DE8513093U1 - Rollenwälzgewindetrieb - Google Patents

Description

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Paul Forkardt GmbH & Co. KG
Ueinrich-Hertz-Str, 7

#006 Erkrath-Unterfeidhaus 7022

Rollenwälzgewindetrieb

Die Erfindung betrifft einen Rollenwälzgewindetrieb mit einer Spindel, (die Umfangsrillen vorgegebener Steigung aufweist, mit einer Mutter, die Jnnenumfangsrillen vorgegebener Steigung aufweist, und mit zwischen beiden Sätzen von Rillen angeordneten, sich abwälzenden Rollen, die ebenfalls Umfangsrillen vorgegebener Steigung und vorgegebenen Rillenäbstands aufweisen.

Solche Rollenwälzgewindetriebe sind bekannt. In einem undatierten Prospekt "SKF TRANSROL" der Firma La Technique Integrale, F-73003 Chambery, Sind zwei unterschiedliche Typen von Rollenwälzgewindetrieben beschrieben und dargestellt. Die erste Bauart mit der Bezeichnung TRANSROL SR, auch "Satelliten-Rollen-Spindel" genannt, besteht aus einer Spindel mit einem mehrgängigen Außengewinde, einer Mutter mit Innengewinde gleicher Gangizahl und gleichen Windungssinnes wie der des Spindelgewindes, und ebenfalls mit Gewinde versehenen, eingängigen Rollen. Die Rollen sind an ihren Enden ritzeiförmig ausgebildet und kämmen in der Innenverzahnung entsprechender, in die Mutterenden eingesetzter Ringe. Ferner weisen die Rollen an ihren freien Enden jenseits der Verzahnungen Zapfen auf, die in Lagerbohrungen von Führungsringen laufen. Bei einer Relativdrehung zwischen Spindel und Mutter erfolgt auch eine relative Axialverschiebung, wobei diese Axialverschiebung pro Umlauf umso größer ist, je steiler die

Gewinde sind. Bei gegebenen Radiaiäbmessungen ist die Variationsbreite der pro Umlauf erzielbaren Axialverschiebung (Übersetzungsverhältnis) nach oben und unten begrenzte

Die Führungsringe sichern den Umfangsabstand der Rollen, und die Verzahnungen sichern den Gleichlauf der Rollen; beides ist erforderlich aufgrund der unvermeidbaren Fertigungstoleranzen. In diesen Zwangsführungen ergibt sich infolgedessen eine erhebliche Reibung mit Wärmeentwicklung, Geräuschentwicklung und Verschleiß, und dies begrenzt die zulässige Drehzahl.

Die zweite Bauart mit der Bezeichnung TRANSROL SV besteht aus einer Spindel mit einem Außengewinde, einer Mutter mit Innengewinde gleicher Gängzahl und gleichen Windungssinnes wie die des Spindelgewindes, und zwischen beiden angeordneten Rollen, die Radialrillen ohne Steigung aufweisen. Da demgemäß bei Relativdrehung zwischen Spindel und Mutter die Rollen eine Axialverlagerung erfahren, ist an einer Stelle des Mutter-Innenumfangs das Gewinde ausgespart, und die Rollen werden an dieser Stelle mittels einer Führungskulisse wieder in ihre Ausgangsposition zurückverlagert. Hinsichtlich der möglichen Übersetzungsverhältnisse gilt das zu dem Typ SR oben Ausgeführte entsprechend.

Um den Umfangsabstand der Rollen festzulegen, ist ein entsprechender Käfig vorgesehen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Rollenwälzgewindetrieb mit den eingangs genannten Merkmalen zu schaffen, der gegenüber den beiden bekannten Ausführungsformen baulich vereinfacht ist, das heißt eine geringere Zahl von Bauteilen aufweist, gleichwohl eine höhere Lebensdauer bei besserem Wirkungsgrad aufweist und zugleich ermöglicht, die Variationsbreite des Übersetzungsverhältnisses zu vergrößern. Bei den bekannten Ausführungsformen bedingt nämlich ein gewünschtes niedriges Übersetzungsverhältnis (d.h. eine kleine relative Axialverlagerung von Spindel und Mutter pro Relativdrehung) auch extrem kleine Abmessungen von Rollendurchmesser oder Rillenbreite mit entsprechend geringer Tragfähigkeit.

Diese Aufgabe wird gemäß eier Erfindung dadurch gelöst, daß die Rillengangzshl und/oder der RiHenwindungssinn von Spindel und Mutter⁴ unterschiedlich sind. Dabei kann der Windungssinn rechtsgängig, Null oder linksgängig sein.

Die bekannten Rollenwälzgewindetriebe weisen, wie oben erwähnt, Gewinde gleicher Gangzahl und gleichen Windungssinnes bei Spindel und Mutter auf, und es ist auf den ersten Blick einleuchtend, daß eine solche Anordnung funktionsfähig ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Trieb ist dies jedoch keineswegs der Fall, und es ist nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen nachzuweisen, daii und unter welchen Voraussetzungen ein solcher Trieb funktionsfähig ist.

Fig. J zeigt schematisch einen Radialschnitt durch einen
Rollenwälzgewindetrieb;

Fig. 2 ist ein Nomogramm zur Erläuterung der Wirkungsweise;

Fig. 3 ist ein vergrößerter Ausschnitt aus Fig. 2;

Fig. 4 zeigt einen Teilaxialschnitt durch einen Wälzgewindetrieb gemäß der Erfindung;

Fig. 5 ist eine Phantomdraufsicht in Richtung des Pfeiles "A"
in Fig. 4;

Fig. 6 zeigt in Teilaxialansicht einen Wälzgewindetrieb
gemäß der Erfindung, und

Fig. 7 zeigt eine Alternative zu Fig. 6.

In der nachfolgenden Erläuterung wird zur Vereinfachung davon ausgegangen, daß der Trieb prinzipiell den Aufbau des eingangs erörterten Rollenwälzgewindetriebes TRANSROL SR aufweist; der Fachmann kann erkennen, daß die Erfindung in gleicher Weise auch bei dem Typ SV anwendbar sein kann.

Fig. 1 läßt die Spindel 10, die Mutter 12 und acht Satellitenrollen 14 erkennen, wobei jeweils die Flankendurchmesser d, der Spindel, d~ der Rollen
und d₃ der Mutter eingezeichnet sind. ("Flanke" bedeutet diejenige Stelle der zusammenwirkenden Gewindegänge, wo die Berührung mit dem jeweils anderen Element erfolgt; "Rille" bezeichnet den Bereich des Kerndurchmessers, und "Steg" den Bereich des Außendurchmessers). Die Gangzahl des Spindelge-

windes wird analog mit n^ die der Rollen mit n₂ und die der Mutter mit . j n₃ bezeichnet. Der Einfachheit halber wird n₂ = 1 angenommen. Im allgemeinen ist es nicht zulässig, daß die Rollen sich im Betrieb relativ zur I Mutter axial verlagern (im Einzelfall kann es aber zulässig sein); des- j halb ergibt sich wegen d~7Tn₃ = dg7T: t

n₃ = d₃/d₂ (1) j

Für den Flankendurchmesser der Spindel gilt natürlich

d₁ = d₃ - 2d₂. (2)

Wenn der Abstand zweier Rillen des Rollengewindes mit h₂ bezeichnet wird, * ergeben sich die Steigungen für Spindel- und Muttergewinde aus den Be- \ Ziehungen ι

Spindelgewinde H. = n^h₂ (3) I

Mutterngewinde H₃ = n₃h₂ (4) ;

Bei vorgegebenem Flankendurchmesser d₃ der Mutter sind wegen Gleichung (1) nur solche Flankendurchmesser d₂ der Rollen zulässig, bei denen sich ein ganzzahliges n₃ ergibt. Mit vorgebenem n₃ ist dann auch wegen (4) die Steigung H₃ des Mutterngewindes festgelegt.

Für die Spindelgewindesteigung H. hingegen steht eine Reihe möglicher Werte zur Verfugung, nämlich gemäß (3) ganzzahlige Vielfache von h₂ mit

n. = -n , ..., -2, -1, 0, 1, 2, ..., ... η , wobei η , η praktische ix y χ y

Grenzwerte sind. Das negative Vorzeichen soll dabei eine Umkehrung des Windungssinnes gegenüber dem Mutterngewinde symbolisieren.

Die dann vorliegenden Verhältnisse für einen negativen Wert von n, sind in Fig. 2 und 3 dargestellt*

Fig. 2 zeigt eine der Rollen 14, weitgehend schematisiert, und eine Abwicklung einer Zylinderprojektion, von der Spindelachse aus, in die Man-

telebene des Mutterflankendurchmessers, wobei die Linien L. die Gewinderillen der Mutter und die Linien L₂ die Gewinderillen der Spindel symbolisieren. Die Punkte P symbolisieren die Stellen, an denen ein Wirkeingriff zwischen einer Rolle und dem Muttergewinde möglich ist, und die kleinen Kreise K symbolisieren die Stellen, an denen ein Wirkeingriff zwischen einer Rolle und dem Spindelgewinde möglich ist.

Bei den bekannten Wälzgewindetrieben wurden die Linien L₂ parallel zu den Linien L. und genau mittig zwischen diesen verlaufen, und an jeder Stelle des Umfangs könnte eine Rolle angeordnet sein; aus diesem Grunde sind bei den bekannten Trieben die Führungsringe bzw. die Rollenkäfige nötig, um den Umfangsabstand der Rollen zu definieren. - Anders liegen die Verhältnisse bei dem erfindungsgemäßen Trieb; man kann der Fig. 2 entnehmen, daß nur ganz bestimmte Abstände C_n zwischen in Umfangsrichtung aufeinanderfolgenden Rollen zulässig sind, und es ist zu zeigen, daß es für jeden Wert von η, und n₃ eine ganze Zahl w von maximal zulässigen Rollen mit Gangzahl 1 und Steigung h₂ (bzw. mit Rillenabstand h₂, wenn die Steigung null ist) gibt. Der Abstand c_n ist in Fig. 2, wie oben erläutert, wieder die Projektion in die abgewickelt dargestellte Mantelfläche des Mutternflankendurchmessers.

Bei der folgenden Betrachtung wird auf die beiden Dreiecke QRS und QRT Bezug genommen, die in Fig. 3 noch einmal vergrößert herausgezeichnet sind. Mit U₃ als dem Flankenurnfang des Mutterngewindes gilt:

tan ß₂ = ^l = ⁿ1 ^U2. (5)

Uo n_q dp7T

tan ß. = ^H3 = ⁿ3 ^h2 (6)

Uo ru d₉7T

■J JL.

_{c =} b h_{2 =} a h₂ (7)

tan Ii₂ tan ß.

und es resultiert

b/a = n./n, (8)

- 6 Da außerdem a+b = 1 gilt, erhält man

b = η,,/η-,+η.,, und aus der Bedingung (9)

= H. = n^2 folgt

w = η, + n₁. (10)

Der Winkelabstand der Rollen voneinander beträgt dann mindestens 360°/w, aber es braucht natürlich nicht jede dieser möglichen Rollenpositionen tatsächlich mit einer Rolle besetzt zu sein.

Die Übersetzungsverhältnisse zwischen Relativdrehwinkel und Axialverlagerung hängen nun offensichtlich von der Größe der Steigungen H. und H₃ ab und sind innerhalb weiter Grenzen wählbar.

Während bei den bekannten Rollenwälzgewindetrieben die Führungsringe dazu dienen zu verhindern, daß die einzelnen Rollen sich im Betrieb in Umfangsrichtung und zugleich axial verlagern, ist eine solche Verlagerung bei dem erfindungsgemäßen Trieb so nicht möglich, weil die Rollen eben nur an ganz bestimmten Stellen des Umfangs richtig arbeiten können. Diese Tatsache kann man sich gemäß der Erfindung zunutze machen.

An den durch den Abstand c_p (in Fig. 2) vorbestimmten Umfangsstellen kreuzen sich die Rillen von Mutter und Spindel, so daß die gleichzeitig in den Mutterrillen und den Spindelrillen im Eingriff befindlichen Rollenstege bei einem spielfrei gemachten System sich an den Rillenflanken von Mutter und Spindel anlegen.

Auf diese einfache Weise wird somit ohne zusätzliche Hilfsmittel eine tangentiale Verlagerung der Rollen aus den vorbestimmten Umfangsstellen formschlüssig verhindert. Dadurch bedingt, können die sonst benötigten Führungsringe sowie (bei Vorhandensein einer auf alle Rollen stets einwirkenden Vorspannung) auch die sonst benötigten Verzahnungen entfallen.

Bei dem Bestreben, das System von Spindel, Rollen und Mutter spielfrei zu machen, und darüber hinausgehend sogar unter Vorspannung zu setzen, kann man sich dreier unterschiedlicher Methoden bedienen:

Bei einer ersten Methode kann man die beteiligten Elemente bezüglich ihrer Durchmesser derart dimensionieren, daß nach erfolgter Montage des Systems alle Rollen mit entsprechender Vorspannung zwischen Mutter und Spindel eingespannt sind.

Bei einer zweiten Methode kann man mit einer zweigeteilten Mutter gemäß Fig. 4 arbeiten. In Fig. 4 ist ein erfindungsgemäßer Rollenwälzgewindetrieb dargestellt, in dem mehrere Aspekte der Erfindung verwirklicht sind, nämlich einmal die Erzeugung der Rollenvorspannung, zum zweiten das Vermeiden einer eventuellen Kippneigung der Rollen, ohne daß Führungsringe unabdingbar wären, und schließlich eine besonders vorteilhafte Festlegung der Gangzahlen n, bzw. η, sowie n₂- Zunächst wird der Aspekt der Vorspannung behandelt. Fig. 4 zeigt den Rollenwälzgewindetrieb mit einer um die Achse 31 rotierbaren Spindel 23, zwei Mutternhälften 24 bzw. 25 und Rollen 26. Mit Hilfe eines in seiner Breite abgestimmten Zwischenringes 27 werden die beiden Mutternhälften auf eine bestimmte Distanz gebracht, derart, daß nach durchgeführter Montage des Systems alle Rollen mit einer vorbestimmten Vorspannung zwischen Mutter und Spindsl eingespannt sind.

Bei einer dritten Methode ermöglicht die Erfindung das Spielfreimachen und gleichzeitige Vorspannen des Rollenwälzgewindetriebes, indem die Rollen in Umfangsrichtung gegeneinander verspannt werden, so daß die Wirkberührungslinien an den Rillenflanken von Mutter und Spindel unter Druck gesetzt werden.

Fig. 6 zeigt eine erste Variante; der Umfangsabstand der Lagerbohrungen jeweils aufeinanderfolgender Rollen ist abwechselnd kleiner (ßJ und größer (ßg) als der Nennabstand, wobei die Abweichung von der richtigen Winkellage die Rollen in Umfangsrichtung nur geringfügig zu belasten braucht.

Fig. 7 zeigt, wie dasselbe Ergebnis dadurch erzielt werden kann, daß die jeweils benachbarten Rollen mittels Federklammern 20 voneinander gespreizt werden. Die Reibung in den Lagerstellen ist dabei dadurch verringert, daß jedes Rollenende mit einem kleinen Nadellager 22 bestückt ist.

I I I

Bei der letztgenannten Methode der Erzeugung einer Vorspannung ergibt sich der zusätzliche Vorteils daß trotz unvermeidbarer Fertigungstöleränzeri stets sichergestellt ist* daß alle Rollen spielfrei an den Rillenflanken von Mutter und Spindel anliegen Und daß alle Rollen unter gleicher Vorspannung stehen.

Um für die mit Vorspannung zu versehenden Rollenwälzgewindetriebe eindeutige Abwälzverhältnisse herzustellen, empfiehlt es sich, je nach Vorspannungsrichtung die Stege der Rollen nur an der einen oder anderen Flanke der Spindelgewindestege abwälzen zu lassen. Hierfür wird - wie in Fig. 4 gezeigt - die Rolle in zwei Abschnitte unterteilt.
In jedem der beiden Abschnitte weist der Abstand f zweier Rillen die gleiche Größe auf wie der Abstand f zweier Gewinderillen der Spindel. Der Abstand m zwischen zwei Rillen beider Abschnitte im Nennabstand eines ganzzahligen Vielfachen ζ von f wird jedoch geringfügig größer als ζ · f gewählt.

Die in den mit Steigung versehenen Gewinderillen von Mutter und/oder Spindel sich abwälzenden Rollen haben die Neigung, sich der Steigung der Gewinderillen folgend schiefzustellen. Bei gegenläufigem Windungssinn der Rillen in Mutter und Spindel möchte sich die Rolle dabei nach der größten vorhandenen Rillensteigung ausrichten.

Mit einer einfachen Maßnahme kann man diesem Bestreben der Rollen insbesondere bei vorgespannten Systemen vorbeugen.

In Fig. 5 werden die dabei zu berücksichtigenden Verhältnisse anhand einer Rolle 32 aus Fig. 4 (mit der Rillengangzahl n₂ = 0) schematisch aufgezeigt. Man hat sich das Schema der Fig. 5 als eine Draufsicht auf Fig. 4 in Richtung A vorzustellen. Die Punkte P₁ bis P₄ haben dabei ebenfalls ihre Entsprechungen in den Punkten P₁ bis P₄ in Fig. 5.
Die Linien W₁ und W₂ stellen die Abwälzlinien zwischen Rollen und Spindelgewindeflanken und die Linien W₃ und W₄ stellen die Abwälzlinien zwischen den Rollen und den beiden Mutternhälften dar.

Da die Steigung der Linien W₁ bzw. W₂ größer ist als die Steigung der Linien W₃ bzw. W₄, möchte sich die Rolle unter Belastung in Richtung des Pfeiles 33 schiefstellen.

Durch die Anlage der Rollenstege in den Punkten P₁ und P₂ an den Gewindeflanken der Spindel 23 (in Fig. 4) wird die Rolle jedoch an einer ent-

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sprechenden Drehung gehindert. Eine derartige Verhinderung der Verdrehung durch Formschluß wäre jedoch nicht gegeben, lägen die Berührungspunkte P. bzw. P₂ jeweils auf der anderen Flankenseite der Rollenstege, wofür in Fig. 4 die Beziehung m-tfz · f gelten würde. Würde sich die Rolle nach Vertauschung der Steigungsgrößen im entgegengesetzten Sinne drehen wollen, müßten dann allerdings an den Rollen die Bedingung m< ζ * f realisiert werden.

Eine spezielle Variante eines erfindungsgemäßen Roiienwäizgewindetriebs ist die Ausführung mit einer Mutter (oder Spindel) mit abstandsgleichen Rillen (also n-, = 0) anstelle eines Innengewindes und mit Rollen mit ebenfalls abstandsgleichen Rillen (also n₂ = 0) anstelle eines Rollengewindes.

Eine derartige Variante ist in Fig. 4 mit einer geteilten Mutter 24, 25 dargestellt.

Ein besonderer Vorteil dieses Getriebes besteht darin, daß selbst bei eventuellem Schlupf relativ zur Mutter die Rollen nicht in axialer Richtung auswandern können.

Falls bei einem derartigen Getriebe gleichzeitig noch dafür Sorge getragen wird, daß stets alle Rollen unter Vorspannung stehen, kann auf die sonst üblichen Führungsringe und die Verzahnungen verzichtet werden, was sich nicht nur bezüglich der Herstellkosten, sondern auch bezüglich Wirkungsgrad, Verschleiß, Betriebssicherheit und Baugröße günstig auswirkt. Die Fertigung kann ebenfalls kostengünstiger als sonst erfolgen. Sofern bei dem vorgenannten Getriebe Abstreiferringe angebracht werden müssen, können dieselben nicht - wie bei bekannten Rollenwälzgetrieben möglich fest mit der Mutter verbunden werden, da die Spindelsteigung nicht identisch mit der resultierenden Steigung ist.

Wie man zeigen kann, müssen die Abstreifer in Gehäusen untergebracht sein, welche mit der Rotationsgeschwindigkeit der Mittelpunkte der sich abwälzenden Rollen mitumlaufen. Dies wird am einfachsten durch formschlüssigen Kontakt mit den Rollen erreicht, wie in Fig. 4 gezeigt wird. In Fig. 4 weisen die Rollen 26 zwei seitliche Zapfen 28 auf, welche in entsprechende Bohrungen eines Abstreifergehäuses 29 mit Abstreifer 30 eingreifen und auf diese Weise Gehäuse und Abstreifer zum rollensynchronen Umlauf zwingen.

Claims (13)

Ansprüche

1. Rollenwälzgewindetrieb mit einer Spindel, die Umfangsrillen vorgegebener Steigung aufweist, mit einer Mutter, die Innenumfangsrillen vorgegebener Steigung aufweist, und mit zwischen beiden Sätzen von Rillen angeordneten, sich abwälzenden Rollen, die ebenfalls Umfangsrillen vorgegebener Steigung und vorgegebenen Rillenabstands aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Rillengangzahl (n.., n,) und/oder der Rillenwindungssinn von Spindel (10) und Mutter (12) unterschiedlich sind.

2. Rollenwälzoewindetrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand in Umfangsrichtung zwischen benachbarten Rollen (14) nominell 360°/vv oder ein ganzzahliges Vielfaches davon beträgt, wobei w gleich der Summe (η,+η.,) der Gangzahlen von Spindel und Mutter ist.

3. Rollenwälzgewindetrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein vorbestimmter Abstand in Umfangsrichtung zwischen benachbarten Rollen (26) eingehalten wird durch in Umfangsrichtung formschlüssig wirkendes Anliegen der Rollenstegflanken an den Rillenflanken von Mutter (24, 25) und Spindel (23).

4. Rollenwälzgewindetrieb nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rollen zwei axial hintereinanderliegende Gruppen von Rillen mit einem innerhalb der Gruppe jeweils gleichen Rillenabstand (f) aufweisen und der Abstand (m) zweier in getrennten Abteilungen liegenden Rillen ungleich dem z-fachen von f (m ^ ζ · f) ist, wobei ζ ganzzahlig und von Null verschieden ist.

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5. Rollenwälzgewindetrieb nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Flanken der Rollenstege unter Vorspannung an den Rillenflanken von Mutter und Spindel anliegen.

6. Rollenwälzgewindetrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannung durch Aufrechterhalten einer vorgegebenen Distanz zwischen zwei Mutternhälften vorgesehen ist.

7. Rollenwälzgewindetrieb nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bedingung m>z . f dann angewandt wird, wr-.n die Steigung der Spindelrillen maßgeblich ist bezüglich des Bestrebens der Rolle, ihre Achse windschief zur Spindelachse zu verdrehen.

8. Rollenwälzgewindetrieb nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Umfangsabstand zwischen benachbarten Rollen (14) durch senkrecht zu den Rollenachsen einwirkende Kräfte gegenüber dem nominellen Umfangsabstand unter Verringerung des Spiels zwischen Rollen (14), Spindel und Mutter, verkleinert oder vergrößert ist.

9. Rollenwälzgewindetrieb nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch zwischen benachbarten Rollen (14) wirkende Zug- oder Druckfedern (20).

10. Rollenwälzgewindetrieb nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch Führungsringe, in denen Endzapfen der Rollen (14) gelagert sind, wobei die Lagerzentren der Ringe abwechselnd gegenüber dem nominellen Umfangsabstand vergrößert bzw. verkleinert sind.

11. Rollenwälzgewindetrieb nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Rollenende mit einem Wälzlager (22) bestückt ist, an dessen Außenring die Kräfte angreifen.

12. Rollenwälzgewindetrieb nach einem der· voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rillengangzahl ^on Mutter und Rollen (n₃ und n₂) gleich Null sind.

13. Rollenwälzgewindetrieb nach Anspruch 12_S dadurch gekennzeichnet, daß in das Spindelgewinde eingreifende Abstreifer (30) vorgesehen sind * die relativ zur Spindel zum Umlauf mit einer Winkelgeschwindigkeit gleich der der Röllenzentren angetrieben sind.