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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Kugelmühle, insbesondere Planeten- oder Fliehkraftkugelmühle im Labormaßstab, mit einer Trägereinrichtung als Sonnenrad, einer Aufnahmeeinrichtung als Planetenrad und mindestens einem Mahlbecher, der in die Aufnahmeeinrichtung einsetzbar ist und darin mittels einer Halterungseinrichtung befestigbar ist.
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Stand der Technik
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Derartige Kugelmühlen sind aus der
EP 1 933 985 B1 ,
DE 20 2006 006 747 U1 und
DE 20 2006 007 799 U1 bekannt. Die Halterungseinrichtung besteht aus wenigstens einer Rastkugel und einem zugeordneten Betätigungsbolzen, der die jeweils zugeordnete Rastkugel freigibt, oder in eine zugehörige Kalotte drückt, die am Umfang des Mahlbechers angebracht ist. Der Betätigungsbolzen weist somit eine Betätigungsstellung zur Festlegung des Mahlbechers und eine Freigabestellung zum Wechseln des Mahlbechers in und aus der Kugelmühle auf. Solche Kugelmühlen werden mit immer höheren Drehzahlen betrieben, wodurch die Belastung und der Verschleiß an der Kugelmühle zunehmen. Dies betrifft vor allem die Halterung des Mahlbechers in der Aufnahmeeinrichtung.
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Aus
DE 10 13 946 B ist eine Planeten-Kugelmühle bekannt, bei der innerhalb eines umlaufenden Zylinders als Sonnenrad ein Käfig als Planetenrad antreibbar ist und hierzu in Rollenlager gelagert ist. Der Käfig dient zur Aufnahme eines Topfes als Mahlgefäß, das, wie der Käfig, am unteren Ende keilförmig ausgebildet ist. Der Käfig umfasst an seinem oberen Ende einen Querträger mit Spindelantrieben für Festspannkeile, um den Topf im Käfig festzuspannen. Außerdem ist mittig am Querträger eine Schraube angebracht, um den Deckel des Topfes auf den Topf zu drücken.
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Darstellung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kugelmühle mit Halterungseinrichtung für den Mahlbecher anzugeben, die geringerem Verschleiß unterliegt und/oder bei höheren Drehzahlen betrieben werden kann, als es bisher der Fall war.
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Im Einzelnen wird der Mahlbecher quer zur Planetenachse mit einer vorbestimmten Verspannkraft beaufschlagt, deren Wirklinie in etwa durch den Bereich des Schwerpunkts des gefüllten Mahlbechers hindurchgeht. Die aufgebrachte Verspannkraft wird größer gewählt als die Rüttelkraft am Mahlbecher, um Abheben des Mahlbechers von den Widerlagern zu vermeiden. Die Verspannkraft wird durch die Widerlager aufgefangen, deren Ebenen sich oberhalb und unterhalb der Richtung der Verspannkraft befinden.
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Um die vorbestimmte Verspannkraft aufzubringen, wird ein Federstab um ein vorbestimmtes Maß gebogen, wobei ein passend großer Biegeweg zur Verfügung gestellt werden kann, der proportional zur Verspannkraft ist. Der Biegeweg wird durch einen Festspannantrieb reproduzierbar und genau dosierbar erzeugt. Somit kann vermieden werden, dass bei heftig auftretenden Rüttelbewegungen der Kugelmühle das Mahlgefäß von den Widerlagern abhebt und dann gegen die Widerlager schlägt. Infolgedessen kann bei der Erfindung größerer Verschleiß an der Halterungseinrichtung vermieden werden.
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Um den Mahlbecher statisch bestimmt zu stützen, weist eines der Widerlager zwei Anlagefelder und das andere der Widerlager wenigstens ein Anlagefeld auf. Bevorzugt werden zwei Anlagefelder oberhalb der Ebene der Einleitungsrichtung der Verspannkraft und zwei Anlagefelder unterhalb der Ebene der Einleitungsrichtung. Die Anlagefelder bilden jeweils Stützprismen mit um 120° zueinander ausgerichteten Stützflächen. Die Spannkraft und die Reaktionskräfte weisen daher auf die Mahlbecherachse, die mit der Planetenachse zusammenfällt.
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Um den Mahlbecher in seinem mittleren Bereich mit der Verspannkraft zu beaufschlagen, ist ein Andruckkörper an entsprechender Stelle des Umfangs des Mahlbechers angeordnet und wird bei Betätigung des Federstabes an den Mahlbecher quer zu dessen Hochachse angedrückt. Der Andruckkörper kann aus einem Ring bestehen, durch dessen Ringöffnung der Federstab hindurchreicht, und der in richtiger Höhe gegen die Aufnahmeeinrichtung gehalten wird.
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Zum Spannen des Federstabes wird ein Festspannantrieb benutzt, der am Ende des Federstabes angreift und den Federstab um einen vorgegebenen Winkel um den Andruckkörper biegt. Als Festspannantrieb wird eine Exzenterklemme bevorzugt, die eine schwenkbare Welle und einen daran befestigten Nocken umfasst, dessen Nockenberg die Festspannstellung bestimmt und dessen Nockental die Freigabestellung des Federstabes bestimmt. Nockenberg und Nockental können im Winkelabstand von 90° zueinander angeordnet werden. Die Welle kann durch einen Betätigungshebel geschwenkt werden, der in der Freigabelage des Federstabs nach oben weist und in der Festspannlage wagerecht oberhalb des Mahlbechers verläuft. In dieser wagerechten Stellung kann der Betätigungshebel gegen Schwingungen gesichert werden.
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Es ist vorgesehen, den Mahlbecher mit vorbestimmter Winkelausrichtung in einer Zielposition innerhalb der Aufnahmeeinrichtung einzusetzen. Dies eröffnet die Möglichkeit, den Mahlbecher mit einfach aufgebauten Mitteln in der Zielposition zu verrasten und zu verriegeln.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen beschrieben. Dabei zeigt:
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1 die schematische Darstellung einer Planetenkugelmühle,
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2 einen Getriebeblock der Planetenkugelmühle,
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3 einen Querschnitt durch den Getriebeblock der 2,
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4 eine perspektivische Darstellung einer Aufnahmeeinrichtung für einen Mahlbecher,
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5 eine Seitenansicht der Aufnahmeeinrichtung mit Mahlbecher,
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6 einen Schnitt durch die geöffnete Aufnahmeeinrichtung mit eingesetztem Mahlbecher,
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7 einen Schnitt durch die geschlossene Aufnahmeeinrichtung bei festgespanntem Mahlbecher,
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8 eine zweite Ausführungsform der Aufnahmeeinrichtung in perspektivischer Ansicht,
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9 eine Seitenansicht der Aufnahmeeinrichtung nach 8,
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10 einen Schnitt durch die geöffnete Aufnahmeeinrichtung mit eingesetztem Mahlbecher,
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11 einen Schnitt ähnlich 10 bei geschlossener Aufnahmeeinrichtung,
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12 einen Schnitt entlang der Linie FF in 11, 13 einen Führungsring, und
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14 einen Passzylinder.
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Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Planetenkugelmühle. Diese umfasst als Hauptteile ein Gehäuse 1, eine Trägereinrichtung 2, zwei Aufnahmeeinrichtungen 3, Antriebsmittel 4 für die Trägereinrichtung und die Aufnahmeeinrichtung sowie zwei Mahlbecher 5. Das Gehäuse 1 weist eine Zentrumsachse 10 auf, um die die Trägereinrichtung 2 drehbar gelagert ist. Die Trägereinrichtung 2 weist zwei Lagerräume 20 auf, in denen jeweils eine Aufnahmeeinrichtung 3 gelagert ist. Hierzu dienen obere Lager 21 und untere Lager 22, deren äußere Lagerringe mit der Trägereinrichtung und deren innere Lagerringe an der Aufnahmeeinrichtung 3 festgelegt sind. Die Aufnahmeeinrichtung 3 weist einen Massenträgheitspunkt auf, der von den Ebenen der Lager 21, 22 umschlossen wird. Fliehkräfte und Rüttelkräfte an der Aufnahmeeinrichtung 3 werden deshalb wirkungsvoll und auf kurzem Wege in die Trägereinrichtung 2 abgeleitet.
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Wie aus den 2 und 3 hervorgeht, bilden die Trägereinrichtung 2 und die beiden Aufnahmeeinrichtungen 3 einen Getriebeblock, der in das Gehäuse 1 einzusetzen ist. Hierzu dient ein aufnehmender Lagerzapfen 11, welcher obere und untere Lager 12, 13 zur Lagerung der Trägereinrichtung 2 aufweist.
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Die Antriebsmittel 4 umfassen einen Motor 40, einen Keilriemen 41, eine Keilriemenscheibe 42 zum Antrieb der Trägereinrichtung 2 und einen abgeleiteten Antrieb für die beiden Aufnahmeeinrichtungen 3. Die Keilriemenscheibe 42 ist am Boden der Trägereinrichtung 2 befestigt. Der abgeleitete Antrieb umfasst eine stationäre, gerätefeste Zahnriemenscheibe 43, einen Zahnriemen 44 sowie zwei Zahnriemenscheiben 45. Die rotierende Trägereinrichtung 2 treibt über die Zahnriemenscheibe 43, den Zahnriemen 44 und die beiden Zahnriemenscheiben 45 die beiden Aufnahmeeinrichtungen 3 um die Planetenachsen 30 rotierend an. Der Lagerzapfen 11 stellt gewissermaßen ein Sonnenrad, die Trägereinrichtung 2 einen Steg und die beiden Aufnahmeeinrichtungen 3 jeweils ein Planetenrad dar.
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Die 4 bis 7 zeigen die erste Ausführungsform der Aufnahmeeinrichtung 3. Die Aufnahmeeinrichtung 3 hat die Form eines Käfigs mit einem oberen Lagerring 31, einem unteren Basisring 32, mit Verbindungsstegen 33 zwischen den Ringen und mit einem optionalen Blendring 37 an der Oberseite des Lagerrings 31 sowie mit der Zahnriemenscheibe 45 unterhalb des Basisrings 32. Die Aufnahmeeinrichtung 3 umschließt einen Aufnahmeraum 35 für den Mahlbecher 5. Damit dieser in richtiger Winkelorientierung eingesetzt wird, gibt es in den Aufnahmeraum 35 hinein ragende Führungszapfen 34 und Führungsnuten 54 am äußeren Umfang des Mahlbechers 5. Der Mahlbecher 5 selbst weist eine Innenschale 51, eine Außenschale 52 und einen Deckel 53 auf und bildet so zusammen ein Mahlgefäß, das als Ganzes in den Aufnahmeraum 35 der Aufnahmeeinrichtung 3 aufgenommen und durch eine Halterungseinrichtung 6 in der Aufnahmeeinrichtung 3 befestigt wird.
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Die Halterungseinrichtung 6 umfasst einen Federstab 60 mit Andruckkörper 61 und obere und untere Widerlager 62, 63. Der Andruckkörper 61 weist Ringform auf, und umgreift den Federstab 60 in etwa dessen Mitte, wobei er durch eine Feder 67 (11) gegen die Unterseite des Lagerrings 31 gehalten wird. Der Federstab 60 erstreckt sich im spitzen Winkel längs der Höhe des Mahlbechers 5, so dass der Andruckkörper 61 an einem mittleren Bereich der Außenschale 52 des Mahlbechers 5 anliegt. Das obere Widerlager 62 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als Ringspange (13) gestaltet, das eine Ringlücke 64 und zwei im Winkelabstand von 120° zur Ringlücke angeordnete Anlagefelder 65 aufweist. Das untere Widerlager 63 ist als Ringscheibe oder Passzylinder (14) einer Bodenaussparung des Mahlbechers 5 angepasst gestaltet und weist drei im Winkelabstand von 120° angeordnete Anlagefelder 66 auf. Die Ringlücke 64 ist in einer radialen Ebene gemäß der Zeichnungsebene der 6 und 7 angeordnet, und dies gilt auch für das unbeaufschlagte Anlagefeld 66 des unteren Widerlagers 63. Die vom Mahlbecher beaufschlagbaren Stützlager sind im Winkel von 120° angeordnet und bilden eine obere und untere prismatische Stützung für das Mahlgefäß.
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Zum Verspannen des Mahlbechers 5 in der Aufnahmeeinrichtung 3 dient ein Festspannantrieb 7, der den Federstab 60 spannt. Das untere Ende des Federstabes 60 ist in einem Lagerauge 36 der Aufnahmeeinrichtung 3 festgehalten, während das obere Ende des Federstabes 60 von dem Festspannantrieb 7 beaufschlagt wird. Dadurch wird der Federstab 60 um den Andruckkörper 61 gebogen, wie aus dem Vergleich der 6 zu 7 hervorgeht. Gemessen am freien oberen Ende des Federstabes kann eine beträchtliche Spannlänge gewählt werden, die bei einem Laborgerät mit Gefäßinhalt von 80 ml in einem Bereich von 2 bis 7 mm liegen kann. Diese relativ große Kraftstrecke ermöglicht es, die Vorspannkraft sehr genau und zu erwartende Rüttelkräfte übersteigend einstellen zu können.
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Als Festspannantrieb 7 wird ein Exzenterspannantrieb bevorzugt, weil dieser einfach zu handhaben ist und den Einspannweg auch bei wiederholter Betätigung genau einhält. Im Einzelnen (12) sind ein an der Aufnahmeeinrichtung 3 befestigtes Lagergehäuse 70, eine darin gelagerte Welle 71, ein mit der Welle verbundener Exzenter 72 und zwei Betätigungshebel 73 vorgesehen. Die Welle 71 und der Exzenter 72 können einstückig integral ausgebildet sein, es ist aber auch möglich, einen gehärteten Einsatz 74 als Teil des Exzenters 72 vorzusehen. Die Welle 71 reicht beidseitig aus dem Lagergehäuse 70 heraus und die Betätigungshebel 73 sind an diesen Wellenenden angeschraubt. Der Festspannantrieb 7 kann eine Freigabestellung (6) und eine Spannstellung (7) einnehmen, je nachdem wie die Hebel 73 gestellt sind. In der Freigabestellung (4 bis 6) ragt der Hebel 73 nach oben, während er in der Spannstellung in etwa parallel zum Deckel 53 umgelegt ist, wie die 2 und 7 zeigen. Die Hebel 73 sind gekröpft und führen um den Deckel 53 des Mahlgefäßes herum und können so in eine Sicherungseinrichtung 8 eingehängt werden, um im Betrieb nicht zu schwingen. Zur Sicherungseinrichtung 8 gehört es, dass der Hebel 73 nicht zurückspringt, und zwar dadurch, dass die Hebel 73 über den Totpunkt des Exzenters 72 geschwenkt worden sind.
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Der Schwenkwinkel der Hebel 73 zwischen der Freigabestellung und der Spannstellung kann von 90° abweichen, d. h. kleiner oder größer sein. Die Winkellage des Exzenters 72 wird demgemäß zur Welle 71 angepasst.
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Die 8 bis 11 zeigen eine zweite Ausführungsform der Erfindung. Gleichartige Teile werden mit dem gleichen Bezugszeichen belegt. Im Unterschied zur ersten Ausführungsform sind zusätzlich Verriegelungsmittel 9 zum Verriegeln des Mahlbechers in der in 10 und 11 dargestellten Zielposition vorgesehen. Die Verriegelungsmittel 9 umfassen eine Kugelkalotte 90 am Mahlbecher 5, eine in der Aufnahmeeinrichtung 3 gefangene Rastkugel 91 sowie einen Riegelbolzen 92, der mittels einer Druckfeder 93 nach oben gedrängt wird und mittels eines Griffes 94 nach unten geschoben werden kann, um einen Riegelnocken 95 außer Eingriff mit der Rastkugel 91 zu bringen. In dieser Stellung kann der Mahlbecher 5 in den Aufnahmeraum 35 der Aufnahmeeinrichtung 3 eingesetzt werden, wobei der Führungszapfen 34 und die Führungsnut 54 die richtige Winkelausrichtung des Mahlbechers 5 garantieren. Wenn der Mahlbecher 5 seine Zielposition erreicht hat, steht die Kugel 91 der Kugelkalotte 90 gegenüber. Dies kann im Bedienungsfeld der Kugelmühle aufgrund der Lage eines Auswerfers 96 und eines daran befestigten Magneten 97, der mit einem nicht dargestellten Sensor zusammenarbeitet, angezeigt werden. Alsdann wird die Rastkugel 91 in ihrer Einfallstellung verriegelt, und hierzu dient der Riegelnocken 95, der aus der Stellung der 10 in die Stellung der 11 mittels der Druckfeder 93 geschoben wird. Der Riegelbolzen 92 hintergreift die Rastkugel 91 in der Einfallstellung und verriegelt so die Rastkugel 91 (11).
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Zum Betrieb der Kugelmühle wird der Mahlbecher 5 mit zu mahlendem Gut und mit Mahlkugeln gefüllt und mit dem Deckel 53 verschlossen. Bei dieser als Mahlgefäß bezeichneten Einheit sitzt der Massenträgheitspunkt in etwa Gefäßmitte, auf etwa gleicher Höhe mit dem Andruckkörper 61. Das Mahlgefäß wird in den Aufnahmeraum 35 der Aufnahmeeinrichtung 3 winkelgerecht bis zu Erreichen der Zielposition eingesetzt und ggf. wird der eingesetzte Mahlbecher 5 verrastet und in der Raststellung verriegelt. Anschließend wird der Federstab 60 gespannt, indem die Betätigungshebel 73 des Festspannantriebes 7 von der Freigabestellung in die Spannstellung geschwenkt werden. Dabei werden die Hebel 73 durch Schwenken über die Totpunktlage des Exzenters hinaus gesichert. Durch das Umlegen der Betätigungshebel 73 hat der Exzenter 72 den Federstab 60 gespannt, so dass dieser mit dem Andruckkörper 61 auf den Umfang der Außenschale 52 des Mahlbechers 5 mit einer vorgegebenen Verspannkraft quer zur Planetenachse 30 drückt. Die Andruckkraft wird von den oberen und unteren Widerlagern 62 und 63 aufgefangen, deren Anlagefelder 65, 66 sich rechts und links sowie oberhalb und unterhalb der Einwirkungslinie der Spannkraft befinden.
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Wenn die Kugelmühle in Betrieb geht, werden erhebliche Kräfte, vor allem Wechselkräfte, ausgeübt, die dazu tendieren, den Mahlbecher 5 von den Abstützflächen im Aufnahmeraum 35 abzuheben. Die vom Federstab 60 aufgebrachte Verspannkraft sorgt jedoch dafür, dass es nicht zum Abheben des Mahlbechers 5 von den Widerlagern 62, 63 kommt. Auf diese Weise wird weitgehend der Verschleiß der Außenseite des Mahlbechers vermieden. Dies trifft auch auf die Anlagefelder 65, 66 der Widerlager 62, 63 zu, die aus verschleißfestem Material hergestellt sind.
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Mit der Ausbildung der Kugelmühle gemäß Erfindung lassen sich wesentlich höhere Drehzahlen, auch im Dauerbetrieb, fahren, als es bisher möglich war.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gehäuse
- 2
- Trägereinheit
- 3
- Aufnahmeeinrichtung
- 4
- Antriebsmittel
- 5
- Mahlbecher
- 6
- Halterungseinrichtung
- 7
- Festspannantrieb
- 8
- Sicherungseinrichtung
- 9
- Verriegelungsmittel
- 10
- Zentrumsachse
- 11
- Lagerzapfen
- 12
- Lager
- 13
- Lager
- 20
- Lagerraum
- 21
- Obere Lager
- 22
- Untere Lager
- 30
- Planetenachse
- 31
- Lagerring
- 32
- Basisring
- 33
- Verbundsteg
- 34
- Führungszapfen
- 35
- Aufnahmeraum
- 36
- Lagerauge
- 37
- Blendring
- 40
- Motor
- 41
- Keilriemen
- 42
- Keilriemenscheibe
- 43
- Zahnriemenscheibe
- 44
- Zahnriemen
- 45
- Zahnriemenscheibe
- 51
- Innenschale
- 52
- Außenschale
- 53
- Deckel
- 54
- Führungsnut
- 60
- Federstab
- 61
- Andruckkörper
- 62
- obere Widerlager
- 63
- untere Widerlager
- 64
- Ringlücke
- 65
- Anlagefeld
- 66
- Anlagefeld
- 67
- Feder
- 70
- Lagergehäuse
- 71
- Welle
- 72
- Exzenter
- 73
- Betätigungshebel
- 74
- Einsatz
- 90
- Kugelkalotte
- 91
- Rastkugel
- 92
- Riegelbolzen
- 93
- Druckfeder
- 94
- Griff
- 95
- Riegelnocken
- 96
- Auswerfer
- 97
- Magnet
