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Die
Erfindung betrifft eine Winkelmesseinrichtung mit zwei relativ zueinander
drehbaren Bauteilen gemäß dem Oberbegriff
des Anspruches 1.
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Derartige
Winkelmesseinrichtungen dienen zur Messung von Drehbewegungen einer
Welle über eine
oder mehrere Umdrehungen. Die Drehbewegung wird dabei entweder inkremental
oder absolut erfasst, der ausgegebene Messwert ist abhängig davon
eine Folge von Zählimpulsen
ein Zählerwert
oder ein Codewort. In Verbindung mit Zahnstangen oder Gewindespindeln
lassen sich mit derartigen Winkelmesseinrichtungen auch lineare
Bewegungen messen. Winkelmesseinrichtungen werden insbesondere bei
Werkzeugmaschinen beziehungsweise Bearbeitungszentren sowohl für die Messung
von linearen als auch rotatorischen Bewegungen eingesetzt. Die Bestimmung
der Drehwinkel auf nur wenige Winkelsekunden genau ist beispielsweise
für Rundtische oder
Schwenkköpfe
von Werkzeugmaschinen, C-Achsen
von Drehmaschinen aber auch bei Druckwerken von Druckmaschinen von
entscheidender Bedeutung. Derartige Winkelmesseinrichtungen werden
häufig
an Stellen eingesetzt, wo vergleichsweise raue Umgebungsbedingen
vorherrschen. So ist das Eindringen von Schmieröl oder Kühlflüssigkeit eine Ausfallursache
von Winkelmesseinrichtungen im Betrieb an Werkzeugmaschinen beziehungsweise
Bearbeitungszentren.
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Aus
der Patentschrift
EP
1245932 B1 der Anmelderin ist eine Winkelmesseinrichtung
bekannt, die Rillen als radial nach außen führende Kanäle im Gehäuse aufweist, mit dem Ziel
ein Eindringen von Verschmutzungen, insbesondere von Flüssigkeiten,
in das Innere der Winkelmesseinrichtung zu vermeiden. Eine ideale
Dichtfunktion dieser Anordnung setzt jedoch enge Toleranzen bezüglich Fluchtungsfehlern (axialer
und radialer Versatz) und zulässigen
Exzentrizitäten
der zu messenden Maschinenteile voraus.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Winkelmesseinrichtung
der eingangs genannten Art zu schaffen, die überaus robust ist und daher
in rauen Umgebungsbedingungen einsetzbar ist, selbst wenn vergleichsweise
grobe Toleranzen der zu messenden Maschinenteile vorgegeben sind.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Schaffung einer Winkelmesseinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 gelöst.
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Demnach
weist die Winkelmesseinrichtung zwei relativ zueinander um eine
Achse drehbare Bauteile auf. Ferner umfasst die Winkelmesseinrichtung eine
am ersten Bauteil angeordnete Teilungsscheibe und eine Abtasteinheit,
die am zweiten Bauteil angeordnet ist, zum Abtasten der Teilungsscheibe.
Zudem umfasst die Winkelmesseinrichtung zur Abdichtung eines Spaltes
zwischen den Bauteilen eine Dichtung. Dabei weist zumindest eines
der Bauteile eine senkrecht zur Achse umlaufende Nut auf, wobei
die Dichtung derart ausgestaltet ist, dass sich ein erster Bereich
der Dichtung innerhalb der Nut an gegenüberliegenden Wänden der
Nut abstützt.
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Mit
Vorteil weist der erste Bereich der Dichtung, welcher für die Anordnung
innerhalb der Nut bestimmt ist, im entspannten Zustand eine größere axiale
Ausdehnung auf, als die axiale Ausdehnung der Nut. Im eingebauten
Zustand ist dann die Dichtung in ihrem ersten Bereich axial vorgespannt,
so dass eine definierte Dichtkraft, z. B. auch bei in die Winkelmesseinrichtung
eingeleiteten Vibrationen vorliegt. Die Nut kann dabei so modifiziert
werden, dass nur eine Wand der Nut als eigentliche Dichtfläche dient,
während
die andere Wand der Nut lediglich zum Einleiten der axialen Vorspannkräfte vorgesehen
ist. Entsprechend kann diese Wand dann auch z. B. über dem Umfang
unterbrochen ausgestaltet sein. Ferner kann die Nut als ein oder
mehrere separate Ringelemente an einem der Bauteile realisiert werden.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der erste Bereich
der Dichtung, welcher für
die Anordnung innerhalb der Nut bestimmt ist, zwei Lippen auf, wobei
sich mit Vorteil die Lippen an unterschiedlichen Wänden der
Nut abstützen.
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Dabei
kann ein Ringbereich der Dichtung, welcher den gemeinsamen Ursprung
der Lippen darstellt, außerhalb
der Nut liegen. Die erfindungsgemäße Winkelmesseinrichtung kann
so ausgestaltet sein, dass nur im ersten Bauteil eine Nut eingearbeitet
ist oder nur im zweiten Bauteil. Alternativ dazu sind aber auch
Bauarten vorteilhaft, bei denen sowohl im ersten Bauteil als auch
im zweiten Bauteil eine oder mehrere Nuten vorgesehen sind. Gerade
bei letztgenannter Variante kann die Dichtung mit Vorteil so ausgestaltet
sein, dass diese mindestens vier Lippen aufweist, von denen eine
Teilanzahl innerhalb der Nut des ersten Bauteils und eine entsprechende
Teilanzahl innerhalb der Nut des zweiten Bauteils zu liegen kommt.
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In
vorteilhafter Weise umfasst die Winkelmesseinrichtung eine elastische
Kupplung, wobei die Kupplung so konfiguriert ist, dass eine relative
Verschiebung der beiden Bauteile zueinander zumindest in einer Richtung
mit einer Komponente parallel zur Achse ermöglicht ist, wobei die Kupplung
in tangentialer Richtung überaus
drehsteif ausgestaltet ist. Die spezielle Bauweise der Winkelmesseinrichtung
lässt eine
relative axiale Bewegung der beiden Bauteile zu, ohne dass dadurch
die Dichtwirkung der Dichtung beeinträchtigt wäre. Entsprechend ist so sichergestellt,
dass die zur Wand der Nut senkrechten Andrückkräfte der Dichtung weitgehend
unabhängig von
der Auslenkung der ausgleichenden Kupplung sind. Entsprechend ist
die Dichtigkeit über
dem gesamten Auslenkbereich der Kupplung gewährleistet.
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Mit
Vorteil ist die elastische Kupplung so konfiguriert, dass eine relative
Verschiebung der beiden Bauteile zueinander in einer Richtung mit
einer radialen Komponente, bezogen auf die Achse, ermöglicht ist,
und die Dichtung relativ zu den gegenüberliegenden Wänden der
Nut innerhalb der Nut radial verschieblich ist. Dies ist besonders
vorteilhaft, wenn die Kupplung Ausgleichsbewegungen sowohl in axialer als
auch radialer Richtung ermöglicht.
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Es
hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Dichtung einen biegeweichen
zweiten Bereich aufweist, der sich außerhalb der Nut befindet und
insbesondere räumlich
gekrümmt
ausgestaltet ist, so dass der zweite Bereich beispielsweise einen
Bogen bzw. eine umlaufende Wölbung
aufweist. Unter räumlich gekrümmt ist
eine im Raum gekrümmte
Geometrie zu verstehen. Diese Ausgestaltung erlaubt axiale und radiale
Verformungen der Dichtung, ohne dass dabei merkliche Kräfte in den
wirksamen Dichtbereich (z. B. in die Lippen) eingeleitet würden, was
eine sichere Abdichtung zur Folge hat. Hinzu kommt, dass durch diese
Maßnahmen
keine merklichen Schwankungen des für die relative Drehung der
beiden Bauteile erforderlichen Drehmoments auftreten, unabhängig von
der Verformung der Dichtung, bzw. unabhängig vom Grad der Auslenkung
der Kupplung. Gerade bei den hochempfindlichen Winkelmesseinrichtungen
ist dieses Verhalten wichtig.
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Das
erste Bauteil, welches mit Vorteil als Rotor dient und innen liegen
kann, kann mit der Nut versehen sein. Dadurch wird vorhandene Flüssigkeit durch
Zentrifugalkräfte
von der wirksamen Dichtfläche
weg befördert.
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Des
Weiteren kann die Winkelmesseinrichtung so ausgestaltet sein, dass
das erste Bauteil mit dem zweiten Bauteil über ein Wälzlager verbunden ist.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist dem zweiten Bauteil zusätzlich zur
Abtasteinheit ein Gehäuse
zugeordnet. Dabei ist die Abtasteinheit axial starr, aber relativ
zum ersten Bauteil drehbar, mit dem ersten Bauteil verbunden, wobei
die Kupplung das Gehäuse
mit der Abtasteinheit derart verbindet, dass auch eine relative
Verschiebung der Abtasteinheit zum Gehäuse zumindest in einer Richtung
mit einer Komponente parallel zur Achse ermöglicht ist. Somit ist nicht
nur das erste Bauteil axial zum zweiten Bauteil verschieblich angeordnet,
sondern insbesondere auch die Abtasteinheit zum Gehäuse. Die
Dichtung zur Abdichtung eines Spaltes zwischen dem ersten Bauteil
und dem zweiten Bauteil liegt gemäß dieser Ausgestaltung am ersten
Bauteil und am Gehäuse
an.
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Entsprechend
kann die Kupplung nicht nur axial, sondern auch radial elastisch
ausgestaltet sein. In diesem Fall kann die Abtasteinheit radial
starr, aber relativ zum ersten Bauteil drehbar, mit dem ersten Bauteil
verbunden sein, wobei die Kupplung das Gehäuse mit der Abtasteinheit derart
verbindet, dass auch eine relative Verschiebung der Abtasteinheit zum
Gehäuse
in einer Richtung mit einer radialen Komponente, bezogen auf die
Achse, ermöglicht
ist, wobei die Dichtung relativ zu den gegenüberliegenden Wänden der
Nut innerhalb der Nut radial verschieblich ist.
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Mit
Vorteil umschleißt
das zweite Bauteil das erste Bauteil teilweise oder vollständig (um
360°), wobei
dann die Dichtung drehfest am außen liegenden zweiten Bauteil
befestigt ist, während
die Dichtung an zumindest einer Dichtfläche des innen liegenden ersten
Bauteils gleiten kann. Dadurch wirken Zentrifugalkräfte in der
Weise, dass Verschmutzungen, insbesondere Flüssigkeiten von der Dichtfläche weg
gefördert
werden. Darüber
hinaus sind an den Bereich des zweiten Bauteils, an welchem die
Dichtung fixiert ist, vergleichsweise geringe Anforderungen bezüglich dessen
Härte gestellt,
da ein Einlaufen der Dichtung hier nicht möglich ist. Dagegen ist das erste
Bauteil häufig
als Welle oder Hohlwelle ausgestaltet, die aus anderen Gründen ohnehin
aus hartem Material hergestellt ist, so dass dort ein Einlaufen
der Dichtung in der Gleitfläche
ohne weitere Zusatzmaßnahmen
unterbunden ist.
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Wenn
die Teilungsscheibe mit Hilfe eines optischen Prinzips abgetastet
wird, werden höchste
Genauigkeiten bei der Bestimmung der betreffenden Winkelstellung
erreicht. Allerdings sind Winkelmesseinrichtungen, die nach diesem
Prinzip arbeiten gegenüber
Verschmutzungen vergleichsweise empfindlich. Unter anderem aus diesen
Gründen
ist es besonders vorteilhaft, wenn die neue der Winkelmesseinrichtung
dieses Prinzip aufweist.
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Zusätzliche
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen zu
entnehmen.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung werden bei der nachfolgenden
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
anhand der Figuren deutlich werden.
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Es
zeigen die:
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1 eine
Teil-Schnittdarstellung durch die Winkelmesseinrichtung,
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2 eine
Detailansicht einer Nut der Winkelmesseinrichtung,
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3a eine
Schnittdarstellung durch eine Dichtung der Winkelmesseinrichtung,
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3b Detailzeichnung
einer Lippe der Dichtung.
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In
der 1 ist ein Teil-Längsschnitt durch eine Winkelmesseinrichtung
dargestellt. Die Winkelmesseinrichtung umfasst ein erstes Bauteil,
das im vorgestellten Ausführungsbeispiel
als Rotor 1 bezeichnet werden kann. Der Rotor 1 ist
um eine Achse A relativ zu einem zweiten Bauteil drehbar, wobei
das zweite Bauteil hier als Stator 2 ausgestaltet ist.
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Eine
Komponente des Rotors 1 ist eine Hohlwelle 1.2,
deren hohlzylindrischer Innenraum zur drehfesten Aufnahme einer
zu messende Welle vorgesehen ist. Am Rotor 1, bzw. an der
Hohlwelle 1.2 ist weiterhin eine Teilungsscheibe 1.1,
auf der eine Winkelskalierung aufgebracht ist, befestigt. Ferner
ist in die zum Rotor 1 gehörende Hohlwelle 1.2 eine über deren
Umfang umlaufende Nut 1.21 eingearbeitet. Diese Nut 1.21 weist,
gemäß der 2 zwei
parallele, einander gegenüberliegende
und orthogonal zur Achse A ausgerichtete Wände 1.211 auf und
wird radial durch den Nutgrund 1.212 begrenzt. Der axiale Abstand,
bezogen auf die Achse A, der Wände 1.211 hat
die Ausdehnung N. An der Hohlwelle 1.2, welche aus hartem
Stahl gefertigt ist, ist überdies
ein Innenring eines Wälzlagers 5 befestigt.
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Der
Stator
2 umfasst ein Gehäuse
2.1, das aus zwei
Teilen besteht, wobei beide Teile stirnseitig Rillen bzw. Kanäle
2.11 aufweisen,
wie sie in der Patenschrift
EP
1245932 B1 der Anmelderin beschrieben sind. Durch die Bohrungen
2.12 werden
die beiden Teile des Gehäuses
2.1 starr
miteinander verschraubt, wobei ein O-Ring
6 für die Abdichtung
der Fügefläche vorgese hen
ist. Das Gehäuse
2.1 wird
in der Regel für
den Messbetrieb an einem Maschinenteil starr fixiert.
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Im
Gehäuse 2.1 befindet
sich eine so genannte Abtasteinheit 2.2, welche eine LED 2.22,
einen Kondensor 2.23, eine Abtastplatte 2.24 und
eine Abtastplatine 2.21 umfasst. Die als Lichtquelle dienende
LED 2.22, sendet Licht durch einen Kondensor 2.23 und
danach durch die Teilungsscheibe 1.2. Sodann durchdringt
das Licht eine mit einer Strichteilung versehene Abtastplatte 2.24.
Die LED 2.22 der Kondensor 2.23 und die Abtastplatte 2.24 sind
dabei dem Stator 2 der Winkelmesseinrichtung zugeordnet. Dagegen
ist die Teilungsscheibe 1.1, wie bereits erwähnt, an
der drehbaren Hohlwelle 1.2 befestigt. Die Teilungsscheibe 1.1 vermag
durch ihre Winkelskalierung das eingestrahlte Licht entsprechend
der Winkelstellung der Hohlwelle 1.2 zu modulieren. Das
modulierte Licht durchdringt dann die strukturierte Abtastplatte 2.24 bevor
es auf Fotodetektoren (in den Figuren nicht dargestellt) der Abtastplatine 2.21 trifft. Dadurch
entstehen fotoelektrische Signale, welche die Information über die
Winkelstellung der Hohlwelle 1.2 enthalten. Die fotoelektrisch
erzeugten Signale werden durch elektronische Bauteile auf der Abtastplatine 2.21 weiterverarbeitet.
Die weiterverarbeiteten Positionssignale werden schließlich über ein
Kabel an ein weiteres Gerät
ausgegeben, z. B. an eine Steuerungseinrichtung einer Maschine.
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Mit
dem Gehäuse 2.1 ist
ein Teil einer Kupplung 3 durch eine Schraubverbindung
fest verbunden. Weiterhin ist ein anderer Teil der Kupplung 3 auch
an der Abtasteinheit 2.2 festgelegt. Der Außenring
des Wälzlagers 5 ist
ebenfalls an der Abtasteinheit 2.2 fixiert. In der Praxis
sind die zu messende Welle und das Maschinenteil, an dem das Gehäuse 2.1 starr
montiert ist, nicht exakt zueinander ausgerichtet. Unter Verwendung
der Kupplung 3 kann eine zu messende Welle starr und drehfest
in die Hohlwelle 1.2 der Winkelmesseinrichtung montiert
werden, während
das Gehäuse 2.1 fest
an dem Maschinenteil angebaut werden kann, denn es werden durch
die Kupplung 3 innerhalb der zulässigen Toleranzen der radiale
und axiale Versatz sowie Exzentrizitäten ausgeglichen. Das heißt, dass
während
einer Umdrehung der Hohlwelle 1.2 Verbiegebewegungen in
der Kupplung 3 stattfinden, und zwar sowohl in axialer
als auch radialer Richtung, abhängig
von den tatsächlich vorliegenden
Fehlern. Die Ausgleichsbewegungen verursachen gleichermaßen axiale
und radiale Relativbewegungen zwischen dem Gehäuse 2.1 und der Hohlwelle 1.2,
so dass beispielsweise die Spaltbreite zwischen dem Gehäuse 2.1 und
der Hohlwelle 1.2 veränderlich
ist. Zur Abdichtung der ringförmigen Spalte
ist jeweils eine Dichtung 4 vorgesehen.
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Gemäß der 3a besteht
die Dichtung 4 im Wesentlichen aus drei Bereichen 4.1, 4.2, 4.3.
Der erste Bereich 4.1 ist derjenige Bereich, welcher in
die Nut 1.21 eingeführt
wird. In diesem ersten Bereich 4.1 weist die Dichtung 4 zwei
Lippen 4.11, 4.12 (siehe auch 3b)
auf. Im entspannten Zustand der Dichtung 4 beträgt die axiale
Ausdehnung der Dichtung 4, also das Außenmaß, im ersten Bereich 4.1 die
Größe Z.
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Der
zweite Bereich 4.2 umfasst einen ein Ringbereich 4.21,
welcher den gemeinsamen Ursprung der zwei Lippen 4.11, 4.12 darstellt
und der außerhalb
der Nut 1.21 zu liegen kommt. Ferner ist dem zweiten Bereich 4.2 der
Dichtung 4 ein Bogen 4.22 zuzuordnen, welcher
durch seine geringe Wandstärke
und seine räumlich
gekrümmte
Ausgestaltung biegeweich ist.
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Schließlich dient
der dritte Bereich 4.3 der Dichtung 4 zum dichtenden
Kontakt mit dem Stator 2, insbesondere mit dem Gehäuse 2.1.
Hierfür
ist die Dichtfläche 4.32 vorgesehen.
Die Dichtung 4 ist dabei drehfest mit dem Stator 2 verbunden.
Damit die Dichtung 4 genügend steif ist, bzw. genügend Andruckkraft
erzeugen kann, ist ein L-förmiger
Stahlring 4.31 innerhalb der Dichtung 4 in deren
dritten Bereich 4.3 vorgesehen.
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Jede
Dichtung 4 ist in der Winkelmesseinrichtung so montiert,
dass diese jeweils vorgespannt am Gehäuse 2.1 festgelegt
ist. Die einander gegenüberliegenden
Lippen 4.11, 4.12 befinden sich dann in der Nut 1.21 und
gleiten im Betrieb der Winkelmesseinrichtung entlang der Wände 1.211, 1.212 der
jeweiligen Nut 1.21.
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Dadurch,
dass die Dichtung 4 im entspannten Zustand eine größere axiale
Ausdehnung Z aufweist als die axiale Ausdehnung N der Nut 1.21,
sind die Lippen 4.11, 4.12 stets in der Weise
vorgespannt, dass diese gegen die Wände 1.211 der Nut 1.21 drücken. Dies
ist auch gewährleistet,
wenn die Hohlwelle 1.2 relativ zum Gehäuse 2.1 axial versetzt
ist, wenn also die Kupplung 3 axial in Folge axialer Ausgleichsbewegungen
ausgelenkt ist. Infolge der axialen Andrückkräfte ist prinzipiell schon durch
die jeweils außen
liegende Lippe 4.12 sichergestellt, dass keine Verschmutzung,
wie Schmier- oder Kühlflüssigkeit
in das Innere der Winkelmesseinrichtung eindringen kann. Unterstützt wird
dieses Verhalten auch dadurch, dass die jeweils außen liegende
Lippe 4.12 oberhalb des Grundes der Rille 2.11 liegt,
wenn die Winkelmesseinrichtung so angeordnet ist, dass die betreffende
Stirnseite des Gehäuses 2.1 nach
oben weist.
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Der
Ringbereich 4.21, welcher den gemeinsamen Ursprung der
zwei Lippen 4.11, 4.12 darstellt, kommt außerhalb
der Nut 1.21 zu liegen, damit eine optimierte Biegeeigenschaft
der Lippen 4.11, 4.12 gegeben ist. Gerade bei
Winkelmesseinrichtungen ist es wichtig, dass der Bauraum möglichst
gering gehalten werden muss. Somit ist es von Vorteil, wenn die
Nut nicht unnötig
tief ausgestaltet ist. Andererseits kann die Dichtwirkung erhöht werden,
wenn die Lippen 4.11, 4.12 eine gewisse Mindestlänge nicht unterschreiten.
Die inneren Lippen 4.11 der Dichtungen 4 dienen
bezüglich
der Dichtungsfunktion im gezeigten Ausführungsbeispiel lediglich zur
zusätzlichen
Sicherheit. Entsprechend kann in Abwandlung des Ausführungsbeispiels
auch eine Anordnung gewählt
werden, bei der die inneren Lippen 4.11 keine eigentliche
Dichtfunktion erfüllen
können,
sondern im Wesentlichen nur der axialen Vorspannung innerhalb der
Nut 1.21 dienen.
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Durch
die neue Gestaltung der Winkelmesseinrichtung ist aber auch eine
optimale Dichtwirkung erreichbar, wenn, wie im gezeigten Ausführungsbeispiel,
die Kupplung 3 so ausgestaltet ist, dass diese radiale
Ausgleichbewegungen in Folge von Exzentrizitäten oder Radialversatz ermöglicht.
Zu diesem Zweck sind die Lippen 4.11, 4.12 so
in der Nut 1.21 angeordnet, dass diese im entspannten Zustand
der Kupplung 3 radial etwa in der Mitte der Wände 1.211, 1.212 liegen.
Auf diese Weise können
die Lippen 4.11, 4.12 radial nach innen oder außen wandern, wenn
dies durch die Ausgleichsbewegungen vorgegeben wird, ohne dass die
Lippen 4.11, 4.12 den Kontakt zu den als Dichtflächen dienenden
parallelen Wänden 1.211, 1.212 verlieren
oder ungünstig
verformt würden.
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Die
spezielle Ausbildung des zweiten Bereiches 4.2 der Dichtung 4 dient
weiterhin zur Optimierung der Dichtfunktion. Durch die biegeweiche
Ausgestaltung in Verbindung mit der räumlich gekrümmten Geometrie ist es gelungen,
dass über
den zweiten Bereich 4.2 der Dichtung keine die Dichtwirkung störenden Verformungen
in die Lippen 4.11, 4.12 eingeleitet werden, auch
wenn die Kupplung 3 Ausgleichsbewegungen ausführt.
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Durch
die neue Winkelmesseinrichtung ist es insbesondere nunmehr möglich Winkelstellungen zwischen
einem Maschinenteil und einer relativ dazu drehenden Welle zuverlässig und
genau zu messen, selbst wenn vergleichsweise große zulässige Toleranzen für deren
radialen und axialen Versatz sowie für deren Exzentrizität zugelassen
werden. Somit können
jetzt im Vergleich zu herkömmlichen
Winkelmesseinrichtungen Toleranzen akzeptiert werden, die etwa um
den Faktor zwei größer sind.