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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft ein hydrostatisches Schwenklager mit den Merkmalen
des Oberbegriffs des unabhängigen
Patentanspruchs 1. Konkreter betrifft die vorliegende Erfindung
hydrostatische Schwenklager für
die die Anwendung bei Positioniervorrichtungen, um z. B. ein Bearbeitungswerkzeug und/oder
einen Messkopf mittels räumlich
verschwenkbarer linearer Positionierelemente, von denen zumindest
ein Teil längenveränderlich
ist, definiert gegenüber
einer Basis im Raum anzuordnen.
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STAND DER TECHNIK
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Aus
der
DE 31 04 570 A1 ist
eine Verankerung für
im Meerwasser auf Schwimmkörpern
angeordnete Anlagen bekannt. Diese Verankerung weist hydrostatische
Schwenklager mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 auf, um die Übertragung
von Kräften
von Schwimmkörpern
auf am Meeresgrund ruhende Widerlager mittels dazwischen verlaufender Übertragungsglieder
auf reine Zugkräfte
zu beschränken.
Bei jedem der Schwenklager ist an der Gelenkkugel auf beiden Seiten
der quer zu der Achse der an die Gelenkkugeln angesetzten Schwenkarme verlaufenden Äquatorialebene
jeweils ein ringförmig um
die Achse des Schwenkarms verlaufendes Druckfeld vorgesehen. Durch
Beaufschlagung dieser beiden Druckfelder mit unterschiedlichen Drücken wird
ein Gleitspalt zwischen der Gelenkschale und der Gelenkkugel auf
beiden Seiten der Äquatorialebene
gleich groß gehalten.
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Aus
der
WO 92120934 A1 ein
weiteres hydrostatisches Schwenklager mit den Merkmalen des Oberbegriffs
des Patentanspruchs 1 bekannt. Hier ist auf den beiden Seiten der Äquatorialebene
eine Mehrzahl von um die Achse des Schwenkarms herum verteilten Druckfeldern
vorgesehen. Alle auf jeweils einer Seite der Äquatorialebene angeordneten Druckfelder
sind untereinander verbunden, um sie mit einem übereinstimmenden Druck zu beaufschlagen.
Die Druckfelder sind an der Gelenkkugel definiert, während der
Schwenkarm in Richtung seiner Achse verschieblich in der Gelenkkugel
gelagert ist. Dies bedeutet, dass die Horizontalebene, zu der die Druckfelder
angeordnet sind, je nach Schwenkstellung der Gelenkkugel innerhalb
der Gelenkschale nicht immer normal zu der Achse des Schwenkarms verläuft. Damit
können
Momente auf die Gelenkkugel auftreten, die durch deren hydrostatische
Lagerung nicht kompensierbar sind. Eine Verlagerung der Druckfelder
an die Gelenkkugel würde
jedoch den zulässigen
Verschwenkbereich der Gelenkkugel gegenüber der Gelenkschale stark
einschränken,
was nur bei wenigen Anwendungen, wie beispielsweise gemäß der
DE 31 04 570 A1 ,
akzeptabel ist.
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Bei
einem aus der
US 3,466,951
A bekannten hydrostatischen Schwenklager ist es bekannt,
die auf einer Seite einer quer zu einem an die Gelenkkugel angesetzten
Schwenkarm verlaufenden Äquatorialebene
angeordneten, an der Gelenkkugel definierten Druckfelder gegenüber den
auf der anderen Seite der Äquatorialebene
angeordneten Druckfelder selektiv mit einem höheren Druck zu beaufschlagen, um
die Gelenkkugel in einer bestimmten Schwenkstellung in der Gelenkschale
zu verkeilen. Durch anschließende
Beaufschlagung aller Druckfelder mit demselben Druck wird diese
Verkeilung zu Gunsten einer reibungsarmen Beweglichkeit der Gelenkkugel in
der Gelenkschale wieder aufgehoben.
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Aus
der
US 2,998,999 A ist
ein hydrostatisches Drehlager bekannt, bei dem eine Welle, beispielsweise
in Form eines U-Bootperiskops, in zwei axial voneinander beabstandeten
Punkten drehbar gelagert ist. Dabei erfolgt die Drehbewegung in
jedem der Punkte zwischen einer auf der Welle angeordneten Gelenkkugel
und einer diese umfassenden Gelenkschale. Auf beiden Seiten einer
quer zu der Achse des Drehlagers verlaufenden Äquatorialebene jeder Gelenkkugel
sind Felder für
die Zuführung
eines Hydraulikmediums vorgesehen, das allen Feldern mit konstanter
Strömungsrate
zugeführt
wird. Bei einer Verlagerung der Gelenkkugel führt dies zum Aufbau eines der
Verlagerung entgegenwirkenden Drucks. Die beiden Gelenkkugeln in
den beiden Gelenkschalen sorgen für eine freie Ausrichtung der
beiden Teile des Drehlagers in den axial voneinander beabstandeten
Punkten zueinander. Eine weitergehende Verschwenkbarkeit der drehbar
gelagerten Achse wird durch die Lagerung in dem jeweils anderen
Punkt des Drehlagers verhindert.
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Aus
der
US 3,622,213 A ein
hydrostatisches Drehlager bekannt, bei dem hier nur in einem von zwei
axial beabstandeten Punkten, in denen eine Welle gelagert ist, eine
Gelenkkugel in einer Gelenkschale angeordnet ist. Auch hier sind
auf beiden Seiten einer quer zu der Achse der Welle verlaufenden Äquatorialebene
Felder zwischen der Gelenkkugel und der Gelenkschale vorgesehen,
die mit einem konstanten Strom eines Hydraulikmediums beaufschlagt
werden, der die Lage der Gelenkkugel in der Gelenkschale stabilisiert.
Ein Verschwenken der Welle um den Mittelpunkt der Gelenkkugel relativ
zu der Äquatorialebene
ist auch hier nicht vorgesehen.
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein hydrostatisches Schwenklager
mit dem Merkmal des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 aufzuzeigen,
bei dem trotz eines großen
Schwenkbereichs des Schwenkarms keine unkompensierbaren seitlichen
Momente auftreten.
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LÖSUNG
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Die
Aufgabe der Erfindung wird durch ein hydrostatisches Schwenklager
mit den Merkmalen des unabhängigen
Patentanspruchs 1 gelöst.
Die abhängigen
Patentansprüche
2 bis 8 betreffen bevorzugte Ausführungsbeispiele des neuen hydrostatischen Schwenklagers,
während
die abhängigen
Patentansprüche
9 bis 13 auf bevorzugte Verwendungen des neuen hydrostatischen Schwenklagers
gerichtet sind.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Bei
dem neuen hydrostatischen Schwenklager beaufschlagt die Drucksteuereinrichtung
mehrere auf einer Seite der Äquatorialebene
um die Achse des Schwenkarms herum verteilte Druckfelder mit unterschiedlichen
Drücken,
um das Schwenklager auch radial zu der Achse des Schwenkarms verlaufenden
Richtungen zu stabilisieren. Bei dem neuen hydrostatischen Schwenklager
wird also die Druckansteuerung mehrerer als solcher bereits im Stand
der Technik vorhandener Druckfelder auf einer Seite der Äquatorialebene
getrennt, um in ihnen unterschiedliche Drücke zwischen der Gelenkschale und
der Gelenkkugel aufzubringen. Diese unterschiedlichen Drücke resultieren
in Momente zwischen der Gelenkschale und der Gelenkkugel, die parallel
zu der Äquatorialebene
und damit quer zu der Achse des Schwenkarms verlaufen. Entsprechend
können
mit diesen Momenten in dieser Richtung auftretende äußere Momente
zwischen der Gelenkschale und der Gelenkkugel kompensiert, werden
so dass das hydrostatische Schwenklager auch in dieser Richtung
aktiv stabilisierbar ist.
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Um
quer zu der Achse des Schwenkarms äußere Momente in beliebigen
Richtungen kompensieren zu können,
sind drei vorzugsweise gleichmäßig um die
Achse des Schwenkarms herum verteilte Druckfelder, die mit unterschiedlichen
Drücken
beaufschlagbar sind, ausreichend. Häufig sind die anzuwendenden
Steueralgorithmen aber einfacher, wenn vier gleichmäßig um die
Achse des Schwenkarms herum verteilte Druckfelder auf der einen
Seite der Äquatorialebene
vorgesehen sind.
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Auch
auf der anderen, der einen Seite der Äquatorialebene gegenüberliegenden
Seite können mehrere,
d. h. insbesondere drei oder vier gleichmäßig um die Achse des Schwenkarms
herum verteilte Druckfelder mit unterschiedlichen Drücken beaufschlagbar
sein. Dabei können
diese Druckfelder bezüglich
der Äquatorialebene
spiegelsymmetrisch oder bezüglich
des Mittelpunkts der Gelenkkugel punktsymmetrisch zu den Druckfeldern
auf der einen Seite der Äquatorialebene
angeordnet sein.
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In
aller Regel ist es aber ausreichend, wenn alle auf der anderen,
der einen Seite der Äquatorialebene
gegenüberliegenden
Seite angeordneten Druckfelder nur mit einem Druck beaufschlagbar sind.
Zur Kompensation von radial zu der Achse des Schwenkarms verlaufenden äußeren Momenten
reichen die mit unterschiedlichen Drücken beaufschlagbaren Druckfelder
auf der einen Seite der Äquatorialebene
aus. So kann auf der anderen, der einen Seite der Äquatorialebene
gegenüberliegenden
Seite auch ein einziges, sich ringförmig um die Achse des Schwenkarms
herum erstreckendes Druckfeld vorgesehen sein.
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Um
die gewünschte
Verschwenkbarkeit des Schwenkarms auch über größere Schwenkwinkel zu ermöglichen,
ist die Lage der Druckfelder bei dem neuen hydrostatischen Schwenklager
vorzugsweise an der Gelenkkugel definiert. Dennoch kann der Schwenkarm
an der Gelenkkugel gelagert sein, weil der Winkel zwischen der aktuellen
Normalen zu der Achse des Schwenkarms, die mit der Gelenkkugel gegenüber der
an der Gelenkschale definierten Horizontalebene verschwenkt wird,
durch die unterschiedliche Ansteuerung der Druckfelder auf einer Seite
der Horizontalebene kompensierbar ist.
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Grundsätzlich wäre es natürlich auch
möglich,
den Schwenkarm an der Gelenkschale vorzusehen und die Gelenkkugel
ortsfest zu machen. Dies wäre
aber mit dem Nachteil verbunden, dass dann auch die Druckzuleitungen
durch die Gelenkschale an dem beweglichen Teil vorzusehen wären.
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Die
Lage der Druckfelder kann bei den neuen hydrostatischen Schwenklagern
in ansich bekannter Weise durch vorstehende Dichtlippen und/oder
zurückspringende
Druckausbreitungsbereiche definiert sein, wobei in jedes Druckfeld
mindestens eine Druckzuführungsleitung
von der Drucksteuereinrichtung einmündet und der sonstige Bereich zwischen
der Gelenkkugel und der Gelenkschale drucklos gehalten wird.
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Besondere
Vorteile bietet das neue hydrostatische Schwenklager bei der Lagerung
eines räumlich
verschwenkbaren linearen Positionierelements einer Positioniervorrichtung.
Dabei kann das Positionierelement an seinen beiden Enden über je ein
neues hydrostatisches Schwenklager gelagert sein. Vielfach ist es
aber ausreichend, wenn das Positionierelement nur an seinem basisseitigen
Ende über
ein neues hydrostatisches Schwenklager gelagert wird, da die dynamischen
Kräfte
an seinem anderen Ende aufgrund der mit größerer Entfernung zu der Basis
abnehmenden Trägheitsmomente
geringer ausfallen.
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Besonders
bevorzugt ist die Verwendung des neuen hydrostatischen Schwenklagers,
wenn das Positionierelement der Positioniervorrichtung längenveränderlich
ist und aufgrund eines hierfür
eingesetzten Aktuators eine entsprechend erhöhte Masse aufweist und damit
erhöhte
Momente auf sein Schwenklager ausübt. Dies gilt beispielsweise
dann, wenn das Positionierelement ein Lineardirektantrieb ist, der
zwar eine hohe Dynamik in linearer Richtung aber auch eine erhebliche
Masse aufweist.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der
Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung
genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer
Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ
zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen
erzielt werden müssen.
Weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten
Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander
sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen.
Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen
der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls
abweichend von den gewählten
Rückbeziehungen
der Patentansprüche
möglich
und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in
separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung
genannt werden. Diese Merkmale können
auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso
können in
den Patentansprüchen
aufgeführte
Merkmale für weitere
Ausführungsformen
der Erfindung entfallen.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter
bevorzugter Ausführungsbeispiele
weiter erläutert
und beschrieben.
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1 zeigt
eine perspektivische Seitenansicht eines hydrostatischen Schwenklagers.
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2 zeigt
einen Schnitt durch das hydrostatische Schwenklager gemäß 1.
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3 zeigt
die Gelenkschale des hydrostatischen Schwenklagers gemäß den 1 und 2 ohne
dessen Gelenkkugel in einem 2 entsprechenden
Schnitt.
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4 zeigt
die Gelenkschale gemäß 3 in
einem gegenüber 3 um
45° versetzten
Schnitt; und
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5 zeigt
eine Anwendung des hydrostatischen Lagers gemäß den 1 bis 4 bei
einem Positionierelement einer Positioniervorrichtung.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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Das
in den 1 und 2 dargestellte hydrostatische
Lager 1 weist eine in einer Gelenkschale 2 angeordnete
Gelenkkugel 3 auf. An die Gelenkkugel 3 ist ein
Schwenkarm 4 angesetzt, der über das Schwenklager 1 räumlich,
d. h. in allen Richtungen um den Mittelpunkt der Gelenkkugel 3 verschwenkbar
ist. So kann eine Achse 5 des Schwenkarms 4 in jeder
beliebigen Richtung gegenüber
einer Grundrichtung 6 der Gelenkschale bis zu einem in 2 dargestellten
Winkel 7 von hier 15° verkippt
werden. Daneben kann der Schwenkarm 4 um seine Achse 5 gegenüber der
Gelenkschale 2 verdreht werden. Die Gelenkschale 2 besteht
aus einer Unterschale 8 und einer Oberschale 9,
die an einer Äquatorialebene 10 des
Schwenklagers 1 aneinandergrenzen und über Schrauben 11 miteinander
verbunden sind. Die Äquatorialebene 10 verläuft durch
den Mittelpunkt der Gelenkkugel 3 quer zu der Achse 5 des
Schwenkarms 4, aber nur dann genau normal zu dieser, wenn
die Achse 5 auf die Hauptrichtung 6 ausgerichtet
ist. Der maximale Winkel zwischen der Normalen 12 zu der
Achse 5 und der Äquatorialebene 10 ist
der Winkel 7 gemäß 2.
Zur hydrostatischen Stabilisierung des Schwenklagers 1 sind
zwischen der Gelenkschale 2 und der Gelenkkugel 3 Druckfelder
vorgesehen, die von einer hier nicht dargestellten Drucksteuereinrichtung über hier
ebenfalls nicht dargestellte Druckleitungen mit einem Druckmedium
beaufschlagbar sind, um in den Druckfeldern unterschiedliche Drücke auszubilden.
Bei dem Druckmedium handelt es sich in aller Regel um eine Hydrauliköl, das zugleich
gute Schmiermitteleigenschaften aufweist.
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Die
Druckfelder sind hier an der Gelenkschale ausgebildet. Ihre Verteilung
geht näher
aus den 3 und 4 hervor.
Oberhalb der Äquatorialebene 10 im
Bereich der Oberschale 9, die eine Ausnehmung 13 für den Schwenkarm 4 gemäß 1 und 2 aufweist,
ist ein einziges um die Hauptrichtung 6 umlaufendes Druckfeld 14 zwischen
Dichtlippen 15 in Form von Vorsprüngen der Gelenkschale 2 ausgebildet.
Eine noch darüber
in der Gelenkschale 2 vorgesehene Nut 16 dient
zur Aufnahme eines Dichtrings 17 gemäß 2, der das
Schwenklager 1 nach außen
abdichtet. Auf der dem Druckfeld 14 gegenüberliegenden
Seite der Äquatorialebene 10 sind an
der Unterschale 8 vier gleichmäßig um die Hauptrichtung 6 herum
verteilte Druckfelder 18 ausgebildet. Dazu ist ein ansich
wieder ringförmiger
von um die Hauptrichtung 6 umlaufenden Dichtlippen 19 begrenzter
Bereich durch längs
der Hauptrichtung 6 verlaufende Dichtlippen 20 vierfach
unterteilt. Wenn alle Druckfelder 18 mit demselben Druck
beaufschlagt werden, so können
bei Variation dieses Drucks gegenüber dem Druck, mit dem das
Druckfeld 14 beaufschlagt wird, Kräfte zwischen der Gelenkschale 2 und
der Gelenkkugel 3 gemäß 2 in der
Hauptrichtung 6 hervorgerufen werden. Auf diese Weise können äußere Kräfte in dieser
Richtung kompensiert werden, um das Schwenklager 1 gemäß den 1 und 2 bezüglich der
Lage des Mittelpunkts der Gelenkkugel 3 zu aktiv zu versteifen.
Bereits dann, wenn der Schwenkarm 4, wie in 2 dargestellt
ist, mit seiner Achse 5 nicht in der Hauptrichtung 6 ausgerichtet
ist, können
jedoch allein durch Druck- oder Zugkräfte auf den Schwenkarm 4 seitliche
Momente auftreten. Diese seitlichen Momente können auch dynamische Ursachen
haben und beispielsweise durch ein schnelles Verschwenken des Schwenkarms 4 hervorgerufen
werden. Um diese seitlichen, d. h. radial zu der Hauptrichtung 6 bzw.
bei dynamischen Momenten auch radial zu der Achse 5 verlaufenden
Momente zu kompensieren, werden die einzelnen Druckfelder 18 auf
der unteren Seite der Äquatorialebene 10 mit
unterschiedlichen Drücken beaufschlagt.
Die hier nicht dargestellte Drucksteuereinrichtung muss entsprechend
fünf Druckfelder,
d. h. das Druckfeld 14 und die vier Druckfelder 18 separat
mit unterschiedlichen Drücken
ansteuern können.
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5 zeigt
ein längenveränderliches
Positionierelement 21, dass sich zwischen einer Basis 22 und
einem gegenüber
der Basis 22 zu positionierenden Element 23 erstreckt.
Das Positionierelement 21 ist sowohl gegenüber der
Basis 22 als auch dem Element 23 räumlich verschwenkbar
gelagert. Hierzu ist jeweils ein Schwenklager 1 gemäß den 1 bis 4 vorgesehen.
Das Positionierelement 21 ist ein lineares Positionierelement,
indem es im Prinzip nur den Abstand zwischen seinen beiden Enden
in Form der beiden Gelenkkugeln 3 der Schwenklager 1 vorgibt.
Dieser Abstand ist hier mit Hilfe eines Lineardirektantriebs 24 veränderbar,
um die Position des Elements 23 gegenüber der Basis 22 im
Raum zu verändern.
Dem Fachmann ist bewusst, dass die Position des Elements 23 im
Raum nicht nur durch das dargestellte Positionierelement 21 sondern
durch mindestens zwei weitere, hier nicht dargestellte Positionierelemente
zu definieren ist. Bei drei solchen Positioniervorrichtungen mit
drei Positionierelementen spricht man von einem Tripod, bei 6 Positionierlementen
in bestimmter Anordnung beispielsweise von einem Hexapod. Für die mit
den Positionierelementen erreichbare Genauigkeit der Positionierung
des Elements 23 ist die Steifigkeit der Schwenklager 1,
d. h. die stabile Raumlage deren Gelenkkugeln von entscheidender
Bedeutung.
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- 1
- Schwenklager
- 2
- Gelenkschale
- 3
- Gelenkkugel
- 4
- Schwenkarm
- 5
- Achse
- 6
- Hauptrichtung
- 7
- Winkel
- 8
- Unterschale
- 9
- Oberschale
- 10
- Äquatorialebene
- 11
- Schraube
- 12
- Normale
- 13
- Ausnehmung
- 14
- Druckfeld
- 15
- Dichtlippe
- 16
- Nut
- 17
- Dichtring
- 18
- Druckfeld
- 19
- Dichtlippe
- 20
- Dichtlippe
- 21
- Positionierelement
- 22
- Basis
- 23
- Element
- 24
- Lineardirektantrieb