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Die
Erfindung betrifft einen Linearantrieb zur axialen Kraftübertragung
von einem stehenden Teil auf ein linear bewegliches Teil. Der Linearantrieb
enthält einen Antrieb, Beispielsweise einen Elektromotor
mit transversaler Flussführung, eine Gewindespindel mit
einer Wälzlagermutter. Dabei kann mit dem Antrieb entweder
die Gewindespindel oder die Wälzlagermutter angetrieben
werden. Wird vom Antrieb die Gewindespindel drehend angetrieben,
erfolgt die Kraftübertragung auf die nicht drehende Wälzlagermutter,
welche am linear bewegten Teil befestigt ist. Wird die Wälzlagermutter
angetrieben, erfolgt die Kraftübertragung auf die nicht drehende
Gewindespindel, welche am linear bewegten Teil befestigt ist. Die
Linearführung zwischen stehendem Teil und bewegtem Teil
ist nicht Bestandteil der Erfindung.
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Stand der Technik
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Linearantriebe:
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Elektromotorisch
angetriebene Zylinder zum Beispiel als Ersatz für Pneumatikzylinder
werden im Maschinen- und Anlagenbau usw. noch selten eingesetzt.
Das liegt vor allem am hohen Preis, an der Zuverlässigkeit
und an der Baugröße elektrischer Antriebe. Um
hohe Kräfte im Dauerbetrieb zu erreichen, muss ein großer
Motor mit einem Schneckengetriebe, welches die Spindel antreibt,
außerhalb des Zylinders angeordnet werden. Hohe Lineargeschwindigkeiten
sind wegen der Reibung zwischen Schneckenrad und Abtriebsrad nicht
erreichbar. Es macht deshalb keinen Sinn, die vom langsam laufenden
Abtriebsrad angetriebene Gewindespindel mit einer fast reibungsfreien
Kugelumlaufmutter auszurüsten.
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In
den Zylinder eingebaute Standartmotoren haben bei Dauerbetrieb ein
zu geringes Drehmoment, um bei gleichem Zylinderdurchmesser die
gleichen Kräfte wie bei Pneumatikzylinder zu erreichen.
Mit angebautem Planetengetriebe sind die hohen Beschleunigungswerte
von Pneumatikzylinder wegen dem hohen Massenträgheitsmoment
nicht erreichbar oder sie sind meist nur im Aussetzbetrieb erreichbar.
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Der
Gesamtwirkungsgrad ist gegenüber Pneumatikzylinder viel
besser, wenn der schlechte Wirkungsgrad der Presslufterzeugung und
Verteilung und der Pneumatikzylinder selbst berücksichtig
wird.
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Rollmutter-Verstellwerk mit Vorschub-Spindel
(Offenlegungsschrift 14 507 64)
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Die
hier beschriebene Anordnung der im rechten Winkel zur Spindel stehenden
Rollmutter erlaubt nur eine sehr geringe Berührungsfläche
zwischen den Umfangsrillen am Innenring der Rollmutter und den Gewindegängen
der Spindel. Die Dicke der Umfangsrillen, die hier am Berührungspunkt
nicht parallel zum Gewinde liegen, ist dünner als die Gewinderillen.
Zusätzlich tritt ein versetztes, Zweifaches Verkannten
der Umfangsrille im Gewindegang auf.
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Es
können nur eingängige Gewindespindeln verwendet
werden, wodurch die Geschwindigkeit der Linearbewegungen stark begrenzt
wird.
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Durch
die angetriebene Rollmutter entsteht eine Unwucht...
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Die
Kraft, die von der sich taumelnd bewegenden Rollmutter auf die Gewindespindel
ausgeübt wird, wird auf der gegenüberliegenden
Seite auf das Gleitlager übertragen und verursacht Reibungsverluste.
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Kugelgewindetriebe:
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Diese
brauchen eine speziell den Kugeln angepasste Spindel, wobei kleine
Steigungen nicht machbar sind. Die dynamische Tragzahl ist wegen
dem kleinen Auflagepunkt oder Auflagelinie zwischen den einzelnen Kugeln
und der Spindel sowie zwischen den Kugeln und dem Mutterkörper
nicht hoch und empfindlich auf Stossbelastungen. Der Preis ist wegen
dem Mutterkörper mit Innenlaufbahn dem Kugelrücklauf
und der speziellen Gewindespindel sehr teuer. Der Kugelrücklauf
ist auch der Grund dafür, dass keine hohen Lineargeschwindigkeiten
erreicht werden.
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Planetenrollengewindetrieb:
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Diese
sind für Metrische- und Trapezgewindespindeln geeignet.
Am Umfang sind Planetengewindespindelrollen angeordnet, welche die
axialen Kräfte von der Gewindespindel rollend auf das Innengewinde
des Mutterkörpers übertragen. Damit Verklemmungen
vermieden werden, müssen die Planetenrollen zusätzlich mittels
Zahnrad mit Innenverzahnung vom Mutterkörper her, wie bei
Planetengetrieben, geführt werden. Die notwendige Lagerung
jeder Planetengewinderolle ist mit Gleitlager zu den Seitenringen
realisiert. Geschwindigkeit und Beschleunigung sind wegen der Gleitlager
und dem Zahnradplanetengetriebe begrenzt. Der Preis ist ebenfalls
wegen der Herstellung des Mutterkörpers mit Planetengetriebe
sehr hoch.
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Rollengewinde mit Rollenrückführung:
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Diese
haben anstelle von Planetengewinderollen Rollen mit Umfangsrillen
auch am Mutterkörper. Diese Rollen sind ebenfalls auf einem
Zwischenring gleitend gelagert. Die Drehzahl der dünnen
Rollen ist im Verhältnis der Durchmesser der Gewindespindel
höher was ebenfalls Reibung verursacht und die Geschwindigkeit
begrenzt.
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Aufgabenstellung:
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Für
eine hohe Lineargeschwindigkeit mittels eines Elektromotors, mindestens
wie bei Pneumatikzylindern, muss die Reibung möglichst
sehr gering gehalten werden und der Elektromotor einen guten Wirkungsgrad
aufweisen. Für hohe Beschleunigungen und Verzögerungen
insbesondere bei großen Linearbewegungen müssen
besonders die Drehmassen und die Massenträgheit des Antriebs
möglichst gering sein.
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Es
sollen beliebig viele Haltestellen mit verschiedenen Geschwindigkeiten
und optimaler Beschleunigung und Verzögerung angefahren
werden können (schnelle Positionieranwendung).
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Der
Linearantrieb soll ähnlich eines Pneumatikzylinders eine
geschlossene Linearführung bilden. Die Linearführung
muss eine genügend hohe Knickfestigkeit durch äußere
Kräfte, bei größerer Druckkraft und bei großen
Hubbewegungen aufweisen.
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Lösung der Aufgabe:
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Linearantrieb mit einer Gewindespindel
und einer Wälzlagermutter.
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Für
den Antrieb kann hier der hochpolige Synchronmotor mit transversaler
Flussführung, der speziell für Linearantriebe
mit kleinem Außendurchmesser und großem Drehmoment
entwickelt wurde (Patentanmeldung Aktenzeichen 102006038 576.4 und
Offenlegungsschrift
DE
102 40 704 ) eingesetzt werden.
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Beschreibung des Linearantriebs anhand
der 1
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Der
Linearantrieb ist als ein Beispiel in einer geschlossenen Linearführung ähnlich
wie bei Pneumatikzylindern eingebaut. Das feste Teil der Linearführung
enthält den Antrieb, welcher die Gewindespindel 7 antreibt,
und die axialenKräfte aufnimmt. Die Wälzlagermutter 25 gleitet
im festen Teil und ist drehfest in diesem gehalten. An der Wälzlagermutter 25 ist
der bewegliche Teil der Linearführung befestigt und wird
in radialer Richtung gehalten. Vorne am festen Teil ist die zweite
Gleitführung zum beweglichen Teil der Linearführung. Bei
längeren Linearbewegungen ist die Gewindespindel vorne
mit einem Lager radial zum axial beweglichen Teil in der Linearführung
abgestützt. Die Knickfestigkeit der Gewindespindel wird
durch Modulstützlager 18, welche in axialer Richtung
auf der Gewindespindel und im festen Teil der Linearführung
gleiten, gewährleistet. Durch mehrere Abstandsbegrenzer 2 werden
diese Modulstützlager 18 beim Ausfahren des Linearantriebs gleichmäßig
zwischen Antrieb und Wälzlagermutter 25 aufgeteilt
und halten die Spindel in radialer Richtung. Eine andere Möglichkeit
der Realisierung langer Linearantriebe ist, wenn die Gewindespindel
als Hohlwelle, ausgeführt wird, wobei der Hohlraum beidseitig
dicht verschlossen ist und unter hohem Druck steht, Anschlusselemente
vorne und hinten am Linearantrieb sowie Endschalter können
wie bei Pneumatikzylinder ausgeführt werden. Der Linearantrieb
ist auch in vielen anderen Linearführungen einsetzbar.
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Beschreibung der Wälzlagermutter
mit Gewindespindel anhand der 2:
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Die
Gewindespindel 7 mit eingängigem Gewinde erlaubt
sehr hohe axiale Zug- und Druckkräfte. Oben ist die Wälzlagermutter 25,
die Gewindespindel 2, der Antrieb 3 und zwei Schnittbilder
dargestellt.
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In
der Mitte der 2 ist der modulare Aufbau in
Einzelteilen getrennt voneinander dargestellt und unten nochmals
die 4 Lagerinnenringe 15 mit Gewindespindelteil
vergrößert. Rechts unten ist der Schnitt durch ein
Wälzlager 23 mit den Umfangsrillen 22 am
Lagerinnenring 15 dargestellt.
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Die
Lagerinnenringe 15 mit den Umfangsrillen 22 stehen
auf einer Seite in Eingriff mit den Gewindegängen, auf
der gegenüberliegenden Seite im Abstand zu den Gewindegängen.
Die Achse des Wälzlagers 23 ist zur Achse der
Gewindespindel 7 versetzt. So steht das Wälzlager 23 links
mit dem Eingriff oben, das 2. Wälzlager 23 um
90° versetzt vorne, das 3. Wälzlager um weitere
90° unten und das 4. Wälzlager 23 um
weitere 90° versetzt hinten im Eingriff mit der Gewindespindel 7.
Um eine große Berührungsfläche mit den
Gewindespindelgängen zu erzielen, sind die einzelnen Wälzlager 23 schräg
zur Gewindeachse angeordnet, sodass die Gewindegänge an
der Berührungsstelle 4 mit den Umfangsrillen 22 parallel
liegen. Der Winkel α = arc tg h/(π·d2)
wobei d2 der Flankendurchmesser und h die Steigung der Gewindespindel
sind, entspricht dem Steigungswinkel.
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An
dieser Stelle liegt der Vorteil gegenüber den anderen Gewindeantrieben
nach dem Stand der Technik:
Die große Berührungsfläche
ergibt kleine Druckspannungen und durch den langsam abnehmenden
Spalt bis zur Berührungsfläche kann sich ein Ölfilm
bilden, welcher sich positiv auf Abnutzung und Lebensdauer auswirkt.
Die Drehzahl der Lagerinnenringe 15 mit den Umfangsrillen 22 ist
kleiner als die Drehzahl der Gewindespindel 7. Außer
den Halteringen der Kugeln für das Kugellager und die viel
langsamere Gleitreibung zwischen Wälzlagermutter und dem
festen Teil der Linearführung sind keine gleitenden Komponenten,
welche bei hohen Drehzahlen Reibungswärme erzeugen. Je
nach Herstellergenauigkeit und linearer Kraft, ist die Wälzlagermutter 25 nicht
selbsthemmend.
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Der
modulare Aufbau der Wälzlagermutter 25 erlaubt
eine individuelle, einfache Anpassung an verschiedene Traglasten,
Hublängen, Umgebungsbedingungen, Genauigkeit, Lebensdauer
usw.
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Die
Lagerschalen 16 sind vorteilhaft aus einem Kunststoff in
Spritzgusstechnik mit guten Gleiteigenschaften ausgeführt
(hergestellt) Mit mehreren Längsschrauben (2, 3, 4, 6 oder
mehr) lassen sich die Wälzlagermodule 24 durch
drehen unter sich und um die Gewindespindelachse so zusammenschrauben,
dass beliebige Kombinationen und Anzahl Wälzlagermodule 24 und
des Ortes der Berührungsstelle 4 mit der Gewindespindel 7 gewählt
werden können. Beispiel einer vorteilhaften Kombination
der Eingriffreihenfolge: oben, unten, oben, macht den Einsatz eines
Modulstützlagers 18 überflüssig.
Bei drehender Wälzlagermutter 25 und stehender
Gewindespindel 7 mit der Eingriffreihenfolge: oben, unten,
unten, oben, ist die Wälzlagermutter 25 sogar
noch statisch und dynamisch ausgewuchtet.
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Bei
Bedarf kann die Wälzlagermutter 25 mit je einer
Modulendschale 17 mit Abdichtung 1 zum Abdichten
und gegen Schmutz ergänzt werden. Die Dämpferringe 5 zwischen
den Wälzlagern 23 und den Lagerschalen 16 haben
eine Federwirkung und Dämpfungsfunktion. Bis zu einer gewissen
Längskraft ist die Wälzlagermutter 25 spielfrei.
Bei Stossbelastungen wird die Energie von den Dämpferringen 5 absorbiert
und die Gewindespindel 7 und die Wälzlager 23 sind
geschützt. Der Aufbau der Wälzlagermutter 25 erlaubt
mit nur wenigen gleichen Teilen viele Varianten und ist preiswert.
Weiterhin lässt sich die Wälzlagermutter 25 zerlegen,
kontrollieren, schmieren und bei Bedarf reparieren.
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Beschreibung der Wälzlagermutter
anhand der 3:
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Die
Gewindespindel 7 hat mit dem 4-gängigen Trapezgewinde 21 eine
große Steigung und ist für schnelle Bewegungen
mit sehr hohen Beschleunigungen und Verzögerungen geeignet.
Oben ist die Wälzlagermutter 25 mit 4 Wälzlagermodulen 24,
die Gewindespindel als Hohlwelle 9 mit 4-gängigem
Trapezgewinde 21, der Antrieb 3 und ein Schnittbild
dargestellt.
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Unten
sind zwei Wälzlagermodule 24, ein Modulstützlager 18 und
eine Modulendschale 17 mit Abdichtung 1 dargestellt.
Unten rechts ein vergrößerter Ausschnitt der Gewindespindel 7 mit
dem trapezförmigen, 4-gängigen Gewinde. In diesem
Beispiel werden Normspindellager auch für axiale Traglasten
verwendet, welche nur die gehärteten, geschliffenen Hülsen 10 mit
den Umgangsrillen 22 enthalten.
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Die
Hohlwelle 9 kann mit einem Feststoff (Sand, Aluminium usw.)
und einer Flüssigkeit oder einem gasförmigen Stoff,
zum Beispiel mit Hydrauliköl oder Inertgas, unter Druck
gesetzt sein und an den Enden dicht verschlossen sein. Dadurch können
bei langen Spindeln mit hohem Schlankheitsgrad ohne Modulstützlager 18 gleiche
Druck- und Zugkräfte erreicht werden. Weiterhin ist dadurch
eine Gewichts- und Materialeinsparung realisiert.
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Vorteile zum Stand der Technik:
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- • Hohe Tragfähigkeit auch
bei hohen Geschwindigkeiten, kaum Reibungswärme, hoher
Wirkungsgrad
- • Niedrige Drehmassenträgheitsmomente der
Norm-Gewindespindel und der mitdrehenden Innenringe der Kugellager,
dadurch sehr schnelle Vorwärts-Rückwärtsbewegungen
möglich
- • Einstellbare Robustheit gegen Stoßbelastungen
oder für hohe Positioniergenauigkeit durch die Dämpfungsringe
- • Spielfrei und ausgewuchtet bei drehender Wälzlagermutter
- • Preiswerte Herstellung der wenigen Teile: Zum Beispiel
Kunststoffspritzteile für die Lagerschalen, Hülsen mit
Innenringen separat zum einpressen in ein Wälzlager zum
Beispiel Schrägkugellager, Spindellager, Vierpunktlager
oder Kegelrollenlager usw.
- • Vom Kunden dimensionierbar, montierbar und reparierbar
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Bezugszeichenliste
| Fig.
1–3 | |
| 1 Abdichtung
(Filz in Modulendschale) | |
| 2 Abstandbegrenzer | |
| 3 Berührungsstelle,
abwälzende | |
| 4 Dämpferring | |
| 5 Gewindeflanken | |
| 6 Gewindespindel | |
| 7 Gleithülse
(axial auf Gewindespindel gleitend) | |
| 8 Hohlwelle | |
| 9 Hülse | |
| 10 Kopfteil
Gewindespindel | |
| 11 Kopfteil
Umfangsrillen | |
| 12 Lager | |
| 13 Lageraußenring | |
| 14 Lagerinnenring | |
| 15 Lagerschale | |
| 16 Modulendschale | |
| 17 Modulstützlager | |
| 18 Antrieb | |
| 19 Seitenteil | |
| 20 Sicherungsring | |
| 21 Trapezgewinde | |
| 22 Umfangsrillen | |
| 23 Wälzlager | |
| 24 Wälzlagermodul | |
| 25 Wälzlagermutter | |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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