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Antriebsvorrichtung für Schaufelräder Die vorliegende Erfindung bezieht
sich -auf Schaufelräder, deren Schaufeln während der Umdrehung des Rades sich relativ
zu diesem um parallel oder nahezu parallel zur Radachse liegende Drehachsen bewegen
und von dem Medium, in dem sie arbeiten, stets alle in vorwiegend achsnormaler Richtung
beaufschlagt werden. Solche Schaufelräder können als Antriebsmittel für Wasser-
oder Luftfahrzeuge, als Wasser- oder Windkraftmaschinen, Pumpen, Ventilatoren, Gebläse
o. dgl. verwendet werden. Die Schaufeln können während der Umdrehung des Rades relativ
zu diesem Schwingbewegungen oder fortlaufende Drehbewegungen ausführen.
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In Abb. i ist ein Ausführungsbeispiel eines solchen Schaufelrades
bekannter Bauart dargestellt: Die Hauptwelle i trägt den Radkörper 2, in dem die
Schaufeln 3 um Achsen q. drehbar gelagert sind. Das Rad als Ganzes rotiert um die
Achse i, und dabei besteht gleichzeitig eine Translationsbewegung des Rades relativ
zu dem die Schaufeln umgebenden Medium, so daß dieses zum Rade die Geschwindigkeit
v hat. Während der Rotation des Rades werden die Schaufeln 3 um ihre Achsen q. derart
bewegt, daß jede Schaufel an jedem Punkte ihrer Bahn sich stets in einer Stellung
befindet, in der sie einen nutzbaren Anteil zu der bezweckten Schubkraft, Förderströmung
oder Drehkraft (entsprechend der Verwendung als Propulsionsorgan, Pumpe oder Turbine)
beiträgt. Es ist bekannt, durch Anordnung eines verstellbaren Gliedes im Schaufelantriebsmechanismus
das Bewegungsgesetz derSchaufeln während des Betriebes zu verändern, um eine Regulierung,
Steuerwirkung u. dgl. zu erzielen.
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Eine besondere, ebenfalls bekannte Art des Bewegungsgesetzes der Schaufeln
ist ein solches, bei dem die in den Schaufelachsen senkrecht auf den Schaufelflächen
gezogenen Radiusvektoren sich stets ganz oder nahezu in einem Punkte schneiden.
Dieser Schnittpunkt kann dabei innerhalb oder außerhalb des von den Schaufeldrehachsen
durchlaufenen Kreises liegen und gegebenenfalls durch Beeinflussung eines verstellbaren
Organes während des Betriebes seine Lage verändern.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich im besonderen auf eine Vorrichtung,
die den Schaufeln die gewünschte Relativbewegung in bezug auf den Radkörper erteilen
soll. Zur Erzeugung des früher erwähnten speziellen Bewegungsgesetzes wäre es beispielsweise
naheliegend, jede Schaufel fest mit einer Gleitstange (Kulisse o. dgl.) zu verbinden,
deren geradlinige Gleitbahnachse senkrecht auf der Schaufelfläche steht, und alle
diese Kulissen einen gemeinsamen-Führungsbolzen umgreifen zu lassen, der an der
Stelle des gewünschten Schnittpunktes gehalten wird. Ein solcher Schaufelantrieb
bietet aber- eine Reihe schwerwiegender Nachteile.
Die verhältnismäßig
langen und schweren Kulissen verursachen bei ihrer ungleichförmigen Bewegung freie
Massenkräfte, die alle Gleitstellen stark beanspruchen und überdies heftige Erschütterungen
des Rades hervorrufen. Der Gleitweg der Kulissen ist verhältnismäßig lang und die
Gleitgeschwindigkeit hoch, so daß auch bei sorgfältiger Ausbildung der Kulissenführung
mit Gleitsteinen, Laufrollen u. dgl. eine rasche Abnützung eintritt. Die Kulissen
übergreifen einander alle, so daß der Antriebsmechanismus in ebensovielen Ebenen
übereinander aufgebaut werden muß, als Schaufeln vorhanden sind, was eine große
axiale Baulänge des Rades ergibt. Schließlich liegt noch eine erhebliche konstruktive
Schwierigkeit in dem Umstande, daß die Kulissen bei der Radumdrehung durch das Radmittel
hindurchgehen, so daß es notwendig ist, den Schaufelantriebsmechanismus in ein umlaufendes
zylindrisches Gehäuse einzuschließen, das von keiner zentralen Welle durchsetzt
wird.
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Die vorliegendeErfindung beseitigt alle diese Nachteile durch eine
Anordnung, bei der die Bewegung jeder Schaufel von einem Antriebsorgan abgeleitet
wird, das auf einem zum Radmittelpunkte exzentrischen Kreise mit der gleichen mittleren
Drehgeschwindigkeit wie das Rad, also synchron oder isochron, mit diesem umläuft;
dabeiist jeder Schaufel ein Punkt (Drehzapfen o dgl.) am Radkörper und ein zweiter
Punkt auf dem exzentrisch umlaufendenAntriebsorgan zugeordnet, und die Relativbewegung
der Schaufel gegen den Radkörper wird von den Änderungen jenes Winkels abgeleitet,
der zwischen der Verbindungslinie der beiden genannten Punkte und einer am Radkörper
festen Richtung liegt.
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In Abb. 2 bezeichnet Kl den Kreis, auf dem der einer Schaufel zugeordnete
Punkt am Radkörper (beispielsweise die Schaufeldrehachse 4) umläuft, und K3 den
exzentrisch zum Radmittelpunkte liegenden Kreis, auf dem der derselben Schaufel
zugeordnete Punkt 8 des Antriebsorgans um den Mittelpunkt 5 umläuft. In bezug auf
den ruhend gedachten Radkörper vollführt daher der Punkt 8 eine Umlaufbewegung auf
einem Kreis K3 mit einem Halbmesser, der der Exzentrizität des Punktes 5 gleich
ist, und die I, Verbindungslinie der beiden Punkte 4 und 8 ändert während des Umlaufes
fortgesetzt ihre Richtung in bezug auf den Radkörper. Von diesen Richtungsänderungen
soll erfindungsgemäß die Bewegung der Schaufel mittels irgendeines Mechanismus abgeleitet
werden, was beispielsweise in ähnlicher Weise erfolgen kann wie bei dem bekannten
Kurbelschleifenantrieb von Shaping-Maschinen.
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Im besonderen kann die Lenkung der Schaufel derart erfolgen, daß ein
Radiusvektor, der mit der Schaufel einen unveränderlichen Winkel beliebiger Größe
einschließt und durch den am Radkörper liegenden, der Schaufel zugeordneten Drehzapfen
gezogen ist, stets durch den der betreffenden Schaufel zugeordneten Punkt des exzentrisch
umlaufenden Antriebsorganes hindurchgeht.
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In den meisten Fällen ist es möglich, die exzentrisch umlaufenden
Antriebsorgane aller Schaufeln eines Rades zu einem festen Körper von ringförmiger
oder ähnlicher Gestalt zu vereinigen, der um einen zur Radachse exzentrischen Mittelpunkt
mit derselben mittleren Drehgeschwindigkeit wie das Rad umläuft. Die bauliche Gestaltung
dieses als Steuerring bezeichneten Körpers ist dabei nebensächlich. Wesentlich ist
nur die Tatsache, daß dieser Körper die den einzelnen Schaufeln entsprechenden Organe
(Drehzapfen o. dgl.) auf einem einzigen Kreise und in derselben Winkelausteilung
wie jene der Schaufeln trägt. Ein Ausführungsbeispiel dieser Art ist in Abb.3 dargestellt,
wobei ein Bewegungsgesetz der Schaufeln angenommen wurde, bei dem sich die auf den
Schaufelflächen senkrecht stehenden Radiusvektoren stets in einem Punkte schneiden,
der innerhalb des von den Schaufeldrehachsen durchlaufenen Kreises liegt.
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Der Radkörper 2 dreht sich um das Mittel der Hauptwelle i im Sinne
des Pfeiles n. Im gleichen Sinne und mit gleicher Drehgeschwindigkeit läuft der
Steuerring 6 um einen Mittelpunkt 5 um, der exzentrisch zum Mittelpunkt der Hauptwelle
i liegt. Die Mittel zur Lagerung und zum synchronen oder isochronen Antrieb des
Steuerringes sind in Abb. 3 der Deutlichkeit halber nicht eingezeichnet. Die Schaufeln
3, die sich während der Drehung des Rades um die Schaufelachsen 4 bewegen, tragen
Kulissen 7, in deren Schlitz mit Gleitsteinen versehene Zapfen -8 laufen, die mit
dem Steuerring 6'fest verbunden sind. Auf diese Weise ist jeder Schaufel ein Punkt
am Radkörper und ein auf einem exzentrischen Kreise umlaufenderPunkt 8 zugeordnet,
und die Bewegung jeder Schaufel wird von den Änderungen jenes Winkels abgeleitet,
den die Verbindungslinie 5 bis 8 mit einer am Radkörper festen Richtung einschließt.
Die « Lenkung der Schaufeln erfolgt weiter derart, daß ein Radiusvektor, der mit
der Schaufelfläche einen unveränderlichen Winkel einschließt und durch den der betreffenden
Schaufel zugeordneten Punkt 4 am Radkörper gezogen ist (in diesem Falle die Mittellinie
der Kulisse 7), stets durch einen exzentrisch umlaufenden Punkt 8 hindurchgeht.
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Eine einfache geometrische Überlegenheit zeigt, daß in dem dargestellten
Beispiele die verlängerten Mittellinien aller Kulissen 7 sich stets in dem Punkte
g schneiden, so daß der gleiche kinematische Effekt erzielt wird wie bei dem eingangs
beschriebenen Lenkstangenantrieb. Im Vergleich zu diesem weist die dargestellte
Anordnung aber wesentliche Vorteile auf. Vor
allem ermöglicht sie
es, die Abmessung jener Teile, die zur Übertragung der ungleichförmigen Bewegung
dienen (beispielsweise der Kulissen 7), bedeutend zu verringern, da diese Teile
nur mehr den verhältnismäßig engen Zwischenraum zwischen den Laufkreisen der Punkte
4 und 8 zu überbrücken haben. Die Verkleinerung dieser Teile ist von besonderer
Bedeutung wegen der Massenkräfte, die aus ihrer - ungleichförmigen Bewegung entstehen,
und wegen der Verkleinerung der Gleitwege und Gleitgeschwindigkeiten. Da ferner
die kurzen Kulissen 7 auch bei größerer Schaufelzahl sich gegenseitig nicht mehr
übergreifen, kann der ganze Antrieb in einer Ebene entwickelt werden. Ein weiterer
Vorteil liegt darin, daß die dargestellte Anordnung das Radmittel freiläßt und es
daher ermöglicht, die Hauptwelle i durch den Getrieberaum hindurchzuführen.
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In ganz analoger Weise kann die beschriebene Antriebsvorrichtung auch
für ein Bewegungsgesetz der Schaufeln ausgebildet werden, bei dem sich die auf den
Schaufelflächen senkrecht stehenden Radiusvektoren in einem Punkte schneiden, der
außerhalb des Laufkreises der Schaufeln liegt, oder für ein beliebiges anderes stetiges
Bewegungsgesetz der Schaufeln.
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In vielen Fällen der Verwendung solcher Schaufelräder soll das Bewegungsgesetz
der Schaufeln während des Betriebes verändert werden. Bei dem in Abb. 3 dargestellten
Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes wird dies dadurch bewirkt, daß die
Lagerung des Steuerringes derart verstellbar angeordnet wird, daß der :Mittelpunkt
5 des Steuerringes im Betriebe entweder um das Radmittel i im Kreise geschwenkt
oder in radialer Richtung auf verschiedene Exzentrizitäten verstellt werden kann.
Es können auch beide Verstellungen gleichzeitig erfolgen.
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In baulicher Beziehung kann die Antriebsvorrichtung gemäß der Erfindung
selbstverständlich verschiedenartig ausgebildet werden. Beispielsweise kann es vorteilhaft
sein, die eigentliche Antriebs- und Steuerungsvorrichtung in kleinerem Maßstabe
auszubilden und die Schaufeln selbst mittels eines Kuppelstangengetriebes an die
Antriebsvorrichtung anzuschließen. Bei einer solchen Ausführungsform, wie sie in
Abb. q: angedeutet ist, sind die Blindwellen io jene am Rade festen und jeder Schaufel
zugeordneten Punkte, von denen die Schaufelbewegung abgeleitet wird. Die Ausführungsform
nach Abb. 4 kann auch so angeordnet werden, daß die Blindwellen io im Innern des
Steuerringes 6 liegen, so daß die Kulissen 7 von innen nach außen weisen. Eine solche
Anordnung bietet bei Schaufelrädern, die in Flüssigkeiten arbeiten, den besonderen
Vorteil, daß die Blindwellen io ganz eng aneinander gerückt und durch die als Hohlwelle
ausgebildete Hauptwelle i nach außen geführt werden können, so daß die eigentliche
Antriebsvorrichtung (6, 7, 8) an einer wasserfreien und leicht zugänglichen Stelle
angebracht werden kann.
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Auch die Getriebeteile, die den Zusammenhang zwischen den am Rade
festen Punkten (4 oder io) und den exzentrisch umlaufenden Punkten 8 herstellen,
können sehr verschiedenartige bauliche Gestaltung aufweisen. Beispielsweise können
die Kulissen 7 statt rechtwinkelig unter einem beliebigen anderen Winkel zu den
Schaufelflächen stehen, oder sie können an Stelle einer geraden eine krummlinige
Führungsbahn besitzen, die nach einer geeigneten Leitkurve ausgebildet ist. Es sind
aber auch Ausführungsformen dieses Getriebeteiles möglich, bei denen an Stelle der
hin und her gehenden Gleitstangen, Gleitsteine usw. ausschließlich Gelenke verwendet
werden. Abb. 5 zeigt in schematischer Perspektivansicht ein Beispiel einer solchen
Anordnung, bei der zwei gelenkig verbundene Rahmen ii und 1a, die aus der zur Achse
senkrechten Ebene heraustreten, die Punkte 4 und 8 verbinden. Diese Verbindung kann
aber auch durch gelenkige Mechanismen erfolgen, die aus der achsnormalen Ebene nicht
heraustreten. Abb. 6 zeigt eine besonders vorteilhafte Ausführungsform einer derartigen
Anordnung, wobei ebenso wie in Abb. 4 die eigentliche Antriebsvorrichtung in kleinerem
Maßstabe gehalten ist und die Bewegung durch Kuppelstangen auf die Schaufeln selbst
übertragen wird.
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Der am Radkörper feste Punkt (im vorliegenden Falle die im Radkörper
gelagerte Blindwelle io) ist mittels eines kurzen Lenkers io bis 13 an den Scheitel
13 eines Winkelhebels 81 13,14 angeschlossen, von dem ein Endpunkt 8 auf einem zum
Radmittel exzentrischen Kreise umläuft, während von dem anderen Endpunkte 14 die
Bewegung der Schaufel abgeleitet wird. Dies geschieht im gezeichneten Beispiel durch
die Kuppelstange 15, kann jedoch auf verschiedene andere Arten erfolgen. Für den
richtigen Anschluß der Schaufel ist die Tatsache maßgebend, daß die Verbindungslinie
der Punkte io und 14 relativ zum Radkörper dieselben Richtungsänderungen ausführt
wie die Verbindungslinie der Punkte 8 und io, wenn die drei Hebellängen 10 bis 13,
8 bis 13 und 13 bis 14 gleich groß gewählt werden, so daß die Lage der Schaufel
unabhängig vom Abstande der beiden Punkte 8 und io und nur von der Richtung ihrer
Verbindungslinie bestimmt ist. Wenn die drei genannten Hebellängen verschieden gewählt
werden, beispielsweise um ein geändertes Bewegungsgesetz der Schaufeln zu erzielen,
so ist die Stellung der Schaufel zwar in geringem Maße auch vom Abstand der beiden
Punkte 8 und io abhängig, in der Hauptsache und vorwiegend aber doch von der Richtung
ihrer Verbindungslinie bestimmt (wie dies auch bei Kulissen mit
mäßig
gekrümmtem Führungsschlitz der Fall ist).
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Antriebsvorrichtungen der beschriebenen Art dienen nicht nur zum unmittelbaren
mechanischem Antrieb der Schaufeln, sondern können auch in jenen Fällen, in denen
die Schaufeln von Krafteinschaltern (Servomotoren) bewegt werden, als Steuerung
oder Rückführung der Krafteinschalter verwendet werden.
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Eine besonders vielfältige bauliche Gestaltung können auch jene (in
den Abb. 3, 4 und 6 nicht dargestellten) Mittel aufweisen, mit denen die exzentrisch
synchrone Umlaufbewegung der steuernden Punkte, z. B. des Steuerringes 6, bewirkt
wird. Der Ring 6 kann beispielsweise durch eine geeignete Lagerung in seiner exzentrischen
Stellung gehalten werden und mit dem Radkörper 2 durch zwei oder mehrere parallele
und gleich lange Lenker (Koppelstangen) verbunden sein, deren Länge genau gleich
der Exzentrizität des Ringmittelpunktes ist. Diese einfache Art des Ringantriebes
ist namentlich in jenen Fällen vorteilhaft, in denen die Exzentrizität im Betriebe
nicht geändert werden soll. Der Antrieb des Ringes kann aber auch durch Zahnradvorgelege
erfolgen, die so angeordnet sind, daß der Ring 6 bei festgehaltenem Radkörper 2
sich wohl in seiner Ebene verschieben, aber nicht relativ zum Radkörper verdrehen
kann.
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In noch anderer Weise kann der Steuerring durch mechanische Kuppelung
mit dem Radkörper unter Zwischenschaltung eines dritten Körpers derart angetrieben
werden, daß dieser dritte Körper mit einer Parallelführung (Gleitführung, Lenkerparallelogramm
o. dgl.) an den Radkörper und mit einer zweiten Parallelführung an den Steuerring"angeschlossen
wird. Abb. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer solchen Anordnung.
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Der Steuerring 6 trägt in den Punkten i6 zwei parallele und gleich
lange Lenker 17, deren andere Enden in den Punkten 18 an einem festen Körper
ig angeschlossen sind, der beispielsweise ringförmige Gestalt aufweisen kann und
im folgenden der Kürze halber Zwischenring genannt wird. Die Teile 6, 17 und ig
bilden ein Lenkerparallelogramm, so daß der Steuerring und der Zwischenring relativ
zueinander wohl Translationsbewegungen, aber keine Drehbewegungen ausführen können.
Der Zwischenring ig trägt in den Punkten 2o zwei weitere parallele und gleich lange
Lenker 21, die in den Punkten 22 an den Radkörper 2 angeschlossen sind. Da bei einer
solchen Anordnung der Zwischenring auch relativ zum Radkörper keine Drehbewegungen
ausführen kann, ist der Steuerring 6 in bezog auf den Radkörper zwar in der Ebene
frei verschiebbar, aber unverdrehbar gehalten. Die beschriebene Einrichtung zwingt
daher den Steuerring 6, streng synchron mit dem Radkörper 2 umzulaufen, wobei der
Mittelpunkt 23 des Steuerringes mittels einer geeigneten Lagerung an jedem gewünschten
Punkte gehalten und durch Verstellung dieser Lagerung auch während des Betriebes
verschoben werden kann.
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An Stelle der Lenkerparallelogramme können naturgemäß auch andere
Geradführungen, z. B. Gleitbahnen, Schlitzführungen, Rollenführungen o. dgl., verwendet
werden. In manchen Fällen ist es nicht erforderlich, einen vollkommen genauen Gleichlauf
zwischen Radkörper und Steuerring zu erzwingen; es kann in diesen Fällen vielmehr
noch zulässig sein, daß der Steuerring während einer Umdrehung um kleine Winkel
voreilt oder zurückbleibt, er muß nur nach einer vollen Umdrehung wieder eine genau
gleiche Stellung relativ zum Radkörper einnehmen. In solchen Fällen, in denen es
daher nur auf eine gleiche mittlere Drehgeschwindigkeit von Radkörper und Steuerring
(Isochronismus) ankommt, läßt sich der Antrieb des Ringes noch weitgehend vereinfachen,
indem beispielsweise die Verbindung der Körper 2 und 6 nur durch einen einzigen
Lenker erfolgt.
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Schließlich muß bei Entwurf der beschriebenen Antriebsvorrichtung
beachtet werden, daß die meisten der erwähnten Getriebeteile ungleichförmige Bewegungen
(Schwingbewegungen oder fortlaufende Drehbewegungen mit wechselnder Drehgeschwindigkeit)
ausführen, so daß hierdurch Erschütterungen und hohe Beanspruchungen der Getriebeteile
entstehen können, wenn dies nicht durch geeignete Maßnahmen verhindert wird. Die
vollkommenste dieser Maßnahmen ist ein Massenausgleich, bei dem die einzelnen Getriebeteile
in bezog auf ihre Drehachsen so angeordnet oder nötigenfalls durch Zusatzmassen
ausbalanciert werden, daß der Schwerpunkt jedes einzelnen Getriebegliedes oder der
gemeinsame Schwerpunkt mehrerer Glieder bei allen Relativbewegungen in einem Punkt
verharrt, der relativ zum Radmittelpunkt ruht oder gleichförmige Kreisbewegungen
ausführt. Es muß sich also das Antriebssystem ganz oder nahezu lückenlos in Teilsysteme
zerlegen lassen, die bei allen Relativbewegungen des Getriebes jeweils im statischen
indifferenten Gleichgewicht bezüglich eines Punktes des Radkörpers eines relativ
zum Radmittel ruhenden Raumpunktes oder eines Punktes des Steuerringes verharren.
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In Abb. 7 ist ein .solcher Massenausgleich für die Antriebseinrichtung
des Steuerringes an-11
gedeutet. Die Lenker 17 sind durch die Gegengewichte
24 derart ausgewuchtet, daß ihre Schwerpunkte in die Punkte 16 des Steuerringes
6 fallen. Da die beiden Punkte 16 im dargestellten Beispiele nicht diametral gegenüber-12
liegen, muß der Steuerring selbst noch durch ein Zusatzgewicht 25 ausgewuchtet werden.
In
gleichartiger Weise sind der Zwischenring i9 und die beiden Lenkerei
durch die Gegengewichte 26 bezüglich der am Radkörper festen Punkte 22 und am Rade
selbst durch die Zusatzmasse 27 ausgewuchtet. Ein analoger Massenausgleich kann
auch bei den Kulissen 7 (Abb. 3), den Hebeln und Kuppelstangen in Abb. 6 u. dgl.
durchgeführt werden, wobei sich wegen der symmetrischen Schaufelausteilung die Getriebeteile
der einzelnen Schaufeln gegenseitig das Gleichgewicht halten, sobald ihre Schwerpunkte
je auf einen Punkt des Radkörpers oder des Steuerringes gebracht werden.