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TECHNISCHES GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur hochbelastbaren
Feineinstellung des Abstandes zwischen zwei Elementen.
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STAND DER TECHNIK
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Derartige
Vorrichtungen bilden feinjustierbare Verbindungen von Komponenten,
die hochgenau und stabil zueinander positioniert werden müssen. Häufig
wird für derartige Verbindungen gefordert, dass sie für
eine hohe Vorspannung geeignet sind und, insbesondere in der Raumfahrttechnik,
hohe Reinheitsanforderungen erfüllen. Bislang werden derartige
hochgenaue und stabile feinjustierbare Verbindungen mit auf Maß geschliffenen
Unterlegscheiben, sogenannten Shims, hergestellt. Das Anfertigen derartiger
Shims stellt einen hochaufwendigen Prozess dar, der ein bis fünf
Tage dauert. Zuvor müssen die exakten Sollmaße
für die anzufertigenden Shims bestimmt werden und eine
entsprechende technische Zeichnung muss erstellt werden. Nach der
Herstellung der Shims müssen diese in einem aufwendigen
Prozess gereinigt werden, um die beispielsweise in der Raumfahrttechnik
geforderte hohe Reinheit aufzuweisen.
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Insbesondere
wenn die Feineinstellung des Abstandes zwischen den beiden Elementen
iterativ erfolgen muss, kann es erforderlich sein, den Prozess des
Herstellens passender Shims mehrmals zu durchlaufen, was die Fertigungszeit
drastisch erhöht.
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Es
sind zwar Justierschrauben mit Feingewinde oder Differenzgewinde
bekannt und marktüblich. Diese werden häufig in
der Optik verwendet. Allerdings sind diese marktüblichen
Justierschrauben aufgrund der für optische Anwendungsfälle vorgesehenen
feinen Konstruktion nicht dafür geeignet, hohe Lasten und
hohe Vorspannungen, wie sie in der Raumfahrttechnik auftreten, abzustützen.
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Justierschrauben
für höhere Belastungen sind ebenfalls bekannt,
jedoch erlauben sie keine Einstellung mit derselben Feinheit wie
die vorgestellte Erfindung, da sie kein Differenzgewinde aufweisen.
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DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur Feineinstellung
des Abstandes zwischen zwei Elementen anzugeben, die sowohl für
hohe Vorspannungen geeignet ist, als auch hohe Reinheitsanforderungen
erfüllt und die eine schnelle und problemlose Feinjustierung
des Abstandes ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird von der Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 gelöst.
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Dazu
weist die Vorrichtung ein Verbindungsglied, das das erste Element
und das zweite Element miteinander verbindet, ein erstes Abstandseinstellglied
und ein zweites Abstandseinstellglied auf. Das erste Abstandseinstellglied
ist mit einem ersten Gewinde versehen, das mit einem zugeordneten
Gegengewinde eines der Elemente zusammenwirkt. Das zweite Abstandseinstellglied
ist mit einem zweiten Gewinde versehen, das mit einem zugeordneten Gegengewinde
entweder des ersten Abstandseinstellglieds oder des anderen der
Elemente zusammenwirkt. Das erste Gewinde und das zweite Gewinde
weisen unterschiedliche Gewindesteigungen auf.
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Das
Vorsehen zweier unterschiedlicher Gewinde mit unterschiedlichen
Gewindesteigungen ermöglicht es, durch Festhalten des ersten
Abstandseinstellglieds und Drehen nur des zweiten Glieds eine feinere
Einstellmöglichkeit zu gewährleisten: Pro Umdrehung
des zweiten Glieds bewegen sich die beiden Elemente nur um die Differenz
der Gewindesteigungen in den beiden Gliedern. Damit wird es möglich, relativ
grobe Gewinde einzusetzen, die hohen Belastungen standhalten, ohne
dabei die Möglichkeit einer feinen Justage aufzugeben.
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VORTEILE
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Vorzugsweise
ist das dem zweiten Gewinde des zweiten Abstandseinstellglieds zugeordnete
Gegengewinde am oder im ersten Abstandseinstellglied vorgesehen
und das zweite Abstandseinstellglied ist zur Anlage am anderen der
Elemente ausgebildet.
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Alternativ
können die beiden Abstandseinstellglieder jeweils in eines
der beiden Elemente eingeschraubt werden. In diesem Fall stoßen
die beiden Abstandseinstellglieder mit ihrer jeweils freien Stirnseite
aneinander an.
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Weiter
vorzugsweise sind das erste Abstandseinstellglied und/oder das zweite
Abstandseinstellglied zum Verbindungsglied koaxial angeordnet. Diese
Ausführungsform gestattet eine momentenfreie Übertragung
der Vorspannkraft zwischen den beiden Elementen.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Verbindungsglied
eine Spannverschraubung auf, um das erste Element gegen das zweite
Element zu verspannen. Hierdurch werden nach Durchführung
der Feinjustage mittels des ersten und zweiten Abstandseinstellglieds
die beiden Elemente gegeneinander verspannt, um das Ergebnis der
Feinjustage, also den Abstand zwischen den beiden Elementen zu fixieren.
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Vorzugsweise
ist beziehungsweise sind das erste Element und/oder das zweite Element
als Halter für eine zugeordnete Struktur ausgebildet. Hierdurch
ist die Vorrichtung flexibel einsetzbar.
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Bevorzugt
wird dabei, wenn das erste Element und/oder das zweite Element eine
Neigungsverstelleinrichtung für die zugeordnete Struktur
aufweist beziehungsweise aufweisen. Hierdurch wird die Anbringungsflexibilität
der Vorrichtung erhöht, da sie nicht nur für parallel
zueinander verlaufende Strukturen einsetzbar ist, sondern auch für
Strukturen geeignet ist, die unter einem Winkel zueinander stehen.
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Besonders
bevorzugt ist es, wenn die Neigungsverstelleinrichtung sphärisch
ausgebildet ist. Dadurch ist ein Kugelgelenk gebildet, das eine
Neigungsverstellung in alle Richtungen ermöglicht.
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Die
Erfindung betrifft auch eine Verbindungseinrichtung zur mechanischen
Verbindung von zumindest zwei Strukturen, wobei die jeweilige Struktur mit
einem zugeordneten Element einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur Feineinstellung verbunden ist.
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Auch
ist die Erfindung gerichtet auf eine Strukturanordnung aus zwei
Strukturen, zwischen denen an zumindest zwei voneinander beabstandeten
Orten jeweils eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur
Feineinstellung angeordnet ist.
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Besonders
bevorzugt wird dabei eine Strukturanordnung aus zwei Strukturen,
zwischen denen an drei voneinander beabstandeten Orten jeweils eine
erfindungsgemäße Vorrichtung zur Feineinstellung
angeordnet ist. Diese drei voneinander beabstandeten Orte bilden
in der Regel die Ecken eines ebenen oder sphärischen Dreiecks.
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit zusätzlichen
Ausgestaltungsdetails und weiteren Vorteilen ist nachfolgend unter
Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher
beschrieben und erläutert.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Es
zeigt:
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1 einen
Längsschnitt durch eine die erfindungsgemäße
Vorrichtung zur Feineinstellung aufweisende Verbindungseinrichtung
zur mechanischen Verbindung von zumindest zwei Strukturen.
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DARSTELLUNG VON BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
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Die
Verbindungseinrichtung 1 weist ein erstes Element 2 auf,
das als Halter für die erste der Struktur 20 ausgebildet
ist. Im Beispiel der 1 ist die erste Struktur 20 als
Platte ausgebildet, die eine Bohrung 22 aufweist, durch
welche das erste Element 2 hindurchgeführt ist.
Zwei kreisförmige Wangen 24, 26 des ersten
Elements 2 klemmen die ersten, plattenartige Struktur 20 zwischen
sich ein.
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Das
erste Element 2 ist mit einer abgestuften Durchgangsbohrung 23 versehen.
Die abgestufte Durchgangsbohrung 23 weist einen Bohrungsabschnitt
mit einem ersten, größeren Durchmesser auf, der
an seinem Innenumfang mit einem ersten Gewinde 25 versehen
ist.
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Die
Durchgangsbohrung 23 weist weiterhin einen zweiten Bohrungsabschnitt
mit geringerem Innendurchmesser auf, dessen Innenumfang ein Innengewinde 21 für
eine Spannschraube 11 aufweist.
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Ein
erstes Abstandseinstellglied 4 ist an einem Außenumfangsabschnitt
mit einem ersten Gegengewinde 40 versehen, das in das erste
Gewinde 25 des ersten Elements 2 eingreift und
mit diesem eine erste Gewindepaarung G1 einer Schraubverbindung
bildet. Das erste Abstandseinstellglied 4 weist weiterhin
einen Abschnitt 42 mit vergrößertem Umfang
auf, dessen Umfangsfläche für den Eingriff eines
Werkzeugs, beispielsweise eines Schraubenschlüssels, ausgebildet
ist.
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Das
erste Abstandeinstellglied 4 ist weiterhin mit einer zentralen
Durchgangsbohrung 44 versehen, in dessen Innenumfang ein
zweites Gegengewinde 46 ausgebildet ist.
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In
dieses zweite Gegengewinde 46 ist ein an einem Außenumfangsabschnitt 50 eines
zweiten Abstandseinstellglieds 5 vorgesehenes zweites Gewinde 52 eingeschraubt
und bildet so eine zweite Gewindepaarung G2 einer Schraubverbindung.
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Auch
das zweite Abstandseinstellglied 5 besitzt einen Abschnitt 54 mit
größerem Außendurchmesser, dessen Umfangsfläche
auch zum Eingriff eines Werkzeugs, beispielsweise eines Schraubenschlüssels,
ausgebildet ist.
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An
der freien Stirnseite 56 des zweiten Abstandseinstellglieds 5 ist
eine zentrale konkave Vertiefung 58 vorgesehen, in die
ein erster Kugelsegmentring 31 mit einseitiger sphärischer
Oberfläche 31' zur Anlage kommt. Die andere, ebene
Oberfläche des ersten Kugelsegmentrings 31 kommt
gegen die ebenfalls als Platte ausgebildete zweite Struktur 30 zur
Anlage.
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Auf
der anderen Seite der plattenartigen Struktur 30 ist ein
gleichartig ausgebildeter zweiter Kugelsegmentring 32 vorgesehen,
dessen sphärische Oberfläche 32' in eine
angepasste konkave Ausnehmung 33' eines Stützrings 33 zur
Anlage kommt.
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Die
das Verbindungsglied 10 bildende Spannschraube 11 ist
durch den Stützring 33, den zweiten Kugelsegmentring 32,
die zweite Struktur 30, den ersten Kugelsegmentring 31,
das zweite Abstandseinstellglied 5 und das erste Abstandseinstellglied 4 zentral
hindurchgeführt und in das Innengewinde 21 des
ersten Elements 2 eingeschraubt. Auf diese Weise kann die
Spannschraube 11 die von ihr durchdrungenen Teile, von
denen der erste Kugelsegmentring 31, der zweite Kugelsegmentring 32 und
der Stützring 33 das zweite Element 3 bilden,
gegeneinander verspannen.
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Die
erste Gewindepaarung G1 bestehend aus dem ersten Gewinde 25 des
ersten Abstandseinstellglieds 4 und des ersten Gegengewindes 40 im ersten
Element 2 und weist eine erste Gewindesteigung α1 auf. Die zweite Gewindepaarung G2 zwischen
dem zweiten Gewinde 52 des zweiten Abstandseinstellglieds 5 und
dem zweiten Gegengewinde 46 im ersten Abstandseinstellglied 4 weist
eine von der ersten Gewindesteigung α1 verschiedene zweite
Gewindesteigung α2 auf. Im gezeigten
Beispiel ist die erste Gewindesteigung α1 größer
als die zweite Gewindesteigung α2.
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Beispielsweise
ist die erste Gewindepaarung G1 als Gewinde M20 und die zweite Gewindepaarung
G2 als Gewinde M14 ausgebildet. Das größere Gewinde
M20 ist zwischen dem ersten Abstandseinstellglied 4 und
dem ersten Element 2 vorgesehen und das kleinere Gewinde
M14 ist zwischen dem ersten Abstandseinstellglied 4 und
dem zweiten Abstandseinstellglied 5 vorgesehen. Der Gangunterschied
zwischen diesen beiden unterschiedlichen Gewinden beträgt
nach DIN13 0,5 mm. Dies entspricht einem typischen
Feingewinde. Werden das zweite Abstandseinstellglied 5 und
das erste Element 2 festgehalten und wird nur das erste
Abstandseinstellglied 4 gedreht, so ändert sich
der Axialabstand zwischen den beiden Elementen 2, 3 um
0,5 mm pro Umdrehung des ersten Abstandseinstellglieds 4. Eine
Drehung um 5° erzeugt demnach eine Axialverstellung von
7 μm.
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Wird
alternativ eine Gewindepaarung mit einem Gangunterschied von 0,25
mm gewählt, so bewirkt eine Drehung um 5° eine
Axialverstellung von 3,5 μm. Grundsätzlich kann
die Größe der Abstandseinstellglieder 4, 5,
insbesondere von deren Durchmesser, beliebig gewählt werden,
so dass auch die Wahl der entsprechenden Gewinde und Gegengewinde
beliebig wählbar ist.
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Ist
die gewünschte Justage erfolgt, das heißt, ist
die Feineinstellung des Abstandes zwischen den beiden Elementen 2, 3 und
somit zwischen den beiden Strukturen 20, 30 erfolgt,
so wird die Spannschraube 11 festgezogen und die gesamte
Vorrichtung zur Feineinstellung des Abstandes wird durch das Aufbringen
einer Axialspannung fixiert. Um ein ungewolltes Lösen der
Spannschraube 11 zu verhindern, kann diese mit üblichen
Schraubensicherungsmitteln, beispielsweise mit einer Drahtverplombung gegen
Verdrehung gesichert werden.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung der 1 kombiniert
somit die hohe Tragfähigkeit von normalen (Norm-)Gewindeverbindungen
mit der Feineinstellbarkeit von Feingewinden.
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Das
Verbinden zweier Strukturen 20, 30 ist bereits
mit drei erfindungsgemäßen Verbindungselementen
möglich. Werden exakt drei Verbindungselemente, die an
den Spitzen eines – gedachten – ebenen oder sphärischen
Dreiecks liegen, so ist die Verbindung zwischen den Strukturen 20, 30 statisch
bestimmt und somit spannungsfrei. Voraussetzung dafür ist,
dass die Strukturen jeweils selbsttragend sind, also beispielsweise
zwei Grundplatten sind.
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Bezugszeichen
in den Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen
dienen lediglich dem besseren Verständnis der Erfindung
und sollen den Schutzumfang nicht einschränken.
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- 1
- Verbindungseinrichtung
- 2
- Element
- 3
- Element
- 4
- Abstandseinstellglied
- 5
- Abstandseinstellglied
- 10
- Verbindungsglied
- 11
- Spannschraube
- 20
- plattenartige
Struktur
- 21
- Spanngewinde
- 22
- Bohrung
- 23
- Durchgangbohrung
- 24
- kreisförmige
Wange
- 25
- Gewinde
- 26
- kreisförmige
Wange
- 30
- Struktur
- 31
- Kugelsegmentring
- 32
- Kugelsegmentring
- 32'
- sphärische
Oberfläche
- 33
- Stützring
- 33'
- konkave
Ausnehmung
- 40
- Gegengewinde
- 42
- Abschnitt
mit vergrößertem Umfang
- 44
- Durchgangsbohrung
- 46
- Gegengewinde
- 50
- Außenumfangsabschnitt
- 52
- Gewinde
- G1
- Gewindepaarung
- G2
- Gewindepaarung
- α1
- Gewindesteigung
- α2
- Gewindesteigung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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