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Gebiet der
Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein Hochgeschwindigkeitslager nach den oberbegriffsbildenden
Merkmalen des Patentanspruchs 1, und sie ist insbesondere vorteilhaft
an direktgeschmierten Spindellagern für Werkzeugmaschinen realisierbar.
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Hintergrund
der Erfindung
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Dem
Fachmann in der Wälzlagertechnik
ist es allgemein bekannt, dass die Schmierung von Wälzlagern
dem Zweck dient, einen direkten metallischen Kontakt zwischen den
Wälzkörpern und
den Lagerringen zu vermeiden, um damit die Reibung zwischen den
aufeinander wälzenden
Oberflächen sowie
deren reibungsbedingten Verschleiß zu minimieren und gegebenenfalls
die infolge von Reibung entstehende Wärme aus dem Wälzlager
abzuführen. Gleichzeitig
werden durch den Schmierstoff die Korrosion des Wälzlagers
sowie der Einschluss von Fremdstoffen im Wälzlager vermieden, so dass
insge samt die Lebensdauer eines Wälzlagers erheblich verlängert und
der Energieverbrauch gesenkt werden kann. Die für Spindellager von Werkzeugmaschinen
bekannten Schmiersysteme unterscheidet man derzeit in Fett- oder Ölschmierung
sowie Öl-Luft- oder Öl-Nebelschmierung,
wobei sich jedoch die Fettschmierung aufgrund der schlechten Wärmeableitung
von Schmierfetten nur für
Spindellager von Werkzeugmaschinen mit bei geringen bis mittleren Drehzahlen
betriebenen Spindeln als ausreichend erwiesen hat. Da die Wärmeableitung
aus dem Spindellager jedoch bei Werkzeugmaschinen mit im Hochgeschwindigkeitsbereich
betriebenen Spindeln ein wichtiger Gesichtspunkt hinsichtlich der
Vermeidung von Lagerschäden
ist, werden die Spindellager für
derartige Spindeln durch Öl-Luft-
oder Öl-Nebelsysteme
geschmiert, bei denen hochkomprimierte Luft, die einen bestimmten
Anteil an Schmieröl
enthält,
entweder indirekt über
neben dem Spindellager angeordnete Düsen oder direkt über mehrere
im äußeren Lagerring
angeordnete Radialbohrungen in das Spindellager injiziert wird.
Neben der Wärmeableitung über das
hochviskose Schmieröl
hat sich dabei die Luftzufuhr bei solchen Öl-Luft- und Öl-Nebelsystemen
als besonders effektiv für
die Kühlung
der Spindellager erwiesen.
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Ein
solches direktgeschmiertes Spindellager für eine Werkzeugmaschine ist
beispielsweise aus dem FAG-Katalog „Hochgenauigkeitslager", Publ.-Nr. AC 41
130/6 DA, Ausgabe Februar 2005, Seiten 10 und 12 bekannt und in
den 4 und 4a der anliegenden Zeichnungen
schematisch dargestellt. Deutlich sichtbar ist dieses als „Direct
Lube Lager" bezeichnete
Spindellager 101 als einreihiges Schrägkugellager ausgeführt, welches
im Wesentlichen aus einem auf der Spindel 114 befestigten
inneren Lagerring 102 und aus einem im Spindelgehäuse 115 befestigten äußeren Lagerring 103 sowie
aus einer Anzahl zwischen diesen Lagerringen 102, 103 auf
Laufbahnen 104, 105 abrollender Lagerkugeln 106 besteht,
die durch einen Lagerkäfig 107 in
Umfangsrichtung in gleichmäßigen Abständen zueinander
gehalten werden. Aus der in 4a abgebildeten vergrößerten Darstellung
der Einzelheit Z gemäß 4 geht dabei hervor, dass
zur Schmierstoffzuführung
zu diesem Spindellager 101 eine im Spindelgehäuse 115 angeordnete
Schmierstoffzuleitung 110 in eine an der Außenseite
des äußeren Lagerrings 103 angeordnete
umlaufende Ringnut 111 mündet, von der aus mehrere annähernd gleichmäßig umfangsverteilte
radiale Zuführbohrungen 109 in
den äußeren Lagerring 103 eingearbeitet
sind. Diese Zuführbohrungen 109 münden neben
der Laufbahn 105 des äußeren Lagerrings 103 in
den Zwischenraum 108 zwischen den Lagerringen 102, 103 und
bewirken, dass das durch die Ringnut 111 im äußeren Lagerring 103 über den
Umfang des Spindellagers 101 verteilte Öl-Luft-Schmierstoffgemisch
an mehrerer Stellen gleichzeitig unter Druck in das Spindellager 101 injiziert
wird. Axial neben der Ringnut 111 sind darüber hinaus
zwei in weitere Ringnuten in der Außenseite des äußeren Lagerrings 103 eingelegte
Präzisions-O-Ringe 112, 113 angeordnet,
die das Spindellager 101 gegen das Spindelgehäuse 115 abdichten.
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Nachteilig
bei diesem bekannten Spindellager ist es jedoch, dass das zugeführte Öl-Luft-Schmierstoffgemisch
durch die nur mit einem sehr kleinen gleichmäßigen Durchmesser ausgebildeten
Zuführbohrungen
im äußeren Lagerring
beim Eintritt in den Lagerinnenraum nur punktuell im Lager verteilt
und nur unzureichend zerstäubt
wird, so dass die Schmierung und Wärmeabführung nicht wie erwünscht im
gesamten Spindellager gleichmäßig erfolgt.
Außerdem
hat es sich in der Praxis gezeigt, dass Spindellager mit derart
ausgebildeten Zuführbohrungen
im äußeren Lagerring
im Betrieb einen relativ hohen Verbrauch an Druckluft erzeugen,
so dass die Betriebskosten derart gelagerter Werkzeugmaschinenspindeln
relativ hoch sind. Ebenso hat sich bei der Herstellung derart ausgebildeter
Spindellager das Einbringen der Zuführbohrungen als relativ aufwändig erwiesen,
da hierfür
Bohrer mit sehr kleinen Durchmessern verwendet werden müssen und
daher zur Vermeidung von Bohrerbrüchen das Bohren durch die gesamte
Lagerringdicke nur sehr langsam erfolgen kann.
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Aufgabe der
Erfindung
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Ausgehend
von den dargelegten Nachteilen des bekannten Standes der Technik
liegt der Erfindung deshalb die Aufgabe zu Grunde, ein Hochgeschwindigkeitsla ger,
insbesondere direktgeschmiertes Spindellager für eine Werkzeugmaschine zu
konzipieren, bei dem das über
die Zuführbohrungen
im äußeren Lagerring
zugeführte Öl-Luft-Schmierstoffgemisch
beim Eintritt in den Lagerinnenraum feiner zerstäubt und gleichmäßig verteilt
wird und welches sich durch niedrige Herstellungskosten und einen
geringen Druckluftverbrauch auszeichnet.
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Beschreibung
der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe bei einem Hochgeschwindigkeitslager nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 derart gelöst,
dass die radialen Zuführbohrungen
im äußeren Lagerring
als Stufenbohrungen ausgebildet sind, die ausgehend von ihrem lagerringaußenseitigen
Bohrungseingang zunächst
einen durchmesservergrößerten Druckstaubereich
aufweisen, der sich über
den größten Teil
der Gesamtbohrungstiefe erstreckt und mit einem Übergang zu einer durchmesserverringerten
Druckdrossel ausgebildet ist, die zum lagerringinnenseitigen Bohrungsende
der Zuführbohrungen
hin in einen sich in den Zwischenraum zwischen den Lagerringen öffnenden
Sprühtrichter
mündet.
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Bevorzugte
Ausgestaltungen und vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäß ausgebildeten
einreihigen Radialwälzlagers
werden in den Unteransprüchen
beschrieben.
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Danach
ist es gemäß Anspruch
2 bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten
Hochgeschwindigkeitslager vorgesehen, dass der durchmesservergrößerte Druckstaubereich
der Zuführbohrungen
sich etwa über
60% bis 80% der Gesamtbohrungstiefe erstreckt und etwa den dreifachen
Durchmesser der durchmesserverringerten Druckdrossel aufweist. Diese
Ausbildung hat sich vor allem in fertigungstechnischer Hinsicht
als besonders vorteilhaft erwiesen, da somit die Zuführbohrungen
größtenteils
mit Bohrern größeren Durchmessers
in den äußeren Lagerring
eingearbeitet werden können
und lediglich nur noch 20% bis 40% der Gesamtbohrungstiefe mit einem
Durchmesser hergestellt werden müssen,
der dem der sich an den Druckstaubereich anschließenden Druckdrossel
entspricht. Durch die Verwendung größerer Bohrer kann somit zum
einen das Bohren selbst wesentlich schneller erfolgen und zum anderen
wird beim Einarbeiten der durchmesserverringerten Druckdrossel die
Gefahr von Bohrerbrüchen
wesentlich verringert oder kann sogar ausgeschlossen werden, da
es aufgrund der geringen Materialdicke nunmehr alternativ auch möglich ist,
die Druckdrosseln durch werkzeuglose Fertigungsverfahren, wie Elektroerosion
oder Laserbohren, in den äußeren Lagerring
einzuarbeiten.
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Nach
Anspruch 3 ist es ein weiteres Merkmal des erfindungsgemäß ausgebildeten
Hochgeschwindigkeitslagers, dass der Übergang vom durchmesservergrößerten Druckstaubereich
zur durchmesserverringerten Druckdrossel der Zuführbohrungen bevorzugt die Form
eines Kegels aufweist, der mit einem Kegelwinkel zwischen 90° und 120° ausgebildet ist.
Auch diese Ausbildung hat sich vor allem aus fertigungstechnischer
Sicht als vorteilhaft erwiesen, da eine solche Kegelform mit einer
entsprechend angeformten Bohrerspitze in einem Arbeitsgang mit dem Bohren
des durchmesservergrößerten Druckstaubereiches
eingearbeitet werden kann. Gleichzeitig hat die Kegelform des Übergangsbereiches
die vorteilhafte Wirkung, dass damit die mit der Durchmesserverringerung
an der Druckdrossel einhergehenden Strömungsverluste im durchströmenden Öl-Luft-Schmierstoffgemisch
auf ein Minimum reduziert werden. Unter Inkaufnahme höherer Strömungsverluste
wäre es
jedoch auch denkbar, den Übergang
vom durchmesservergrößerten Druckstaubereich
zur durchmesserverringerte Druckdrossel in den Zuführbohrungen
stufenförmig
auszubilden, da bei einer solchen Ausbildung eine vorteilhafte zusätzliche
Verwirbelung des durchströmenden Öl-Luft-Schmierstoffgemisches
eintritt.
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Gemäß Anspruch
4 zeichnet sich das erfindungsgemäß ausgebildete Hochgeschwindigkeitslager
darüber
hinaus noch dadurch aus, dass die durchmesserverringerte Druckdrossel
bevorzugt einen Durchmesser von 20% bis 30% des Durchmessers des
durchmesservergrößerten Druckstaubereiches
der Zuführbohrungen
aufweist und sich etwa über
10% der Gesamtbohrungstiefe erstreckt.
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Das
Verhältnis
zwischen dem Durchmesser des Druckstaubereiches und dem Durchmesser
der Druckdrossel sowie die relativ kurze Ausbildung der Druckdrossel
in Relation zur Gesamtbohrungstiefe ist dabei ursächlich dafür, dass
das durchströmende Öl-Luft-Schmierstoffgemisch
feiner zerstäubt
wird, als bei bekannten direktgeschmierten Hochgeschwindigkeitslagern
mit gerade durchgehenden Zuführbohrungen.
Da der Durchmesser der Druckdrosseln in aller Regel auch kleiner
als bei den geraden Zuführbohrungen
bekannter Hochgeschwindigkeitslager ausgeführt werden kann, ist es durch
Spindellager mit derart ausgebildeten Zuführbohrungen zusätzlich möglich, den
Verbrauch an Druckluft zu reduzieren und damit die Betriebskosten
der Werkzeugmaschinenspindel zu senken. Schließlich wird es als vorteilhafte
Ausgestaltung des erfindungsgemäß ausgebildeten
Hochgeschwindigkeitslagers durch Anspruch 5 noch vorgeschlagen,
dass der sich an die Druckdrossel anschließende Sprühtrichter der Zuführbohrungen
bevorzugt die Form eines Kegels aufweist, der mit einem Kegelwinkel
zwischen 130° und 150° ausgebildet
ist und sich etwa über
10% der Gesamtbohrungstiefe erstreckt. Durch einen solchen Sprühtrichter
wird im Unterschied zu bekannten Hochgeschwindigkeitslagern erreicht,
dass das durch die Druckdrosseln fein zerstäubte Öl-Luft-Schmierstoffgemisch
nicht nur punktuell sondern großflächig und
gleichmäßig im Lagerinneren verteilt
wird. Der Sprühtrichter
kann dabei in vorteilhafter Weise mit einem entsprechend geformten Senkkopf
von der Innenseite des äußeren Lagerrings her
eingearbeitet werden, wobei die Größe seines Kegelwinkels für den Grad
der Schmierstoffverteilung im Lagerinneren verantwortlich ist.
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Das
erfindungsgemäß ausgebildete
Hochgeschwindigkeitslager weist somit gegenüber den aus dem Stand der Technik
bekannten Hochgeschwindigkeitslagern den Vorteil auf, dass die Zuführbohrungen
im äußeren Lagerring
als Stufenbohrungen mit einem Druckstaubereich, einer Druckdrossel
und einem Sprühtrichter
ausgebildet sind, durch die das zugeführte Öl-Luft-Schmierstoffgemisch
beim Eintritt in den Lagerinnenraum feiner zerstäubt und gleichmäßiger verteilt
wird. Gleichzeitig zeichnet sich das erfindungsgemäß ausgebildete
Hochgeschwindigkeitslager durch die Möglichkeit des Einsatzes größerer Boh rer
und alternativer werkzeugloser Fertigungsverfahren beim Einbringen
der Zuführbohrungen
durch niedrige Herstellungskosten sowie durch die mögliche Reduzierung
des Druckluftverbrauchs durch geringere Betriebskosten der Werkzeugmaschinenspindel
aus.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
des erfindungsgemäß ausgebildeten
Hochgeschwindigkeitslagers wird nachfolgend unter Bezugnahme auf
die beigefügten
Zeichnungen näher
erläutert.
Dabei zeigen:
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1 einen
Querschnitt durch den Antrieb einer Werkzeugmaschine mit einer einseitig
in zwei erfindungsgemäß ausgebildeten
Hochgeschwindigkeitslagern gelagerten Hauptspindel;
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2 eine
vergrößerte Darstellung
der Einzelheit X gemäß 1 mit
einer Hälfte
eines Querschnitts durch ein erfindungsgemäß ausgebildetes Hochgeschwindigkeitslager;
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3 eine
vergrößerte Darstellung
der Einzelheit Y gemäß 2 mit
einer Zuführbohrung
im äußeren Lagerring
des erfindungsgemäß ausgebildetes
Hochgeschwindigkeitslagers;
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4 eine
vergrößerte Darstellung
eines Querschnitts durch ein aus dem Stand der Technik bekanntes
Hochgeschwindigkeitslager für
die Hauptspindel einer Werkzeugmaschine;
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4a eine
vergrößerte Darstellung
der Einzelheit Z gemäß 4 mit
einer geraden Zuführbohrung
im äußeren Lagerring
des bekannten Hochgeschwindigkeitslagers.
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Ausführliche
Beschreibung der Zeichnungen
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In 1 ist
schematisch der Antrieb einer Werkzeugmaschine dargestellt, der
im Wesentlichen aus einem Elektromotor 19 und aus einer
von diesem angetriebenen Spindel 16 besteht. Diese Spindel 16 ist
deutlich sichtbar mit einem Ende in einem nicht näher bezeichneten
Kugelloslager gelagert, während das
andere Ende der Spindel 16 in zwei in O-Anordnung gegeneinander
angestellte und als Schrägkugellager
ausgebildete Hochgeschwindigkeitslager 1 gelagert ist,
die den Festlagersitz innerhalb eines Spindelgehäuses 17 bilden. Wie
der in 2 abgebildeten vergrößerten Darstellung der Einzelheit
X gemäß 1 dazu
entnehmbar ist, bestehen diese Hochgeschwindigkeitslager 1 jeweils
im Wesentlichen aus einem auf der Spindel 16 befestigten
inneren Lagerring 2 und aus einem im Spindelgehäuse 17 befestigten äußeren Lagerring 3 sowie
aus einer Anzahl zwischen diesen Lagerringen 2, 3 in
Laufbahnen 7, 8 abrollender Wälzkörper 9, die durch
einen Lagerkäfig 10 in
Umfangsrichtung in gleichmäßigen Abständen zueinander
gehalten werden. Desweiteren geht aus 2 hervor,
dass zur Schmierstoffzuführung
zu jedem Hochgeschwindigkeitslager 1 eine im Spindelgehäuse 17 angeordnete
Schmierstoffzuleitung 18 in eine an der Außenseite
des äußeren Lagerrings 3 angeordnete
umlaufende Ringnut 20 mündet,
von der aus mehrere gleichmäßig umfangsverteilte
radiale Zuführbohrungen 9 in
den äußeren Lagerring 3 eingearbeitet
sind. Diese Zuführbohrungen 9 münden neben
der Laufbahn 5 des äußeren Lagerrings 3 in
den Zwischenraum 8 zwischen den Lagerringen 2, 3 und
bewirken, dass ein durch die Ringnut 11 im äußeren Lagerring 3 über den
Umfang des Hochgeschwindigkeitslagers 1 verteiltes Öl-Luft-Schmierstoffgemisch
an mehrerer Stellen gleichzeitig unter Druck in das Hochgeschwindigkeitslagern 1 injiziert
werden kann. Axial neben der Ringnut 11 sind darüber hinaus
zwei in weitere Ringnuten in der Außenseite des äußeren Lagerrings 3 eingelegte
Präzisions-O-Ringe 21, 22 angeordnet, die
das Hochgeschwindigkeitslager 1 gegen das Spindelgehäuse 17 abdichten.
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Aus 3 ist
desweiteren entnehmbar, dass die radialen Zuführbohrungen 9 im äußeren Lagerring 3 des
Hochgeschwindigkeitslagers 1 zur feineren Zerstäubung und
gleichmäßigeren
Verteilung des Schmierstoffs erfindungsgemäß als Stufenbohrungen ausgebildet
sind, die ausgehend von ihrem lagerringaußenseitigen Bohrungseingang 10 zunächst einen
durchmesservergrößerten Druckstaubereich 11 aufweisen,
der sich über
den größten Teil
der Gesamtbohrungstiefe erstreckt und mit einem Übergang 12 zu einer
durchmesserverringerten Druckdrossel 13 ausgebildet ist,
die zum lagerringinnenseitigen Bohrungsausgang 14 der Zuführbohrungen 9 hin
in einen sich in den Zwischenraum 8 zwischen den Lagerringen 2, 3 öffnenden
Sprühtrichter 15 mündet.
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Ebenso
ist aus 3 erkennbar, dass der durchmesservergrößerte Druckstaubereich 11 der Zuführbohrungen 9 sich
etwa über
60% bis 80% der Gesamtbohrungstiefe erstreckt und etwa den dreifachen
Durchmesser der durchmesserverringerten Druckdrossel 13 aufweist,
so dass die Zuführbohrungen 9 größtenteils
mit Bohrern größeren Durchmessers
in den äußeren Lagerring 3 eingearbeitet
werden können
und lediglich nur noch 20% bis 40% der Gesamtbohrungstiefe mit dem
Durchmesser der sich an den Druckstaubereich 11 anschließenden Druckdrossel 13 hergestellt
werden müssen.
Der Übergang 12 vom
durchmesservergrößerten Druckstaubereich 11 zur
durchmesserverringerten Druckdrossel 13 der Zuführbohrungen 9 weist
dabei deutlich sichtbar die Form eines Kegels auf, der mit einem
Kegelwinkel zwischen 90° und
120° ausgebildet
ist und somit die mit der Durchmesserverringerung an der Druckdrossel 13 einhergehenden
Strömungsverluste im
durchströmenden Öl-Luft-Schmierstoffgemisch auf
ein Minimum reduziert.
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Schließlich wird
durch 3 auch noch deutlich, dass die durchmesserverringerte
Druckdrossel 13 jeder Zuführbohrung 9 einen
Durchmesser von 20% bis 30% des Durchmessers des durchmesservergrößerten Druckstaubereiches 11 der
Zuführbohrungen 9 aufweist
und sich etwa über
10% der Gesamtbohrungstiefe erstreckt und dass der sich an die Druckdrossel 13 anschließende Sprühtrichter 15 der Zuführbohrungen 9 die
Form eines mit einem Kegelwinkel zwi schen 130° und 150° ausgebildeten Kegels aufweist,
der sich ebenfalls etwa über
10% der Gesamtbohrungstiefe erstreckt. Durch eine solche kurze Ausbildung
der Druckdrossel 13 in Relation zur Gesamtbohrungstiefe
wird erreicht, dass das durchströmende Öl-Luft-Schmierstoffgemisch
feiner zerstäubt
wird, während
durch den relativ großen
Sprühtrichter 15 das
durch die Druckdrossel 13 zerstäubte Öl-Luft-Schmierstoffgemisch
großflächig und
gleichmäßig im Lagerinneren
verteilt wird.
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- 1
- Hochgeschwindigkeitslager
- 2
- innerer
Lagerring
- 3
- äußerer Lagerring
- 4
- Laufbahn
von 2
- 5
- Laufbahn
von 3
- 6
- Wälzkörper
- 7
- Lagerkäfig
- 8
- Zwischenraum
- 9
- Zuführbohrungen
- 10
- Bohrungseingang
- 11
- Druckstaubereich
- 12
- Übergang
- 13
- Druckdrossel
- 14
- Bohrungsausgang
- 15
- Sprühtrichter
- 16
- Spindel
- 17
- Spindelgehäuse
- 18
- Schmierstoffzuleitung
- 19
- Elektromotor
- 20
- Ringnut
- 21
- O-Ring
- 22
- O-Ring
- 101
- Spindellager
- 102
- innerer
Lagerring
- 103
- äußerer Lagerring
- 104
- Laufbahn
von 102
- 105
- Laufbahn
von 103
- 106
- Lagerkugeln
- 107
- Lagerkäfig
- 108
- Zwischenraum
- 109
- Zuführbohrungen
- 110
- Schmierstoffzuleitung
- 111
- Ringnut
- 112
- O-Ring
- 113
- O-Ring
- 114
- Spindel
- 115
- Spindelgehäuse