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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Klemmvorrichtung
mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sowie
eine Stelleinrichtung, insbesondere einen Arbeitszylinder,
mit einer Kolbenstange.
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Klemmvorrichtungen für axial bewegte Stangen,
beispielsweise Kolbenstangen von Arbeitszylindern oder auch ortsfeste
Stangen, sind bekannt. Eine derartige Klemmvorrichtung ist
in der DE 37 07 046 A1 beschrieben. Klemmvorrichtungen
dieser Art sind bezüglich der zu klemmenden Stange mit einem
bewegten Bauteil oder Gerät verbunden, und die Klemmkraft
wird beispielsweise mittels eines Spannkolbens mit
Innenkonus und einer Klemmhülse mit Außenkonus erzeugt. Da die
Höhe der Klemmkraft direkt von der Höhe der Federkraft
abhängig ist, werden für hohe Halte- bzw. Klemmkräfte im Stand
der Technik durchweg Federpakete aus Tellerfedern
verwendet, die je nach Erfordernis aus wechselsinnig
aneinandergereihten ein- oder mehrfach geschichteten Tellerfedern
bestehen und koaxial angeordnet sind.
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Die Betriebsweise bei hohen Kräften ist wie folgt. Zum
Lösen der Klemmhülse von der Stange wird der Spannkolben mit
hydraulischem Druck gegen die Federkraft der
Federeinrichtung verschoben, so daß die Klemmhülse an ihrem Außenkonus
nicht mehr beaufschlagt ist und die Stange somit frei wird.
Zum Einsetzen der Klemmwirkung, d. h. zum Beaufschlagen des
Außenkonus der Klemmhülse, wird der hydraulische Druck
entfernt, so daß die Federkraft der Federeinrichtung wirksam
werden kann.
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Probleme bei diesen Klemmvorrichtungen ergeben sich
insbesondere bei Bruch bereits einer der die Federeinrichtung
bildenden Tellerfedern, da hierdurch das gesamte Federpaket
weitgehend seine Vorspannung verliert. Damit ist ein
Verlust der Fähigkeit, Kraft auf den Spannkolben abzugeben,
und somit eine erhebliche Reduzierung der Klemmkraft bzw.
Haltekraft verbunden.
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Demgegenüber wird erfindungsgemäß eine Klemmvorrichtung mit
den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Stelleinrichtung
mit einer erfindungsgemäßen Klemmvorrichtung vorgeschlagen.
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Demnach umfaßt eine erfindungsgemäße Klemmvorrichtung für
eine axial translatorisch und/oder drehend bewegte Stange
ein Gehäuse, eine in dem Gehäuse axial festgelegte
Klemmhülse, einen in dem als Zylinder ausgebildeten Gehäuse
beweglichen Spannkolben sowie mindestens eine den Kolben in
Richtung auf die Klemmhülse in den Verriegelungszustand
vorspannende Schraubentellerfeder.
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Schraubentellerfedern an sich sind aus der DE 29 16 446 A1
bekannt. Dabei handelt es sich um zwei hochkant und schräg
zur Mittelachse gewickelte Schraubenfedern, die in
umgekehrtem Sinn derart ineinandergeschraubt sind, daß das nach
dem Ineinanderschrauben gegeneinander geneigte Flachband
der Federwindungen tellerfedersäulenartig beansprucht wird.
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Die erfindungsgemäße Klemmvorrichtung mit
Schraubentellerfedern hat den großen Vorteil, daß selbst bei einem
Federbruch kein Federweg verloren geht und so die eingestellte
Federkraft nahezu unverändert erhalten bleibt. Diese
Eigenschaft verleiht einer Klemmvorrichtung, bei der die
Haltekraft durch Federkraft erzeugt wird, ein hohes Maß an
Funktionssicherheit, so daß beispielsweise die Vorschriften der
Berufsgenossenschaft für den Einsatz federwirkender
Verriegelungs-/Hochhalteeinrichtungen für hydraulische Pressen
und Spritzgießmaschinen bei Verwendung von
Schraubentellerfeldern erfüllt sind.
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Weitere Vorteile der Erfindung sind:
- - Günstigere Federkennlinien bei gleichem Einbauraum.
- - Die Vorspannkraft verringert sich um bis zu 10%, was
einen entsprechend geringeren Entriegelungsdruck
ergibt, da praktisch keine Federreibung auftritt.
- - Es tritt kein Verschleiß an den Auflagepunkten auf.
- - Die einteilige Herstellung aus Bandmaterial mit einem
nicht unterbrochenen Faserverlauf wirkt sich günstig
auf die Lebensdauer des Federelements aus.
- - Durch die einteilige Ausführung ergeben sich
Montagevorteile, und die Verwechslungsgefahr beim Schichten
der Einzeltellerfedern zum Federpaket entfällt.
- - Es sind keine Schmiermittel notwendig.
- - Schraubentellerfedern sind kostengünstiger.
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Die Eignung von Schraubentellerfedern zur Verwendung in
Klemmvorrichtungen wurden durch Dauerversuche über 2
Millionen Lastwechsel in hervorragender Weise bestätigt.
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Als besonders vorteilhaft erweist sich eine
erfindungsgemäße Anordnung mehrerer Schraubentellerfedern achsparallel um
den Umfang der zu klemmenden Stange. Mit dieser Anordnung
wird eine benötigte Gesamtfederkraft auf eine Mehrzahl von
Federn aufgeteilt. Dadurch wird eine Verwendung von Federn
mit relativ geringem Durchmesser auch bei Anwendungen
ermöglicht, die eine hohe Vorspannkraft erfordern. Diese
erfindungsgemäße Anordnung macht es überhaupt erst möglich,
Schraubentellerfedern für derartige Anwendungen
einzusetzen, da Schraubentellerfedern herstellungsbedingt als
Einzelfedern nur bis zu einer Größe von ca. 50 mm
Stangendurchmesser geliefert werden. Mit dieser Lösung ist es
nunmehr möglich, auch sehr große federwirkende
Klemmvorrichtungen zu realisieren. Diese mußten wegen fehlender
Tellerfedergrößen bisher hydraulisch betrieben werden, womit
jedoch Abschläge bei der Funktionssicherheit verbunden waren.
Ein weiterer Aspekt zur Erhöhung der Funktionssicherheit
besteht darin, daß bei dieser Mehrfach-Federsäulen-
Anordnung die Funktionssicherheit auch bei Total-Ausfall
einer Federsäule gewährleistet ist, da bei entsprechender
Federauslegung die restlichen Federsäulen für die
notwendige Haltekraft sorgen.
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Mit den um den Umfang verteilten kleineren
Schraubentellerfeder-Einheiten können noch vorteilhaftere Federkennlinien
erreicht werden. Um für Klemmvorrichtungen bei gleichen
Geräteabmessungen die günstigste Federkennlinie zu erhalten,
können in weiterer Ausgestaltung der Erfindung in dem
Spannkolben und/oder in einem Deckel der Klemmvorrichtung
Eindrehungen zur Aufnahme eines oder beider der Enden der
mindestens einen Schraubentellerfeder vorgesehen sein. In
anderer Ausgestaltung sind in einer die Federeinrichtung
aufnehmenden Bohrung des Gehäuses örtliche Ausnehmungen mit
kreisabschnittsförmigem Grundriß vorgesehen.
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In Ausgestaltung der Erfindung ist die mindestens eine
Schraubentellerfeder durch einen Bolzen geführt, der
lediglich im Bereich der Enden der Feder die
Schraubentellerfeder an deren Innendurchmesser führt. Dadurch wird die
auftretende Reibung vernachlässigbar klein, da die Führung nur
an den Federenden erfolgt.
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In anderer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist
die mindestens eine Schraubentellerfeder koaxial zu der zu
klemmenden Stange angeordnet. Mit dieser Ausgestaltung
können auf einfachere Art und Weise Klemmvorrichtungen bis zu
einem Stangendurchmesser von maximal 50 mm gestaltet
werden. Auch hier erweist es sich zur Abstimmung der
Federkennlinie im Verhältnis zum benötigten Platz als
vorteilhaft, wenn in dem Spannkolben und/oder in einem Deckel der
Klemmvorrichtungen Eindrehungen zur Aufnahme eines oder
beider der Enden der Schraubentellerfeder vorgesehen sind.
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In Ausgestaltung der Erfindung wirkt die mindestens eine
Schraubentellerfeder direkt auf die Klemmhülse ein, deren
Außenkonus einen zugeordneten Innenkonus des Gehäuses
beaufschlägt und deren Innendruchmesser sich aufgrund der
axialen Verschiebung im Verriegelungszustand verkleinert,
woraus ein Festklemmen der bewegten Stange erfolgt.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben
sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die
nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der
jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen
Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne
den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der
Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden
unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung einen
Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße
Klemmvorrichtung.
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Fig. 1a zeigt einen Längsschnitt durch eine
erfindungsgemäße Klemmvorrichtung gemäß Fig. 1, wobei zu
beiden Seiten der Längsmittellinie zwei
unterschiedliche Ausführungsbeispiele der Anordnung
einer Schraubentellerfedersäule dargestellt sind.
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Fig. 2 zeigt in schematischer Darstellung einen
Längsschnitt durch eine aus dem Stand der Technik
bekannte Klemmvorrichtung.
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Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße
Klemmvorrichtung mit um den Umfang verteilten
Schraubentellerfedern.
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Fig. 3a zeigt einen Querschnitt durch die
Klemmvorrichtung der Fig. 1a auf der Höhe der
Schraubentellerfedern.
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Fig. 4 zeigt in seitlicher Ansicht eine teilgeschnittene
Schraubentellerfeder, die lediglich im Bereich
ihrer Federenden an ihrem Innendurchmesser durch
einen Bolzen geführt ist.
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Fig. 5 zeigt in seitlicher Ansicht eine teilgeschnittene
Schraubentellerfeder, die lediglich im Bereich
ihrer Federenden an ihrem Außendurchmesser in
einer Bohrung/Eindrehung geführt ist.
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Fig. 6 zeigt einen Längsschnitt durch eine
Klemmvorrichtung mit einer koaxial zu der zu klemmenden
Stange angeordneten Schraubentellerfeder.
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Fig. 2 zeigt eine Klemmeinrichtung, wie sie aus dem Stand
der Technik, insbesondere aus der DE 37 07 046 A1, bekannt
ist. Die bekannte Klemmvorrichtung 8 weist ein dreiteiliges
Gehäuse 9 auf, in dem eine Stange 10 mittels einer
Klemmhülse 11 festklemmbar ist. Dieses Festklemmen erfolgt über
einen Spannkolben 12, der durch Beaufschlagung eines
koaxial angeordneten Tellerfederpakets 13 mit einer
Vorspannkraft versehen ist. Das Lösen der Klemmhülse 11 erfolgt
mittels einer Druckmittelzufuhr zu dem Spannkolben 12,
wobei die durch das Druckmittel ausgeübte Kraft der
Vorspannkraft des Federpakets 13 entgegenwirkt.
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Das Tellerfedernpaket steht somit sowohl in der Klemm- als
auch in der Lösestellung unter permanenter Vorspannung,
d. h. sämtliche, das Tellerfedernpaket bildende Tellerfedern
sind um den gleichen Betrag vorgespannt, wobei die
Vorspannung in der Lösestellung höher ist. Da die Tellerfedern
hintereinander geschaltet sind, gibt bei einer
Einzelschichtung jede Feder die jeweils volle Vorspannkraft auf
den Spannkolben ab.
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Bei Bruch einer Feder verliert das gesamte Federpaket
weitgehend die Vorspannung und damit die Fähigkeit, Kraft auf
den Spannkolben abzugeben. Damit wird die Klemmkraft bzw.
die Haltekraft stark reduziert.
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Bei mehrfach gleichsinnig ineinanderliegenden Tellerfedern
tritt bei einem Federbruch ein ähnlicher Effekt auf, wobei
diese Anordnung wegen hoher Reibung zwischen den sich
berührenden Telleroberflächen mit Gefahr der Entstehung von
Reibkorrosion in der Praxis kaum Anwendung findet.
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Demgegenüber zeigt Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine
erfindungsgemäße Klemmvorrichtung 1. Die erfindungsgemäße
Klemmvorrichtung 1 besteht ebenfalls aus einem dreiteiligen
Gehäuse 2, in dem eine Stange 3 mittels einer Klemmhülse 4
festklemmbar ist. Dieses Festklemmen erfolgt über einen
Spannkolben 5, der von mehreren um den Umfang der Stange 3
achsparallel angeordneten Schraubentellerfedern
beaufschlagt ist. Die achsparallel zu der Stange 3 angeordneten
Schraubentellerfedern 6 erzeugen die notwendige Vorspann-
bzw. Klemmkraft für die Klemmhülse 4. Zum Einstellen der
vorgeschriebenen Vorspannkraft sind Einstellscheiben 7
vorgesehen, die zwischen der einzelnen
Schraubentellerfedersäule und dem Spannkolben 5 eingebracht sind.
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Die geometrische Anordnung der Schraubentellerfedern 6
gemäß der Erfindung ist in Draufsicht in Fig. 3 dargestellt.
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Fig. 1a zeigt einen Längsschnitt durch eine
erfindungsgemäße Klemmvorrichtung, wobei zu beiden Seiten der
Längsmittellinie zwei unterschiedliche Ausführungsbeispiele für die
Anordnung und Führung der Schraubentellerfedersäulen
dargestellt sind.
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In dem in Fig. 1a links der Längsmittellinie dargestellten
Ausführungsbeispiel ist in einem die Gehäusewandung bzw.
den Gehäusemantel bildenden Rohr 24 eine Ausnehmung 21 mit
kreisabschnittsförmigem Grundriß vorgesehen, in die
Schraubentellerfedern 6' mit einem Teil ihres Umfangs
hineinragen. Durch die Ausnehmungen 21 wird die Verwendung von
Schraubentellerfedern mit größerem Durchmesser ermöglicht,
wodurch bei gleicher Baugröße des
Klemmvorrichtungsgehäuses, d. h. gleichen Außenabmessungen der Klemmvorrichtung,
die Verwendung von Schraubentellerfedern mit größerem
Durchmesser und somit die Erzeugung einer größeren
Vorspannkraft möglich wird. Eine Draufsicht auf die
beschriebene Ausgestaltung mit den Ausnehmungen 21 mit
kreisabschnittsförmigem Grundriß ist in Fig. 3a dargestellt.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in der Fig. 1a rechts
von der Längsmittellinie dargestellt. In diesem
Ausführungsbeispiel sind in dem Spannkolben 5 und in einem
Gehäusedeckel 20 der Klemmvorrichtung Eindrehungen 22
vorgesehen, in denen die Enden der Schraubentellerfedersäulen 6"
aufgenommen sind. Hierdurch wird - wiederum bei gleichen
Außenabmessungen der Klemmvorrichtung - die Verwendung
längerer Schraubentellerfedern 6" ermöglicht. Eine Draufsicht
auf diese Ausgestaltung ist ebenfalls in Fig. 3a, rechts
von der Längsmittellinie dargestellt.
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Die Führung der Schraubentellerfedern 6, 6', 6", erfolgt
bspw. mittels koaxial im Innern der Schraubentellerfedern
angeordneten Bolzen. Erfindungsgemäß sind diese
Führungsbolzen im Bereich der Enden 14, 15 der
Schraubentellerfedern mit abkragenden Schultern versehen, deren
Außendurchmesser etwa dem Innendurchmesser der Schraubentellerfedern
entspricht, so daß eine Führung durch den Bolzen 18
lediglich im Bereich der Federenden 14, 15, erfolgt (vgl. Fig.
4). Dadurch wird die Reibung erheblich reduziert.
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Ebenso ist es erfindungsgemäß möglich, die
Schraubentellerfedern nicht an ihrem Innendurchmesser, sondern an ihrem
Außendurchmesser zu führen. Dies erfolgt durch Anbringen
einer Schraubentellerfeder 6 in einer Bohrung 26, die im
Bereich der Federenden 16, 17 den Innendurchmesser der
Bohrung 26 verkleinernde Schultern aufweist, deren lichte
Weite in etwa dem Außendurchmesser der Schraubentellerfeder 6
entspricht, so daß dieser im Bereich der Schultern geführt
wird (vgl. Fig. 5). Selbstverständlich ist diese Art der
Führung auch durch zwei Bohrungen realisierbar, die jeweils
nur eines der beiden Federenden 16 bzw. 17 umgeben und den
Außendurchmesser der Federenden zur Führung beaufschlagen.
Bei diesen beiden Bohrungen kann es sich bspw. um die
Eindrehungen 22 der Fig. 1a handeln.
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Fig. 6 schließlich zeigt einen Längsschnitt durch eine
erfindungsgemäße Klemmvorrichtung, bei der eine
Schraubentellerfeder 19 koaxial zu der zu klemmenden Stange 3
angeordnet ist.