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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung mit den oberbegrifflichen
Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Eine
Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung
ist z.B. in Art eines Piezo-Ring-Motors aus
EP 1098429 A2 bekannt. Diese
Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung
weist eine Welle mit einer Wellenachse, eine Antriebseinrichtung,
welche Festkörperaktoren
aufweist, zum Versetzen der Welle in eine Rotation um die Wellenachse
und ein Lager mit einer Lagerwandung zum Lagern der Welle auf. Die
Antriebseinrichtung ist im Wesentlichen ringförmig mit einer Durchgangsöffnung ausgebildet,
wobei der Innendurchmesser der Durchgangsöffnung etwas größer als
der Außendurchmesser
der hindurchführenden
Welle ausgebildet ist. Durch die in radialer Richtung auf die Antriebseinrichtung
einwirkenden Festkörperaktoren wird
die Antriebseinrichtung gegenüber
der Welle in eine seitliche Hin- und
Herbewegung versetzt, welche die an dem Innenumfang der Durchgangsöffnung anliegende
Welle in die Rotation versetzt.
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Erforderlich
ist bei einer solchen Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung
eine mechanisch steife Verbindung von Welle und Nabe mittels z.B.
einem Wälzlager
als dem Lager. Die Welle wird dazu üblicherweise im Wälzlager
verpresst, da diese Verfahrensweise mit hoher Genauigkeit und definiertem Endergebnis
technisch gut handhabbar ist. Jedoch ist eine Presspassung hinsichtlich
einer reversiblen Montage und Demontage hinderlich. Typischerweise verwendete
Abzieher zur Demontage der Welle aus dem Lager können erst ab bestimmten größeren Bauteildimensionen
eingesetzt werden, welche im Falles einer oftmals vorteilhaft gering
dimensionierbaren Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung
nicht erreicht werden.
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Gerade
bei einer gering dimensionierten Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung ist aber eine reversible
Montage verschiedener, zylindrischer Wellen in kleine Wälzlager
mit typischem Durchmesser von z.B. 10 mm unabdingbar, da unterschiedliche Materialien
und Oberflächenbehandlungen
der Welle die Leistungsparameter des Motors entscheidend beeinflussen.
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Zur
Verspannung von Wellen und Naben durch axiale Krafteinleitung gibt
es zwar kommerzielle Lösungen,
diese sind für
den erforderlichen Dimensionsbereich einer gering dimensionierten
Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung
jedoch nicht verfügbar.
Besonders nachteilhaft ist, dass für diese Elemente zur Vorspannung
der Wälzlager
aufwändige Zusatzelemente
konstruiert und angebaut werden müssen.
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Neben
dem Austausch der Wellen bei bestehenden Antriebsvorrichtungen ist
es auch bei der Entwicklung notwendig, eine Vielzahl von Wellen
herzustellen und auf ihre Funktion in der Antriebsvorrichtung zu überprüfen.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Bauteilkombination bereitzustellen,
die eine gering dimensionierte Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung
ermöglicht.
Insbesondere soll ein leicht lösbarer aber
doch mechanisch steifer Form- oder Kraftschluss zwischen einem Lagerinnenring
bzw. einer Nabe und einer Wellenoberfläche geboten werden.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw. ein Verfahren zu deren
Montage mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
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Bevorzugt
wird demgemäß insbesondere eine
Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung
mit einer Welle mit einer Wellenachse, einer Antriebseinrichtung,
welche Festkörperaktoren
aufweist, zum Versetzen der Welle in eine Wellenrotation um die
Wellenachse und einem Lager mit einer Lagerwandung zum Lagern der
Welle, wobei ein erstes ein- oder mehrteiliges Spannelement innerhalb
der Lagerwandung achsparallel an der Welle anliegt und ein zweites
Spannelement zwischen dem ersten Spannelement und der Lagerwandung
angeordnet ist, wobei das erste Spannelement und das zweite Spannelement
die Welle und die Lagerwandung rotationsfest miteinander verspannen
und wobei das erste Spannelement und/oder das zweite Spannelement
eine sich achsparallel verjüngende,
insbesondere konisch verjüngende
Wandung aufweist.
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Insbesondere
bevorzugt wird eine Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung,
bei welcher das erste Spannelement in einer Einsetzrichtung eine
sich verjüngende
Wandung aufweist, insbesondere eine konisch verlaufend abgeschrägte Außenwandung
zum zweiten Spannelement hin aufweist.
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Insbesondere
bevorzugt wird eine Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung,
bei welcher das erste Spannelement eine zylindrische Innenwandung
mit einem Innendurchmesser aufweist, welcher zum Überschieben
geringfügig
größer als
ein Außendurchmesser
der Welle ist.
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Insbesondere
bevorzugt wird eine Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung,
bei welcher das erste Spannelement zumindest im Bereich der Verjüngung radial
flexibel nachgebend ausgebildet ist zum Anpressen an die Welle beim
Zusammensetzen mit dem zweiten Spannelement.
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Insbesondere
bevorzugt wird eine Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung,
bei welcher das erste Spannelement zylinderförmig mit zumindest einem achsparallelen
Schlitz ausgebildet ist.
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Insbesondere
bevorzugt wird eine Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung,
bei welcher der Schlitz sich in achsparalleler Richtung nur teilweise
durch die Wandung des ersten Spannelements erstreckt.
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Insbesondere
bevorzugt wird eine Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung,
bei welcher das erste Spannelement einen sich in radialer Richtung
nach außen
erstreckenden Anschlag, insbesondere Kragen aufweist, der vom verjüngten Abschnitt
entfernt ausgebildet ist.
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Insbesondere
bevorzugt wird eine Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung,
bei welcher das zweite Spannelement entgegen einer Einsetzrichtung
des ersten Spannelements eine sich verjüngend, insbesondere konisch
verlaufend abgeschrägte
Innenwandung zum ersten Spannelement hin aufweist.
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Insbesondere
bevorzugt wird eine Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung,
bei welcher das zweite Spannelement eine Außenwandung mit einem Außenumfang
geringfügig
kleiner einem Innenumfang der Lagerwandung zum Einsetzen des zweiten Spannelements
in das Lager und insbesondere zum rotationsfesten Befestigen des
zweiten Spannelements in dem Lager aufweist.
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Insbesondere
bevorzugt wird ein Verfahren zum Befestigen einer Welle in einem
Lager einer Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung
nach einem vorstehenden Anspruch, bei dem das zweite Spannelement
in dem Lager eingesetzt wird, insbesondere rotationsfest befestigt
eingesetzt wird und die Welle und das die Welle achsparallel umgebend
angeordnete erste ein- oder mehrteilige Spannelement in dem Lager
und in dem zweiten Spannelement derart eingesetzt wird, dass das
erste Spannelement von dem zweiten Spannelement rotationsfest gegen
die Welle gepresst wird und sich das erste Spannelement und das
zweite Spannelement gegenseitig rotationsfest verklemmen.
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Bereitgestellt
wird somit insbesondere ein Verspannungsaufbau, der die gleichzeitige
Verspannung einer Welle mit einer Nabe und die Vorspannung von Radial-Wälzlagern
bei Einhaltung geringer Bauteildimensionen erlaubt.
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Insbesondere
eine gering dimensionierte Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung
in Art eines Festkörperaktor-Ring-Motors
ist auf eine radial steife Lagerung der Welle angewiesen. Besteht
hier positives Lagerspiel bzw. Lagerluft, so ist die Funktion des Motors
nicht gewährleistet.
Um negatives Betriebsspiel bzw. eine radiale Vorspannung einzubringen, werden
Schulter-Kugellager oder Kegelrollenlager eingesetzt. Diese zeichnen
sich dadurch aus, dass mit einer axialen Vorspannung auch eine radiale
Verspannung erreicht werden kann. Die dadurch bedingte höhere Reibung
in den Wälzkörpern solcher
Lager fällt
aufgrund der geringen Drehfrequenz des Festkörperaktor-Ring-Motors nicht
negativ ins Gewicht. Die axiale Vorspannung bei einer solchen Anordnung muss
durch Umsetzung des Konzeptes nun nicht mehr durch aufwändige Zusatzelemente
realisiert werden, welche die Bauteildimensionen des Festkörperaktor-Ring-Motors
im Bereich der Welle stark vergrößern würden und
den Aufbau bzw. die Teileherstellung verkomplizieren würden.
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Vorliegend
wird ein Bauteilprinzip angegeben, das die radiale Verspannung der
Welle mit dem Lager bzw. mit dessen Lager-Innenring realisiert und gleichzeitig
für eine
radiale Vorspannung der Wälzlager
sorgt. Zusätzlich
ermöglicht
das Prinzip eine baulich konstruktiv sehr kleine Realisierung, so
dass es zur Integration in neuartige, klein dimensionierte Festkörperaktor-Antriebsvorrichtungen
wie Piezo-Motoren ideal geeignet ist. Mittels der beim Zusammenbau
eingebrachten axialen Kraft ist unter Berücksichtigung des Winkels der
gegenüberliegenden Flanken
und der wirkenden Reibungskräfte
eine definierte radiale Verspannung zum Justieren eines insbesondere
maximalen Betriebsspiels erzielbar.
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Neben
einer erzielbaren definierten Vorspannung bietet sich als weiterer
besonderer Vorteil die einfache spätere Lösbarkeit der Welle aus dem
Lager zu deren Austausch.
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Besonders
vorteilhaft ist, dass diese Anordnung eine gleichzeitige Vorspannung
der Wälzlager erlaubt
und daher keine aufwändigen
Zusatzelemente konstruiert und angebaut werden müssen. Die Vor- und Verspannung
wird mit Hilfe zweier einfach herzustellender Zylinder-Elemente
realisiert.
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Weitere
Vorteile bestehen in der Möglichkeit einer
einfachen, schnellen und kostengünstigen
Herstellung der Bauteile als Drehteile auf einer konventionellen
CNC-Drehmaschine, in einem kompakten Aufbau, in einer schnellen
Montier- und Demontierbarkeit, in einer hohen mechanischen Steifigkeit
der verspannten Teile und in einer O-förmigen Anstellung der Lagerelemente,
was insbesondere vorteilhaft für einen
gering dimensionierten Piezo-Ring-Motor ist. Vorteilhaft ist auch
eine definierte Einbringung einer Wälzlagervorspannung, wobei aufgrund
der beiden jeweils steilen, konischen Flächen der Spannelemente eine
hohe Klemmenergie einbringbar ist, so dass kein einfaches Lösen der
Lagervorspannung möglich ist.
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Das
erste, innere Spannelement weist eine definierte Flexibilität bezüglich einer
Durchmesserverjüngung
auf, vorzugsweise durch die Ausgestaltung mit Schlitzung oder Vereinzelung
in Segmente. Das Außenteil
bzw. äußere zweite
Spannelement wird im Lager vorzugsweise mechanisch fest fixiert, z.B.
mittels Presspassung oder Schweißung.
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Die
beiden Spannelemente werden durch eine axiale Kraft ineinander gedrückt und
führen
so eine Durchmesserverkleinerung des inneren Spannelements herbei.
Die Kraft kann dabei z.B. mit Federn oder Muttern aufgebracht werden.
Die axiale Verschiebung bewirkt gleichzeitig eine Vorspannung der Wälzlager
als einem bevorzugten Lagertyp, wobei diese Kraft bequem über eine
konstruktiv angepasste Biegesteifigkeit des inneren Spannelements
steuerbar ist. Dadurch wird auf einfache Art und Weise eine O-Anstellung
der Wälzlager
erreicht.
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Ein
Ausführungsbeispiel
wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
Schnittansicht einer Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung
mit einer bevorzugten Lageranordnung zum Lagern einer Welle in montiertem Zustand,
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2 die
Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung
gemäß 1 in
einem teilweise montierten Zustand der Welle,
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3 eine
Schnittansicht durch zwei Spannelemente einer solchen Lageranordnung
und
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4 eine
perspektivische Seitenansicht der Spannelemente.
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Wie
dies aus 1 und 2 ersichtlich
ist, besteht eine beispielhafte Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung
aus einer Vielzahl von Einzelkomponenten, wobei die dargestellten
Komponenten um weitere Komponenten ergänzbar sind bzw. gegen gleich wirkende
Komponenten anderer Bauart austauschbar sind. In üblicher
Art und Weise umfasst die Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung
ein Gehäuse 1,
welches die weiteren Komponenten aufnimmt. In dem Gehäuse 1 ist
mittels einer Lageranordnung eine Welle 2 gelagert, wobei
sich eine Wellenachse X der Welle 2 in axialer Richtung
z aus dem Gehäuse 1 heraus
erstreckt. Zum Versetzen der Welle 2 um die Wellenachse
X in eine Wellenrotation Ω dient
eine Antriebsvorrichtung. Die Antriebsvorrichtung besteht im Wesentlichen
aus vorzugsweise zwei oder mehr Festkörperaktoren 30 und
einem Antriebskörper 31, welcher über die
Festkörperaktoren 30 fest
mit einer Innenwandung des Gehäuses 1 verbunden
ist. Die Festkörperaktoren 30 sind
dabei derart angeordnet, dass sie den Antriebskörper 31 relativ zu
dem Gehäuse 1 in
eine Schwingung in einer Ebene senkrecht zur axialen Richtung z
versetzen.
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Die
Schwingung versetzt den Antriebskörper 31 dabei in eine
Hin- und Herbewegung, welche einer scheinbaren Antriebskörpertranslation ω um eine
Antriebskörperachse
Y entspricht. Die Antriebskörperachse
Y translatiert aus Sicht der Wellenachse X kreisförmig um
die Wellenachse X. Der Antriebskörper 31 weist
eine Öffnung 32 auf,
welche insbesondere als Durchgangsöffnung ausgebildet ist. Durch die Öffnung 32 des
Antriebskörpers 31 führt die
Welle 2 hindurch, wobei der Außendurchmesser der Welle 2 geringer
als der Innendurchmesser der Öffnung 32 des
Antriebskörpers
ist. Der Antriebskörper 31 wird durch
die Festkörperaktoren 30 derart
verstellt, dass eine Wellen-Außenwandung 20 vorzugsweise
durchgehend mit einer Antriebskörper-Innenwandung 33 in Reibberührung steht,
so dass durch die Bewegung des Antriebskörpers 31 die Welle 2 in
die Wellenrotation Ω versetzt
wird.
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Die
Lageranordnung zum Lagern der Welle 2 besteht beispielhaft
aus einem Wälzlager
als eigentlichem Lager 4. Entsprechend ist das Lager 4 aus
einem Lager-Außenring 40,
einem Lager-Innenring 41 und zwischen diesen angeordneten
Wälzkörpern 42, beispielsweise
in Form von Kugeln, ausgebildet. Der Lager-Außenring 40 ist fest
mit dem Gehäuse 1 verbunden,
beispielsweise in dieses eingepresst.
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Die
rotationsfeste Befestigung der Welle 2 in dem Lager-Innenring 41 des
Lagers 4 erfolgt mittels zumindest zweier Spannelemente 5, 6.
Optional können
eines oder beide der Spannelemente 5, 6 jeweils auch
mehrteilig ausgebildet sein. Wesentlich ist, das zumindest eines
der beiden Spannelemente eine sich achsparallel verjüngende,
insbesondere konisch verjüngende
Wandung aufweist. Sofern beide Spannelemente 5, 6 eine
sich verjüngende
Wandung aufweisen, verjüngt
sich die Wandung des ersten, inneren Spannelements 6 in
Einschubrichtung, d. h. entgegen der axialen Richtung z, während sich
die Wandung des zweiten, äußeren Spannelements 5 entgegen
der Einsetzrichtung des ersten, inneren Spannelements 6,
d.h. in axialer Richtung z verjüngt.
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Wie
aus den 1–4 ersichtlich
ist, bestehen besonders bevorzugte Spannelemente 5, 6 aus
zwei im wesentlichen zylindrischen Körpern, deren Wandungen eine
entsprechende Verjüngung
in bzw. entgegen der axialen Richtung z aufweisen. Die Verjüngung erfolgt
dabei unter einem Winkel α,
dessen Steilheit einen Umsetzungsfaktor zwischen einer axial wirkenden
Kraft Fz zu einer radial wirkenden Kraft Fr bestimmt.
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Das
erste, innere Spannelement 6 weist vorzugsweise eine zylindrische
Bohrung 60 mit einer Innenwandung 61 auf, wobei
der Durchmesser der zylindrischen Bohrung bzw. Durchgangsöffnung 60 so gewählt ist,
dass das innere Spannelement 6 über die Außenwandung 20 der
Welle 2 geschoben werden kann, wobei es sich vorzugsweise
bereits anschmiegen sollte. Eine Außenwandung 62 des
inneren Spannelements 6 verläuft relativ zu der Innenwandung 61 unter
dem Winkel α und
sich entgegen der axialen Richtung z verjüngend.
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Um
ein Anspannen des entgegen axialer Richtung z vorderseitigen Endes
des inneren Spannelements 6 an die Welle 2 zu
ermöglichen,
wenn eine radiale Kraft Fr durch Einsetzen in das zweite, äußere Spannelement 5 einwirkt,
ist die Wandung des inneren Spannelements 6 elastisch ausgebildet.
Besonders einfache Elastizität
wird durch das Ausbilden eines Schlitzes 63 ermöglicht,
welcher sich achsparallel zur Wellenachse X, d. h. in axialer Richtung
z durch das innere Spannelement 6 erstreckt. Bei der dargestellten
Ausführungsform
erstreckt sich der Schlitz 63 durch die gesamte Länge des
inneren Spannelements. Jedoch sind auch Ausführungsformen umsetzbar, bei
denen sich der Schlitz 63 von der vorderen Seite aus nur
ein Teil oder gar nicht durch das innere Spannelement 6 erstreckt.
Anstelle eines Schlitzes können
auch Einkerbungen zur Schwächung
eines ansonsten nicht ausreichend elastischen Wandungsmaterials
eingebracht werden. Insbesondere ist auch der Einsatz mehrere kreissegmentförmiger Einzelelemente
möglich,
welche in ihrer Gesamtheit dann das innere Spannelement 6 ausbilden.
Die Schlitzung mittels des Schlitzes 63 bietet den Vorteil
einer definierten Biegesteifigkeit.
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Vorzugsweise
weist das innere Spannelement 6 außerdem einen Anschlag oder
Kragen 64 am rückseitigen
Ende auf, welcher zum einfacheren Aufbringen einer axialen Kraft
Fz entgegen der axialen Richtung z zum Einsetzen bzw. in axialer
Richtung z zum Demontieren und Herausnehmen des ersten, inneren
Spannelements 6 bezüglich
des zweiten, äußeren Spannelements 5 dient.
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Das
zweite, äußere Spannelement 5 ist ebenfalls
vorzugsweise hülsenförmig mit
einer Bohrung bzw. Durchgangsöffnung 53 ausgebildet.
Eine Innenwandung 51 der Bohrung 53 verläuft unter
einem Winkel, insbesondere dem Winkel α zu einer Außenwandung 52 des äußeren Spannelements 5.
Entgegen der axialen Richtung z verbreitert sich dabei die Wandung
entsprechend dem Winkel α.
Vorzugsweise weist auch das äußere Spannelement 5 einen Anschlag
bzw. Kragen 54 in Art einer Borde auf, um einen Anschlag
für das
Einsetzen des äußeren Spannelements 5 in
der Durchgangsöffnung
bzw. Innenwandung 43 des Lager-Innenrings 41 auszubilden. Vorzugsweise
ist die Außenwandung 52 des äußeren Spannelements 5 zylindrisch
ausgeführt.
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Zur
Montage wird das äußere Spannelement 5 in
einem ersten Montageschritt in den Lager-Innenring 41 eingesetzt
und z. B. per Presspassung darin fixiert. Auch andere Befestigungsmöglichkeiten
wie eine Verschweißung
bieten sich an. In einem zweiten Montageschritt wird die Welle 2 mit
dem übergeschobenen
ersten, inneren Spannelement 6 entgegen der axialen Richtung
z in die Durchgangsöffnung 53 des zweiten, äußern Spannelements 5 eingeschoben. Gegebenenfalls
kann auch nach dem Einsetzen der Welle 2 nachträglich das
innere Spannelement 6 über
die Welle 2 geschoben werden, vorzugsweise ohne Kraftaufwand
geschoben werden, bis die Außenwandung 62 des
inneren Spannelements 6 mit der Innenwandung 51 des äußeren Spannelements verspannend
in Eingriff tritt.
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Besonders
vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen,
bei denen die Außenwandung 62 des inneren
Spannelementes 6 unter dem gleichen Winkel α verläuft, wie
die Innenwandung 51 des äußeren Spannelements 5.
Bevorzugte Winkel α liegen
gemäß erster
Versuche im Winkelbereich von 1°–5°, wobei auch
davon abweichende Winkelbereiche eine Umsetzung des Grundprinzips
ermöglichen.
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Beim
axialen Ineinanderschieben der beiden Spannelemente 5 und 6 mit
einer axialen Kraft Fz kommt es aufgrund der steilen konischen Gegenflächen zu
einer effektiven radialen Kraft Fr in radialer Richtung r. Diese
lässt sich
in Abhängigkeit
eines Winkels α der
Flanken bei Vernachlässigung
von Reibung durch Fr = Fz·1/tan(α)beschreiben. Bei kleinen
Winkeln α werden
demnach enorm große
radiale Kräfte
Fr erzeugt, die das innere Spannelement 6 aufgrund seiner
Flexibilität
elastisch verformen und so dessen Innendurchmesser verkleinern.
Dadurch kommt es zum Anlegen der Innenwand des inneren Spannelements 6 an
die Welle 2. Aufgrund einer geeigneten Spiel-Passungsausführung des
inneren Spannelements 6 und der Welle 2 sind nur
sehr kleine Durchmesserdifferenzen zu überbrücken, bevor eine Verpressung
dieser beiden Teile stattfindet.
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Besonders
vorteilhaft ist es, bei dem inneren Spannelement 6 und
der Welle 2 eine hohe Kreis- und Zylindergenauigkeit bei
der Fertigung einzuhalten, denn dadurch wird eine hohe radiale Steifigkeit erreicht.
Die Herstellung kann vorzugsweise mit Hilfe moderner CNC-Maschinen
vorgenommen werden. Zusätzlich
werden die konische Innenfläche
des äußeren Spannelements 5 und die konische
Außenfläche des
inneren Spannelements 6 im Durchmesser derart gestaltet,
dass beim Überwinden
einer definierten Eindringung des inneren Spannelements 6 in das äußere Spannelement 5 bereits
das Anlegen von deren Flä chen
beginnt, so dass die beiden Teile nicht bis auf Anschlag der Kragen 54, 64 ineinander
geschoben werden können.
Das Ineinanderschieben erfolgt dabei aufgrund des steilen Winkels α vorteilhafterweise
ohne größeren Kraftaufwand
in bzw. entgegen axialer Richtung z.
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Insbesondere
kann das innere Spannelement 6 anstelle oder zusätzlich zu
einer unter dem Winkel α verlaufenden
Außenwand
auch eine unter einem Winkel verlaufende Innenwand aufweisen. Wesentlich
ist, dass aus Sicht der Einsetzrichtung des inneren Spannelements 6 eine
Verjüngung
des inneren Spannelements 6 und/oder eine Verbreiterung
des äußeren Spannelements 5 ausgebildet
ist.
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Wälzlager,
die eine hohe radiale Steifigkeit ohne Spiel aufweisen sollen, werden
zum Erzielen der Steifigkeit vorgespannt. Bei bevorzugt verwendeten
Schulter- oder Kegelrollenlagern geschieht das am einfachsten durch
axialen Versatz zwischen dem Lager-Innenring 41 und dem
Lager-Außenring 40.
Im Falle des bevorzugten Piezo-Ring-Motors ist der Lager-Außenring 40 fest
mit dem Gehäuse 1 des
Antriebs verpresst, so dass nur dem Lager-Innenring 21 Bewegungsfreiheit
verbleibt. Durch das axiale Verschieben des Lager-Innenrings 41 entgegen
der axialen Richtung z, bzw. in der Darstellung gemäß 1 und 2 nach
unten, legen sich die Wälzkörper 42 des
Lagers 4 aneinander an und ein etwaiges Betriebsspiel gerät zu Null.
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Ein
weiteres Verschieben führt
zu einer Lager-Vorspannung, die bei schnell laufenden Lagern 4 zu
erhöhtem
Verschleiß und
vorzeitigem Ausfall führen
kann, was im Falle eines langsam drehenden Piezo-Ring-Motors als
der besonders bevorzugten Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung
aber kein Problem darstellt. Entsprechend muss diesbezüglich bei der
Montage vorteilhafterweise keine besondere Aufmerksamkeit herrschen.
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Die
Lager-Vorspannung lässt
sich ohne Aufwand mit dem vorgestellten Prinzip gleichzeitig mit der
Montage erreichen, denn vor einer Verspannung von Lager-Innenring 41 und
Welle 2 weicht das äußere Spannelement 5 erst
in axialer Richtung z aus und sorgt so für das Anlegen der Wälzkörper 42 aneinander.
Anschließend
dringt das innere Spannelement 6 in das äußere Spannelement 5 ein
und bewirkt sowohl eine axiale Kraft Fz als auch eine radiale Kraft Fr.
Liegt noch keine Klemmwirkung zwischen innerem Spannelement 6 und
Welle vor, so steigt auch die axiale Kraft auf das innere Spannelement 5 an. Der
Anstieg und die Begrenzung der axialen Kraft Fz und durch die Übersetzung
auch ein Anstieg der radialen Kraft Fr ist neben der Durchmesserdifferenz der
Innenwandung von Spannelement 6 und der Außenwandung
der Welle 20 im wesentlichen durch die Biegesteifigkeit
des flexiblen inneren Spannelements 6 und insbesondere
für den
Fall einer Schlitzung bestimmt. Das ist erwünscht, denn durch den relativ „weichen" Federwiderstand
bzw. eine entsprechende mechanische Biegesteifigkeit kann sehr viel
Spannenergie in die Wellen-Hülsen-Verbindung
eingebracht werden. Entsprechend wird ein leichtes Lösen der Verspannung
verhindert. Dies würde
den Piezo-Ring-Motor in seiner Funktion gefährden, so dass letztendlich
der definierte Anstieg der radialen Kraft Fr zusammen mit dem Anstieg
der axialen bzw. achsparallelen Kraft Fz gewünscht ist.
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Durch
die applikations-spezifische Ausführung des inneren Spannelements 6 insbesondere hinsichtlich
Wanddicke und Borden- bzw. Kragenform lässt sich die gewünschte Biegesteifigkeit
einfach erreichen.
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Zusätzlich wird
mit diesem Aufbau vorteilhafterweise eine O-Anstellung der Lagerelemente erreicht,
die gegenüber
einer X-Anstellung
wesentlich stabiler gegenüber
Kippmomenten ist.
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Das
Lösen der
Ver- und Vorspannung geschieht sehr einfach durch Wegnehmen der
axialen Kraft Fz, beispielsweise durch Abnehmen einer Vorspannungs-Mutter,
welche zum Einsetzen und Spannen des ersten, inneren Spannelements 6 dient
und z. B. auf einem Gewinde der Welle 2 abgestützt ist. Das
innere Spannelement 6 lässt
sich anschließend mit
leichter Kraft aus dem Konus des äußeren Spannelements 5 entfernen,
so dass abschließend
die Welle 2 entnehmbar ist. Damit wird eine reversible und
mechanisch steife Montier- und Demontierbarkeit der Komponenten
eines Piezo-Ring-Motors als der Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung möglich.