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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein Linearlager mit umlaufenden Wälzkörpern.
Solche Linearlager besitzen einen geraden lasttragenden Laufabschnitt
und einen parallel dazu angeordneten lastlosen Rücklaufabschnitt
für die Wälzkörper. Laufabschnitt und Rücklaufabschnitt
sind durch Umlenker miteinander verbunden. Insbesondere betrifft
die Erfindung Linearlager (auch Umlaufkörper genannt) bzw.
Umlaufeinheiten für Linearführungen mit unbegrenztem
Hub bzw. Verfahrweg, wie sie beispielsweise in den häufig verwendeten
Profilschienenwälzführung mit einem Laufschlitten
Anwendung finden. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Umlenker
für solche Linearlager.
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Linearlager
mit umlaufenden Wälzkörpern werden in verschiedensten
Linearführungseinheiten für die Realisierung großer
Verfahrwege verwendet. Da die Wälzkörper hier
in einer endlosen Schleife laufen, wird der Verfahrweg nur durch
die Länge der Schiene begrenzt. Als Wälzkörper
kommen je nach Ausführungsform Kugeln oder Rollen zum Einsatz.
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Die
lasttragenden Teile solcher Linearlager sind meist aus einem Wälzstahl
gefertigt, die Umlenker und der Rücklaufabschnitt je nach
Belastung und Typ häufig auch aus Kunststoff oder Aluminium.
Die Wälzkörper, die Umlenker und die Lauf- und
Rücklaufbahn erfahren beim Einlauf der Wälzkörper
in den Umlenker jeweils große Belastungen, welche sich
in der Lebensdauer, Tragfähigkeit und Geräuschentwicklung
des Linearlagers niederschlagen. In konventionellen vollkugeligen
Linearlagern werden einerseits die Wälzkörper
unter voller Last von dem Laufabschnitt in den Umlenker heruntergerissen,
anderseits vom Umlenker in den Rücklaufabschnitt geworfen.
Dabei verformt sich der Umlenker unter der durch die Wälzkörper
aufgebrachten Kraft. Aufgrund der passiven Verformung schwingt der
Umlenker nach der Verformung dynamisch um seine Ausgangslage. Beim
Einlauf des nächsten Wälzkörpers kann
es somit zu ungünstigen Situationen kommen, in denen der
Wälzkörper nicht ideal abgebremst oder beschleunigt
wird. Dies erhöht insbesondere den Verschleiß der
Umlenker.
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Aus
dem Stand der Technik sind viele Bemühungen bekannt, die
Laufeigenschaften der Wälzkörper solcher Linearlager
zu verbessern und die Lebensdauer zu erhöhen. Dazu zählen
auch viele Versuche, insbesondere die Einlaufgeometrie der Umlenkkörper
zu optimieren.
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Die
DE 30 23 978 C2 beschreibt
ein Linearlager mit Laufstäben im lasttragenden Abschnitt,
bei welchem bei einfacher Herstellung ein gleichmäßiger und
ruhiger Wälzkörperumlauf erreicht wird. Der gesamte
Rücklaufkanal wird aus zwei formschlüssig zusammengefügten
Rückführschalen zusammengesetzt. Dadurch erfolgt
nur eine zweimalige Unterbrechung des Umlaufkanals jeweils an den
Enden des tragenden Laufbahnabschnittes. Der Rücklaufkanal selbst
verläuft stoßfrei.
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Beispielsweise
aus der
EP 0 846 880
B1 ist es bekannt, in Linearlagern Wälzkörperketten
zu verwenden. Um den kritischen Bereich der Umlenkung der Wälzkörper
und in diesem das Zusammenstoßen der Kugeln sowie ex treme
Lastwechsel zu verhindern, werden die Wälzkörper
durch eine Kette verbunden und dadurch kontrolliert und getrennt
voneinander durch den Umlauf geführt. Dadurch wird insbesondere
der Geräuschpegel gesenkt und eine höhere mögliche
Laufgeschwindigkeit in der Führung erreicht.
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Geschlossene
Wälzkörperketten sind besser geeignet, die extremen
Lastwechsel zumindest etwas auszugleichen. Problematisch sind nach
wie vor die extremen Lastwechsel auf die Wälzkörper
beim Übergang vom Laufabschnitt in den Rücklaufkanal und
umgekehrt, da die Wälzkörper im Rücklaufkanal normalkraftfrei
laufen. Beim Einlaufen in den Laufabschnitt wird somit schlagartig
die aus der Führungslast resultierende Wälzkörpernormalkraft
wirksam, während sie beim Einlaufen in den Umlenker schlagartig
wegfällt.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die extremen Lastwechsel
beim Übergang der Wälzkörper vom Laufabschnitt
in den Rücklaufkanal und beim Wiedereinlenken in den Laufabschnitt
zu verringern und dadurch insbesondere den Verschleiß und
den Geräuschpegel in Linearlagern zu verringern.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Linearlager
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Erfindungsgemäß wird
in einem gattungsgemäßen Linearlager ein Umlenker
vorgeschlagen, der mit einem aktiv verformbaren Abschnitt versehen
ist, wobei ein Aktor zur Verformung vorgesehen ist.
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Die
Vorteile der Erfindung sind insbesondere darin zu sehen, dass eine
aktive Unterstützung der Beschleunigungs- und Bremsvorgänge
im Linearlager durch den Umlenker erfolgt.
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Vorzugsweise
wird am Umlenker ein Aktor vorgesehen, der eine biegsame Zunge als
verformbaren Abschnitt besitzt. Beim Abheben des Wälzkörpers
von der Laufbahn fängt der Aktor diesen durch Zurückweichen
der Zunge weicher ab.
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Ebenso
ist es möglich, den Wälzkörper unter Einwirkung
des Aktors aktiv auf die Laufbahn aufzuwerfen, d. h. einen den Wälzkörper
mit einem Impuls der biegsamen Zunge zu beaufschlagen, um den Übergang
in die Lastzone weicher und somit materialschonender zu gestalten.
Konstruktiv können am Umlenker zwei getrennte Aktoren eingesetzt
werden, von denen einer am Einlauf und einer am Auslauf des Umlenkers
wirksam wird.
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Der
Aktor ist in einer bevorzugten Ausführungsform ein piezoelektrisches
Aktorelement. Hierfür kommt insbesondere ein Bimorph-Aktuator
(Biegeelement) in Betracht. Ein Bimorph ist aus zwei dünnen
Platten eines piezoelektrischen Materials (Querdehnelemente) zusammengesetzt,
dazwischen ist eine Metallschicht als Zentralelektrode angeordnet. Wird
nun eine Spannung jeweils zwischen Zentralelektrode und Außenelektrode
angelegt, so wird aufgrund der umgekehrten Polarisierung eine Platte
länger, während sich sie andere verkürzt.
Dadurch wird eine Biegeauslenkung hervorgerufen.
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Biegewandler
stehen in verschiedenen Ausführungen (auch monomorph und
multimorph) zur Verfügung und können je nach Anwendungsfall durch
den Fachmann dimensioniert und ausgewählt werden. Der Aktor
kann ebenso durch ein elektroaktives Polymer gebildet sein.
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Um
den richtigen Zeitpunkt für die benötigte Verformung
zu bestimmen, umfasst das Linearlager vorzugsweise weiterhin mindestens
einen Sensor, welcher beispielsweise im Rücklaufabschnitt und/oder
im Laufabschnitt kurz vor dem Einlauf des Wälzkörpers
im Umlenker angeordnet ist und ein Signal zur Verformung des Aktors
liefert.
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Der
korrekte Zeitpunkt zur Aktivierung des Aktors kann aber beispielsweise
auch aus der Ermittlung der Laufgeschwindigkeit der Wälzkörper
unter Berücksichtigung der Parameter des Linearlagers bestimmt
werden.
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Alternativ
kann der Aktor selbst als Sensor verwendet werden, indem eine durch
den Wälzkörpereinlauf verursachte beginnende Verformung
detektiert wird und somit der Aktor zeitrichtig angesteuert werden
kann.
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Die
Ansteuerung des Aktors ist in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
so gestaltet, dass die Zunge des Umlenkers so schnell wieder beruhigt
wird, dass die auftretende und normalerweise länger anhaltende
Schwingung bis zum Kontakt mit dem nächsten Wälzkörper
bereits wieder abgeklungen ist. Dazu kann der Aktor nach dem Wälzkörper-Kontakt
die Zunge versteifen oder aktiv eine Gegenschwingung zur Beruhigung
erzeugen. Hierfür ist eine geeignete Ansteuerschaltung
vorzusehen.
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Eine
weitere abgewandelte Ausführungsform der Erfindung schlägt
eine autarke Lösung vor, bei der die vom Wälzkörper
an den Umlenker abgegebene Energie zur Aktivierung des Umlenkers
am anderen Ende des Laufabschnittes verwendet wird, ohne dass eine
externe Energieversorgung notwendig ist. Dabei wird am Einlauf der
Wälzkörper in den ersten Umlenker ein Generatorelement
angeordnet, welches durch Verformung Energie erzeugt, die zur phasenrichtigen
Ansteuerung des Aktors am gegenüberliegenden Umlenker beim
Abheben der Wälzkörper vom Laufabschnitt genutzt
wird.
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Um
diese Funktion für beide Bewegungsrichtungen des Linearlagers
sicherzustellen, ist an jeder Seite bzw. an jedem Umlenker ein Generatorelement und
ein Aktor vorzusehen. Alternativ dazu können hier piezoelektrische
Keramikbauteile oder elektroaktive Polymere verwendet werden, welche
als Generator und Aktor fungieren können. Piezoelektrische Keramikbauelemente
sind elektromechanische Wandlerkomponenten. Diese sind in der Lage,
mechanische Kräfte wie Druck, Dehnung oder Beschleunigung
in eine elektrische Spannung bzw. Ladungen umzuwandeln und eine
elektrische Spannung in mechanische Bewegung oder Schwingungen umzuwandeln.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in den Figuren
dargestellt und wird nachfolgend näher erläutert.
Es zeigen:
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1:
eine Profilschienen-Wälzführung mit umlaufenden
Wälzkörpern gemäß dem Stand
der Technik;
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2:
drei Ansichten eines erfindungsgemäßen Umlenkers
in schematischer Darstellung;
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3:
ein Detail eines Linearlagers in einer schematischen Schnittdarstellung
an einem ersten Umlenker;
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4:
einen zweiten Umlenker am Linearlager gemäß 3 in
einer schematischen Schnittdarstellung.
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1 zeigt
eine aus dem Stand der Technik bekannte Profilschienen-Wälzführung
in einer teilweise geschnittenen Darstellung. Ein Laufschlitten 01 wird
an einer sich gerade erstreckenden Profilschiene 02 geführt.
Im Laufschlitten 01 sind vier Linearlager 03 mit
umlaufenden Wälzkörpern 04 derart angeordnet,
dass bei einer Bewegung des Laufschlittens 01 die Wälzkörper 04 entlang
von Laufbahnen 06, die in der Profilschiene 01 eingearbeitet
sind, abrollen.
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Das
Linearlager 03 umfasst einen lasttragenden Laufabschnitt 07 und
einen Rollenumlaufkanal, der sich aus einem ersten Umlenker 08,
einem zweiten Umlenker 09 (im nicht geschnittenen Bereich
der Darstellung) und einem lastlosen Rücklaufabschnitt 11 zusammensetzt.
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Die
die Lebensdauer einer Linearlagers und die Geräuschentwicklung
besonders beeinflussenden bereits erläuterten Lastwechsel
treten beim Übergang der Wälzkörper 04 vom
Laufabschnitt 07 in den ersten Umlenker 08 und
beim Übergang vom zweiten Umlenker 09 in den Laufabschnitt 07 auf.
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In 2 ist
ein Umlenker 12 eines erfindungsgemäßen
Linearlagers dargestellt, welcher erfindungsgemäß die
ersten und zweiten Umlenker im Linearlager 03 ersetzt.
Dabei zeigt Abb. a) eine schematische Seitenansicht und Abb. b)
und c) eine Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen
Umlenkers 12.
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Der
in Abb. a) der 2 gezeigte erfindungsgemäße
Umlenker 12 umfasst eine Zunge 13 und einen Umlenkkanal 14,
durch welchen die Wälzkörper 04 dem Rücklaufabschnitt 11 bzw.
dem Laufabschnitt 07 zugeführt werden. Vorzugsweise
weist der Umlenker 12 eine Schmieröffnung 16,
auf, durch welche dem Linearlager ein Schmiermittel zugeführt
werden kann. Bei schmiermittelfreien Lagern kann diese Öffnung
selbstverständlich entfallen.
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In
Abb. b) ist in der Schnittdarstellung ein Aktor 17 dargestellt,
der in die Zunge 13 integriert bzw. außerhalb
des Umlenkkanals 14 an dieser angebracht ist. Der Aktor 17 ist
vorzugsweise ein piezoelektrischer Aktor (Bimorph). Es liegt aber
ebenso im Rahmen der Erfindung, die Zunge 13 zumindest
abschnittsweise aus einem elektroaktiven Polymer zu fertigen. Der
Aktor 17 ist in der Lage, bei entsprechender Ansteuerung
eine Bewegung 18 der Zunge 13 zu bewirken, wie
sie durch den Bewegungspfeil 18 und die gestrichelten Linien
angedeutet ist. Die Bewegung der Zunge 13 erfolgt im wesentlichen
in Richtung des angrenzenden Laufabschnitts 07, so dass
die Zunge 13 einem in den Umlenker einlaufenden Wälzkörper
um einen vorbestimmten Betrag ausweichen oder einem aus dem Umlenker
auslaufenden Wälzköper nachfolgen kann.
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3 zeigt
ein Detail eines erfindungsgemäßen Linearlagers
beim Auslauf der Wälzkörper aus dem Laufabschnitt
in den Umlenker. Das Linearlager ist an einem nicht dargestellten
Laufschlitten befestigt, welcher in Richtung des Bewegungspfeiles 19 entlang
der Profilschiene 02 bewegt wird.
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Die
Wälzkörper 04 rollen zwischen dem Laufabschnitt 07 des
Linearlagers und der Laufbahn 06 der Profilschiene 02 auf
den Umlenker 12 zu und werden von der Zunge 13 von
der Laufbahn 07 abgehoben. In diesem Moment bringt der
Aktor 17 aktiv eine Verformung 21 auf, um den
Wälzkörper 04 effizienter abzufangen,
dessen Bewegung also um einen vorbestimmten Betrag nachzugeben.
Anschließend wird der Wälzkörper durch
den Umlenkkanal 14 in den Rücklaufabschnitt 11 umgelenkt.
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In 4 ist
in einer schematischen Schnittdarstellung der Einlauf der Wälzkörper 04 aus
dem Rücklaufabschnitt 11 in den Laufabschnitt 07 dargestellt.
Der Laufschlitten bewegt sich ebenfalls in Richtung des Bewegungspfeiles 19.
In dieser Fig. ist dargestellt, wie der Einlauf der Wälzkörper 04 mit
einem erfindungsgemäßen Linearlager optimiert
werden kann.
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Der
Wälzkörper 04 wird aus dem Rücklaufabschnitt 11 durch
den Umlenkkanal 14 zwischen den Laufabschnitt 07 des
Linearlagers und die Laufbahn 06 der Profilschiene 02 umgelenkt
und dabei durch eine Verformung 22 der Zunge 13 in
Richtung zum Laufabschnitt 07 durch den Aktor 14 bei
der nötigen Beschleunigung unterstützt.
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- 01
- Laufschlitten
- 02
- Profilschiene
- 03
- Linearlager
- 04
- Wälzkörper
- 05
-
- 06
- Laufbahn
- 07
- Laufabschnitt
- 08
- Umlenker,
erster
- 09
- Umlenker,
zweiter
- 10
-
- 11
- Rücklaufabschnitt
- 12
- Umlenker
- 13
- Zunge
- 14
- Umlenkkanal
- 15
-
- 16
- Schmieröffnung
- 17
- Aktor
- 18
- Bewegungspfeil
- 19
- Bewegungspfeil
- 20
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- 21
- Verformung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 3023978
C2 [0005]
- - EP 0846880 B1 [0006]