchmesser des Grundkreises, der gleich dem entsprechenden Rollkreisdurchmesser mal dem Cosinus des Zahneingriffswinkels ist, bestimmt und die zugehö- · rigen Roll- und Grundkreise gezeichnet, wie in den Figuren

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angegeben. Die Nummern 14 und 16 bezeichnen jeweils den Grund- und Rollkreis des männlichen Rotors, und die Nummern 15 und 18 bezeichnen den entsprechenden Roll- und Grundkreis des weiblichen Rotors. Hat man dann die Zahndicke des weiblichen Rotors am Rollkreis festgelegt, und zwar ausreichend gross, derart dass der weibliche Zahn - für hinreichende thermische Leitfähigkeit und mechanische Stärke sorgt und dass Deformationen durch Druckkräfte vermieden werden, so werden mithilfe des Grundkreises 18 des weiblichen Rotors die Abrollkurven oder Evolventen konstruiert. Diese Bögen sind längs des Rollkreises durch die gewünschte Zahndicke voneinander getrennt angeordnet und reichen von wenig ausserhalb des Rollkreises I5 nach innen bis wenig ausserhalb des Grundkreises 18 wie von den Punkten 20 bis 21 der Hinterkante des weiblichen Zahnes (die Drehrichtung ist durch den spitzen Pfeil I9 angezeigt) und von den Punkten 22 bis 23 auf der Vorderkante desselben Zahnes, um mit der Ausbildung des gewünschten Profils zu beginnen. Da bereits entschieden wurde, dass die gewünschte Konfiguration sechs weibliche und vier männliche Zähne ■ enthalten soll, wird es natürlich noch andere, identische weibliche Rotorzähne in 60 -Intervallen rund um den Kreis herum angeordnet geben. Die Kopfflanke jedes weiblichen Zahnes, wie am Punkte 25 wird am Kopfkreis 26 gebildet, nachdem sie durch

Wegnahme von genügend viel Oberfläche wenig unter diesen Durchmesser reduziert wurde, so dass ein um weniges erhöhter Abdichtungsstreifen wie am Punkte 27 entsteht.

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Der männliche Zahn wird auf ähnliche Weise begonnen. Eine Evolvente .· mit "einer Hinterkante 30 (die Drehrichtung ist durch einen spitzen Pfeil angezeigt), die von dem Grundkreis 16 des männlichen Rotors abgewickelt wird, wird von einem Punkt 31i ein wenig innerhalb des Rollkreises 14 gelegen,zu einem Punkt 32 hin konstruiert, der im wesentlichen am Kop'fkreis 17 des männlichen Rotors liegt, mit

der Ausnahme, dass eine flache Kopffläche 33 ähnlich der äusseren Kopffläche 25 des weibliehen Rotors durch Abflachen der äusseren Fläche des männlichen Zahnes gebildet wird, um einen wenig erhöhten Abdichtungsstreifen 32 auf ähnliche Weise zu bilden.

Werden einmal Dicke und Zahnlückenweite der weiblichen Zähne festgelegt, ist damit auch die Dicke des männlichen Zahnes : 11 an der Abrollinie bestimmt, und es wird, von diesem Punkte ausgehend, eine Abrollfläche entwickelt, welche von umgekehrter Krümmung wie die Fläche 30j abgerollt wird, und zwar von dem wenig innerhalb des Rollkreises 14 gelegenen Punkt 34 bis zu dem Punkt 35* der sieh wesentlich oberhalb des Rollkreises befindet.

Da bereits festgelegt wurde, dass es vier männliche Zähne in dem Rotor 10 geben sollj und da die Zahndicke an der Abrollinie jetzt bekannt ist., ist es möglich, durch Indizieren der Zeichnung die Hinterflanle und den Fussteil der Vorderf lanle aller vier Zähne des männlichen Rotors 10 zu entwickeln. Es ist jetzt möglieh, durch Drehung des weiblichen Rotors und Verwendung eines Teilstüeks mit echtem Radius,

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wie vom Punkt 21 zum Punkt 44, das Profil des männlichen Rotorzahnes 11 vom Punkt 36 der vorderen Kante der abgeflachten Fläche 33 bis hin zum Punkt 35 am äusseren Teil des gewünschten Abrollabschnitts des Zahnes 11 zu erzeugen. Das wird die Umhüllungskurve, beschrieben durch das Teilstück 21 bis.44 mit echtem Radius des Zahnes . 12 des weiblichen Rotors, ausfüllen.. Solch eine Erzeugungskurve von epizyklischer Gestalt ist jedoch unmöglich zu dimensionieren. Deshalb wird unter Verwendung von Punkten der Erzeugungskurve ein Zentrum am Punkt 38 gefunden, das einen kreisförmigen Bogen von Punkt 36 bis Punkt 37 erzeugt, welcher die erzeugte Fläche gut approximiert, während er gleichzeitig die Vorteile einer kreisförmigen Profilfläehe bietet, die darin bestehen, dass diese dimensionierbar ist, leicht bearbeitet und überprüft werden kann, und dass die Bildung von Taschen beim Zusammenwirken mit dem weiblichen Rotor vermieden wird.

Ein kurzer Teil der Vorderflanle des Rotorblattes 11 eignet sich nicht zur Herstellung unter Verwendung des Zentrums 38, und es hat sich als möglich erwiesen, und zwar mithilfe von Standard-Verfahren, das Zentrum 39 anzugeben, von dem aus das Stück der Vorderflanle des Zahnes . 11 vom Punkt 37 zu dem Punkt 35 beschrieben werden kann. Der Teil des weiblichen Rotors, der wie bei 27 und 25 am Aussendurchmesser liegt, liefert zusammen mit dem bekannten Abstand vom Zentrum die Dimensionierung für die Fussflache 40 des männlichen Rotors 10 mit einer Kerbe 41, die mit dem Abdichtungsstreifen 27 zusammenpasst. Diese Kerbe ist in jede der

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Pussflächai 40 eingeschnitten, um-eine bestmögliche Abdichtung zwischen den zusammenwirkenden Rotoren zu ergeben (s. Fig. 3).

Der restliche Teil des Profils des weiblichen Rotors 12 wird auf ähnliche Weise entwickelt, und zwar, indem Punkte auf dem Zahn des männlichen Rotors 10 dazu benutzt werden, die Fläche zu erzeugen, die vom Punkt 23 bis zum Punkt 44 reicht, womit die Einbuchtung des weiblichen Rotors 12 vervollständigt wird. Derselbe Einwand gegen Erzeugungsflächen kann jedoch auch an dieser Stelle erhoben werden« Es werden deshalb Kreisbögen aneinandergepasst, die die erzeugte Fläche gut approximieren und dennoch leicht bearbeitet und ausgemessen werden können, und die auch sonst gegenüber der epizyklischen Kurve, die für diesen Abschnitt normalerweise verwendet wird, Vorzüge haben. Der Teil des Profils von Punkt bis Punkt 44 ist ein Bogen, der auf einen Mittelpunkt 45, welcher ausserhälb'des Kopfkreises 26 gelegen ist, basiert. Dieser Punkt wird mithilfe der gewöhnlichen Methode gefunden, indem man drei Punkte auf der gewünschten Kurve benutzt. In gleicher Weise wird der Teil der Oberfläche von Punkt 44 bis zum Punkt 46 hergestellt, und zwar als Kreisbogen, basierend auf dem Zentrum 47, während der Teil der Kurve von 46 bis 23 in gleicher Weise auf dem Zentrum 48 basiert.

Es sollte angemerkt werden, dass die Enden der Evolventen wie bei den Punkten 31 und 34 (männlich) und 20 und 22 (weiblich) entsprechend durch passende Kreisbogenstücke

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an die konzentrischen Teilstücke 40 und 25 angeschlossen werden, um unerwünschte plötzliche Richtungsänderungen an irgendeinem Punkt der Oberflächen zu vermeiden.

Beide Rotoren wurden so vollständig ohne Zuhilfenahme epizyklischer Flächen beschrieben, und alle diese Oberflächen ■können mittels einfacher Bearbeitungsverfahren hergestellt und auf Genauigkeit während der laufenden Produktion in einer Weise überprüft werden, wie es :bei Erzeugungsflächen nicht möglich ist.

Unter Hinweis auf Fig. 3 soll angemerkt werden, dass die Punkte des engsten.Kontaktes wie bei 50 und 5I der Rotoren und 12 ganz dicht in der Nähe der Rollkreise 14 und 15 der entsprechenden Rotoren liegen« Man erkennt auch - die Kenntnis vorausgesetzt, dass der Kontakt von Rollkreispunkten zweier paariger, aufeinander abgerollter Flächen ein rollender Kontakt ist, und dass alle Flächen in der Nähe des Rollkreises eine ähnliche Beziehung zueinander haben -,dass der Kontakt eines Rotors der Erfindung mit dem anderen im wesentlichen ein rollender Kontakt ist, wobei sich die Oberflächen fast, gänzlich nahe kommen, so dass selbst in dem Falle, dass sich die Oberflächen berühren, wie es unter gewissen Umständen vorkommen kann, wahrscheinlich keine Beschädigung eintritt, da sieh die Oberflächen nur sehr langsam, wenn überhaupt, relativ zueinander bewegen. Solch eine wechselseitige Wirkung ist einer der Vorteile der Rotorgestalt der Erfindung.

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Da es eine Eigenschaft von Abrollkurven ist, dass ein zum Grundkreis tangentiales TeilstUek eine gerade Linie ist, ist es möglieh, die Rotoren der Erfindung durch Härten und Fräsen zu bearbeiten und so dauerhafte Modellrotoren herzustellen, gegen welche Rotoren aus der laufenden Produktion als paariges Gegenstück so angepasst werden können, dass sieh Standardrotoren ergeben, ohne dass die Notwendigkeit bestünde, zugeordnete Paare herzustellen, wie das bei dem früheren Herstellungsprozess der Fall war.

Es sollte ferner erkannt werden, dass, obwohl die abgebildeten und oben beschriebenen Profile nur allgemein besehrieben wurden, doch jeder Punkt der Profile gemäss der umrissenen Methode reproduzierbar ist, ungeachtet der besonderen Grosse der gewünschten Rotoren. Es ist natürlich möglich, die gleiche Methode und die gleichen Prinzipien anzuwenden, um Rotoren mit mehr oder weniger als der angegebenen Zahl von Zähnen zu entwickeln. Ebenso ist es möglich, andere Rollkreisdurchmesser für Zahneingriffswinkel und andere Abstände zu den Zentren, wie gewünscht, zu verwenden.

Indem hiermit eine bevorzugte Form der Prinzipien der Erfindung besehrieben und in den Figuren dargestellt wurde, werden andere Anwendungen und Abwandlungen der Gestaltung im besonderen Einzelfall in Betracht gezogen und erwartet, und es wird eine weite Auslegung der Prinzipien dieser Erfindung verlangt,nur eingeschränkt durch die folgenden Patentansprüche.

- Patentansprüche 409883/0383

Claims (11)

PATENTANSPRÜCHE

1.) Schraubenförmiges Rotorpaar . für eine Schraubenrotormaschine, dadurch gekennzeichnet , dass dieses einen männlichen Rotor umfasst, der einen Rollkreis und mehrere konvexe Zähne enthält mit einem grösseren Teil eines jeden Zahnes ausserhalb des Rollkreises, wobei das Profil der Zähne · und Einbuchtungen in der Rotationsebene des männlichen Rotors wenigstens an den Teilen der konvexen Zähne, ' , die benachbart zu dem Rollkreis liegen , durch Evolventen definiert ist ; dass es weiterhin einen weiblichen Rotor umfasst, der einen zweiten Rollkreis und mehrere konkave Zähne umfasst mit einem grösseren Teil eines jeden Zahnes innerhalb des zweiten Rollkreises, wobei das Profil der Zähne und Einbuchtungen in der Rotationsebene des weiblichen Rotors wenigstens an den Teilen der konkaven Blätter, die benachbart zu dem zweiten Rollkreis liegen , durch Abrollkurven definiert ist.

2» "ßotorpaar gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die übrigen Teile des konvexen Zarines durch Kreisbögen definiert sind, und dass die übrigen Teile der konkaven Zähne durch Kreisbögen definiert sind.

3. Rotorpaar gemäss Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein grösserer Teil jeder der Vor-

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derflanken der konvexen Zähne durch Kreisbögen definiert ist, und dass im wesentlichen der gesamte Teil jeder der Hinterkanten der konvexen Zähne durch eine Abroll'kurve definiert ist.

4. Rotorpaar gemäss Anspruch 3* dadurch gekennzeichnet, dass die Kreisbögen von verschiedenen Radien ausgehend von verschiedenen Zentren gebildet und zusammengepasst werden, um eine Erzeugungsfläche zu approximieren.

5. Rotorpaar gemäss einer der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein grösserer Teil des Profils jeder der Einbuchtungen des weiblichen Rotors durch eine Reihe von Kreisbögen mit echtem Radius definiert wird, und zwar mit Radien, die von verschiedenen Zentralpunkten ausgehen und zusammengefügt sind, um das Profil einer Erzeugungsfläche zu approximieren.

6. Rotorpaar gemäss einer der vorliegenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichne t, dass die Rotoren mit sieh überschneidenden Bohrungen in einem Gehäuse kämmen, und dass sie Arbeitskammern von veränderlichem Volumen für die Kompression eines Gases durch die Rotation der Rotoren bilden.

7· Rotorpaar gemäss Anspruch. 6, dadurch gekennzeichnet, dass die am engsten miteinander ver-

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zahnten Rotorenteile wechselseitig in Bezug aufeinander wirkenj wenn sie rotiert werden.

8. Mähnlicher Rotor für einen Sehraubenkompressor, dadurch gekennzeichnet, dass er mehrere konvexe Zähne umfasst, die einen Rollkreis mit einem grösseren Teil jeden Zahnes- ausserhalb des Rollkreises besitzen, wobei das Profil der Zähne und der Einbuchtungen in der Rotations ebene der Rotoren wenigstens an den. Teilen der Zähne, . ' . die sich nahe bei dem Rollkreis befinden, durch £brollkurven definiert ist.

9« Weiblicher Rotor für einen Sehraubenkompressor, dadurch g e k e η η ζ e i e h η e t , dass er mehrere konkave Blätter umfasst, die einen Rollkreis mit einem grösseren Teil jeden Zahnes innerhalb des Rollkreises besitzen, wobei das Profil der Zähne und der Einbuchtungen in der Rotationsebene der Rotoren wenigstens an den Teilen der Zähne », die sieh nahe bei dem Rollkreis befinden, durch Abrollkurven definiert ist.

10« Jfe&fähren zur Herstellung eines Paares von zusammenwirkenden Sehraubenkompressor-Rotoren, dadurch gekennzeichn et, dass es das Fräsen der entsprechenden Rotorprofile aus Zahnflanken von gehärtetem Stahl umfasst, mithilfe eines Zahnrad-Formungsverfahrens zur Herstellung allgemeiner Abroll- und Kreisprofilteile dieser Schrauben, dass weiterhin die Abrollteile der Profile mithilfe von

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Zahnradmessmaschinen und -teehniken und die anderen Teile durch Messung über Präzisionskugeln ausgemessen werden.

11. Verfahren gemäss Anspruch 10, dadurch gekennzeieh η e t , dass es zusätzlich die Verwendung von Wälzfräswerkzeugen umfasst, um wälzgefräste Rotoren ähnlicher Profile herzustellen, die mithilfe der Rotoren gemäss Anspruch_10 als Modellrotoren überprüft werden,in dem diese mit den wälzgefrästen Rotoren gepaart werden.

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