WS 2008/09 – Bearbeitungssystem Werkzeugmaschine I - VL 6 ... · Folie 3 Motoren, Getriebe und Kupplungen WS 2008/09 – Bearbeitungssystem Werkzeugmaschine I - VL 6 Antriebe werden

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Motoren, Getriebe und KupplungenWS 2008/09 – Bearbeitungssystem Werkzeugmaschine I - VL 6

6. Vorlesung

Motoren, Getriebe und Kupplungen

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Inhalt der Vorlesung

Antriebe

Motoren für Antriebe

• elektrische Motoren

• hydraulische Motoren

Getriebe

• mechanische Getriebe

Kupplungen

• nicht schaltbare Kupplungen

• schaltbare Kupplungen

Motoren Getriebe KupplungenAntrieb

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Antriebe werden an Werkzeugmaschinen im wesentlichen für Schnitt- und Vorschubbewegungen benötigt. Meistens als getrennte Antrieb für jede Einzelbewegung, besonders bei numerisch gesteuerten Maschinen, seltener als Sammelantrieb mit Verteilergetrieben. Wegen besserer Anpassung an Zerspandaten setzen sich stufenlose Antriebe durch. Der Begriff Antrieb beinhaltet Baugruppen wie Motoren, Energiewandler, Getriebe und Übertragungselement (Kupplung).

Antrieb Motoren Getriebe Kupplungen

Definition Antrieb

Motor Kupplung

Motorwelle Getriebeeingangswelle Antriebswelle

Getriebe

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Einteilung Motoren


Motoren für Antriebe

Elektrische Motoren Hydraulische Motoren

Lineareelektr. Motoren

Rotatorischeelektr. Motoren

Linearehydr. Motoren

Rotatorischehydr. Motoren

syn-chronerLinear-motor

asyn-chronerLinear-motor

Gleich-strom-motor

Syn-chron-motor

Asyn-chron-motor

ZylinderAxial-

kolben-motor

Radial-kolben-motor

Flügel-zellen-motor

VL 7: Vorschubantrieb

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• Anschaffungskosten• Leistungsgewichtsverhältnis• Leistungsraumverhältnis• Art des elektrischen Anschlusses -> elektrische Motoren• Schutzart -> elektrische Motoren• Wartung• Wirkungsgrad• Leistungsfaktor• Dynamisches Verhalten• Anlaufcharakteristik• Bremsverhalten• Reversierbarkeit


Auswahlkriterien von Motoren

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Definition Elektrische Motoren


Elektrische Motoren wandeln elektrische in mechanische Energie.Jede Maschine weist (mindestens) ein ruhendes und ein bewegliches Hauptelement auf; bei rotierenden Maschinen sind dies Stator und Rotor.In der Regel sind sie aus lamelliertem Eisen aufgebaut und tragen Wicklungen aus isolierten Kupferleitern. Die Drehmomentbildung geschieht überwiegend elektromagnetisch durch die Kraftwirkung auf stromdurchflossene Leiter im magnetischen Feld.

Bild : Bosch Rexroth AG

Elektrische Motoren

RotatorischeElektromotoren

Syn-chronerLinear-motor

Asyn-chronerLinear-motor

Gleich-strom-motor

Syn-chron-motor

Asyn-chron-motor

LineareElektromotoren

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Rotatorischer Gleichstrommotor

Aufbau eines Gleichstrommotors

GleichstrommotorBild : Portescap, La Chaux-de-Fonds

Funktionsprinzip


Erregerwicklung Klemmkasten

Stromwender

Bürstenhaltermit Bürsten

Antriebswelle

LüfterAnker

Ständer, geblecht

AB – LäuferwicklungCD -Ständerwicklung

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Rotatorischer Synchronmotor

DS 200Bild: Baumüller, Nürnberg

Aufbau eines SynchronmotorsBild : Georgii Kobold

Aufbauprinzip


Kugellager

Dichtung

Motorwelle

Haltebremse

Anschluss, Motor, BremseRotorpositionsgeber

Statorblechpaket

Primärteilwicklung

Rotor mit Seiten-Erd-Permanentmagneten Resolver (Drehgeber)

Läufer: PermanentmagnetStänder: sinusförmig erregt3 Phasen, davon eine im Bild gezeichnet

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Rotatorischer Asynchronmotor

Asynchronmotormit Kurzschlussläufer

Bild: AEM, Dessau

Aufbau eines Asynchronmotors

Bild: Dubbel

Aufbauprinzip


Haltebremse

AnschlussMotor und

Bremse

ThermofühlerMesssystem-

SteckerMesssystem

Ständerwicklung(Kupferdraht)

Läuferwicklung(Kurzschlussstäbe)

Rotor

Stator/Ständer

Ständerdreh-feldwicklung

KurzgeschlosseneRotorwicklung

oder Käfigläufer

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Drehzahlbereiche verschiedener Motorprinzipienmit gleicher Drehzahl und gleichem Moment


Quelle: Dubbel

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Vergleich Gleichstrom-, Synchron- und Asynchronmotor

- aufwändige und teure Ansteuerung- hohe Wärmeentwicklung durch Rotorwärmung- kleinerer Wirkungsgrad- Kosten höher als beim Gleichstrommotor

+ kompakte Bauweise+ hohe Überlastbarkeit+ hohe Schutzart möglich+ wartungsfrei+ großer Drehzahlstellbereich+ Direktbetrieb des Umrichters am Netz

Asynchron-motor

- maximale Drehzahl durch Fliehkräfte begrenzt- Drehzahlstellbereich klein im Vergleich zum

Asynchronmotor- für sinusförmige Stromeinprägung

hochauflösender Rotorstellungsgeber nötig- Kosten höher als beim Gleichstrommotor

+ sehr gute Dynamik+ hohe Überlastbarkeit+ hohe Schutzart möglich+ wartungsfrei+ Wärmeabfuhr über Ständerwicklung+ Direktbetrieb des Umrichters am Netz

Synchron-motor

- Kommutator- und Bürstenverschleiß- Dynamik durch Kommutierung begrenzt- Wärmeabfuhr über Rotorwelle - oft kein Direktbetrieb des Umrichters am Netz

(UN zu klein)

+ gute Dynamik+ hohe Gleichlaufgüte+ vielfältige Bauarten+ einfache Ansteuerung+ kostengünstig

Gleichstrom-motor

NachteileVorteileMotortyp


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Bauarten rotatorischer Elektromotoren

Scheibenläufer

KonventionelleBauart

Stabläufer

Hohlläufer Langsamläufer

Universeller Motorfür Standardeinsätze


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Vergleich der Bauarten

- Überhitzungsempfindlich (wg. geringerer Masse bei gleicher Verlustleistung stärkere Erwärmung)

+ sehr hoher Wirkungsgrad+ sehr kleines Massenträgheitsmoment+ sehr hohe Drehzahlen

Hohlläufer (auch Korb-oder Glockenankermotor)

+ niedrige Leerlaufdrehzahl, max. Drehmoment+ Stromüberlastbarkeit+ hohe Dauerdrehmomente+ für Direktantrieb geeignet

Langsamläufer

+ robuster Motor+ geringes Massenträgheitsmoment+ hohe Drehzahlen

Stabläufer

+ sehr kleines Massenträgheitsmoment+ großer Drehzahlregelbereich+ große Positioniergenauigkeit+ Drehmoment: 0,5 bis 20 Nm- sehr überhitzungsempfindlich

Scheibenläufer


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Einteilung hydraulischer Motoren

Hydraulische Motoren

rotatorischlinear

Flügel-zellen-motor

Radial-kolben-motor

Axial-kolben-motor

Zylinder

Hydraulische Motoren finden bei Werkzeugmaschinen hauptsächlich als Vorschubantriebe Verwendung. In Sondermaschinen werden sie als direkter Hauptantrieb eingesetzt.


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Rotatorische hydraulische MotorenHäufigste Bauarten

Zahnradmotor ZahnringmotorSaugraum

DruckraumSaugraum

Druckraum

a - Anstellwinkel

Axialkolbenmotor

SaugraumDruckraum

e - Exzentrizität

Radialkolbenmotor

D

D

D - Druckraum e - Exzentrizität

Flügelzellenmotor


Quelle: nach Dubbel

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Linear hydraulische Motoren

Durch eine Kurbelwelle wird die Auf- und Abbewegung des Kolbens in eine Drehbewegung umgesetzt. Bei zwei Kurbeldrehungen wird nur während einer Halbdrehung Arbeit verrichtet. Damit der Motor gleichmäßig läuft, verwendet man mehrere Zylinder, die mit gegeneinander versetzten Arbeitstakten Arbeit verrichten.

Quelle: Schuler

Hydraulische Zieheinrichtung einer PresseBild : Müller-Weingarten

Stempel

Schiebetisch

Fundament

Verdrängerzylinder

Hubzylinder

Hubbrücke

Drucksäule

Ziehteil

Matrize


Blechhalter

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Funktionsprinzip eines Hydraulikzylinders für den Stößelantrieb einer hydraulischen Presse


Füllventil

Druckleitung

Kolben

Rückzugs-leitung

Stößel

Werkzeug

Werkstück

Pressen-tisch

250 bar 250 bar 250 bar

Stößel-steuerung

Senk-Modul

Bild : SchulerSchnell Schließen Umformen Rücklauf

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2-Gang-SchaltgetriebeBild : Hilger u. Kern Antriebstechnik

Im Werkzeugmaschinenbau dienen Getriebe hauptsächlich zur Reduzierung hoher Drehzahlen der Motoren auf die Arbeitsdrehzahlen der Hauptantriebe und zur Erzeugung definierter Vorschubbewegungen der Werkzeugsupporte.

Definition Getriebe


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Einteilung der Getriebe nach Art der Kraftübertragung

Quelle : Dubbel

Getriebe

Zahnradgetriebe Zugmittel- und Reibgetriebe

hydraulischeGetriebe

mechanische Getriebe

pneumatischeGetriebe

Koppelgetriebe

Stirnradgetriebe

Planetengetriebe

Harmonic drive

Kettengetriebe Kurbelschwinge

Reibradgetriebe

Planeten-Reibradgetriebe

magnetischeGetriebe


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Zahnradgetriebe - formschlüssiges, schaltbares Stirnradgetriebe

Das Stirnradgetriebe ist eine Getriebeform, die durch parallele Achsen charakterisiert ist. Einfachste Bauform ist das einstufige Stirnradgetriebe, das aus zwei Wellen, auf denen je ein Zahnrad sitzt, besteht. Es können jedoch durch hinzufügen weiterer Zahnräder und Zwischenwellen mehrstufige Getriebe gebildet werden.

Motor

Stirnradgetriebe

Quelle: Europa Fachkundebuch Metall


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Zahnradgetriebe - Nortongetriebe

Das Nortongetriebe ist Teil des Vorschub- und Gewindegetriebes an vielen Leit- und Zugspindeldrehmaschinen. Die Antriebswelle trägt nur ein Zahnrad, die elf Gegenräder sind dicht nebeneinander zu einem Räderkegel zusammengebaut, der sich auf der Welle frei drehen kann. Beim Schalten der Stufen wird die Nortonschwinge mit dem Antriebsrad in die Schaltstellung verschoben und soweit nach oben geschwenkt, dass der Haltebolzen in das Rastloch einschnappt.

Drehmaschine Weiler

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Zahnradgetriebe - Stirnradgetriebe

Quelle: Universität Hannover, Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen (IFUM)


Antriebswelle (gleichförmige Drehung)

unrundes Antriebszahnrad

Kurbelwelle ungleichförmige Drehungdurch veränderliche Zahnradübersetzung

Stößel

Tisch

konventioneller Verlauf (kosinus)

Stöß

elw

eg s

Zeit

optimierter Verlauf (Beispiel)

o.T.

u.T.

stufenlos übersetzendes Getriebe mit unrunden Zahnrädern für Pressen

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Zahnradgetriebe - PlanetengetriebeEin Umlauf- oder Planetengetriebe ist ein Getriebe mit mindestens drei in Wirkrichtung hintereinander angeordneten Zahnrädern. Die Radachsen zweier Räder sind koaxial angeordnet und das dritte Rad ist als Zwischenrad (Umlaufrad, Planetenrad) in einem um die koaxialen Radachsen drehbaren Steg (Planetenradträger) gelagert, welches mit dem Steg umläuft. Quelle: DIN 868

Bild: Obermeyer


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Bild: Fibro GmbH, Harmonic Drive AG

Dreh-Verschiebetisch eines Bearbeitungszentrum

Welle mit Scheckenrad Werkstückträger Axiallager

Planetengetriebe

Motor

MaschinengrundkörperRadiallager

Schnecke


Zahnradgetriebe - Planetengetriebe

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Quelle: Harmonic Drive AG


1 2

3 4

Funktionsprinzip

Drei Bauteile:

(1) Ein zylindrischer Ring mit Innenverzahnung, Circular Splin

(2) Eine zylindriche, verformbare Stahlbüchse mit Außenverzahnung, Flexsplin

(3) Eine eliptische Stahlscheibe mit Nabe und Spezialkugellager, Wave Generator

1 2 3

Zahnradgetriebe - Harmonic Drive-Getriebe

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Zugmittelgetriebe

Zugmittelgetriebe kennzeichnet eine reibschlüssige Kraftübertragung evtl. mit zusätzlichem Formschluss zwischen Riemenscheiben und Riemen aus, bei der eine Drehbewegung in Abhängigkeit des Durchmesserverhältnisses der Riemenscheiben übertragen wird.

Quelle : Dubbel

Formschlüssige Zugmittel

• Rollen- oder Hülsenketten

• Zahnkette

• Synchronriemen

Reibschlüssige Zugmittel

• Flachriemen

• Keilriemen

• Rundriemen

räumliches Synchronriemengetriebe

Antriebs-welle

Umlenk-welle

Zugmittel


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Zugmittelgetriebe - Riemengetriebe

Die Riemengetriebe zeichnen sich durch ihr prägendes Lastübertragungsmittel, den Riemen aus. Sie gehören zur Gruppe der Zugmittelgetriebe und finden vielfältige Anwendung im Maschinenbau.Die einzelnen freien Riemenabschnitte bezeichnet man als Trum. Je nach Belastung spricht man vom ziehenden Trum (Lasttrum) oder gezogenem Trum (Leertrum).

Schleifmaschine Beling & Lübke, Berlin 1920


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Koppelgetriebe - Kurbelschwinge

Koppelgetriebe werden in Werkzeugmaschinen für geradlinige hin- und hergehende Bewegungen eingesetzt, wenn eine ungleichförmige Geschwindigkeit erlaubt oder gewünscht wird. Das Übersetzungsverhältnis hängt von der jeweiligen Kurbelstellung ab.Häufig durchläuft der Abtrieb keine vollständige Kreisbewegung.

Antrieb

Kurbel

Pleuel

Ziehstößel

Quelle: Schuler

Blechhalterstößel


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- erhöhter Aufwand beim Entwurf und der Auslegung

- Großer Bauraum (abhängig von der Hubgröße)

- Begrenzte Arbeitsgeschwindigkeit

+ Erzeugung von ungleichförmigen Geschwindigkeiten

+ Übertragung sehr hoher KräfteKoppelgetriebe

- höhere Belastung der Wellen (Spindel) - durch Dehnung des Zugmittels bedingter

Schlupf (nur bei kraftschlüssiger Übertragung)- begrenzter Temperatureinsatzbereich

+ gutes dynamisches Verhalten (Dämpfung)+ Überlastungsschutz+ größere Achsabstände, bei geringer

Baugröße

Zugmittel-getriebe

- niedriger Wirkungsgrad+ hohe Übersetzungen bei kompakter Bauweise

+ geringe Masse+ gute Positionier- und Wiederhol-

genauigkeit+ höhere Drehmomente als konventionelle

Zahnradgetriebe

Harmonic Drive-Getriebe

- starre Kraftübertragung- schlechtes dynamisches Verhalten

+ hohe Leistungen (bis 140000kW)+ kein Schlupf+ hoher Wirkungsgrad+ sich kreuzende Achsen möglich

(Winkelgetriebe)

Zahnradgetriebe

NachteileVorteileGetriebetyp


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Definition Kupplung


Bild : Tschan GmbH

Kupplungen dienen zur Übertragung von Drehmomenten bei Wellen mit und ohne Verlagerung. Nicht schaltbare Kupplungen beeinflussen das dynamische Verhalten von Antriebssträngen, schaltbare Kupplungen haben als Funktion die Schaltung und Begrenzung von Drehmomenten.

Quelle: Matek, W; Muhs, D.; Wittel, H.; Becker, M.: Roloff/Matek Maschinenelemente

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Einteilung der Kupplungen

Quelle: Matek Maschinenelemente

Wellenkupplungen

nicht schaltbare Kupplungenschaltbare Kupplungen

fremdbetätigteSchaltkuppl.

drezahlbetätigteFliehkraftkuppl.

momentbetätigteSicherheitskuppl.

richtungsbetätigteFreilaufkuppl.

starrfeste Kuppl.

nachgiebigAusgleichskuppl.


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Einteilung der Wellenkupplungen nach Funktionen

Magnetpulverkupplungen,hydrodynamischeKupplungen

Funktion Kupplungstyp BeispielD

rehm

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ten

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nicht schaltbar

starr

drehstarr

drehelatisch

drehnachgiebig

schaltbar

fremdgeschaltet

mechanisch

elektromagnetisch

fluidisch

selbstschaltend

Drehmoment

Drehzahl

Drehrichtung

Flanschkupplungen

Zahnkupplungen, Klauenkupplung

Gummikupplungen

Lamellenkupplung

Klauensicherheitskupplung,Rutschkupplung

Fliehkraftkupplung

Freilauf


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Servokupplungen sind Ausgleichskupplungen zur spielfreien, winkelgetreuen Übertragung von Drehmomenten mit einer möglichst hohen Verdrehsteifigkeit (Torsionssteife) und einem möglichst niedrigem Massenträgheitsmoment.

Servokupplung

Motor Planetengetriebe Tisch Werkzeug

Kugelgewindetrieb

Quelle: JAKOB GmbH & Co. Antriebstechnik KG


Nicht schaltbare Kupplungen - Ausgleichskupplung

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Bild : JAKOB GmbH & Co. Antriebstechnik KG

Geforderte Eigenschaften

• absolut spielfreie, exakte Drehmomentübertragung• niedrige Massenträgheitsmomente - hohe Wuchtgüte• hervorragendes Betriebsverhalten - hohe Drehzahlen• Ausgleich von Fluchtungsfehlern – geringe Rückstellkräfte• kraftschlüssige, montagefreundliche Welle-Nabe-Verbindung• hohe Torsionssteifigkeit• kompakte Abmessungen, flexible Anwendungsmöglichkeiten

Metallbalg

Radiale Klemmverbindung


Nicht schaltbare Kupplungen - Ausgleichskupplung

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Schaltbare Kupplungen - Sicherheitskupplung

Zur wirksamen Absicherung von NC-Werkzeugmaschinen gegen Überlast- und Kollisionsschäden infolge von Werkzeugbruch, Programmier- oder Bedienfehlern werden Sicherheitskupplungen eingesetzt, die das wirksame Drehmoment in einem Antriebsstrang auf einen Höchstwert begrenzen. Bei Überschreiten dieses Werts wird der Kraftfluss unterbrochen, um die gefährdeten Bauteile zuverlässig gegen Schäden zu schützen.

Quelle : Dubbel

Bild : R+W Coupling Technology

Sicherheitskupplung


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Sicherheitskupplung

Geforderte Eigenschaften

• Überlast- und Kollisionsschutz für direkte Antriebe• hohe Torsionssteifigkeit • geringes Massenträgheitsmoment• Ausgleich von Wellenversatz • geringe Rückstellkräfte• robuste und kompakte Konstruktion• schwingungsdämpfend

Einteilung der Sicherheitskupplungen

Sicherheitskupplungen

Rutsch-kupplung

Klauen-Sicherheitskupplungen

häufigst verwendete Kupplungsarten


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Sicherheitskupplung - Rutschkupplung

Eigenschaften

- spielfreie Drehmomentübertragung, - kompakt, leichte Schaltelemente, - Festpunktschaltung, 1 Rastung/360°, - andere Rastungen möglich, - Ausrückmoment stufenlos einstellbar, - kein Tellerfeder-Wechsel,- degressive Kennlinie, - Ausrückmoment nimmt sofort ab, - Schaltbewegung einfach abtastbar und- mit Schaltscheibe selbsttätiges wiedereinrasten

1 Kupplungsflansch2 Reibelement3 Antriebselement4 Gleitbuchse5 Feder

Bild : Eltemeyer, Olbrich

Bild : ENEMAC GmbH, Kleinwallstadt


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Sicherheitskupplung - Klauenkupplung

1 Kupplungsflansch2 Tellerfedern3 Klauen4 Ring5 Flansch6 Nabe

Eigenschaften

- spielarme Drehmomentübertragung, - robust, kompakt, wenig Einbauraum, - unempfindlich gegen Öl und Fett, - Festpunktschaltung, 1 Rastung/360°, - andere Rastungen möglich,- Ausrückmoment stufenlos einstellbar, - kein Tellerfeder-Wechsel, - degressive Kennlinie, - Ausrückmoment nimmt sofort ab und - selbsttätiges Wiedereinrasten


Bild : ENEMAC GmbH, Kleinwallstadt

Bild : Eltemeyer, Olbrich

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