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Die Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschinenspindel
mit einer mittels eines axial wirkenden Federsystems belasteten
Werkzeugspannvorrichtung und einer entgegen der Spannbewegung des
Federsystems einen Lösehub
mechanisch erzeugende Werkzeuglösevorrichtung,
wobei die Werkzeugspannvorrichtung eine in der rotierenden Spindel
gelagerte, das Federsystem führende
Spannstange aufweist.
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Derartige, meist mit einem eigenen
elektromotorischen Antrieb ausgestattete Werkzeugmaschinenspindeln
sind bereits bekannt. Wird zum Lösen der
Werkzeugspannvorrichtung eine mechanisch arbeitende Vorrichtung
verwendet, hat die Spindel keine zentrale durch die Spindelbohrung
geführte
Kühlmittelzuführeinrichtung
für die
direkte Werkzeugkühlung.
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Andere Werkzeugmaschinenspindeln
haben eine nur für
flüssige
Kühlmittel
geeignete Werkzeugkühlung
in Kombination mit großvolumigen
pneumatischen oder bauaufwendigen hydraulischen Lösevorrichtungen.
Das Kühlmittel
wird bei diesen Spindeln axial durch alle in der Werkzeugmaschinenspindel
integrierten Vorrichtungen gefördert.
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Der vorliegenden Erfindung liegt
die Problemstellung zugrunde, eine Werkzeugmaschinenspindel zu entwickeln,
in der über
eine hohle Spannstange dem Werkzeug flüssiges oder gasförmiges Kühlmedium
dauerhaft oder abwechselnd zugeführt werden
kann.
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Diese Problemstellung wird mit den
Merkmalen des Hauptanspruches gelöst. Dazu hat die Spannstange
eine Durchgangsbohrung zur direkten Kühlung des in der Werkzeugspannvorrichtung
geklemmten Werkzeugs. Zwischen dem freien, werkzeugfernen Ende der
rotierenden Spannstange und einem den Lösehub der Werkzeuglösevorrichtung übertragenden
Stößel ist
eine Kühlgas
und Kühlflüssigkeit
abdichtende Gleitringdichtung angeordnet.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung
ergeben sich aus den Unteransprüchen
und der nachfolgenden Beschreibung einer schematisch dargestellten Ausführungsform.
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1:
Werkzeugmaschinenspindel im Längsschnitt;
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2:
Vergrößerung der
Gleitringdichtung und der Werkzeuglösevorrichtung nach 1 in der Löseposition;
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3: 2 in der Spannposition.
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Die 1 zeigt
eine Werkzeugmaschinenspindel mit einer Werkzeugspannvorrichtung
(30), einer Werkzeuglösevorrichtung
(40) und einer Werkzeugkühlmittelzuführeinrichtung (70)
im Längsschnitt.
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Die beispielsweise mit einem Elektromotor (12, 27)
ausgestattete Werkzeugmaschinenspindel umfasst nach 1 eine in einem Spindelgehäuse (10)
vierfach wälzgelagerte
Spindel (20). Zwischen zwei Wälzlagerpaaren (13, 14)
ist auf der Spindel (20) der Rotor (27) des Elektromotors
gelagert. Der Stator (12) des Motors sitzt im wassergekühlten Mantel
(11) des Spindelgehäuses
(10).
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Die Spindel (20) hat eine
mehrfach gestufte Spindelbohrung (21). Letztere endet am
vorderen Spindelende (26) in einem Werkzeugaufnahmekonus
(25). Zwischen dem Bereich des Werkzeugaufnahmekonus (25)
und dem hinteren Ende der Spindelbohrung (21) ist in der
Spindel (20) die Werkzeugspannvorrichtung (30)
geführt.
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Die Werkzeugspannvorrichtung (30)
beinhaltet u.a. eine Spannstange (31), die an ihrem vorderen Ende
eine Spannzange (36) trägt.
Auf der Spannstange (31) sitzt ein aus einer Tellerfedersäule (38) bestehendes
Federsystem, das sich spindelseitig im Bereich der Spindelmitte über eine
Stützscheibe
(23) an einem Absatz (22) der Spindelbohrung (21)
abstützt.
Spannstangenseitig liegt die Tellerfedersäule (38) an einem
an der Spannstange (31) fixierten Führungsaufsatz (37)
an. Das Federsystem (38) hat die Aufgabe, ein von der Spannzange
(36) umgriffenes Werkzeugende in den Werkzeugaufnahmekonus (25)
zu ziehen. Für
den Spannvorgang bewegt sich die Spannstange (31) unter
der Wirkung der Tellerfedersäule
(38) nach der Darstellung in den 1 bis 3 nach
rechts.
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Rückseitig
ist am Spindelgehäuse
(10) z.B. koaxial zur Spindel (20) ein Flanschgehäuse (71)
befestigt, das die Werkzeuglösevorrichtung
(40) trägt. Letztere
Vorrichtung (40) ist ein mechanisches Hubgetriebe mit einem
Exzenterantrieb. Die Werkzeuglösevorrichtung
(40) lagert in einem Getriebegehäuse (41) u.a. einen
Stößel (51),
einen Elektromotor (63) und ein Schneckengetriebe (65, 66).
In dem in der Zeichnungsebene geteilten, hier vierfach verschraubten,
zweiteiligen Getriebegehäuse
(41) befindet sich eine gestufte Bohrung (42),
die in einen Umlenkraum (88) des Flanschgehäuses (71)
mündet. Ihre
Mittellinie fällt
mit der Mittellinie (29) der Spindel (20) und
der Spannstange (31) zusammen. Zur Mitte des Getriebegehäuses (41)
hin, endet die Bohrung (42) in einem Exzenterraum (43).
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Der Stößel (51) ist aus einem
zylindrischen Führungsabschnitt
(52) und einem Lagerbockabschnitt (53) zusammengesetzt.
Zumindest der Führungsabschnitt
(52) ist in der Bohrung (42) geführt und
mit einem Dichtring (45) gegenüber dem Umlenkraum (88)
abgedichtet. Der Lagerbockabschnitt (53) umfasst gabelartig
eine auf einer Achse (55) z.B. wälzgelagerte Druckrolle (56).
Zwischen dem Lagerbockabschnitt (53) und der Stufung der
Bohrung (42) ist eine Rückholfeder
(57) angeordnet. Auf die Druckrolle (56) wirkt
beim Lösevorgang
ein z.B. hier im Gegenuhrzeigersinn schwenkender Exzenter (62).
Der Exzenter (62), dessen Schwenkachse quer zur Mittellinie
(29) angeordnet ist, sitzt auf einer Exzenterwelle (61),
an der ein Schneckenrad (66) angeflanscht ist. Das Schneckenrad
(66) kämmt
mit einer auf der Welle des Elektromotors (63) sitzenden Schnecke
(65).
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Die 1 und 2 zeigen die Werkzeuglösevorrichtung
(40) bei maximalem Lösehub.
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Im Führungsabschnitt (52)
des Stößels (51) befindet
sich eine Kerbe (54), über
die Leckage in den mittels der Bohrung (44) z.B. ins Freie
entlüfteten Exzenterraum
(43) gelangen kann.
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Im Flanschgehäuse (71), das zugleich
ein Kühlmittelzuführgehäuse ist,
befindet sich zwischen dem Stößel (51)
und dem freien Ende (32) der mit einer Durchgangsbohrung
(33) ausgestatteten Spannstange (31) eine Gleitringdichtung
(90). Das Kühlmittelzuführgehäuse (71)
und die Gleitdichtung (90) stellen eine Werkzeugkühlmittelzuführeinrichtung
(70) dar.
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Das Kühlmittel- bzw. Flanschgehäuse (71) umgibt
mit einem Spindelraum (72) das hintere Ende der Spindel
(20). Der Spindelraum (72) endet zur Werkzeugkühlmittelzuführeinrichtung
(70) hin in einer Taille (76), deren – mit wenig
Spiel die Spannstange (31) umgebende – Bohrung eine berührungsfreie
Spaltdichtung darstellt. Im Spalt können in der Bohrung auch Fangrillen
eingearbeitet sein.
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Um das hier nicht dargestellte, im
Werkzeugaufnahmekonus (25) fixierte Werkzeug, z.B. ein
innengekühlter
Spiralbohrer, zu kühlen,
wird über
die Werkzeugkühlmittelzufuhreinrichtung
(70) von außen ein
Kühlmedium
(1, 2) in die Durchgangsbohrung (33)
der rotierenden Spannstange (31) gefördert. Als Kühlmedium
(1, 2) kann wahlweise eine unter einem Druck von
7·10–4 Pa
stehende Kühlemulsion
(1) oder reguläre
Druckluft (2) verwendet werden.
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Am freien Ende (32) der
rotierenden Spannstange (31) ist ein Gleitring (92)
angeordnet. Der Gleitring (92) hat dazu eine Bohrung (93),
mit der er auf einer Hohlschraube (95) sitzt. Die Hohlschraube (95)
ist in ein Innengewinde (34) der Durchgangsbohrung (31)
eingeschraubt. Zur Verdrehsicherung ist die Hohlschraube (95)
beispielsweise im Gewindesauslauf des Innengewindes (34)
verklemmt. Ggf. ist die Hohlschraube (95) zusätzlich im
Innengewinde (34) verklebt. Der Gleitring (92)
ist gegenüber
der Hohlschraube (95) ebenfalls gegen Verdrehen gesichert.
Dazu ist z.B. die Bohrung (93) mit dem Schaft der Hohlschraube
(95) über
eine Kerbverzahnung (96) oder gleichwirkende Sicherungen
gekoppelt. Um ein Taumeln des Gleitringes (92) zuzulassen,
kontaktieren sich die Sicherungsteile mit Spiel in balligen oder
sphärisch
gekrümmten
Konturen.
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In Axialrichtung ist zwischen der
Kopfunterseite der Hohlschraube (95) und dem Gleitring
(92) ein die Taumelbewegung dämpfender Elastomerring (97)
eingelegt.
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Der Gleitring (92) hat zur
Eigenkühlung
in seiner der Dichtfuge (91) abgewandten Kontur radiale,
z.B. viertelkreisflächige
Kerben, die Kühlflächen (94)
stehen lassen. Der Gleitring (92) ist beispielsweise aus
Keramik oder Hartmetall hergestellt. Ggf. besteht er nur im Bereich
der Dichtfuge (91) aus einem verschleiß- und temperaturfesten Werkstoff.
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Der Gleitring (92) liegt
axial an einer Gleitringbuchse (100) an. Die Gleitringbuchse
(100) ist in der gestuften Flanschbohrung (73)
gelagert und längsgeführt. Für die Längsführung befindet
sich in einer radialen Gewindebohrung (86) ein Gewindestift (87),
dessen zylindrisches Ende in eine Längsnut (112) der Gleitringbuchse
(100) verdrehsichernd eingreift.
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Die Gleitringbuchse (100)
besteht aus einem rohrförmigen,
mit Nuten und Bohrungen versehenen Körper, der im Bereich des Spannstangenendes
(32) sich flanschartig zur Ausbildung eines Innenflansches
(101) mit einer stirnseitigen Gleitfläche bis zu einer Stirnbohrung
(103) hin verengt. In ihrer im Wesentlichen zylindrischen
Außenkontur
hat sie zwei ganz oder bereichsweise umlaufende Ringnuten (105, 108).
Die dem Spannstangenende (32) nähere Ringnut (105)
hat an ihrer rechten Nutwandung (106) eine Vielzahl z.B.
axialer Bohrungen (107), die den Nutraum mit dem Umlenkraum
(88) verbinden. Diese Ringnut (105) liegt gegenüber einer
Kühlmediumzuführboh rung
(81). Beidseits dieser Ringnut (105) befinden
dich in separaten Nuten eingelassene Dichtringe (114, 115).
Der mittlere Dichtring (115) stellt die statische Hauptdichtung
der Gleitringdichtung (90) dar. Die Dichtung (114)
stabilisiert die Gleitringbuchse (100) in der Flanschbohrung
(73). Eine abdichtende Wirkung hat sie nicht.
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Die im mittleren Bereich der Außenkontur
der Gleitringbuchse (100) gelegene Ringnut (108),
sie hat eine konstante Einstechtiefe, ist über einen z.B. aus mehreren
Bohrungsabschnitten zusammengesetzten Kanal (109) mit einer
zur Dichtfuge (90) hin orientierten Stirnnut (111)
verbunden. Die Stirnnut (111) hat einen Halbrundeinzelquerschnitt.
Sie ist zur Stirnbohrung (103) hin versetzt angeordnet.
Zur Führung
des Kanals (109) durch den Bereich der Ringnut (105)
ist dort die Ringnuteinstichtiefe bereichsweise verkleinert.
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Im Kühlmittelzuführgehäuse (71) ist in dem von
der Ringnut (108) überdeckten
Bereich der Flanschbohrung (73) eine in den Ringnutraum
mündende
Schmiermittelzuführbohrung
(82) angeordnet. Zur Längsnut
(112) hin ist die Ringnut (108) mit einem Dichtring
(116) abgedichtet.
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Je nach Bauart der Gleitringdichtung
(90) können
die Schmiermittelnut (108) und die Kühlmittelnut (105)
ihre Position tauschen. Die Gleitringbuchse (100) ist z.B.
aus einer Aluminiumlegierung hergestellt, die im Bereich der Dichtfuge
(90) mit einem verschleißfesten Überzug, z.B. einer Chromschicht,
versehen ist.
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In der Hauptbohrung (102)
der Gleitringbuchse (100) ist eine Schraubenfeder (119)
untergebracht, die zum einen am Innenflansch (101) und zum
anderen an einer am Bohrungsabsatz (74) der Flanschbohrung
(73) abgestützten
Scheibe (118) anliegt.
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Zwischen der Scheibe (118)
und der Taille (76) ist im Bereich des Leckageraumes (75)
auf der Spannstange (31) ein Spritzring, z.B. ein Drillingsspritzring
(35) angeordnet. Sein Außendurchmesser ist nur geringfügig kleiner
als der Innendurchmesser des Leckageraums (75). Der Leckageraum
(75) ist über
eine Leckagebohrung (84) mit der Umgebung oder einer Leckageabführung verbunden.
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In die Flanschbohrung (73)
führt z.B.
zusätzlich
radial eine Druckluftzuführung
(83).
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Bei einem Betrieb der Werkzeugmaschinenspindel
befindet sich die Spannstange (31) und die Werkzeuglösevorrichtung
(40) in einer Position, wie sie in 3 dargestellt ist. Die Spannstange (31)
ist durch das Spannen des Werkzeugs um mehrere Millimeter in die
Flanschbohrung (73) hineinverschoben. Der Gleitring (92)
hat sich auf das Getriebegehäuse (41)
zubewegt. Die Schraubenfeder (119) hat zum Ausgleich dieses
Hubs die Gleitringbuchse (100) nachgeführt, so dass sich der Gleitring
(92) und die Gleitringbuchse (100) in der axialen
Dichtfuge (91) berühren.
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Das über die Zuführung (81) einströmende Kühlmedium
(1, 2) gelangt über die Ringnut (105) und
die Bohrungen (107) in den Umlenkraum (88). Von
dort aus strömt
es durch die Hohlschraube (95) hindurch in die Durchgangsbohrung
(33) der Spannstange (31). Über eine Kupplung in der Spannzange (36)
gelangt das Kühlmedium
(1, 2) in die Kühlkanäle des Werkzeugs.
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Der maximale Kühlmitteldruck steht in der Flanschbohrung
(73) zwischen der statischen Hauptdichtung (115)
und der zwischen dem Flanschgehäuse
(71) und dem Getriebegehäuse (41) gelegenen Montagefuge
an. Im Bereich der Dichtfuge (91) ist der Druck daher an
deren äußeren Rand
höher als
an deren inneren Bohrungsrand. Folglich entsteht bei der Verwendung
von flüssigem
Kühlmittel
(1) kein durch Zentrifugalkraft unterstütztes druckabsenkendes hydrodynamisches
Ausschwimmen der Gleitringbuchse (100) am Gleitring (92).
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Bei der Verwendung von gasförmigem Kühlmittel
(2) kühlt
das Kühlmittel
(2) durch das Durchströmen
der Bohrungen (107) die Gleitringbuchse (100)
im Bereich der Dichtfuge (91). Dadurch wird ein großer Teil
der durch das Trockenlaufen der Gleitringsrichtung (90)
entstandenen Wärme
abgeführt. Dies
wird unterstützt
durch die rotierenden Kühlrippen
(94) am Gleitring (92).
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Beispielsweise bei hohen Spindeldrehzahlen wird über die
Schmiermittelzuführbohrung
(82) Schmiermittel (3), z.B. Öl oder Fett, in die Ringnut (108)
transportiert. Über
den Kanal (109) gelangt das Schmiermittel (3)
in geringer Dosis in die Stirnnut (111), von wo aus es
sich in der Dichtfuge (91) verteilt. Durch das Herabsetzen
des Reibwerts in der Dichtfuge (91) entsteht dort weniger
Reibungswärme.
Das Schmiermittel (3) wird beispielsweise aus einer Einmalschmierpatrone
an der Schmiermittelzuführung
(82) bereitgestellt. Eine Einmalschmierpatrone ist eine
z.B. fettgefüllt
Kartusche, deren Inhalt durch ein Gaspolster unter Druck steht.
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Zusätzlich kann über die
Druckluftzuführung (83)
in die Flanschbohrung (73) Druckluft (4) eingeblasen
werden, um dort vorhandene erwärmte
Luft in die Leckagebohrung (84) zu verdrängen.
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Bei der Benutzung dieser zweiten
Druckluftzuführung
kann in der Schmiermittelzuführung
(82) ein Rückschlagventil
eingebaut werden, um ein Einblasen von Luft in die Schmiermittelkartusche
zu verhindern.
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Zum Wechseln des Werkzeuges wird
die Spindel (20) angehalten und die Spannstange (31) über das
Schwenken des Exzenters (62) in die Löseposition gebracht. Hierbei
liegt der Stößel (51)
an der Hohlschraube (95) an, vgl. 1 und 2.
Nach dem Entfernen des Werkzeugs aus dem Werkzeugaufnahmekonus (25)
kann nach einem Weiterdrehen des Exzenters (62) der Stößel (51)
von der Hohlschraube (95) abgehoben werden, um die Kühlflüssigkeit
zum Reinigen der Spindelbohrung (21) in die Durchgangsbohrung
(33) der Spannstange (31) zu pumpen.
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Die Spannstange (31) kann
im Bereich des Flanschgehäuses
(71) in der Spindel (20) oder im Flanschgehäuse (71)
zwischengelagert sein. Auch kann sie dort aus separaten Spannstangenanschnitten – ggf. gelenkig – zusammengesetzt
sein. Als Kupplung oder Gelenk ist z.B. ein längssteifes Wellrohr denkbar.
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- 1
- Kühlflüssigkeit,
Kühlmedium,
Emulsion
- 2
- Kühlgas, Kühlmedium,
Luft, inertes Gas
- 3
- Schmiermittel
- 4
- Druckluft
- 10
- Spindelgehäuse
- 11
- Mantel
- 12
- Stator
- 13,
14
- Wälzlagerpaare
- 20
- Spindel
- 21
- Spindelbohrung
- 22
- Absatz
- 23
- Stützscheibe
- 25
- Werkzeugaufnahmekonus
- 26
- Spindelende,
vorn
- 27
- Rotor
- 29
- Mittellinie
der Spindel
- 30
- Werkzeugspannvorrichtung
- 31
- Spannstange
- 32
- Spannstangenende,
werkzeugfern
- 33
- Durchgangsbohrung,
zentral
- 34
- Innengewinde
- 35
- Spritzring
- 36
- Spannzange
- 37
- Führungsaufsatz
- 38
- Federsystem,
Tellerfedersäule
- 40
- Werkzeuglösevorrichtung
- 41
- Getriebegehäuse
- 42
- Bohrung,
gestuft
- 43
- Exzenterraum
- 44
- Entlüftungsbohrung
- 45
- Dichtring
- 51
- Stößel, Hubstößel
- 52
- Führungsabschnitt,
zylindrisch
- 53
- Lagerbockabschnitt
- 54
- Kerbe
- 55
- Achse
- 56
- Druckrolle
- 57
- Rückholfeder
- 61
- Exzenterwelle
- 62
- Exzenter
- 63
- Elektromotor,
z.B. mit Tachogenerator
-
- und
absolutem Winkelmeßsystem
- 65
- Schnecke,
Schneckengetriebe
- 66
- Schneckenrad,
Schneckengetriebe
- 70
- Werkzeugkühlmittelzuführeinrichtung
- 71
- Kühlmittelzuführgehäuse, Flanschgehäuse
- 72
- Spindelraum
- 73
- Flanschbohrung,
gestuft
- 74
- Bohrungsabsatz
- 75
- Leckageraum
- 76
- Taille
- 81
- Kühlmediumzuführbohrung
- 82
- Schmiermittelzuführbohrung
- 83
- Druckluftzuführung
- 84
- Leckagebohrung
- 86
- Gewindebohrung
- 87
- Gewindestift
- 88
- Umlenkraum
- 90
- Gleitringdichtung
- 91
- Dichtfuge
- 92
- Gleitring
- 93
- Zentralbohrung,
Bohrung
- 94
- Kühlflächen, Kühlrippen
- 95
- Hohlschraube
- 96
- Kerbverzahnung
- 97
- Elastomerring
- 100
- Gleitringbuchse
- 101
- Innenflansch
- 102
- Hauptbohrung
- 103
- Stirnbohrung
- 105
- Ringnut,
vorn
- 106
- Nutwandung,
vorn
- 107
- Bohrungen
- 108
- Ringnut,
Mitte
- 109
- Kanal
- 111
- Stirnnut
- 112
- Längsnut
- 114
- Dichtring,
vorn
- 115
- Dichtring,
statische Hauptdichtung
- 116
- Dichtring,
hinten
- 118
- Scheibe
- 119
- Schraubenfeder