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GEBIET DER ERFINDUNG
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Diese
Erfindung bezieht sich auf Sägeketten, entworfen
spezifisch für
Baumerntemaschinen, und insbesondere für das Erreichen eines schnelleren Schneidens
mittels einer Baumerntemaschine.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Baumerntemaschinen,
welche Sägeketten für das Schneiden
verwenden, wurden für
das Beschneiden von Bäumen,
und besonders von Bäumen mit
kleinen Durchmessern, z.B. Durchmessern von 25-50 cm (10-20 Zoll),
entwickelt, welche jedoch bis zu 76,2 cm (30 Zoll) und mehr messen
können.
Baumerntemaschinen werden nicht nur für das Fällen von Bäumen entworfen, sondern auch
für das
Entästen
der Bäume
und Stutzen der Bäume
auf bestimmte Längen.
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Baumerntemaschinen,
welche Schneideketten verwenden, bestehen allgemein aus zwei verschiedenen
Typen. Ein Typ verwendet eine massive Schneidesäge. Die Säge ist mit einer dicken Führungsstange
und einer großen
Sägekette
ausgestattet, z.B. weist eine Teilung von 1,9 cm (0,750 Zoll) auf.
Beliebter in vielen Teilen der Welt ist der zweite Typ, welcher
eine kleinere Kettensäge
mit einer weniger dicken Führungsstange
und einer Sägekette verwendet,
z.B. mit einer Teilung von 1,03 cm (0,404 Zoll). Eine solche Kettensäge ist von
US 3,929,049 bekannt. Es
ist die zweite Baumerntemaschine, auf welche sich die vorliegende
Erfindung hauptsächlich bezieht.
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Obwohl
Schneidegeschwindigkeit wichtig und für die Gesamtleistung während des
Schneidens der größten Anzahl
von Bäumen
wünschenswert
ist, ist die Qualität
des Ernteresultats auch wichtig. Eine Baumerntemaschine hat einen
Erntekopf, umfassend eine Kettensäge und eine Greifzange, welcher auch
Zuführrollen
und Entästungsmechanismen
umfassen kann. (Solche werden auch als einköpfige oder einzangige Erntemaschinen
bezeichnet.) Eine doppelzangige Erntemaschine, auf welche sich die Erfindung
auch beziehen kann, beinhaltet eine zweite Greifzange, welche die
Entästungsfunktion
liefert. Die einzangige Greifzange ergreift einen Baum, die unter
der Greifzange positionierte Säge
sägt den Baum
an seiner Basis ab, und der Baum wird auf seine Seite gelegt. Der
Baum wird von den Zuführrollen durch
die Greifzange geführt,
während Äste an dem Baum
von dem Entästungsmechanismus
abgetrennt werden. Wenn eine spezifizierte Länge durch die Greifzange und
an der Kettensäge
vorbei geführt wird,
wird die Kettensäge
aktiviert, um den Baum in Längen
zu schneiden (auch als Stutzen bezeichnet). Vorausgesetzt, dass
die spezifizierten zu schneidenden Längen acht Fuß (nur als
Beispiel) lang sein sollen, wird entlang dieser Acht-Fuß-Länge außer an dem
durch das Befestigen dieser Länge
an dem Rest des Baums erzeugten Auslegerstützpunkts, welcher von der Greifzange
gehalten wird, keine Unterstützung
vorhanden sein, wenn der Stutzschnitt begonnen wird. Wenn die Kettensäge durch
die Dicke des Baums sägt,
wird dieser Auslegerstützpunkt
mehr und mehr auf die verbleibende Baumdicke reduziert, welche das
gesamte Gewicht der Acht-Fuß-Länge weiter
stützen
muß. Vor
dem Beenden des Stutzschnitts kann sich der Baum (oder der Baumstamm, wie
er genannt werden kann) spalten, was auch oft geschieht.
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Es
gibt eine Reihe von möglichen
Lösungen für das Minimieren
des Auftretens von Spalten, wobei eine wichtige jedoch das Steigern
der Schneidegeschwindigkeit, und damit das Reduzieren der Zeit,
in welcher der teilweise abgetrennte Baum den Auslegerabschnitt
stützen
muß, beinhaltet.
Die Theorie besteht deshalb daraus, dass ein ausreichend schneller Schnitt
ein totales Abtrennen des Baumstamms oder Baums erzielen wird, bevor
das Gewicht des Auslegerebschnitts als eine Biege- und Brechkraft
auf den Teilschnitt auferlegt werden kann. Studien wurden durchgeführt, und
obwohl die Ergebnisse eher theoretisch als tatsächlich sind, wurde zumindest
für eine der
Studien abschließend
entschieden, dass eine Kettensäge,
welche einen Baumstamm mit einem Durchmesser von 35 Zentimetern
in 0,8 Sekunden durchschneidet, das Auftreten des Baumspaltens während des
Stutzverfahrens dramatisch reduzieren wird. Andere Studien verwenden
verschiedene Parameter für
das Bestimmen einer angestrebten Leistungsnorm. Das Ziel besteht
daraus, eine optimale Geschwindigkeit zu erzielen, bei welcher der
Baum geschnitten werden kann, um Spalten zu reduzieren.
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Jedes
Schneideglied in einer Erntemaschinensägekette funktioniert als ein
individuelles Schneideglied, welches ein kleines Materialband entfernt,
d.h. mit einer Dicke von 0,13 cm (0,050 Zoll) und einer Breite von
der Hälfte
der Dicke der geschnittenen Kerbe (die Schneideglieder wechseln zwischen
rechten und linken Schneidegliedern ab und schneiden die gesamte
Kerbenbreite kooperativ). Je größer die
Anzahl von Schneidegliedern, welche innerhalb einer bestimmten Zeit
durch einen Baumstamm hindurch schneiden, desto schneller der Schnitt.
Je kleiner die Kettenteilung, desto größer die Anzahl von Schneidegliedern
pro bestimmter Kettenlänge.
Es wurde deshalb angenommen, dass das Betreiben einer Kette mit
kleiner Teilung mit einer maximalen Geschwindigkeit die schnellste
Schneidezeit produzieren würde.
Es wurde außerdem
festgestellt, dass eine geringere Masse sicher schneller betrieben
werden kann als eine große
Masse, und dass auch dies ein Vorteil der Kette mit der kleineren
Teilung ist.
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Die
Industrie betreibt Sägeketten
erfolgreich mit der als maximal angesehenen Geschwindigkeit (mit
Rücksicht
auf Sicherheit und um übermäßigen Mißbrauch
des Geräts
zu vermeiden). Die Schneidezeit wurde auf zwischen ein und zwei
Sekunden reduziert (für
das Schneiden eines 35 cm Baums oder Baumstamms), obwohl diese Zeit
immer noch länger ist
als die gewünschte
Zeit. Die Industrie hat damit im Effekt bezüglich einer Reduzierung der
Schneidezeit durch die Kettengeschwindigkeit alleine eine Schwelle
erreicht, und weitere Verbesserungen wurden daher auf den Neuentwurf
der Schneidekette ausgerichtet.
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Die
Schneidekette mit 1,03 cm (0,404 Zoll) Teilung wurde ursprünglich für handgehaltene
Kettensägen
entworfen, und dieses Design wurde im Wesentlichen genauso für die Anwendung
mit Erntemaschinen adoptiert. Die einzigen Änderungen waren (a) das Ändern der
Tiefenmaßeinstellung
(stellenweise von ungefähr
0,07 cm (0,030 Zoll) auf ungefähr
0,13 cm (0,050 Zoll)), um Kettenschneidegliedern einen größeren Einschnitt
in die Kerbe zu ermöglichen,
(b) das Steigern des Materials unter den Nietenlöchern, um die größere Abnutzung
auszugleichen, welche aufgrund des zwischen dem Stellplatz der Kette
(der unteren, tragenden Fläche)
und dem Stangengeländer
auferlegten Drucks auftritt, und (c) das Bereitstellen eines dickeren
Antriebsglieds, d.h. für
das Anpassen an eine Stangenrille von 0,20 cm (0,080 Zoll) Breite.
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Während der
Anwendung der Schneidekette mit 1,03 cm (0,404 Zoll) Teilung in
Baumerntemaschinen, und da Sicherheitsfragen wie zum Beispiel Rückschlag
für Erntemaschinen
nicht relevant sind, wurden experimentelle Änderungen durchgeführt um zu
versuchen, die Schneideglieder aggressiver zu gestalten (die Schneidezähne wurden
eingestellt, um tiefer, und daher voraussichtlich auch weiter in
das Holz einzuschneiden). Von diesen zahlreichen ausprobierten Änderungen
(über eine
Zeitspanne von vielen Monaten hinweg) haben außer der vorliegenden Erfindung
keine derselben bemerkbare Verbesserungen der Schneidezeit erzielt.
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Es
wurde festgestellt, dass Modifizierungen des traditionellen Schneideglieds,
um dasselbe aggressiver zu gestalten, die Schneidegeschwindigkeit nicht änderten,
da die durch die Erntemaschine auferlegten Kräfte die Schneideglieder einfach
nur zum Schneiden der von dem Tiefemesser zugelassenen maximalen
Tiefe veranlaßte.
Dementsprechend stellte sich heraus, dass die Aggressivität oder Nicht-Aggressivität der Schneideglieder
keinen Faktor repräsentierten.
Eine weitere Überlegung
war das Steigern der zugelassenen Schnitttiefe, d.h. durch weiteres
Reduzieren des Tiefenmeßgerätes. Auch
dies zeigte jedoch, dass es nicht die gewünschte Schneidegeschwindigkeitsverbesserung
liefern konnte.
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Obwohl
es im Grunde genommen unmöglich ist,
die Schneideglieder während
des Betriebs an einer Erntemaschine (oder sogar eine Laborsimulierung
derselben) zu inspizieren wurde angenommen, dass die spantragende
Kapazität
der Kette überschritten
werden muß.
Die Kette besteht aus einer Sequenz von miteinander verbundenen
Gliedern, welche ein Paar Seitenglieder in einem Seite-bei-Seite-Verhältnis einschließlich eines
Schneideglieds und eines Bindegurts, eines zentralen/Antriebsglieds,
eines Paars von Seite-bei-Seite-Bindegurten, und dann eines weiteren
zentralen Gliedes einschliessen. Das letztere zentrale Glied ist
mit einer folgenden, ähnlichen
Sequenz von Gliedern verbunden usw., um den gesamten Kettettkreis
herum. Jede Sequenz umfasst wie beschrieben abwechselnd ein rechtes Schneideglied
und dann ein linkes Schneideglied.
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Jede
Sequenz von Gliedern wird wie beschrieben als einen Trageabstand
definierend angesehen, welcher sich von der Schneidekante des einen
Schneideglieds bis an die Schneidekante des folgenden Schneideglieds
erstreckt. In dem Querabschnitt wird der Trageabstand durch die
Kerbe und die Höhe
des Bindegurts definiert. Dieser Abstand ist auf der schematischen
Ansicht in 2 und 3 illustriert,
wobei Buchstabe „a" in 3 die
Länge andeutet,
und Buchstaben „b" und „c" in 2 die
Tiefe und Breite des spantragenden Abstands andeuten.
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Besonders
während
der angetriebenen Schneideaktion der Baumerntemaschine wird die Kette
ununterbrochen gegen den Boden der Kerbe gehalten, und Späne werden
hauptsächlich
auf den beschriebenen Trageabstand beschränkt. Wenn dieser Abstand mit
Spänen
gefüllt
ist, werden diese Späne
kompaktiert und drücken
dann die Kette außer Kontakt
mit dem Boden der Kerbe, wodurch der Schneideprozess verringert
wird. Keinerlei extra Geschwindigkeit oder Steigerung der Tiefenmeßgeräteinstellung
oder Steigerung der Schneideaggressivität wird ein wirkungsvolles Schneiden
ermöglichen, bis
die Späne
gelöst
werden, d.h. wenn die Kette aus der Kerbe entfernt wird. Es ist
deshalb das Ziel der vorliegenden Erfindung, den Trageabstand zu
vergrößern, was
theoretisch die Zeit verlängern
wird, in welcher ein Schneideglied weiter schneiden kann, bevor
die Spantragekapazität überschritten
wird, um so eine Gesamtreduktion der Schneidezeit zu ermöglichen.
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Eine
scheinbare Lösung
für das
Vergrößern des
Trageabstands ist das Verlängern
des Abstands „a" zwischen den Schneidegliedern.
Dies resultiert jedoch in weniger Schneidegliedern, welche mit einer bestimmten
Anzahl von Umdrehungen der Kette schneiden, und verlangsamt anstatt
von beschleunigt den Schneideprozess. Ein Erweitern der Kerbe ist auch
nicht produktiv, da dies das Schneiden von mehr Holz für die gleiche
Schnitttiefe fordert. Die verbleibende Option ist das Steigern der
Hebung oder Höhe
der Schneidezähne,
d.h. des Abstands „b". Es ist gut bekannt,
dass Sägeketten
mit einer sehr balancierten Konfiguration entwickelt wurden, und
dass zusätzliche
Höhe einen
gesteigerten und unerwünschten
Hebeleffekt produzieren wird, wenn der Schneidezahn versucht, sich
nach hinten zu drehen. Wenn die Schneideglieder sich nach hinten
drehen, wird das Tiefenmeßgerät angehoben
und erzwingt einen flacheren Schnitt. Das Kettensägen wird
außerdem
rauher und das Gerät
bricht leichter.
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Die
mögliche
Antwort für
die oben aufgeführten
Schwierigkeiten ist wieder der Effekt der wesentlich besseren Kräfte, die
während
des Erntemaschinenschneidens angewendet werden. Wenn diese Kräfte ausreichend
groß sind,
um ein Drehen des Schneidegliedes nach hinten zu verhindern, kann das
Ziel des verbesserten Trageabstands erreicht werden.
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Die
Höhe des
Schneideglieds wurde vorsichtig stufenweise gesteigert und getestet.
Ein Beispiel einer gesteigerten Schneidegliedhöhe wird in 2 gezeigt.
Es zeigte sich, dass die Schneidegeschwindigkeit mit jeder stufenweisen
Steigerung ohne negativen Effekt aufgrund einer Rückwärtsbewegung
des Schneideglieds anstieg. Die Höhe „b" wurde von ungefähr 0,44 cm (0,175 Zoll) auf
0,71 cm (0,280 Zoll) gesteigert, und das Schneideglied funktionierte
an diesem Punkt weiterhin gut und die theoretische Schneideleistung
der Kette für
das Schneiden eines Baumstamms mit 35 cm Durchmesser wurde erreicht.
Dies bedeutet, dass man die Zeit berechnen kann, in welcher ein
bekannter Baumdurchmesser durchschnitten werden kann, wenn man voraussetzt, dass
jedes Schneideglied während
eines jeden Durchgangs durch die Kerbe ein Materialband mit einer
Dicke von 0,13 cm (0,050 Zoll) entfernt (die von dem Tiefenmeßgerät zugelassene
Tiefe), solange bekannt ist, wie schnell die Kette läuft, und
wieviele Male ein Schneideglied innerhalb einer bestimmten Zeit
durch die Kerbe hindurch fährt
(kumulativ). Eine solche Leistung wurde mit Sägeketten des Designs des Standes
der Technik noch nicht erzielt. Die Schneidegeschwindigkeit der
verbesserten Kette wurde um wenigstens 20% über diejenige herkömmlicher
Sägeketten
gesteigert, d.h. erreicht beinahe die theoretische maximale Schneidegeschwindigkeit, und
das Industrieziel des Schneidens eines 35 cm Baumstamms in 0,8 Sekunden
kann nun erreicht werden.
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Da
die Sägeketten
der vorliegenden Erfindung für
handgehaltene Sägen
entwickelt wurden, deren Leistung nicht durch Spankapazität eingeschränkt wurde,
welche aber durch Faktoren wie Rauheit und Sicherheit eingeschränkt wurde,
schrieb das optimale Design das Aufrechterhalten einer Höhe „b" von weniger als
ungefähr
60% der Teilung vor. Die Kette der vorliegenden Erfindung wurde
spezifisch für
das Erntemaschinenschneiden entworfen und wir glauben, dass sie
das effektivste Schneiden mit der Höhe „b" von ungefähr 85% der Teilung ermöglicht.
Bei 100% würden
wir Unhandlichkeit des Schneideglieds voraussetzen, wobei auch ein
Brechen möglich
ist, aber Werte von mehr als 75% und nicht mehr als 100% dürften die
gewünschte
Verbesserung der Schneidegeschwindigkeit erzielen.
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Die
wesentlichen Eigenschaften der Erfindung werden in Anspruch 1 aufgeführt. Andere
Ausführungsformen
der Erfindung werden in den abhängigen
Ansprüchen
2-4 aufgeführt.
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Obwohl
das Abnutzen der lasttragenden, zwischen den Stangengeländern und
dem Stellplatz der Seitenglieder befindlichen Oberfläche ein
Problem repräsentiert
(man bedenke die Anmerkung weiter oben bezüglich der Tatsache, dass die Materialdicke
unter dem Nietenloch aus diesem Grund verstärkt wurde), wurde eine weitere
Verbesserung durchgeführt,
um das Abnutzen der Stangengeländer zu
lindern. Da die Geländer
breiter sind als der Stellplatz der Kettenglieder werden die Stellplätze der Schneideglieder
nach aussen ausgestellt, um in den äußeren Abschnitt der Stangengeländer einzugreifen.
Die Stellplätze
der restlichen Seitenglieder (Bindegurte) greifen in den Innenabschnitt
der Stangenkante ein. Dies gleicht die Abnutzung der Stangengeländer aus
und reduziert das Problem des Abnutzens des Führungsstangengeländers ganz
wesentlich.
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Die
Erfindung wird nach Durchsicht der folgenden detaillierten Beschreibung
unter Bezugnahme auf die darin aufgeführten Zeichnungen besser verstanden
werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
eine Schnittdarstellung einer Sägekette
nach dem Stand der Technik während
des Betriebs in einer in einen Baumstamm oder Baum eingeschnittenen
Kerbe;
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2 zeigt
eine ähnliche
Darstellung einer Sägekette
der vorliegenden Erfindung; und
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3 zeigt
eine Seitenansicht der Sägekette von 2.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORM
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2 und 3 illustrieren
einen Abschnitt der Sägekette
der vorliegenden Erfindung. Die Sägekette ist auf einer Führungsstange 14 montiert.
Wie in 2 dargestellt hat die Führungsstange 14 eine Führungsrille 16,
in welcher sich die zentralen Antriebsglieder 18 der Sägekette
fortbewegen. Die zentralen Antriebsglieder 18 sind mittels
der Bindegurte 20 und der Schneideglieder 22 wie
in 3 dargestellt miteinander verbunden.
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Ein
jedes der Schneideglieder 22 hat ein Tiefenmeßgerät 24,
welches die Tiefe des Schnitts bestimmt, den ein jedes der Schneideglieder
durchführen
wird wenn die Sägekette
um die Führungsstange 14 herum
getrieben wird.
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Die
Sägekette
wird mittels eines bekannten Antriebskopfes um die Führungsstange 14 herum
getrieben, und wird in die von dem Pfeil 26 angedeutete Richtung
getrieben. Wenn die Sägekette
von dem Antriebskopf getrieben wird, drückt die Führungsstange 14 die
Sägekette
gegen das Material, und die Schneidezähne 23 der Sägekette
werden wie in 2 dargestellt eine Sägekerbe 28 erzeugen
oder produzieren. Jeder Schneidezahn 23 wird einen Teil des
Materials wegschneiden, wobei die Tiefe des Schnitts des Schneidezahns 23 von
dem Tiefenmeßgerät 24 eingeschränkt wird.
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Eines
der Probleme, welche mit den Hochleistungserntemaschinen angetroffen
werden, ist das Entfernen der Späne
aus der Sägekerbe 28.
Es hat sich erwiesen, dass das Volumen der von den Schneidezähnen 23 erzeugten
Späne dazu
ausreicht, dass diese Späne
dazu neigen werden, die Penetrierung der Schneidezähne 23 in
das Material einzuschränken.
Man nimmt an, dass die von den Schneidezähnen 23 produzierten
Späne den
Raum zwischen den Schneidekanten 25 der Schneidezähne 23 und
innerhalb der Kerbe füllen
(allgemein das Volumen aXbXc in den Zeichnungen), und die Kette wie
im Wesentlichen durch den Pfeil 36 in 3 veranschaulicht
von dem Boden der Kerbe 34 hinweg drücken, wenn sie kompaktiert
werden.
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The
Sägekette
der vorliegenden Erfindung hat Schneidezähne 23 mit einer größeren Höhe als die
der Sägeketten
der Vergangenheit. Die größere Höhe, allgemein
durch b in 2 veranschaulicht, liefert eine
größere Tiefe,
welche die von den Schneidegliedern 22 erzeugten Späne aufnimmt.
Die größere Höhe b in
Kombination mit der Breite c der Kerbe 28 und dem Abstand
a zwischen den aufeinander folgenden Schneidekanten 25 liefert
ein großes
Volumen für
das Empfangen von Spänen,
die von den Schneidegliedern 22 erzeugt werden. Das große Volumen
reduziert das Kompaktieren der Späne zwischen der Sägekette
und dem Boden der Kerbe 28. Es hat sich erwiesen, dass
das Steigern des Volumens für
die Spanentfernung die Rate steigert, mit welcher die Sägekette
durch einen Baumstamm sägt.
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Die
Sägekette
der vorliegenden Erfindung ist für
Erntemaschinentypen konfiguriert, und sie bereitet daher keine Sorgen
mit Bezug auf Sicherheitsfragen wie zum Beispiel Rückschlag,
welcher normalerweise mit handgehaltenen Kettensägen assoziiert wird.
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Die
Erntemaschinen üben
eine große
Kraft auf die Führungsstange
und Sägekette
aus, welche dazu neigt, ein rapides Abnutzen der Führungsstange 14 an der
lasttragenden Oberfläche 38 der
Geländer 15 zu
produzieren. Wie schon erwähnt
wurde der Abstand unter den Nieten der Kettenglieder vergrößert, um
eine größere Abnutzung
der Kette zu erlauben. Um die Abnutzung der Führungsstange 14 zu reduzieren
wurden der Fuß der
Bindegurte 20 und der Fuß der Schneideglieder 22 so
arrangiert, dass dieselben an verschiedenen Kontaktpunkten in die Geländer 15 der
Führungsstange 14 eingreifen.
Die Geländer 15 sind
eine Verlängerung
der äußeren Laminate
der Führungsstange 14,
welche die Führungsrille 16 der
Führungsstange 14 definieren.
Dies hat natürlich
Auswirkungen auf die laminierte Führungsstange, wie illustriert.
Für eine
feste Führungsstange
wird die Rille in die Kante eingeschnitten, und die Geländer sind
daher im Wesentlichen auf jeder Seite der Rille in der gleichen
Konfiguration geformt. Wie in 2 dargestellt
ist der Fuß 30 des
Schneideglieds 22 nach außen ausgestellt, so dass der
Fuß 30 des
Schneideglieds 22 eine andere Kontaktposition an dem Geländer 15 hat
als der Fuß 32 des
Bindegurts 20. Obwohl ein Abschnitt des Fusses 30 des Schneideglieds 22 mit
dem Geländer 15 in
Kontakt steht, welches auch mit einem Abschnitt des Fusses 32 des
Bindeglieds zusammentrifft, welcher mit dem Geländer 15 in Kontakt
steht, besteht ausreichend Varianz für das Verlängern der Haltbarkeit der Führungsgeländer 15.