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Die vorliegende Erfindung betrifft eine
Kugelspindelvorrichtung mit einer Kühleinrichtung nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1. Die Erfindung kann speziell in einem
Industrieroboter eingesetzt werden, der mit einer
Vorrichtung zur Kühlung einer Kugelspindelachse einer
Kugelspindelvorrichtung, welche zwischen einem beweglichen
Roböterteil wie einem Roboterarm und einem Roboterkörper
eines Industrieroboters angepaßt ist, und mit einem
Antriebsmotor zum Antreiben des beweglichen Roboterteils
zur Umsetzung einer Drehbewegung des Antriebsmotors in eine
lineare, auf den beweglichen Roboterteil zu übertragene
Bewegung versehen ist, wobei die Kühlvorrichtung in der
Lage ist, wirksam Reibungswärme, die durch die Drehung der
Kugelspindelachse erzeugt wird, und Wärme, die von dem
Antriebsmotor auf die Kugelspindelachse übertragen wird,
durch den Fluß eines Kühlmediums über die Arbeitsfläche der
Kugelspindelachse zu beseitigen.
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Ein Industrieroboter vom Zylinderkoordinatentyp mit einem
teleskopartig verlängerbaren und zusammenziehbaren Arm ist
mit einer Kugelspindelvorrichtung versehen, die eine
Kugelspindelnut und eine Kugelspindelachse zwischen einem
Motor, der als Drehantriebsquelle benutzt wird, und dem
Roboterarm zur Umsetzung einer Drehbewegung in eine
entsprechende lineare Bewegung versehen, wenn der
teleskopartig bewegliche Roboterarm zur Ausführung einer
Axialbewegung angetrieben wird oder wenn der Roboterarm vertikal
versetzt wird, einschließt. Ein mehrgelenkiger
Industrieroboter
mit einem gelenkartig schwenkbaren Roboterarm bewegt
den schwenkbaren Roboterarm an einer Verbindung durch die
Betätigung des Gelenks, die durch die lineare Bewegung
einer Kugelspindelnut, die im Eingriff mit einer
Kugelspindelachse ist, verursacht wird.
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In dem Industrieroboter, in dem eine
Kugelspindelvorrichtung als eine Übertragungsvorrichtung zur Umsetzung
einer Drehbewegung in eine lineare Bewegung betrieben wird,
beeinflußt die Bewegungsumsetzungsgenauigkeit der
Kugelspindelvorrichtung, wenn eine Drehbewegung in eine lineare
Bewegung durch die Schraubbewegung zwischen der
Kugelspindelachse, die mit dem Antriebsmotor verbunden ist, und
der Kegelspindelnut, die mit einer beweglichen Komponente,
wie einem Roboterarm, verbunden ist, umgesetzt wird, direkt
die Handhabungsgenauigkeit der beweglichen Komponente und
demgemäß die Bearbeitungsgenauigkeit des Industrieroboters,
d.h. die Bearbeitungsgenauigkeit eines Werkzeugs, das mit
einem Robotergelenk an der Extremität des Roboterarms
verbunden ist, ist direkt abhängig von der
Bewegungsumsetzungsgenauigkeit, und daher muß die Kugelspindelachse mit
einer sehr hohen Genauigkeit durch Präzisionsbearbeitung
fertiggestellt sein. Nichtsdestoweniger ist keine
erfolgreiche Messung ausgeführt worden, die sich mit der
Verschlechterung der Genauigkeit der Roboterarbeitsweise
beschäftigt, die auf die Verschlechterung der Genauigkeit
der Versetzung der Kugelspindelnut, welche verbunden ist
mit der thermischen Deformation der Kugelspindelachse
während der Betätigung zurückzuführen ist.
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Es ist daher ein Kühlverfahren vorgeschlagen worden zur
Unterdrückung der thermischen Deformation einer
Kugelspindelachse durch Kühlung der Kugelspindelachse. Dieses
Kühlverfahren leitet Kühlluft durch eine axiale Bohrung
einer hohlen Kugelspindelachse, um die durch die
Schraubbewegung erzeugte Wärme zwischen der Kugelspindelachse und
einer Kugelspindelnut, die mit der Kugelspindelachse
während der Roboterbewegung in Eingriff ist, zu beseitigen,
um dadurch die thermische Deformation der Kugelspindelachse
zu unterdrücken.
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Dieses früher vorgeschlagene Kühlverfahren, welches in der
in der JP-A-63-1851 offenbarten Vorrichtung verwendet wird,
das den nächstliegenden Stand der Technik bildet und in dem
Oberbegriff des Anspruchs 1 gewürdigt ist, ist jedoch
lediglich auf eine hohle Kugelspindelachse anwendbar und
nicht in der Lage, die Kugelspindelachse mit einer genügend
hohen Kühleffizienz zu kühlen, da das Oberflächengebiet der
Bohrung der Kugelspindelachse nicht immer genügend groß
ist, und ein Fluß der Kühlluft nicht in der Lage ist, die
Wärme mit einer hohen Effizienz zu entfernen. Darüber
hinaus ist das Kühlverfahren nachteilhaft, wenn es auf eine
hohle Kugelspindelachse angewendet wird, die einen kleinen
Außendurchmesser aufweist. Ferner ist die hohle
Kugelspindelachse ein relativ kostspieliger Teil einer
Robotereinheit, da eine hohle Kugelspindelachse zusätzliche
Bearbeitungsschritte für das Bohren benötigt.
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Demgemäß ist es Aufgabe der Erfindung die vorstehenden
Probleme des Stands der Technik zu lösen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Kugelspindelvorrichtung mit einer Kühleinrichtung gemäß den Merkmalen des
Anspruchs 1 gelöst.
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Es ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, daß sie eine
Kühleinheit vermittelt, welche in der Lage ist, die Wärme
von der Kugelspindelachse, die in einer
Kugelspindelvorrichtung
in einem Industrieroboter angeordnet ist,
ausreichend und effektiv zu entfernen durch den Fluß eines
Kühlmediums über die äußere Oberfläche der
Kugelspindelachse, besonders über die äußere Oberfläche eines Teils der
Kugelspindelachse, der am häufigsten der Schraubbewegung
zwischen der Kugelspindelachse und einer Kugelspindelnut,
die mit der Kugelspindelachse in Eingriff ist, unterworfen
ist.
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Erfindungsgemäß ist eine Kühlpassage in dem rückwärtigen
Ende einer festen Kugelspindelachse ausgebildet, die mit
einem Drehantriebsmotor verbunden ist, eine Außlaßöffnung
ist in der Kugelspindelachse an einer Position nahe des
rückwärtigen Endes eines mit einem Gewinde versehenen
Bereichs der Kugelspindelachse ausgebildet, ein Kühlmedium
z.B. Kühlluft strömt in die Kühlpassage, die Kühlluft
strömt durch die Außlaßöffnung aus, und daher strömt das
Kühlmedium über die Oberfläche des Schraubengewindes der
Kugelspindelachse, um dadurch die erzeugte Wärme an der
Arbeitsoberfläche der Kugelspindelachse, die mit einer
Kugelspindelnut in Eingriff ist, zu entfernen. Speziell ist
erfindungsgemäß eine Kugelspindelvorrichtung vorgesehen mit
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einer Kühleinrichtung zur Kühlung durch einen Fluß
eines Kühlmittels, welches von einer Kühlmittelquelle
über Kühlmitteleinlaßmittel geliefert wird, einer
Kugelspindelachse, die für eine
Kugelspindelvorrichtung vorgesehen ist umfassend die Kugelspindelachse
und eine zugeordnete Kugelspindelnut für eine
Umsetzung von einer Dreh- in eine Linearbewegung, die
zwischen einer beweglichen Komponente und einem
Antriebsmotor eines Industrieroboters angeordnet ist,
ein hohles Klammermittel, welches die
Kugelspindelachse in einem Bereich eines ihrer Enden einschließt
und mit dem Antriebsmotor über Drehlager verbunden
ist, wobei das hohle Klammermittel dort eine
luftdichte Kühlmittelspeicherkammer bildet, und die
Kühlmitteleinlaßmittel umfaßt, durch welche ein Eintritt
des Kühlmittels, welches von der Kühlmittelquelle
geliefert wird, in die Kühlmittelspeicherkammer
ermöglicht wird;
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ein aus einem festen Glied an einem mit einem Gewinde
versehenen Bereich der Kugelspindelachse gebildetes
Abdeckmittel zur ummantelung der drehbaren
Kugelspindelachse, welches sich von dem Bereich, der in dem
hohlen Kklammermittel angeordnet ist, über einen im
wesentlichen ringförmigen Raum, der als Passage für
das Kühlmittel um den mit dem Gewinde versehenen
Bereich der Kugelspindelachse dient, erstreckt; und
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Mitteln, die eine Kühlmittelpassage in der Achse
umfassen, zur Bildung einer Kühlmittelpassage, die es
dem Kühlmittel ermöglicht, hierdurch von der
Kühlmittelkammer der hohlen Klammermittel in den
ringförmigen Raum des Abdeckmittels zu strömen.
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Die oben erwähnten und andere Gegenstände, Merkmale und
Vorteile der Erfindung werden durch die nachfolgende
Beschreibung in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung
verdeutlicht, in welcher
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Fig. 1 eine Schnittdarstellung eines wesentlichen
Bereichs der Kugelspindelachsenkühleinheit
ist, die in einem Industrieroboter gemäß
einer bevorzugten Ausführungsform
vorliegender
Erfindung angeordnet ist, zur
Kühlung einer Kugelspindelachse in dem
Industrieroboter;
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Fig. 2 eine explosionsartig dargestellte
perspektivische Ansicht einer Achsenkopplung in
dem Industrieroboter der Fig. 1 ist; und
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Fig. 3 eine Seitenansicht ist, die den allgemeinen
Aufbau eines Zylinderkoordinaten-
Industrieroboters zeigt, in welcher die vorliegende
Erfindung verwendet wird.
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Wie in Fig. 3 dargestellt, ist ein Zylinderkoordinaten-
Industrieroboter so aufgebaut, daß die Verwendung einer
Kugelspindelkühleinrichtung gemäß vorliegender Erfindung
möglich ist. Der Industrieroboter umfaßt eine
Robotergrundplatte 1, die auf dem Boden befestigt ist, einen drehbaren
Roboterkörper 2, der auf der Robotergrundplatte 1 befestigt
ist, zur Bewegung in die Richtungen, die durch den Pfeil θ
dargestellt sind, ein an dem oberen Ende der
Robotergrundplatte 1 abgestütztes Glied 3 für eine Schwenkbewegung in
die Richtungen, die durch den Pfeil W dargestellt sind,
einen Roboterarm 4, der an Sitzen 3a befestigt ist, die an
dem Glied 3 ausgebildet sind, und an dessen vorderem Ende
ein Robotergelenk gehaltert ist, eine Motorhalterung 6, an
deren unterer Oberfläche ein Antriebsmotor Mw gehaltert
ist, und die drehbar an einer Klammer 5 gelagert ist, die
über die seitliche Oberfläche des unteren Bereichs des
drehbaren Roboterkörpers 2 vorspringt, eine
Kugelspindelachse 7, die direkt oder indirekt über ein
Untersetzungsgetriebe mit dem Antriebsmotor Mw verbunden ist und sich
aufwärts von der Motorhalterung 6 und einer Kugelspindelnut
8, die mit der Kugelspindelachse 7 in Eingriff ist,
erstreckt und drehbar an dem rückwärtigen Ende des Glieds
3 befestigt ist. Die Kugelspindelachse 7 und die
Kugelspindelnut 8 sind die Teile einer Kugelspindelvorrichtung.
Die Kugelspindelvorrichtung, sobald sie durch den
Antriebsmotor Mw angetrieben wird, bewegt das Glied 3, um dadurch
den Roboterarm 4 zu schwenken. Wenn die Kugelspindelachse
7 genügend gekühlt wird, wird die Wärme, die durch die
Kugelspindelachse 7 durch die Schraubbewegung zwischen der
Kugelspindelachse 7 und der Kugelspindelnut 8 erzeugt wird,
entfernt, und dadurch wird die Kugelspindelachse 7 unter
stabilen Temperaturbedingungen gehalten. Folglich kann eine
Verschlechterung der Genauigkeit der Schwenkbewegung des
Roboterarms 4 durch die thermische Deformation der
Kugelspindelachse 7 vermindert werden.
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Die vorliegende Erfindung vermittelt eine
Kugelspindelvorrichtung mit einer Kühleinheit, die in unterschiedlichen
Industriebotern anwendbar ist, wie z.B. einem
Zylinderkoordinaten-Industrieroboter.
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Fig. 1 zeigt eine Kugelspindelachsen-Kühleinheit, die zur
Anwendung in dem vorstehenden
Zylinderkoordinaten-Industrieroboter entworfen wurde.
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Wie in Fig. 1 dargestellt, ist eine Kugelspindelachse 27
eine feste Achse, die mit einem Schraubengewinde 27a an
ihrer Oberfläche aber nicht mit einer Bohrung versehen ist.
Die Kugelspindelachse 27 weist einen unteren, nicht mit
einem Gewinde versehenen Bereich auf, der drehbar in
Drehlagern 31 abgestützt ist, die in ein Lagergehäuse 30
eingepaßt sind, das an dem oberen Ende einer hohlen
klammerartigen Motorhalterung 26 gehalten ist und mit der
Ausgangswelle eines Antriebsmotors M durch eine
Achsenkopplung 32 gekoppelt ist. Eine axiale Bohrung 33 ist in dem
gewindelosen Bereich ausgebildet, und eine oder ein Paar
von radialen Passagen 34, die mit der axialen Bohrung 33 in
Verbindung stehen, sind in dem oberen Ende des gewindelosen
Bereichs ausgebildet.
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Die Achsenkopplung 32 ist eine Oldham-Kopplung, wie in Fig.
2 dargestellt. Die Achsenkopplung 32 weist ein unteres
Kopplungsglied 35a, das auf die Ausgangswelle des
Antriebsmotors M abgestimmt ist, ein Zwischenkopplungsglied 35b,
und ein oberes Kopplungsglied 35c, das auf das untere Ende
der Kugelspindelachse 27 abgestimmt ist, auf. Rippen 36b
und 36c des Zwischenkopplungsglieds 35b werden jeweils in
einer in dem unteren Kopplungsglied 35a ausgebildeten Nut
36a und einer in dem oberen Kopplungsglied 35c
ausgebildeten Nut 36d aufgenommen, um so eine Drehung der
Ausgangswelle des Antriebsmotors M auf die Kugelspindelachse 27 zu
übertragen. Das obere Kopplungsglied 35c ist mit einer
axialen Bohrung 37b versehen zur Aufnahme des unteren Endes
der Kugelspindelachse 27, und einer seitlichen Öffnung 37a,
die mit der axialen Bohrung 37b verbunden ist. Die
Achsenkopplung 32 koppelt die Ausgangswelle des Antriebsmotors M
und die Kugelspindelachse 27 in einer
Kühlmedium-Sammelkammer 26a, die in einer Motorhalterung 26 ausgebildet ist.
Komprimierte Kühlluft, die von der Kühlmediumquelle 43,
z.B. einem Luftkompressor, durch eine Rohrverbindung 26b in
die Kühlmedium-Sammelkammer 26a geliefert wird, strömt
durch die seitliche Öffnung 37a und die axiale Bohrung 37b
des oberen Kopplungsglieds 35c der Achsenkopplung 32 in die
axiale Bohrung 33 des unteren Endes der Kugelspindelachse
27, und die Kühlluft strömt sodann durch die axiale Bohrung
33 und durch die radialen Passagen 42 aus der
Kugelspindelachse 27 heraus.
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Der Gewindebereich der Kugelspindelachse 27 ist mit einer
Kugelspindelnut 28 in Eingriff, die durch eine Nuthalterung
29 gehalten ist. Sobald die Kugelspindelachse 27 zu einer
Drehbewegung durch den Antriebsmotor M angetrieben wird,
bewegt sich die Kugelspindelnut 28 vertikal entlang der
Achse der Kugelspindelachse 27 zusammen mit der
Nuthalterung 29, um so eine bewegliche Komponente, wie einen
Roboterarm, der mit der Kugelspindelnut 28 verbunden ist,
zu schwenken. Der Gewindebereich der Kugelspindelachse 27
ist von einer Schraubenabdeckung 40 umgeben, die aus einer
Vielzahl von aufeinanderfolgenden, eine in die andere
passenden, kreisförmigen Röhren 40a gebildet ist. Die
oberste kreisförmige Röhre 40a ist an dem unteren Ende der
Nuthalterung 29 befestigt, und die unterste kreisförmige
Röhre 40a ist direkt oder indrekt an der Motorhalterung 26
befestigt, wobei ein im wesentlichen ringförmiger Raum 41
zwischen dem Gewindebereich der Kugelspindelachse 27 und
der Schraubenabdeckung 40 ausgebildet ist. Der Ringraum 41
steht mit der Atmosphäre durch radiale Öffnungen 42, die in
dem unteren Ende der Nuthalterung 29 ausgebildet sind, in
Verbindung.
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Demgemäß strömt die durch die radialen Öffnungen 34 der
Kugelspindelachse 27 in den Ringraum 41 ausgestoßene
Kühlluft durch den Ringraum 41 als Luftströme, wie durch
die Pfeile Ar in Fig. 1 dargestellt, entfernt Wärme von dem
Gewindebereich der Kugelspindelachse 27 um diese zu kühlen,
und strömt dann nach außen durch die radialen Öffnungen 42
der Nuthalterung 29. Die Motorhalterung 26 ist mit einem O-
Ring 38, d.h. einem Dichtglied, in einem Bereich, der
abzudichten ist, versehen. In Fig. 1 ist bei 39a eine
Lagerhalterung zur Halterung der Lager 31 an ihrem Ort und
bei 39b eine Lagernut zur Befestigung der Lager 31 an den
Zapfen der Kugelspindelachse 27, dargestellt.
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Wie aus der vorstehenden Beschreibung der Arbeitsweisen
hervorgeht, ist eine Kühlmittelzirkulationsschaltung
gebildet durch Verbindung der axialen Bohrung 33 der
Kugelspindelachse 27 und der radialen Öffnung 42 durch die
seitlichen Öffnungen 37a und die axiale Bohrung 37b der
Achsenkopplung 32 mit der Kühlmedium-Sammelkammer 26a der
Motorhalterung 26, in welche ein Kühlmedium, wie Kühlluft,
oder sofern notwendig, ein träges Gas eingespeist wird, und
wobei das Kühlmedium, welches durch die radialen Öffnungen
42 ausströmt, in direkten Kontakt kommt mit dem
Gewindebereich 27a der Kugelspindelachse 27, z.B. einen Bereich der
Kugelspindelachse 27, der direkt mit der Kugelspindelnut 28
zur Schraubbewegung in Eingriff ist, um die Wärme von dem
Gewindebereich 27a zu entfernen und so diesen zu kühlen. Da
das Kühlmedium Wärme von der Umgebung des Gewindebereichs
27a, welcher einen relativ großen Oberflächenbereich
aufweist, absorbiert, wird der Wärmeentfernungseffekt des
Kühlmittels deutlich verstärkt, und auf diese Weise kann
eine thermische Deformation der Kugelspindelachse 27
wirkungsvoll unterdrückt werden.
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Wie aus der vorstehenden Beschreibung und der bevorzugten
Ausführungsform vorliegender Erfindung hervorgeht, strömt
in einem Industrieroboter gemäß vorliegender Erfindung
Kühlluft, d.h. ein Kühlmedium, durch ein Ende der festen
Kugelspindelachse, die mit einem Antriebsmotor verbunden
ist, in eine Kühlmittelpassage, die in der
Kugelspindelachse ausgebildet ist, und in eine Öffnung nahe dem
rückwärtigen Ende des Gewindebereichs der
Kugelspindelachse, und es strömt die durch das offene Ende der
Kühlmittelpassage ausgestoßene Kühlluft über die Oberfläche des
Gewindebereichs der Kugelspindelachse, um dadurch Wärme von
dem Gewindebereich der Kugelspindelachse, die mit einer
Kugelspindelnut in Eingriff ist, zu entfernen. Da die
Kühlluft in direkten Kontakt mit der Oberfläche des
Gewindebereichs kommt, der eine relativ große Oberfläche
aufweist, wird der Kühleffekt der Kühlluft stark
vergrößert. Da insbesondere der Gewindebereich der
Kugelspindelachse, der mit der Kugelspindelnut in Eingriff ist,
und dessen mit dem Antriebsmotor verbundener Bereich, der
die Handhabungsgenausigkeit der Kugelspindelvorrichtung
beeinfluß, direkt und konzentriert gekühlt sind, kann die
Genauigkeit der Kugelspindelvorrichtung sehr effektiv
aufrechterhalten werden.
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Darüber hinaus kann die Kühlvorrichtung gemäß vorliegender
Erfindung, da die Kugelspindelachse eine feste Welle ist
und die Kühlmittelpassage in einem Bereich der
Kugelspindelachse ausgebildet ist, auf Kugelspindelachsen
angewendet werden, die einen relativ kleinen
Außendurchmesser haben.
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Weiterhin kann die Kugelspindelachse mit verhältnismäßig
kleinen Herstellungskosten gefertigt werden.
BEZUGSZEICHENLISTE
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1 Robotergrundplatte
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2 drehbarer Roboterkörper
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3 Glied
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4 Roboterarm
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5 Klammer
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6 Motorhalterung
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7 Kugelspindelachse
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8 Kugelspindelnut
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Mw Anstriebsmotor
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26 Motorhalterung
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26a Kühlmittel-Sammelkammer
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27 Kugelspindelachse
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28 Kugelspindelnut
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30 Lagergehäuse
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31 Drehlager
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32 Achsenkopplung
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33 axiale Bohrung
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34 radiale Bohrung
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35a unteres Kopplungsglied
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35b Zwi schenkopplungsglied
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35c oberes Kopplungsglied
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36a Nut
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36b Rippe
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36c Rippe
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36d Nut
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37a seitliche Öffnung
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37b Axialbohrung
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38 O-Ring
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39a Lagerhalterung
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39b Lagernut
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40 Schraubenabdeckung
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40a kreisförmige Röhre
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41 Ringraum
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42 radiale Öffnung
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43 Kühlmittelquelle
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M Antriebsmotor
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Ar Fluß der Kühlung