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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.
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Gleichzeitig
werden durch den Schmierstoff die Korrosion des Wälzlagers
sowie der Einschluss von Fremdstoffen im Wälzlager vermieden, so dass insgesamt
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 4 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. Zur Schmierstoffzuführung zu diesem Spindellager 101 mündet eine
im Spindelgehäuse 115 angeordnete
Schmier stoffzuleitung 110 in eine an der Außenseite
des äußeren Lagerrings 103 angeordnete umlaufende
Ringnut 111, 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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Als
nachteilig bei diesem bekannten direktgeschmierten Spindellager
hat es sich jedoch in der Praxis gezeigt, dass der Schmierstoffanteil
des in das Spindellager injizierten Öl-Luft-Schmierstoffgemisches
sowohl durch lagerauswärts
gerichtete wälzlagerinterne
Axialluftströme
als auch durch spindelinterne Axialluftströme, die zwischen der Spindel
und dem Spindelgehäuse
entstehen und das Spindellager durchströmen, zu schnell aus dem Spindellager wieder
heraus befördert
wird. Dadurch kann es zu einer Mangelschmierung und zu einem metallischen Kontakt
zwischen den Lagerkugeln und ihren Laufbahnen in den Lagerringen
kommen, der zu einem vorzeitigen Verschleiß des Spindellagers führt.
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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 Hochgeschwindigkeitslager,
insbesondere direktgeschmiertes Spindellager für eine Werkzeugmaschine, zu
konzipieren, bei welchem eine aus wälzlagerinternen Axialluftströmen aus
und/oder spindelinternen Axialluftströmen durch das Spindellager
resultierende Mangelschmierung wirksam vermieden ist.
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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 der Zwischenraum zwischen den Lagerringen entweder axial einseitig
durch eine oder axial beidseitig durch zwei jeweils an den Axialseiten
des äußeren Lagerrings
befestigte kreisringförmige
Stauscheiben abgeschottet ist, durch die störende Axialluftströme durch das
und/oder aus dem Hochgeschwindigkeitslager weitestgehend unterbrechbar
sind und durch die das in den Zwischenraum zwischen den Lagerringen
injizierte Öl-Luft-Schmierstoffgemisch
in diesem Zwischenraum temporär
rückhaltbar
ist.
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Bevorzugte
Ausgestaltungen und vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäß ausgebildeten
Hochgeschwindigkeitslagers werden in den Unteransprüchen beschrieben.
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Danach
ist es gemäß Anspruch
2 als erste Ausführungsform
eines erfindungsgemäß ausgebildeten
Hochgeschwindigkeitslagers vorgesehen, dass bei axial einseitiger
Abschottung des Zwischenraumes zwischen den Lagerringen durch eine
Stauscheibe an der offenen Seite des Zwischenraumes ein neben dem äußeren Lagerring
im Spindelgehäuse
befestigter Ölfangring
angeordnet ist, der mit einer Schmierstoffabsaugung zur Schmierölabführung aus dem
Zwischenraum verbunden ist. Dieser gleichzeitig die Abschottung
der offenen Seite des Zwischenraumes bildende Ölfangring weist in vorteilhafter Ausgestaltung
nach Anspruch 3 einen zum Zwischenraum zwischen den Lagerringen
gerichteten umlaufenden Hohlraum auf, der über mehrere umfangsverteilte
und über
eine Ringnut in der Außenmantelfläche des Ölfangrings
miteinander verbunden Radialöffnungen
mit einer in diese Ringnut mündenden
Absaugleitung im Spindelgehäuse
in Verbindung steht. Durch einen derart ausgebildeten Ölfangring ist
es somit möglich,
das durch die Stauscheibe im Spindellager kurzzeitig zurückgehaltene Öl-Luft-Schmierstoffgemisch
wieder kontinuierlich aus dem Zwi schenraum zwischen den Lagerringen
in einen Schmierstoffsumpf abzusaugen, da ansonsten bei nicht ausreichender
Schmierstoffabfuhr die Möglichkeit
besteht, dass das Spindellager sich durch so genannte Planschverluste
infolge übermäßiger Schmierstoffreibung
unzulässig
erhitzt, der Schmierstoff dadurch verbrennt und das Spindellager
letztendlich ebenfalls vorzeitig verschleißt.
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Die
durch Anspruch 4 vorgeschlagene zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausgebildeten
Hochgeschwindigkeitslagers zeichnet sich dagegen dadurch aus, dass
bei axial beidseitiger Abschottung des Zwischenraumes zwischen den
Lagerringen durch zwei Stauscheiben der Zwischenraum zwischen den
Lagerringen über
mehrere umfangsverteilte, mit einer Schmierstoffabsaugung verbundene
zusätzliche
Radialbohrungen im äußeren Lagerring
verbunden ist. Diese, ebenfalls der kontinuierlichen Schmierölabführung aus
dem Zwischenraum und damit der Vermeidung von Planschverlusten infolge übermäßiger Schmierstoffreibung
dienenden Radialbohrungen sind in vorteilhafter Ausgestaltung gemäß Anspruch
5 bevorzugt senkrecht in eine den Übergang von einer Axialseite
des äußeren Lagerrings
zu dessen Außenmantelfläche bildende Schrägfläche eingearbeitet,
welche zusammen mit dem Spindelgehäuse einen die Radialbohrungen
miteinander verbindenden Ringhohlraum bildet, in den eine im Spindelgehäuse angeordnete
Absaugleitung mündet.
Möglich
ist es jedoch auch, die Radialbohrungen direkt senkrecht in der
Nähe einer
Axialseite des äußeren Lagerrings
in dessen Außenmantelfläche einzuarbeiten
und mit einer weiteren mit der Absaugleitung im Spindelgehäuse in Verbindung
stehenden Ringnut miteinander zu verbinden. Die Auswahl der Axialseite
des äußeren Lagerrings,
in deren Nähe
die Radialbohrungen zur Schmierstoffabsaugung einzuarbeiten sind
richtet sich dabei nach dem konkreten Anwendungsfall des Spindellagers
bzw. nach dessen Einbaulage, wobei es bei vertikal gelagerten Spindeln
zur Vermeidung von nachteiligen Schmierstoffansammlungen in jedem
Fall angebracht ist, die Radialbohrungen in der Nähe der schwerkraftseitigen
Axialseite des äußeren Lagerrings
anzuordnen.
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Schließlich wird
es als vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäß ausgebildeten
Hochgeschwindigkeitslagers durch Anspruch 6 noch vorgeschlagen,
dass die Stauscheiben bevorzugt aus einem Stahlblech bestehen und
durch eine Pressverbindung zwischen ihrer Außenumfangsfläche und der
Grundfläche
einer oder zweier jeweils in die Axialseiten des äußeren Lagerrings
eingearbeiteter Einstichnuten an diesem befestigt sind. Darüber hinaus sind
die Stauscheiben im Profilquerschnitt rechteckig und mit einer Höhe ausgebildet,
dass zwischen ihren Innenumfangsflächen und dem inneren Lagerring
ein geringfügiger
Spalt verbleibt, um einen Reibkontakt der am äußeren Lagerring feststehend
angeordneten Stauscheiben mit dem mitdrehenden inneren Lagerring
des Hochgeschwindigkeitslagers zu vermeiden. Anstelle reiner Stahlblech-Stauscheiben kann
es auch von Vorteil sein, diese zusätzlich mit einer Elastomerbeschichtung
zu versehen, um damit deren Dichtwirkung gegenüber dem äußeren Lagerring zu verbessern
und deren Montage an diesem zu erleichtern. Ebenso ist es auch denkbar,
die Stauscheiben in anderer geeigneter Weise am äußeren Lagerring zu befestigen
oder auch die Stauscheiben neben dem äußeren Lagerring anzuordnen
und wie diesen in der Lagerbohrung des Spindelgehäuses zu
befestigen.
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Das
erfindungsgemäß ausgebildete
Hochgeschwindigkeitslager weist somit gegenüber den aus dem Stand der Technik
bekannten Hochgeschwindigkeitslagern den Vorteil auf, dass es durch
das gezielte Abschotten des Zwischenraumes zwischen den Lagerringen
mittels kreisringförmiger
Stauscheiben nunmehr möglich
ist, der Ursache der bisherigen Mangelschmierung an Spindellagern,
nämlich
den aus und/oder durch das Spindellager strömenden Luftströmen, entgegenzuwirken,
um somit das in diesen Zwischenraum injizierte Öl-Luft-Schmierstoffgemisch sicher im Spindellager
zu halten und einem vorzeitigen Verschleiß des Spindellagers vorzubeugen.
Gleichzeitig wird der durch die Stauscheiben entstehenden Gefahr
einer Überschmierung
des Spindellagers dadurch Rechnung getragen, dass das erfindungsgemäß ausgebildete
Lager mit geeigneten Absaugungen ausgebildet ist, mit denen nachteilige Schmierstoffansammlungen
im Spindellager vermieden werden.
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Kurze
Beschreibung der Zeichnungen
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Das
erfindungsgemäß ausgebildete
Hochgeschwindigkeitslager wird nachfolgend in zwei bevorzugten Ausführungsformen
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
einem Querschnitt durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausgebildeten
Hochgeschwindigkeitslagers;
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3 eine
vergrößerte Darstellung
der Einzelheit Y gemäß 1 mit
einem Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausgebildeten
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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Ausführliche
Beschreibung der Zeichnungen
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In 1 ist
schematisch der Antrieb einer Werkzeugmaschine dargestellt, der
im Wesentlichen aus einem Elektromotor 27 und aus einer
von diesem angetriebenen Spindel 26 besteht. Diese Spindel 26 ist
deutlich sichtbar mit einem Ende in einem nicht näher bezeichneten
Kugelloslager gelagert, während das
andere Ende der Spindel 26 in zwei in O-Anordnung gegeneinander
angestellten und als Schrägkugellager
ausgebildeten Hochgeschwindigkeitslagern 1, 1' gelagert ist,
die den Festlagersitz innerhalb eines Spindelgehäuses 28 bilden. Wie
den in den 2 und 3 abgebildeten
vergrößerten Darstellungen
der Einzelheiten X und Y gemäß 1 dazu entnehmbar
ist, bestehen diese Hochgeschwindigkeitslager 1, 1' jeweils im
Wesentlichen aus einem auf der Spindel 26 befestigten inneren
Lagerring 2 und aus einem im Spindelgehäuse 28 befestigten äußeren Lagerring 3 sowie
aus einer Anzahl zwischen diesen Lagerringen 2, 3 in
Laufbahnen 4, 5 abrollender Wälzkörper 6, die durch
einen Lagerkäfig 7 in Umfangsrichtung
in gleichmäßigen Abständen zueinander
gehalten werden. Desweiteren geht aus den 2 und 3 hervor,
dass zur Schmierstoffzuführung
zu jedem Hochgeschwindigkeitslager 1, 1' eine im Spindelgehäuse 28 angeordnete
Schmierstoffzuleitung 29 in eine an der Außenseite
des äußeren Lagerrings 3 angeordnete
umlaufende Ringnut 30 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 30 im äußeren Lagerring 3 über den
Umfang des Hochgeschwindigkeitslagers 1, 1' verteiltes Öl-Luft-Schmierstoffgemisch
an mehrerer Stellen gleichzeitig unter Druck in das Hochgeschwindigkeitslager 1, 1' injiziert werden
kann. Axial neben der Ringnut 30 sind darüber hinaus
zwei in weitere Ringnuten in der Außenseite des äußeren Lagerrings 3 eingelegte
Präzisions-O-Ringe 31, 32 angeordnet, welche
die Schmierstoffzuführung
zum Hochgeschwindigkeitslager 1, 1' gegen das Spindelgehäuse 28 abdichten.
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Darüber hinaus
ist den 2 und 3 auch entnehmbar,
dass der Zwischenraum 8 zwischen den Lagerringen 2, 3 beider
Hochgeschwindigkeitslager 1, 1' erfindungsgemäß entweder axial einseitig
durch eine oder axial beidseitig durch zwei jeweils an den Axialseiten 10, 11 des äußeren Lagerrings 3 befestigte
kreisringförmige
Stauscheiben 12, 13 abgeschottet ist, um damit
störende
Axialluftströme
durch das und/oder aus dem Hochgeschwindigkeitslager 1, 1' weitestgehend
unterbrechen und gleichzeitig den Schmierstoffanteil des in den
Zwischenraum 8 zwischen den Lagerringen 2, 3 injizierten Öl-Luft-Schmierstoff gemisches
in diesem Zwischenraum 8 temporär zurückhalten zu können.
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Bei
der in 2 gezeigten ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausgebildeten Hochgeschwindigkeitslagers 1 erfolgt
dabei die Abschottung des Zwischenraumes 8 zwischen den
Lagerringen 2, 3 axial einseitig durch eine kreisringförmige Stauscheibe 12,
wobei zur Vermeidung einer Überschmierung
des Hochgeschwindigkeitslagers 1 an der offenen Seite des
Zwischenraumes 8 ein neben dem äußeren Lagerring 3 im
Spindelgehäuse 28 befestigter
und mit einer Schmierstoffabsaugung verbundener Ölfangring 14 angeordnet
ist, der zur kontinuierlichen Schmierölabführung aus dem Zwischenraum 8 vorgesehen
ist und zugleich die Abschottung der offenen Seite des Zwischenraumes 8 bildet.
Dieser Ölfangring 14 weist
deutlich sichtbar einen zum Zwischenraum 8 zwischen den
Lagerringen 2, 3 gerichteten umlaufenden Hohlraum 15 auf,
der über mehrere
umfangsverteilte Radialöffnungen 16,
die über
eine Ringnut 17 in der Außenmantelfläche des Ölfangrings 14 miteinander
verbunden sind, mit einer in diese Ringnut 17 mündenden
Absaugleitung 18 im Spindelgehäuse 28 in Verbindung
steht.
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Das
in 3 abgebildete Hochgeschwindigkeitslager 1' unterscheidet
sich dagegen dadurch, dass der Zwischenraum 8 zwischen
den Lagerringen 2, 3 axial beidseitig durch zwei
kreisringförmige
Stauscheiben 12, 13 abgeschottet wird, wobei hier
zur Vermeidung einer Überschmierung
des Hochgeschwindigkeitslagers 1' der Zwischenraum 8 zwischen
den Lagerringen 2, 3 über mehrere umfangsverteilte
und mit einer Schmierstoffabsaugung verbundene zusätzliche
Radialbohrungen 19 im äußeren Lagerring 3 verbunden
ist, die ebenfalls zur kontinuierlichen Schmierölabführung aus dem Zwischenraum 8 vorgesehen
sind. Diese Radialbohrungen 19 sind deutlich sichtbar senkrecht
in eine den Übergang
von der Axialseite 10 des äußeren Lagerrings 3 zu
dessen Außenmantelfläche bildende
Schrägfläche 20 eingearbeitet,
welche zusammen mit dem Spindelgehäuse 28 einen die Radialbohrungen 19 miteinander
verbindenden Ringhohlraum 21 bildet, in den eine im Spindelgehäuse 28 angeordnete
Absaugleitung 18' mündet.
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Schließlich geht
aus den 2 und 3 zumindest
andeutungsweise noch hervor, dass sowohl die Stauscheibe 12 der
ersten Ausführungsform als
auch die Stauscheiben 12, 13 der zweiten Ausführungsform
aus einem Stahlblech bestehen und jeweils durch eine Pressverbindung
zwischen ihrer Außenumfangsfläche und
der Grundfläche
einer Einstichnut 22 oder zweier Einstichnuten 22, 23,
die jeweils in die Axialseite 10 bzw. die Axialseiten 10, 11 des äußeren Lagerrings 3 eingearbeitet
sind, am äußeren Lagerring 3 befestigt
sind. Dabei weisen die feststehenden Stauscheiben 10 bzw. 10, 11 zwischen
ihren Innenumfangsflächen
und dem inneren Lagerring 2 einen geringfügigen Spalt 24 bzw. 24, 25 auf,
um einen Reibkontakt mit dem mitdrehenden inneren Lagerring 2 des
Hochgeschwindigkeitslagers 1 bzw. 1' zu vermeiden.
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- 1,
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
- Axialseite
von 3
- 11
- Axialseite
von 3
- 12
- Stauscheibe
- 13
- Stauscheibe
- 14
- Ölfangring
- 15
- Hohlraum
- 16
- Radialöffnungen
- 17
- Ringnut
- 18
- Absaugleitung
- 18'
- Absaugleitung
- 19
- Radialbohrungen
- 20
- Schrägfläche
- 21
- Ringhohlraum
- 22
- Einstichnut
- 23
- Einstichnut
- 24
- Spalt
- 25
- Spalt
- 26
- Spindel
- 27
- Elektromotor
- 28
- Spindelgehäuse
- 29
- Schmierstoffzuleitung
- 30
- Ringnut
- 31
- O-Ring
- 32
- 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