Rad (Technik)

Rad (Technik)
Altes Wagenrad

Eine kreisrunde Scheibe mit einem Loch (Bohrung) im Zentrum ist die einfachste Ausführung eines Rades. Doch erst das Aufstecken dieser Scheibe auf einen Stab (Achse) macht daraus ein bewegliches Teil. Hierfür gab es in der Natur kein erkennbares Vorbild. Die Beherrschung der (dauerhaften) Bewegung eines solchen Rades erfordert Kenntnisse und Erfahrungen hinsichtlich Reibung, Schmierung und Paßgenauigkeit der Verbindung zwischen Rad und Achse.

Faustkeil, Hebel und Rollen kann man als Werkzeuge ansehen. Das Rad war das erste Maschinenelement.

In der Bronzezeit konnte das Rad als Einheit von Nabe, Speichen und Radkranz (Felge) weiter entwickelt werden. So konnten Wagen und Töpferscheiben entstehen. Der Name stammt über das lateinische rota aus dem Sanskrit-Wort für den indischen Wagen Ratha.

Inhaltsverzeichnis

Geschichte

Das Rad gilt als eine bahnbrechende Erfindung der Menschheit. Lange galt seine Erfindung in der sumerischen Kultur um 4.000 v. Chr. als gesichert. Heute vermutet man, dass das Transportmittel mit Rädern (der Wagen) an unterschiedlichen Orten in etwa gleichzeitig erfunden wurde. Die Erfindung war in präkolumbianischer Zeit in Amerika und Australien unbekannt. Nach Ägypten (Afrika) drang sie infolge Kriegserfahrungen mit mesopotamischen Sichelräderwagen.

Ältere Transportgeräte

Die ersten Transportgeräte, auf denen man Lasten ziehen oder schieben konnte, waren Schlitten, Schleifen bzw. Travois. Bei ihrer Benutzung war in der Regel eine hohe Gleitreibung zu überwinden. Der Transport auf Rollen bzw. Walzen wiederum war nur auf gut vorbereiteten kurzen Strecken möglich. Nachgewiesen ist dieser Transport aus dem bronzezeitlichen Ägypten der Pharaonen. Nachteilig war daran, dass die Rollen über die gesamte Strecke ausgelegt oder immer wieder von hinten weggenommen und vorn wieder vor den zu befördernden Gegenstand gelegt werden mussten.

Trichterbecher aus Bronocice: Der linke der beiden Wagen, daneben so etwas wie ein Steg
Karren (zweispurig, einachsig) mit hölzernen Speichenrädern

Erste Nachweise des Rades

Das drehbar befestigte Rad erleichterte den Lastentransport erheblich und war auch schon mit Steinwerkzeugen herzustellen. Die „unendliche" Rotation um eine Achse scheint schon Jahrhunderte, bevor sie Eingang in die Verkehrstechnik fand, erfunden worden zu sein. Die Töpfer am Indus gelten als die Ersten, die Räder als Töpferscheiben bei der Keramikherstellung einsetzten. Erste Funde von Wagen oder Wagendarstellungen gibt es aus der Mitte des 4. Jahrtausends vor Chr., und zwar aus verschiedenen Gegenden: Aus dem Alpenvorland, aus Südpolen (Bronocice), aus dem Nordkaukasus (Majkop-Kultur, heute zu Russland), aus Mesopotamien und aus der Induskultur (Harappa). Auch unter diesen ältesten Funden sind schon zweiachsige Karren.

Viele Funde stammen von Beisetzungen in Wagengräbern. Andere sind Moorfunde aus Feuchtgebieten. Der größte Teil des Wagenverkehrs hat sich auf unbefestigten Wegen abgespielt, teilweise sogar in der offenen Steppe. Es gab einteilige und mehrteilige Scheibenräder mit Durchmessern zwischen 40 und 80 cm, mit fester oder loser Nabenbuchse.

Angesichts der weiten geografischen Streuung alter Rad- und Wagenfunde und ihrer Zufälligkeit wäre es nicht verwunderlich, wenn zukünftig noch mehr „Ursprungsregionen" als die bisher bekannten fünf entdeckt werden. Der Ursprung von Rad und Wagen wird äußerst kontrovers diskutiert. Eine jüngste „Ursprungstheorie“ vermutet eine mitteleuropäische Wagenerfindung[1].

Nutzungsspuren

Ein in Glum, Lkr. Oldenburg, gefundenes einteiliges Rad wies eine Scheuerfurche auf, die nicht auf dem gesamten Drehkreis eingearbeitet war. Sie wurde vom Wagenkasten verursacht, der das schief laufende Rad abnutzte. Eine kürzere Furche auf der anderen Seite zeigt, dass man hat das Rad auch umgedreht aufgesteckt hat. Aus anderem Fundmaterial ist zu erschließen, dass die Räder von abgestellten Wagen abgenommen wurden um die Elastizität der Holzachsen zu erhalten. Der Rand der Lauffläche wurde abgeschrägt oder abgerundet. Einige Teilflächen waren so gut erhalten, dass glättenden Hiebe eines Werkzeugs erkennbar sind. Das aus Erlenholz erstellte Rad gehörte zu einem Vierradwagen, dessen Vorderachse nicht schwenken konnte. Um die Fahrtrichtung zu ändern, schleiften die Zugtiere den Vorderwagen zur Seite bis die Deichsel in die gewünschte Richtung zeigte. Im Buchsloch des Rades steckte eine aus Birkenholz gefertigte Buchse. Der labile Radlauf verursachte eine trichterförmige Aufweitung ihrer Enden.

Weiterentwicklungen

Schon in der Steinzeit begann man, das Gewicht der Scheibenräder durch Auskehlungen zu vermindern. Eine metallzeitliche Erfindung war die Speiche, die um 2.000 v. Chr. im Orient eingeführt wurde. Mit dem stabilen und leichten Speichenrad baute man so genannte Streitwagen, also zweirädrige Wagen, die eigentlich Karren heißen müssten. Da Zweirädrigkeit eine gute Methode war, das Gewicht zu vermindern, wurde auch später so mancher anspruchsvolle Einachser gebaut, der durchaus kein Karren war. Hatten die ersten Speichenräder bronzene Speichen, so baute man im weiteren Verlauf der Bronzezeit und auch danach überwiegend hölzerne Speichenräder, an denen nur die auf der Achse reibende Innenfläche der Radnabe und die äußere Lauffläche der Felge mit Metall beschlagen war. Metallspeichen wurden erst ab dem 19. Jh. nach Chr. wieder führend, sei es wegen höherer Lasten und Geschwindigkeiten wie im Eisenbahnverkehr, sei es nachdem die Erfindung des Speichensturzes es erlaubte, sehr leichte stabile Räder mit dünnen gespannten Drahtspeichen zu bauen, wie heute vor allem beim Fahrrad üblich.

Das Rad in der Neuen Welt

Die Maya benutzten schon in präkolumbischer Zeit Räder, sogar Zahnräder, in mehr oder weniger feinmechanischen Geräten. Wagen sind aber aus den altamerikanischen Kulturen bisher nicht nachgewiesen.

System Rad und Achse

Die Draisine, Vorläufer des Fahrrades, war auch schon ein einspuriges zweiachsiges Zweirad, hatte aber noch keine Drahtspeichen

Das System Rad und Achse wird vor allem für Transportmittel angewandt; zum einen an Fahrzeugen, zum anderen als Kraftumlenkung an Hebezeugen.

(Hinweis: Achsen dienen zum Tragen von Lasten und werden deshalb hauptsächlich auf Biegung beansprucht; Wellen übertragen Drehmomente und werden deshalb hauptsächlich auf Verdrehung (Torsion) beansprucht.)

Räder für Fahrzeuge

Werden Räder mit Hilfe von Lagern rotierend auf Achsen – heute meist nur auf Achszapfen – eines Fahrzeugs montiert, so wird damit im Vergleich zum Schleifen des zu transportierenden Gegenstandes über eine zurückzulegende Strecke eine wesentliche Verminderung der Reibungskräfte und damit ein Energie sparender Transport von schweren Gütern bzw. eine schnelle Fortbewegung von Gütern und Personen, primär auf relativ ebenen Trassen, erzielt.

Zum Vergleich: Um eine Stahlplatte von 100 kg Masse über eine Strecke von 10 m zu schleifen bzw. zu fahren, ist jeweils die folgende Arbeit (entsprechend Kraft mal Weg) zu leisten. Hierbei ergibt sich die jeweilig auftretende Reibkraft aus der Normalkraft (entsprechend der Masse mal der Erdbeschleunigung) multipliziert mit dem Reibbeiwert. Der Reibbeiwert für eine Kombination von Stahl auf rauher Oberfläche beträgt 0,5, der für Stahl auf Stahl (glatt) 0,1. Beim Schleifen wirkt die Reibungskraft am rauhen Boden die ganze 10 m Strecke weit, somit ergibt sich die Arbeit Ws zu

W_\mathrm{s} = 100\,\mathrm{kg} \cdot 9{,}81 \frac{\mathrm{N}}{\mathrm{kg}} \cdot 0{,}5 \cdot 10\,\mathrm{m} = 4905\,\mathrm{J}

Beim Fahren mit Rädern vom Durchmesser 1000 mm und Achsdurchmesser 50 mm reduziert sich der Weg der Stahlnabe, die sich an der Stahlachse reibt, im Verhältnis der Durchmesser und somit ergibt sich die Arbeit Wf zu

W_\mathrm{f} = 100\,\mathrm{kg} \cdot 9{,}81 \frac{\mathrm{N}}{\mathrm{kg}} \cdot 0{,}1 \cdot \frac{50\,\mathrm{mm}}{1000\,\mathrm{mm}} \cdot 10\,\mathrm{m} = 49{,}05\,\mathrm{J}

(zur Dimensionsbetrachtung: 1 Newtonmeter ist äquivalent zu 1 Joule)

Selbst wenn wir die zusätzliche Arbeit, die auf Grund der Masse des Wagens und des Rollwiderstandes der Räder am Boden zu leisten ist, in der Größenordnung der Arbeit Wf selbst annehmen und addieren, ist die Einsparung an Energie (Arbeit) enorm.

Bei hohen Geschwindigkeiten ist eine weitere Eigenschaft des Rades entscheidend: Der gyroskopische Effekt bewirkt, dass das Rad sich wie ein Kreisel stabil um seine Achse dreht und dem Fahrzeug hierdurch zu einem stabilen Geradeauslauf verhilft.

Beispiele hierzu:

  • freihändiges Radfahren.
  • Würden die Räder "eiern", würden wir im Fahrzeug ziemlich durcheinander geschüttelt.

Materialien

Als Material wurde Jahrtausende lang nur Holz verwendet. Ab der Bronzezeit wurden die Naben mit Lagerhülsen und die Radkränze mit Reifen aus Metall versehen, die entsprechend den Fortschritten der Metallurgie in immer beständigeren Materialien ausgeführt wurden. Erst mit der Erfindung der Dampfmaschine und des Verbrennungsmotors, die höhere Leistungen und Geschwindigkeiten ermöglichten, wurden die Räder vollkommen in Eisen, später aus Stahlblech zusammengeschweißt als Felge ausgeführt. Die geschmierten Nabenhülsen wurden durch Rolllager ersetzt. Räder für geringe Belastungen wurden in Leichtbauweise mit Drahtspeichen versehen.

Die Ausbildung der Räder wurde immer auf die zu befahrende Oberfläche (erst später Wege und Straßen) abgestimmt, bzw. die Oberfläche entsprechend den erhöhten Anforderungen verbessert. So entstanden:

Spezielle Entwicklungen des Rades für andere Transportmittel als Straßenfahrzeuge sind:

Heute werden Hartgummireifen auf Stahlrädern als Stützräder z. B. für Kettenfahrzeuge, für Karusselle, für Seilbahnen und Sessellifte oder bei Industriefahrzeugen wie dem Gabelstapler verwendet.

Kunststoffräder mit oder ohne Metallnabe oder Wälzlager, oft ohne Gummireifen gibt es für fahrbare Tische, Gerüste, Leitern (auch oben), Möbel, Hubwagen für Euro-Paletten und Einkaufswagen (auch mit Stegen zum Verkrallen auf Rollsteigen).

Meist präzise aus Kunststoff gefertigte Räder dienen in der Feinmechanik zur Kraftübertragung etwa auch auf Schalter.

Fahrzeuge mit dem Suffix/Präfix "rad"

Der Begriff Rad wurde zur Namensgebung für Fahrzeuge herangezogen, wie bei

Sonderfälle

In Mittelamerika erfanden die Maya das Rad. An Tempeln ist es auf Steinornamenten auch als Speichenrad oder Zahnrad zu sehen. Wie bisher aus Funden belegt, nutzten sie dieses aber nur in Anwendungen, die keine äußeren Lasten zuließen, so für das Räderwerk zur Darstellung ihres Kalenders und für Spielzeug (Beispiel im Völkerkundemuseum Berlin).

In China wurden Fahrzeuge mit ovalen Rädern ausgerüstet, um zum Vergnügen der Mitfahrer diese eine Berg- und Talfahrt erleben zu lassen. Eine solche Erlebnisfahrt boten bei uns noch die Jahrmärkte in den zwanziger Jahren des 20. Jhdt., heute bieten uns diese noch manche Karusselle.

Ein weiterer Sonderfall, der zudem nicht der Fortbewegung dient, ist das Riesenrad, ein stationäres "Fahrzeug/Beförderungsmittel".

Räder für die Kraftumlenkung

Um Kräfte an Hanf- oder Drahtseilen angreifend umzulenken, werden Räder, bei diesen Anwendungen oftmals Rollen genannt, stationär auf Achsen installiert. Der Radkranz ist hierbei mit einer umlaufenden Nut versehen, um dem Seil Führung zu geben.

Beispiele sind:

  • die Maurerrolle, wie man sie an kleinen Baustellen sieht, wo eine Hilfskraft eimerweise Material händisch nach oben zieht
  • Förderräder an Fördertürmen bei Schachtanlagen des Bergbaus
  • Räder an Aufzugsanlagen
  • der Flaschenzug, bei dem sowohl Rollen an stationären, sogenannten Flaschen installiert sind, als auch an beweglichen, wobei ein durchgehendes Seil so um zugehörige Paare von Rollen an den beiden Flaschen gelegt wird, dass sie entsprechend den Hebelgesetzen über einen langen Seilzugweg größere Lasten über kürzere Strecken heben.

System Rad und Welle

Radsatz einer Dampflokomotive der Baureihe 44.
Hier sind die Räder durch eine Kurbelwelle verbunden.
So hat der Radsatz einen dreifachen Antrieb durch drei phasenversetzte Pleuelstangen, zwei (für das Erscheinungsbild von Dampflokomotiven typische) an den Außenseiten der Räder und eine weitere in der Mitte.

Wird die Nabe des Rades fest auf einer gelagerten Welle installiert – siehe hierzu Welle-Nabe-Verbindung –, kann es der Übertragung von Drehmomenten dienen bzw. angetrieben Kräfte entlang eines Weges übertragen. Für diesen Zweck wurden die Bestandteile des Rades zu verschiedensten Formen abgewandelt. Auch kann das Rad als Energiespeicher eingesetzt werden.

Überträger von Drehmomenten

Zum Übertragen von Drehmomenten wird der Radkranz entsprechend der Antriebsart gestaltet, so als

Zusammengehörige Reib- und Zahnräder drehen die Drehrichtung um. Bei Riementrieben geschieht dies durch um 180° verdreht Riemen; um 90° gedrehte Riemen ermöglichen eine Drehung der Rotationsebene aus der horizontalen in die vertikale. Durch Vergrößerung bzw. Verkleinerung des angetriebenen Rades im Vergleich zum antreibenden können die Winkelgeschwindigkeiten und entsprechend den Hebelgesetzen die Drehmomente den Bedürfnissen angepasst werden.

Besonders bei Zahnrädern ist die Entwicklung zu verbessertem Kraftschluss und energiesparenden Ausführungen in Abhängigkeit von den zu den jeweiligen Zeiten gegebenen Werkstoffen und Verarbeitungsmöglichkeiten vorangetrieben worden:

  • in Holz mit Holzzapfen (Kammrad) seitlich am Radkranz versehen als Kronrad oder bei großen Kräften mit zwei Rädern als Käfigrad, mit Zapfen außen am Radkranz als Stirnrad
  • in Metall mit verschiedenen ausgeführten Zähnen entsprechend der Lage der Wellen zueinander als Stirn-, Kegel-, Schrauben- oder Schneckenrad

Arbeit verrichtende Maschinenteile oder Arbeitsmaschinen

Zur Abgabe von Kräften an zu bearbeitende Materialien und Medien (Flüssigkeiten, Dämpfe, Gase) werden die Radteile mannigfaltig abgeändert und ergänzt, so als:

  • Töpferscheibe mit Fußantriebsrad zur Verformung des Tons
  • riemenradgetriebene Drechsel-/Drehbank oder Bohrmaschine, später mit E-Motor über Getriebe angetrieben
  • Schöpfrad zum Anheben des Wasserspiegels bzw. zur Bewässerung in seiner frühesten Form z.B. als Rad mit Zapfen, an denen Tonkrüge angebunden wurden
  • Schaufelrad bei Dampfern, d.h. als Doppelrad mit Schaufeln/Paddeln an den Radkränzen
  • Laufrad von Gebläsen, Kreiselpumpen oder Radialverdichtern, d.h. ursprünglich als Rad mit gekrümmten Schaufeln auf der Radscheibe, mit oder ohne Laufkranz
  • Laufrad von Axialverdichtern, deren auf Naben sitzende Schaufeln aus flügelprofilierten Speichen mit oder ohne Radkranz bestehen
  • Propeller für Vortrieb oder Rühren - sind rudimentäre, hochspezialisierte Ausführungen des Rades
  • Antriebsräder für die endlosen Seile von Seil- und Gondelbahnen, von Sessel- und Skiliften
  • Zentrifugen zur Trennung von Substanzen sind auf einer vertikalen Achse rotierende Räder.

Drehmoment erzeugende Maschinenteile oder Kraftmaschinen

Zur Krafterzeugung und -abgabe durch Menschen, Tiere und Medien wie beim:

  • einfachsten, dem Steuerrad, dem Lenkrad
  • Tretrad der Tretmühle hauptsächlich für Verlade- und Baukräne
  • Mühlrad als Doppelrad mit Trögen zwischen den Radkränzen
  • Windrad z.B. im Mittelmeerraum als Speichenrad mit Dreieckssegeln an den Speichen und einem Seil quasi als Radkranz (eindrucksvoll auf alten Fotos vom Tal der Windmühlen auf Kreta)
  • langsam laufenden Windrad als Rad, dessen Speichen als Flügelprofil ausgebildet sind und der Radkranz als stabilisierendes Element gegen Schwingungen weiter innen im Flügel angebracht wird: z.B. zum Wasserpumpen auf Mallorca, in der Ebene östlich von Palma, oder auf den weitläufigen Viehweiden im Mittleren Westen Amerikas
  • Laufräder von Dampf- und Gasturbinen, deren auf Naben sitzende Schaufeln aus flügelprofilierten Speichen mit oder ohne Radkranz bestehen

Energiespeicher

Als Energiespeicher (Schwungrad) wird das Rad entsprechend den auszugleichenden Kräften mit genügend großer Masse ausgeführt; vor allem, um bei oszillierenden Kräften die auftretenden Totpunkte oder den kraftlosen Rücktritt zu überwinden, bzw. um genügend Energie für den ausstoßenden und den verdichtenden Hub zur Verfügung zu stellen, so beim

  • fußbetriebenen Antriebsrad z. B. der Töpferscheibe;
  • beim Trittbrett des Spinnrades, der Nähmaschine;
  • bei ein- und zweizylindrigen Dampfmaschinen oder Verbrennungsmotoren.
  • Beim Gyrobus diente sogar ein Schwungrad als Energiespeicher für den Antriebsmotor. So auch beim Friktionsmotor von Spielzeug.

Radsätze zweispuriger Fahrzeuge

Frühzeit

Im Alpenraum steckten die Räder der allerersten Wagen mit viereckigen Achslöchern auf den Enden einer Welle, statt sich auf einer starr mit der Ladefläche verbundenen Achse zu drehen.

Schienenfahrzeuge

Schienenfahrzeuge fahren auf Radsätzen, deren Räder fest durch eine Achse verbunden sind, die aber außer bei den Antriebsrädern von Lokomotiven kein Drehmoment zu übertragen hat. Diese Konstruktion garantiert eine absolute Spurtreue und ermöglicht die Benutzung größerer und robusterer Radlager. Die Lauffläche von Eisenbahnrädern hat deswegen die Form von Kegelstümpfen, deren Radius zur Wagenmitte hin größer ist als zum Wagenrand hin. In Kurven wandert das Schienenfahrzeug zunächst nach außen. Auf der Außenschiene rollen die Räder mit dem inneren Teil ihrer Lauffläche, wo der Radius größer ist, auf der Innenschiene mit dem seitlicheren Teil, wo der Radius kleiner ist. So bewegen sich die Räder eines Eisenbahnwagen bei gleicher Drehzahl rechter wie linker Räder auf der äußeren Schiene schneller als auf der inneren. So gelenkt würden die Wagen bei Geschwindigkeiten unter 40 km/h, nicht zu engen Kurvenradien und nicht zu langen Achsständen auch ohne die Spurkränze ihrer Räder in Kurven auf dem Gleis bleiben. Bei höheren Geschwindigkeiten, engeren Kurven und nicht ganz exakt liegenden Schienen funktioniert dieses Prinzip nicht mehr so ganz, was den Verschleiß von Rädern und Schienen erhöht. Bei sehr hohen Geschwindigkeiten wären die Räder aber auch kaum durch die Spurkränze alleine auf dem Gleis zu halten. So ergänzen sich die Wirkungen der Spurkränze und des Doppelkegelprofils. Auf geraden Strecken bewirkt das Doppelkegelprofil einen Sinuslauf. Die Fahrlinie des Schienenfahrzeuge bildet also von oben betrachtet eine Sinuskurve geringer Amplitude.

Siehe auch

Trivia

John Keogh aus Hawthorn, Victoria (Australien), meldete das Rad 2001 zum Patent an.[2] Er und das australische Patentamt, das ihm das Patent #2001100012 ausstellte, erhielten dafür den Ig-Nobelpreis für Technik 2001.

Einzelnachweise

  1. Gerald Görmer: Der Ursprung des Wagens. München 2008. ISBN 978-3-640-14534-8. Mit Überblick über den kontroversen Meinungsstand.
  2. Patent #2001100012 beim australischen Patentamt (PDF, engl.)

Literatur

  • Veronika R. Meyer, Marcel Halbeisen: Nur scheinbar ein Paradox: Warum gibt es in der Natur keine Räder? Biologie in unserer Zeit 36(2), S. 120–123 (2006), ISSN 0045-205X

Weblinks


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