DE2521190A1 - Schaufelradpumpe - Google Patents
SchaufelradpumpeInfo
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Description
R 103/1
zur Eingabe vom 9· Mai 1975 vA, Name d. Anm. Denis Antoine Luc Maurice
REYNAUD
Die Erfindung bezieht sich auf eine verbesserte Schaufelradpumpe,
Schaufelradpumpen sind bekannte Sie enthalten im allgemeinen ein
zylinderförmiges Gehäuse mit einem Strömungsmitteleinlaß und einem
Strömungsmittelauslaß zum Einspeisen des Strcmungsmittels in das Innere des Gehäuses und zum Austritt des Strömungsmittels
aus dem Gehäuse» Exzentrisch zu der im allgemeinen kreisförmigen
zylindrischen Innenfläche des Gehäuses ist in diesem ein Drehkörper gelagert. In diesem befinden sich mehrere radial verlaufende
Schlitze*, Platten oder Schaufeln liegen gleitbar in diesen
Schlitzen. Federn oder dergleichen setzen sie unter einen Vordruck und drücken ihre Außenkanten an die Innenseite des Gehäu-r
ses. Dort entsteht dann ein dichtender Kontakt» Damit unterteilen die Schaufeln den Raum zwischen der Außenseite des Drehkörpers
und der Innenseite des Gehäuses in mehrere Kammern auf, deren Volumen bei der Drehung des Drehkörpers nacheinander zu- und
abnimmt. Dabei werden die Schaufeln in ihren Schlitzen geführt,,
Bei Antrieb des Drehkörpers von außen mit einem Motor tritt das Strömungsmittel damit über den Einlaß in das Gehäuseinnere ein
und wird unter Druck durch dessen Auslaß hinausgedrücktβ Die ganze
Anordnung wirkt dabei als Pumpeo
Die bekannten Schaufelradpumpen kranken an dem Nachteil, daß die Schaufelaußenkanten an die Gehäuseinnenseite angedrückt werden
müssen. Dies erhöht nicht nur die Reibung zwischen den in Eingriff
stehenden Teilen, was auf der einen Seite die Abnutzung erhöht und auf der anderen Seite den Wirkungsgrad mindert, sondern
solche Konstruktionen haben auch den zusätzlichen Nachteil, daß sie verhältnismäßig verwipkelte Bauteile sind,,
In der Pumpentechnik ist es allgemein bekannt, daß man einen großen
Strömungsmitteldurchfluß bei sehr niedrigen Drücken erreichen kann und ein sehr hoher Druck läßt sich auch mit sehr niedrigen
Strömungsmittelmengen erzielen» Infolge ihrer besonderen Kon-
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- 2 struktion
dient eine Pumpe nur einem einzigen Zweck.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Schaufelradpumpe ohne die Nachteile bekannter Schaufelradpumpen
zu schaffen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt in der Ausbildung einer Schaufelradpumpe, bei der die Schaufel während der Drehung des
Drehkörpers und ihrer Hin- und Herbewegung gegenüber diesem Drehkörper nicht unter Kraft an die Gehäuseinnenseite angedrückt wird.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt in der Ausbildung einer Schaufelradpumpe aus nur sehr wenigen, verhältnismäßig einfachen
Teilen, die mit vernünftigen Kosten gefertigt werden können und auch einem lang anhaltenden Betrieb standhalten.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt in der Ausbildung einer Schaufelradpumpe, die in sich zwei Vorrichtungen vereinigt. Bei
Drehung in einer Richtung arbeitet sie als eine Pumpe mit großem Strömungsmitteldurchfluß und bei Drehung in de-e-r anderen Richtung
arbeitet sie als Hochdruckpumpe, ohne jegliche Einstellungen oder Veränderungen.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß der vorliegenden Erfindung eine
Pumpe vorgesehen mit einem Gehäuse in Form eines geraden Hohlzylinders mit zwei Stirnwänden, die parallele Innenseiten haben,
und mit einer endlosen zwischen den Stirnwänden verlaufenden Umfangswand. Diese letztere hat eine innere FUhrungsflache, die in
einer zu der Erzeugenden des Zylinders senkrechten Ebene einen Querschnitt in Form einer Pascal'sehen Spirale hat. Ein Drehkörper
in Form eines geraden kreisförmigen Zylinders liegt im Gehäuse und erstreckt sich durch dessen Inneres. Er liegt symmetrisch
zu einer Symmetrie±>ene, die senkrecht zu den Stirnseiten des Gehäuses
verläuft,und der Drehkörper berührt die Führungsfläche im
wesentlichen entlang einer in dieser erwähnten Symmetrieebene liegenden
Linie. In dem Drehkörper befindet sich ein diametral durch diesen hindurchgehender Schlitz. In diesem liegt gleitbar eine
Schaufel und diese verläuft axial zwischen den Stirnseiten des
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Gehäuses und quer über den Gehäuseinnenraum. An ihren beiden Enden
weist die Schaufel Kanten auf, mit denen sie mit der Innenseite des Gehäuses in linienförmiger Berührung steht. Ein Strömungsmitteleinlaß
und ein Strömungsmittelauslaß stehen übei/die Umfangswand mit dem Gehäuse inneren in Verbindung. Sie liegen
asymmetrisch auf beiden Seiten der eben erwähnten Symmetrieebene.
Ihre Punktion bestimmt sich nach der Drehrichtung und diese wird wiederum durch den jeweiligen Verwendungszweck bestimmt.
Die Schaufelradpumpe enthält weiter noch eine koaxial zu dem Drehkörper
verlaufende und durch eine Gehäusestirnwand durchgeführte
Welle. Sie ist drehfest mit dem Drehkörper verbunden. Bei Drehung von Welle und Drehkörper wird die Schaufel gleichfalls gedreht
und schwingt in bezug auf den Drehkörper hin/ und her. Damit wird durch den Strömungsmitteleinlaß in das Gehäuse eintretendes Strömungsmittel
mit ansteigendem Druck zum Auslaß getrieben.
Am Beispiel der in der Zeichnung gezeigten Ausführungsform wird
die erfindungsgemäße Schaufelradpumpe nun weiter erläutert. In
der Zeichnung ist:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Pascal1sehen Spirale
und einer Möglichkeit zu deren Konstruktion,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer besonderen Form einer Pascal'sehen Spirale, wie sie vorzugsweise als Umriß der
Umfangswand eines Pumpeng'ehäuses verwendet wird, und die erfindungsgemäß konstruiert wurde, und unter besonderer
Darstellung der relativen Anordnung verschiedener Pumpenteile,
Fig. 3 eine Stirnansicht der Pumpe von vorne bei abgenommener Abdeckplatte,
Fig. 4 ein senkrechter Querschnitt durch die Pumpe entlang der Schnittlinie 4 ~ 4 in Fig. 3 mit entfernter Schaufel und
mit Darstellung des vertikal verlaufenden Ein- bzw. Auslasses in strichpunktierten Linien,
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Fig. 5 ein senkrechter Querschnitt durch eine andere erfindungsgemäße
Ausführungsform einer Pumpe, die von der äußeren
zweiseitigen Symmetrie-Bauart ist,
FigQ 6 eine schematische Darstellung der Anordnung des Strömungsmitteleinlasses
und -auslasses bei der Ausführungsform nach Fig. 1 und bei einer auf eine hohe Strömungsmittelmenge
abgestellten Drehung,
Fig. 7 eine schematische Darstellung des Strömungsmitteleinlasses und -auslasses bei der Ausführungsform nach Fig. 1 und bei
einer auf hohen Druck abgestellten Drehung,
Die in den Zeichnungen und insbesondere in den Figuren 3 und 4 dargestellte bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Pumpe weist ein hohles zylindrisches Gehäuse 2 mit zwei Stirnwänden 4 und 6 mit ebenen Innenseiten 41 und 61 und eine zwischen .
den Stirnseiten 4 und 6 verlaufende Umfangswand 8 auf. Nach der Darstellung in Fig. 4 ist die Umfangswand 8 einstückig mit der
Stirnwand 4 ausgebildete Die Stirnwand 6 dagegen ist ein eigenes Bauteil und mit Schrauben 10 an einem Flansch der Umfangswand 8
befestigt. Diese Umfangswand 8 weist eine innere Führungsfläche 8* auf. In einer Ebene, die zu der Erzeugenden des geraden, durch
diese Wand 8 gebildeten Zylinders senkrecht liegt, hat sie die Querschnittsform einer allgemein als Pascal1sehe Spirale bekannten
Kurve. Ihre besondere Form und ihre Konstruktion werden noch im folgenden erläutert werden. Ein Drehkörper 12 in Form eines
geraden kreisförmigen Zylinders liegt im Innenraum des Gehäuses 2o Der Drehkörper 12 liegt symmetrisch zu einer Symmetrieebene P,
die senkrecht zu den Stirnseiten verläuft. Der Drehkörper berührt die Führungsfläche 8' im wesentlichen entlang einer in der Symmetrieebene
liegenden Linie. Entlang dieser Linie liegt er mit der inneren Führungsfläche 8f in dichtender Berührung. Diametral
durch den Drehkörper 12 verläuft ein Schlitz 14 in Axialrichtung von der Stirnwandwseite 6f zur Stirnwandseite 41. Der Schlitz 14
weist zwei zueinander parallele, in einem bestimmten Abstand voneinander liegende Flächen 16 auf. Eine Stirnseite 18 liegt in einer
Ebene mit der Stirnwandseite 4*. Nach der Darstellung in Fig.
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4 erstreckt sich der Drehkörper 12 mit einem Abschnitt 121 über
die Ebene der Stirnwandseite 8 hinaus. Dieser Abschnitt liegt in einer entsprechenden Ausnehmung der Stirnwand 4. Eine Schaufel 20
liegt gleitbar im Schlitz 14 des Drehkörpers 12. Diese Schaufel
20 verläuft axial zwischen den Stirnwandseiten 4* und 6* und quer
durch das Gehäuseinnere. Zur Schaufel gehören Kantenabschnitte 20' und 20". Diese liegen mit der Führungsfläche 8' in abdichtender,
linienförmiger Berührung.
Das Gehäuse weist noch einen Strömungsmitteleinlaß 22 und einen Strömungsmittelauslaß 24 auf. Diese liegen asymmetrisch auf beiden
Seiten der Symmetrieebene P.
Koaxia]/zum Drehkörper 12 tritt eine Welle 28 durch die Stirnwand
4 durch. Sie kann mit dem Drehkörper 12 einstückig oder auf bekannte
Weise mit diesem verbunden sein. Eine Nabe 30 erstreckt sich von der Stirnwand 4 nach außen und bildet ein Lager für die
Welle 28. In der Nabe 30 können geeignete im einzelnen nicht dargestellte Wellendichtungen angeordnet werden. Ebenso liegen Dichtungen
zwischen der Stirnwand 6 und dem Flansch der Umfangswand
8.
Bei Drehung von Welle 28 und Drehkörper 12 dreht sich die
in dem Schlitz 14 geführte Schaufel mit dem Drehkörper und schwingt gegenüber dieser in dem Schlitz hin und her. Während
dieser Drehung und der schwingenden Bewegung der Schaufel 20 bleiben deren Kanten 20' und 20" in Berührung mit der inneren
Führungsfläche 81. Diese innere Führungsfläche S! kann offensichtlich
nicht eine Zylinderfläche sein. Die innere Führungsfläche liegt in einer Ebene senkrecht zu der Achse des Zylinders und
hat einen Querschnitt in Form einer allgemein als Pascal'sehe
Spirale bekannten Kurve.
Fig. 1 zeigt die allgemeine Form und die Konstruktion dieser Kurve.
Die Pascal*sehe, in Fig. 1 gezeigte Kurve oder Spirale SP erzielt
man dadurch, daß man mehrere Sekanten S1, S2, S, usw. durch
einen festen Punkt 0 eines Kreises C legt. Diese Sekanten schneiden
den Kreis C in den Punkten 1, 2, 3 usw. Auf jeder Sekante
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werden dann zwei Punkte bestimmt, die um einen festen Abstand k auf beiden Seiten des entsprechenden Schnittpunktes der Sekante
mit dem Kreis C liegen. Auf diese Weise werden die Punkte 1· und
1" auf der Sekante S1, die Punkte 2f und 2" auf der Sekante Sp
und die Funkte 3' und 3" auf der Sekante S, usw. erzielte Bei
Verbindung dieser Endpunkte wird die entstehende Kurve zu einer Pascal1sehen Spirale. Diese Kurve läßt sich damit als der Ort
aller jener Punkte definieren, die um gleiche Strecken von den
Schnittpunkten der durch einen festen Punkt eines Kreises gezogenen
Sekanten entfernt liegen,, Die cartesischen Koordinaten dieser
OO O O O
Kurve sind (x + y - 2rx) = k(x + y ). r ist dabei der Halbmesser
des erwähnten Kreises und k der Abstand von den jeweiligen Schnittpunkten der Sekanten, die durch den festen Punkt O des
Kreises nach beiden Seiten gezogen werden.
Die jeweilige Form der Kurve hängt von dem Halbmesser des Grundkreises
C und dem festen Abstand k ab.
Bei D = k ist die erzielte Kurve eine Herzkurve. Diese ist ähnlich
der in Fig. 1 gezeigten Kurve. An der SymmetrieIinie P dieser
Kurve entsteht jedoch ein scharf einwärts gerichteter Winkel.
Bei 2D = k hat der obere Abschnitt der Kurve nach der Darstellung in Fig. 1 einen außerhalb der Kurve liegenden Krümmungshalbmesser,
während die unteren Abschnitte nach der Darstellung in Fig. 1 innerhalb der Kurve liegende Krümmungshalbmesser haben, so daß der
obere Kurvenabschnitt eine gewellte OZ-WeHe bildet, wie Fig. .1
zeigt.
Bei 3D = k liegt eine solche Wellung nicht vor. Für sämtliche Kurvenabschnitte
liegen die Krümmungshalbmesser innerhalb der Kurve. Bei einer Annäherung des Verhältnisses D geteilt durch k an Null
nähert sich die Kurve der Form eines Kreises an.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung soll die innere Führungsfläche der Umfangswand 8 entlang einer auf obige
Weise konstruierten Kurve verlaufen. Das Verhältnis D : K liegt dabei zwischen einem Drittel und einem Wert über Null. Dies hängt
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von der gewünschten Drehzahl der Pumpe und von der gewünschten Strömungsmittelverdränung bzw«, dem Strömungsmitteldruck ab. Bei
einem Verhältnis D : k = 1 : 3 ergibt sich bei jeder Umdrehung die stärkste Verdrärgmg. Diese Verdrängung nimmt gleichzeitig mit
der Abnahme des genannten Zahlenverhältnisses ab,
Fig. 2 zeigt eine solche nach diesen Regeln aufgestellte Kurve mit einem Verhältnis D : k = 1 : 3 ο In dieser Figur wird gleichzeitig
die Anordnung der verschiedenen Teile der Schaufelradpumpe
gegenüber der inneren Führungsfläche 81 gezeigt. Diese innere Führungsfläche
hat den erwähnten Verlauf. Bei der gewählten Anordnung fällt die Achse des Drehkörpers 12 mit dem erwähnten Festpunkt
des Kreises C zusammen und der Durchmesser des Drehkörpers ist gleich D + k. Damit ergibt sich eine dichtende Berührung mit der
inneren Führungsfläche 81 entlang einer in der Symmetrieebene P
dieser Kurve liegenden Linieo
Die Anordnung und die Bemessung des Strömungsmitteleinlasses 22 und des Strömungsmittelauslasses 24 ist sehr wichtig. In den Figuren
6 und 7 wird die Lage des Einlasses 22 bzw. des Auslasses 24 gezeigt. Bei Drehung in Gegenuhrzeigerrichtung werden der Einlaß
mit 22 und der Auslaß mit 24 bezeichnet. Bei Drehung in Uhrzeigerrichtung dagegen ist 24 der Einlaß und 22 der Auslaß»
Die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Pumpe ergibt sich aus der obigen Beschreibung. Bei Betrieb als Pumpe mit hoher Strömungsmitteldurchströmung
wird das Strömungsmittel durch den Einlaß in das Gehäuseinnere gegeben. Das Strömungsmittel füllt den Raum
zwischen der Außenseite des Drehkörpers 12 und der inneren Führungsfläche 8f des Gehäuses auf der rechten Seite der Schaufel
Siehe Fig. 6! Bei Drehung des Drehkörpers 12 und der in seinem Schlitz 14 geführten Schaufel 20 vergrößert sich der auf deren
rechter Seite liegende Raum im Gehäuseinneren und das Strömungsmittel wird aus dem Einlaß 24 in diesen sich vergrößernden Raum
hereingesaugt. Bei Weiterdrehung der Schaufel 20 läuft deren Kante 20" am Strömungsmitteleinlaß 24 vorbei und das im Gehäuse unter
dem nach rechts aus dem Drehkörper herausragenden Abschnitt der Schaufel befindliche Strömungsmittel wird zum Auslaß 22 ge-
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drückt und durch diesen bei Vorbeilauf der Kante 20f hinausgetrieben.
Diese Anordnung von Einlaß und Auslaß ergibt die geringste Cuerschnittsverminderung und ermöglicht einen Lauf mit hoher Drehzahl,,
Damit wird die Kavitation vermieden, die bei sämtlichen Verdrängerpumpen zu einer Geschwindigkeitsbegrenzung führt. Anders
ausgedrückt, der Umdrehungswinkel, bei dem der Einlaß und der Auslaß miteinander in Verbindung stehen, führt wegen der Trägheit des
Strömungsmittels auch bei sehr niedrigen Geschwindigkeiten nicht zu einer inneren Strömungsmittelumwälzung.
Bei Betrieb als Hochdruckpumpe wird das Strömungsmittel durch den Einlaß 22 in das Gehäuseinnere gegeben. Das Strömungsmittel füllt
dann den Raum zwischen der Außenfläche des Drehkörpers 12 und der inneren Führungsfläche 8{ des Gehäuses auf der linken Seite der
Schaufel 20. Dies gilt bei Blickrichtung auf Fig. 7. Bei Drehung des Drehkörpers 12 in Gegenuhrzeigerrichtung und bei entsprechender
Drehung der in dem Schlitz 14 gleitbar geführten Schaufel vergrößert sich der auf deren linker Seite befindliche Raum, so
daß das Strömungsmittel aus dem Einlaß 22 in diesen sich vergrößernden Raum gesaugt wird· Bei Weiterdrehung der Schaufel 20
läuft deren Kante 20" am Einlaß 22 vorbei und das sich unter dem nach links aus dem Drehkörper herausragenden Ende der Schaufel
befindliche Strömungsmittel wird zum Auslaß 24 gedrückt und bei Vorbeilauf der Kante 20f aus diesem hinausgetrieben. Die Anordnung
von Einlaß und Auslaß stellt an der Berührungslinie zwischen der inneren Führungsfläche 81 und dem Drehkörper 12 eine Hochdruck-Flüssigkeitsabdichtung
dar.
Bei beiden Betriebsarten arbeitet die Pumpe bei Veränderung der Volumina ansteigend auf beiden Seiten der Schaufel 20. Die durch
die Linienberührung zwischen der inneren Führungsfläche 8* und dem Drehkörper 12 gebildete Abdichtung ist nicht kritisch,,
Die verschiedenen Teile der erfindungsgemäßen Pumpe können aus verschiedenen Stoffen hergestellt sein. Sie werden nach Maßgabe
der gewählten Anwendung ausgesucht. In der Praxis haben sich verschiedenartige Materialzusammenstellungen als brauchbar herausgestellt»
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Es sei noch bemerkt, daß Jeder vorstehend beschriebene Bauteil wie
auch zwei oder mehrere solcher Bauteile auch bei anderen Verdrängerpumpen nutzbar angewendet werden können.
Patentansprüche :
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Claims (5)
- Dr.-lng. E. BERKENFELD · Dip!.-Ing H. BEkKENFELD, Patentanwälte, KölnAnlage Aktenzeichenzur Eingabe vom 9. Mai 1975 vAo Name d. Anm. Denis Antoine Luc MauriceREYNAUDPATENTANSPRÜCHE/i.)Schaufelradpumpe, gekennzeichnet durch ein Gehäuse aus einem —' geraden Hohlzylinder mit zwei Stirnwänden mit inneren, zueinander parallelen, ebenen Stirnwandinnenseiten und mit einer zwischen den Stirnwänden verlaufenden endlosen Umfangswand mit einer inneren Führungsfläche (8f), die in einer zu den Erzeugenden des Zylinders senkrechten Ebene eine Querschnittsform nach Art einer Pascal'sehen Spirale hat, mit einem Drehkörper (12) in Form eines kreisförmigen Zylinders, der im Gehäuseinneren symmetrisch zu der Symmetrieebene angeordnet ist, die zu den Stirnwänden senkrecht verläuft, wobei der Drehkörper (12) die innere Führungsfläche (8r) entlang einer in dieser Symmetrieebene verlaufenden Linie berührt, der Drehkörper (12) einen diametral durch ihn durchlaufenden Schlitz (14) aufweist, eine Schaufel (20) gleitbar im Schlitz (14) geführt ist und in Axialrichtung zwischen den Stirnwänden (4 und 6) und quer durch das Gehäuseinnere verläuft und Kanten (201, 20") aufweist, die mit der Führungsfläche (8f) in Linienberührung liegen, ein Strömungsmitteleinlaß (22) mit dem Gehäuseinneren über die Umfangswand (8) in Verbindung steht, ein Strömungsmittelauslaß (24) ebenfalls über die Umfangswand (8) das Äußere mit dem Gehäuseinneren ¥ verbindet, Strömungsmitteleinlaß (22) und Strömungsmittelauslaß (24) asymmetrisch auf beiden Seiten der Symmetrieebene angeordnet sind, eine Welle (28) koaxial zu dem Drehkörper (12) durch eine Stirnwand durchtritt und mit dem Drehkörper (12) zwecks gemeinsamer Drehung verbunden ist, so daß die Schaufel (20) bei Drehung von Welle und Drehkörper mit diesen gedreht wird und sich gegenüber dem Drehkörper (12) hin- und herbewegt, so daß das durch den Einlaß (22) eintretende Strömungsmittel mit ansteigendem Druck zum Auslaß (24) getrieben wird und die Vorrichtung als Pumpe arbeitete
- 2. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsmitteleinlaß (22) in dem Gehäuse (2) so angeordnet ist,509848/0420- 11 daß er der Strömung die gerinste Einschränkung bietet.
- 3. Pumpe nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsmittelauslaß (24) in dem Gehäuse (2) zur Verbindung auf der anderen Seite des Gehäuses (2) angeordnet ist mit ansteigendem Volumen im Gehäuseinneren bei Drehung der Schaufel (20).
- 4. Pumpe nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie bei Drehung in einer Richtung als Pumpe mit großer Strömungsmitteldur chströmung und bei Drehung in anderer Richtung als Hochdruckpumpe arbeitet.
- 5. Pumpe nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Pascal1sehe Spirale als der geometrische Ort sämtlicher Punkte festgelegt ist, die in jeweils gleichen Abständen von den Schnittpunkten von durch einen festen Punkt eines Kreises gezogenen Sekanten liegen und deren cartesische Koordinaten sind (x + y - 2rx) = K(x + y ), wobei r der Halbmesser der Krei-2r 1 ses und K der Abstand ist, und wobei das Verhältnis.-^- = -r ist und deren Polarkoordinaten /ζ + <t cosO sind, wobei JL der Durchmesser des Kreises und /{ der Abstand ist.509848/0A2QLeerseite
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