DE3237197A1

DE3237197A1 - Handstueck mit integriertem motor

Info

Publication number: DE3237197A1
Application number: DE19823237197
Authority: DE
Inventors: Yves 49220 Le Lion d'Angers Mulet-Marquis; Pierre 49330 Châteauneuf-sur-Sarthe Tardieu
Original assignee: Kollmorgen Technologies Corp
Current assignee: Kollmorgen Corp
Priority date: 1981-10-08
Filing date: 1982-10-05
Publication date: 1983-04-28
Also published as: FR2514250B1; DE3237197C2; US4486176A; IT1149382B; JPS5875545A; CH650661A5; GB2111320A; GB2111320B; IT8249230A0; JPS6058852B2; FR2514250A1

Description

Henkel, Pfenning, Feiler, Hänzel & Meinig Patentanwälte

European Patent Attorneys Zugelassene Vertreter vor dem Europaischen Patentamt

Dr. phil G Henkel. München Dipl -Ing. J Pfenning. Berlin Dr rer nat L Feiler München Dipl -Ing yV Hänzel, München Dipl -Phys. K H Meinig. Berlm Dr. Ing A. Butenschon Berlin

Kurturstendamml70 D-1000 Berlin 15

ARTUS-18 _Te| 030/88"· 2008-09

Telex 0529802 hnk· d Telegramme Seiten;patent

5. Oktober 1982 Me/schu
(VGN 1957)

KOLLMORGEN TECHNOLOGIES CORPORATION

Republic National Bank Building
Dallas, Texas 75201, V.St.A.

Handstück mit integriertem Motor

Handstück mit Integriertem Motor

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Handstück mit integriertem Motor zum Rotationsantrieb von Werkzeugen mit geringen Abmessungen, bestehend aus einem äußeren Gehäuse mit einem hinteren Teil, dessen Durchmesser ausreichend groß ist, um den elektrischen Antriebsmotor aufzunehmen, und einem sich verjüngenden Mittelteil, in dem die Drehmomentübertragungs-Vorrichtung untergebracht ist zur übertragung der Drehbewegung auf das im Kopfteil befindliche, anzutreibende Werkzeug. Handstücke dieser Art werden insbesondere in der zahnärztlichen Chirurgie zur Halterung und zum Antrieb der Arbeitswerkzeuge verwendet.

Für den Antrieb der Werkzeuge sind verschiedene Einrichtungen, insbesondere Turbinen und Elektromotoren bekannt.

— 3/ — Turbinen gestatten hohe Arbeitsgeschwindigkeiten in der Größenordnung von 100 000 U/Min und mehr, haben aber bei derartigen Geschwindigkeiten nur ein relativ schwaches Drehmoment. Außerdem entwickeln sie einen sehr höhen Geräuschpegel, was sowohl für den Patienten als auch den Behandelnden eine große Belastung darstellt, übliche elektrische Motoren liefern eine außerordentlich hohes Drehmoment, jedoch bei geringeren Geschwindigkeiten bis etwa 40 000 g/Min.

Das Handstück für derartige Motoren muß deshalb eine Übersetzung zur Vervielfachung der Geschwindigkeit enthalten. Derartige mechanische Getriebe sind außerordentlich empfindlich gegen Überlastung und erfordern tägliches Schmieren der Lager. Bei den bisher üblichen Handstückantrieben sind die verwendeten Elektromotoren mit Bürsten ausgerüstet, die relativ großer Abnutzung unterliegen und in regelmäßigen Abständen ausgewechselt werden müssen. Die Bürsten befinden sich im Innern des Motors und ihre Auswechselung erfordert daher eine gewisse Geschicklichkeit und Können. Weiterhin müssen die Motoren so ausgebildet sein, daß durch ihren Innenraum Wasser zur Kühlung des Werkzeuges zugeführt werden kann. Dies bedingt Probleme, wie sie immer dann auftreten, wenn Wasser und Elektrizität gleichzeitig verwendet

^⁰ werden müssen, wobei erschwerend hinzukommt, daß insbesondere für die Umgebung der Bürsten ein hermetischer Abschluß nur schwer erreicht werden kann.

-Sf-

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die geschilderten Nachteile zu vermeiden und die hohen Umdrehungsgeschwindigkeiten, wie sie bisher nur mit Turbinen erreicht werden konnten, vermittels eines elektrischen Motors zu erzielen, wobei der besondere Vorzug gegenüber Turbinen das wesentlich höhere Drehmoment des Elektromotors bei höheren Umdrehungszahlen ist.

Noch ein weiterer Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist eine wesentliche Verbesserung der elektrischen Isolation, um so eine erhöhte Sicherheit beim Gebrauch des Handstückes zu erzielen.
·

Ein anderer Vorzug der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, daß eine überlastung der mechanischen übertragungselemente absolut ausgeschlossen ist, so daß sich Vorrichtungen

zu deren Schutz erübrigen.

Nach der vorliegenden Erfindung werden diese Vorzüge durch ein Handstück erzielt dadurch, daß in das hintere Teil des Gehäuses ein integrierter, bürstenloser elektrischer Motor eingepaßt ist, dessen Rotor in einem hermetisch abgeschlossenen Gehäuse aus Isolierstoff frei drehbar untergebracht und mit eine Schicht aus leitfähigem Metall tragenden Permanentmagneten versehen ist, daß der Stator die Wicklungsspulen einer Mehrphasenwicklung des Motors, in eine Kunstharzschicht eingefügt aufnimmt und daß die Einrichtung zur übertragung der Drehbewegung frei von mechanischen Kontakten aus magnetischen Kupplungen bestehen.

Die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors hangt von der Umlaufgeschwindigkeit des Statorfeldes ab, welche ihrerseits von der Frequenz der VersorgungsStromspannung bestimmt wird. Dessen Frequenz kann in bekannter Weise durch eine geeignete elektronische Motorkontrolleinrichtung gewählt sowie variiert werden.

Der Durchmesser des Rotors des erfindungsgemäßen Elektromotors ist sehr gering und gestattet daher sehr hohe Umdrehungsgeschwindigkeiten, wie sie denen von Turbinen entsprechen. Beispielsweise beträgt bei einer Versorgungsspannung mit einer, Frequenz von 2000 Hz für eine ¹^ Zweipol-Ausführung des Motors die Umdrehungszahl 120 000/Min.

Durch die Verwendung von magnetischen Kupplungen zum übertragen des Rotordrehmomentes auf den Werkzeughalter werden mechanische Abnutzungserscheinungen vollständig vermieden. Des weiteren erübrigt sich die Wartung von Übersetzungsgetrieben etc.

Die übertragungseinrichtung mit magnetischer Kupplung besteht aus mindestens einer Welle, die in den Lagern im Mittelteil des Gehäuses geführt wird, und die an jedem ihrer Enden mindestens mit einem Paar von Permanentmagneten kleiner Abmessung versehen ist.

Nach einer Ausfuhrungsform der Erfindung wird der Werkzeughalter im Kopfstück des Gehäuses in Lagern gelagert und trägt zur übertragung der Drehbewegung von der Welle der übertragungs-

einrichtung eine Scheibe aus Kunststoff, welche gleichmäßig auf ihrem Umfang verteilt kleine Permanentmagnete, die im Kunststoff eingebettet sind, aufweist.

Die Übertragungseinrichtung mit magnetischer Kupplung besteht aus mindestens einer von Lagern getragenen Welle, die im Mittelteil des Gehäuses untergebracht ist und an einem Ende mit dem Werkzeughalter über einer auf ihr angebrachten zweite Scheibe, die auf ihrem Umfang gleichmäßig verteilt und in den Kunststoff eingebettet kleine Permanentmagnetstücke aufweist,, magnetisch verkuppelt ist, wobei diese zweite Scheibe derart angeordnet ist, daß sie die erste Scheibe auf der Welle des Werkzeughalters magnetisch in Umdrehung versetzt. Diese Art der Kupplung ergibt einen automatischen Schutz gegen Überlast. Wird beispielsweise in Folge des Festfressens des Werkzeuges die Scheibe auf der Werkzeughalterwelle blockiert, so kann sich die auf der Welle der übertragungseinrichtung befindliche Scheibe dennoch frei drehen, ohne irgendeinen Schaden

" zu nehmen.

Die beiden Scheiben der magnetischen Kupplung und die diese tragenden Wellen können zueinander in einem Winkel von 90° oder parallel zueinander oder in einem anderen Winkel zwischen 0 und zueinander geneigt angeordnet sein.

Im letzteren Fall weist eine der mit Magneten versehenen Scheiben vorteilhafterweise einen konischen Teil auf, der der anderen Scheibe

zugewandt ist.

Nach einer besonderen Ausgestaltungsform der Erfindung mit abgewinkeltem Gehäuse arbeitet die Welle der übertragungsvorrichtung für den Werkzeughalter in gleicher Weise mit einer zweiten Übertragungswelle zusammen. Diese trägt an ihrem zweiten Ende eine zum Zusammenwirken mit der genannten zweiten Welle angeordnete dritte Kunststoffscheibe, die an ihrem Umfang gleichmäßig verteilt und in den Kunststoff der Scheibe eingebettet kleine Permanentmagnete aufweist, um so eine aus den beiden Scheiben bestehende Magnetkupplung zu bilden. Die genannte zweite Übertragungswelle trägt an ihrem einen Ende kleine Magnete, die im Zusammenwirken mit den Rotormagneten von der Rotorbewegung mitgenommen werden. Am anderen Ende der zweiten Welle befindet sich eine vierte Kunststoffscheibe, die ebenfalls auf ihrem Umfang, gleichmäßig verteilt und in den Kunststoff eingebettet, kleine Permanentmagnete trägt und die , wie beschrieben, zum Ausbilden einer weiteren Magnetkupplung dienen.

Weitere Merkmale und Vorzüge der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der Figuren.

Fig. 1 ein ein schematischer Axialschnitt

einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Handstücks.

Fig. 2 ist eine vergrößerte Teilansicht der magnetischen Kupplung.

- wr-Fig. 3 ist ein schematischer Axialschnitt

einer zweiten Ausfuhrungsform des erfindungsgemäßen Handstücks.

Das in Fig. 1 dargestellte Handstück besteht aus einem äußeren Gehäuse, dessen hinterer Teil einen größeren Durchmesser aufweist als das Mittelstück 19, und weiterhin aus einem Kopfteil 20, das sich an das Mittelstück anschließt und mit diesem verbunden ist. Das rückwärtige Ende von Teil 16 besteht aus einer metallischen Hülse aus magnetischem Material, in welchem sich der bürstenlose elektrische Motorantrieb,

der hier nicht näher beschrieben ist, befindet. 15

Der Elektromotor weist einen Rotor auf, der in ein hermetisch abgeschlossenes Gehäuse aus Kunststoff 10 eingeschlossen ist, das aus einem kapselartigen Teil 11 und einem Flanschteil 12 am hinteren Ende von 11 besteht. Die in Kunststoff 9 vergossenen Statorfeldspulen 13 befinden sich im Innern des äußeren Gehäuses 16. Die Feldwicklung des Stators 13 kann aus drei im Winkelabstand von —=— voneinander angeordneten

Windungseinheiten bestehen, zu deren Versorgung Dreiphasenstrom veränderlicher Frequenz dient,

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dessen Phasen um —*— gegeneinander versetzt sind.

Der Rotor besteht aus einer Welle 4, die in den Lagern 3, 3' im Innern des Gehäuses 10 geführt wird und mit einem röhrenförmigen Teil 5 ausgestattet ist, das seinerseits zwei Permanentmagnete 6, 6' mit entgegengesetzter Polarität trägt, deren koaxiale Oberflächen mit einer

leitfähigen Metallschicht 8 versehen sifad. 35

Das Rotorgehäuse 10 enthält an seinem vorderen Ende einen eingezogenen Teil 17, der eine nach vorne offene Vertiefung 18 bildet. Die Permanentmagnete 6, 6' sind im Innern des Gehäuses 10 derart angeordnet, daß sie mit ihrem Teil 17 bis in den von der Innenwandung des eingezogenen Gehäuseteils und der Außenwand des Rotorgehäuses 10 gebildeten Teil ragen, um so mit den auf der Scheibe 21 angeordneten Permanentmagneten 22, die sich diametral gegenüberstehend angeordnet sind, eine magnetische Kupplung zur übertragung des Rotordrehmoments auf die Welle 23 bildet. Teil 21 reicht in die öffnung 18, um so eine entsprechende magnetische Kupplung sicherzustellen. Die Welle 23 wirä ihrerseits in zwei Lagern 24 üblicher Art geführt, die sich im Mittelteil 19.des Handstücks befinden.

Am vorderen Ende der Welle 23 ist, beispielsweise durch Aufschrumpfen, eine Kunststoffscheibe 25 angebracht, die gleichmäßig über ihren Umfang verteilt und in den Kunststoff eingebettet kleine Magnete 26 aufweist. Im Kopfteil 20 des Handstücks wird die Werkzeughaltewelle 29 in üblicher Weise in den Lagern 30 und 30' gelagert. Die Welle 29 trägt eine Scheibe 27, die ähnlich der Scheibe 25 eine Vielzahl von kleinen Magneten 28,gleichmäßig über ihren Umfang verteilt und in den Kunststoff eingebettet, aufweist Die Scheibe 27 wird in ihrer Bewegung durch die magnetische Kupplung von der Scheibe 25 in Umdrehung versetzt. Die Magnete 26, 2*8 jeder der Scheiben liefern die notwendigen Kräfte, um diese Umdrehung zu gewährleisten.

Fig. 2 stellt in perspektivischer Ansicht die Scheiben 25 und 27 mit den Magneten 26 und 28 der Magnetkupplung dar. Zur Erläuterung der Funktionsweise wird davon ausgegangen, daß die Scheiben je zwei benachbarte Magnete 26a und 26b und 28a und 28b und so weiter aufweisen. Dreht sich die Scheibe 25 entgegen dem Uhrzeigersinn, so wird der Magnet 26a mit dem Magneten 28a zusammenwirken, so daß die Scheibe 27 im Uhrzeigersinn in Umdrehung versetzt wird und sich der Magnet 26b dem Magnet 28b nähert und so weiter. Da die beiden Scheiben 25 und 27 die gleiche Anzahl von Permanentmagneten aufweisen und den gleichen Durchmesser habep, werden beide Scheiben mit gleicher Geschwindigkeit rotieren. Es ist natürlich möglich, auf jeder Scheibe eine unterschiedliche Anzahl von Magneten anzubringen, um so eine Änderung der Geschwindigkeit zu erzielen. Es ist lediglich erforderlich, daß die Magnete in gleichmäßigem Abstand auf dem Umfang jeder Scheibe angeordnet sind.

. In den Fig. 1 und 2 sind die Scheiben 25 und dargestellt, die in einem Winkel von 90° zueinander angeordnet sind, wobei die Magnete 26, die sich auf der Frontfläche der Scheibe befinden, mit den Magnetflächen der Magnete 28, die sich auf dem Umfang der Scheibe 27 befinden, zusammenwirken. Die gleiche Art der magnetischen Kupplung kann für Achsen verwendet werden, die parallel oder in einem Winkel zueinander angeordnet sind, wobei lediglich sicherzustellen ist, daß die Magnete der beiden Scheiben miteinander in Wechselwirkung treten können. Um die magnetische Kupplung der beiden Scheiben 25 und 27,

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.wenn diese zueinander geneigt sind, zu'erleichtern, kann eine der Scheiben' auf ihrer der anderen Scheibe gegenüber! iegeriderti~^% Seite konisch geformt sein.

Als besonders vorteilhaft erg£t>€ sich derartigen Anordnungen, daß; falls aus irgendeinem Grund, beispielsweise düfch'ßlöckieren des Werkzeugs, die Scheibe Ü blockiert wird, die Scheibe 25 frei beweglich bleibt und so mechanische Beschädigungen'vermieden werden. Wird diese Art der magnetlscheri' Kupplung ver- _: wendet, so kann auf'eine-'mechanische- Schützvorrichtung im handstück ve'rziehtet werden.

In Fig. 3 ist eine Ausführungsform der Et'-findung dargestellt, bei der das Ge'häüse des Handstücks abgewinkelt 1st." Bei' diesem Handstück ist das Kopfteil 20 riaich^; Fig ί 1 mit dem Werkzeughalter 29 identisch. Irrt Werkzeughalter 29 befindet sich eine Scheibe 27, die mit kleinen Magneten 28 "ausgestattet ist, die ihrerseits mit'den kleinen Magneten 26 der Scheibe 25 am Ende der Achse 23■--zusammen-

²^ wirken, um die Drehbewegung zu übertragen. Der hintere Gehäuseteil 16 mit dem darin enthaltenen Motor mit Kupplungseinrichtung ist in Fig. 3 nicht dargestellt und-ifst praktisch identisch mit dem in Fig. 1; Da das Handstück nach der Fig. 3 abgeknickt ist, enthält es eine zusatzliclie Welle" 32 für die übertragung der Drehbewegung νόη^ζ der Achse der Motorwelle auf die in einem; Winke*! dazu angeordnete Welle 237 die ihrerseits^ wieder die Werkzeughalterwelle 29 antreibt.

Die zusätzliche Welle 32 ist in den Lagern 33 im Zwischenteil 31 des Gehäuses gelagert und trägt an ihrem hinteren Ende (in Fig. 3 nicht

dargestellt) die Scheibe 21 aus Fig. 1. 5

Die Welle 32 trägt an ihrem vorderen Ende eine Kunststoffscheibe 34, die analog zu den Scheiben 25 und 27 gleichmäßig über ihren Umfang verteilte und in den Kunststoff eingebettete Permanentmagnete kleiner Abmessung 35 aufweist. Die Scheibe 34 stellt zusammen mit der Scheibe 36, die ähnlich ausgeführt ist wie die Scheiben 25/ 27 und 34 und am hinteren Ende der Welle 23 befestigt ist, eine magnetische Kupplung dar. Die Scheiben 34 und 36 sind gegeneinander geneigt. In diesem Fall ist es vorteilhaft, daß eine der beiden Scheiben einen konischen Teil 38 aufweist, wodurch erreicht wird, daß im Bereich der größten Annäherung beider Scheiben aneinander die Magnete einander zugewandte, parallele Flächen aufweisen.

"Die Handstücke nach der vorliegenden Erfindung können, falls erforderlich, eine Mehrzahl von Knicken aufweisen und haben dann mehr als zwei Ubertragunswellen 23, 32, die zueinander geneigt sind und miteinander in magnetischem Eingriff stehen. Die Art der Kupplung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Wellen erfolgt in der zuvor beschriebenen Weise mit Hilfe von Scheiben, die eine Vielzahl von gleichmäßig auf ihrem Umfang verteilten und in den Kunststoff der Scheiben eingebetteten Permanenten aufweisen, um so einen der Vorzüge der vorliegenden Erfindung vollständig zu realisieren, der im

automatischen Schutz vor mechanischer überlastung und der weitgehenden Vermeidung von Abnutzungen der Übertragungseinrichtungen, der Möglichkeit einer Dauerschmierung der Lager und der leichten Auswechselbarkeit des eingeschlossenen Rotors des Motors als ganzes, besteht.

-v/g-

Leerseite

Claims

-y-

Patentansprüche

Al. J Handstück mit in diesem μntergebrachten Motor

zum Antrieb von rotierenden Werkzeugen von kleiner Abmessung, bestehend aus einem in seinem hinteren Teil den elektrischen Antriebsmotor aufnehmenden äußeren Gehäuse, einem Zwischenteil mit konischem Verlauf, einem sich hieran anschließenden vorderen Teil mit verringertem Durchmesser zur Aufnahme der übertragungselemente für die Drehbewegung und einem Kopfteil, in dem sich der Werkzeughalter mit zugehöriger Welle befindet, dadurch, gekennzeichnet, daß in das hintere Teil (L6) des Gehäuses (16,19,20) ein integrierter, bürstenloser elektrischer Motor eingepaßt ist, dessen Rotor in einem hermetisch abgeschlossenen Gehäuse 0.0) aus Isolierstoff frei drehbar untergebracht und mit eine Schicht aus leitfähigem Metall (B) tragenden Permanentmagneten (6,6') versehen ist, daß der Stator die Wicklungsspulen einer Mehrphasenwicklung (13) des Motors, in eine Kunstharzschicht (9) eingefügt aufnimmt und daß die Einrichtung zur übertragung der Drehbewegung frei von mechanischen Kontakten aus magnetischen Kupplungen bestehen.
2. Handstück nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Kupplungen an den Enden einer Welle (23), die in Lagern (24,24·) im Zwischenteil (19) des Gehäuses gelagert ist, angebracht und mit mindestens zwei Permanentmagneten (22,26) kleiner Abmessung

versehen sind.
3. Handstück nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine das Werkzeug haltende Welle (29) in Lagern (30,3O¹) innerhalb des Kopfteils, des Gehäuses (20) gehalten ist und eine Scheibe (27) aus plastischem Material trägt, die gleichmäßig über ihren äußeren Umfang verteilt und in den Kunststoff eingebettet Permanentmagnete (28) kleiner Abmessungen aufnimmt.
4. Handstück nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß, die übertragungseinrichtung

^ für die Drehbewegung mit den magnetischen Kupplungselementen mindestens aus einer .Welle (23) besteht, die in den Lagern (24,24·) im Mittelstück des Gehäuses (20) gelagert ist, wobei an dem Ende der Welle

(23) , das mit dem Werkzeughalter (29) in Eingriff steht, eine Scheibe (25) aus Kunststoff vorgesehen ist, die eingebettete, gleichmäßig über ihren Umfang verteilte Permanentmagnete (26) kleiner Abmessung

aufweist, und daß diese Scheibe (25) mit der Scheibe (27), die an der Welle (29) angebracht ist, in Wirkeingriff steht.
5. Handstück nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheiben (25,27) zueinander im rechten Winkel angeordnet sind, wobei die Bewegung der Welle (23) auf die das Werkzeug haltende Welle (29) durch"magnetische

Kupplung übertragbar ist. 35

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6. Handstück nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheiben (27,25) mit ihren zugehörigen Wellen parallel zueinander angeordnet sind.
7. Handstück nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheiben (25,27) auf der Welle (23) und auf der Welle (29) , die den Werkzeughalter trägt, in einem Winkel zueinander angeordnet sind.
8. Handstück nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens die eine der Scheiben (25,oder 27) mit einem konischen Teil ausgestattet ist, wobei im Bereich größter Annäherung beider Scheiben die jeweils einander gegenüberstehenden kleinen Magnete einander zugeordnete, parallele

Flächen aufweisen.
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9. Handstück nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse in gewickelter Form ausgeführt ist und daß die Übertragungswelle (23), die mit der das Werkzeug haltenden Welle (29) in Eingriff steht, ebenso wie eine weitere Übertragungswelle (32) , welche an ihrem zweiten Ende mit einer weiteren Welle in Wirkeingriff steht, eine dritte Scheibe aus plastischem Material (36) aufweist, welche eingebettete Permanentmagnete (37) geringer Dimensionierung gleichmäßig auf ihrem Umfang verteilt, trägt, und'daß die zweite Übertragungswelle die Drehbewegung des Rotors aufzunehmende an einem Ende

kleine Permanentmagnete trägt, und an ihrem anderen Ende eine vierte Scheibe (34) aus plastischem Material, welche mit gleichmäßig über ihren Umfang verteilten und eingebetteten kleinen Permanentmagneten (35) versehen ist, die ihrerseits mit den Magneten (37) der dritten Scheibe (36) in Wirkeingriff bringbar sind.
10. Handstück nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte und vierte Scheibe (34,36) jeweils auf der ersten und zweiten Welle (23,32) in einem Winkel zueinander angeordnet sind, ·