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Die Erfindung betrifft eine Zahnstange nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 und einen Zahnstangenantrieb nach dem Oberbegriff des entsprechenden nebengeordneten Anspruchs. Bei einem Zahnstangenantrieb kämmen die Zähne eines Ritzels mit den Zähnen einer Zahnstange. Zahnstange und Ritzel sind üblicherweise Normteile, die mit hoher Präzision und gleichzeitig sehr wirtschaftlich hergestellt werden können. Solche Zahnstangen sind bekannt und werden zum Beispiel von der Anmelderin hergestellt.
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Drehmoment- bzw. drehzahlgeregelte Linearantriebe, zu denen auch die oben beschriebenen Zahnstangenantriebe zählen, sind einfacher und besser zu regeln, wenn die Steifigkeit aller im Regelkreis befindlichen Antriebskomponenten bekannt und konstant ist. Die Zahneingriffe von Zahnstange und Ritzel haben dabei im Normalfall keine konstante Zahnfedersteifigkeit, was sich nachteilig auf die Regelgüte des Linearantriebs auswirkt.
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In der einschlägigen Literatur, wie zum Beispiel der DIN 3960, sind die Grundlagen über die sich verändernden Zahneingriffe entlang einer Zahneingriffslinie von Zahnstangenantrieben beschrieben und auch die Parameter bekannt, mit denen Verbesserungen, insbesondere im Lastverhalten, vorgenommen werden können. Für einen schrägverzahnten Zahnstangenantrieb mit einem vorgegebenen Schrägungswinkel kann bspw. das Lastverhalten über die Veränderung der Zahnbreite verbessert werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine kostengünstige Zahnstange mit verbesserter Steifigkeit für einen kostengünstigen Zahnstangenantrieb mit verbessertem Betriebsverhalten bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Zahnstange aus mindestens zwei nebeneinander angeordneten und miteinander verbundenen Zahnstangenelementen besteht und damit eine Einheit bildet. Die nebeneinander angeordneten Zahnstangenelemente sind dabei vorzugsweise handelsübliche, in Serie hergestellte Zahnstangen.
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Der Erfindung liegt die Idee zu Grunde, das Lastverhalten der Zahnstange dadurch zu verbessern, dass die Zahnbreite der vom Ritzel eingreifenden Zähne vergrößert wird. Anstatt dies durch eine einstückige „Sonderzahnstange” mit vergrößerter Breite zu erreichen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, zwei Standard-Zahnstangen nebeneinander anzuordnen und miteinander zu einer Einheit zu verbinden. Dies kann beispielsweise durch Stifte und/oder Schrauben erfolgen. Es hat sich gezeigt, dass auf diese Weise die gewünschte Steifigkeit erreicht werden kann und gleichzeitig die Herstellungs-Kosten deutlich reduziert werden können. Auch ist die Nachrüstung bestehender Zahnstangenantriebe mit einer erfindungsgemäßen Zahnstange oft möglich.
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Die Zahnbreite des mit der erfindungsgemäßen Zahnstange kämmenden Ritzels muss natürlich der vergrößerten Zahnbreite der erfindungsgenmäßen Zahnstange angepasst sein. Dies führt insgesamt zu einem verbesserten Regelungsverhalten des gesamten Zahnstangenantriebs und damit zu einer erhöhten Positioniergenauigkeit.
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Unabhängig von der optimierten Federsteifigkeit kann mit einer größeren Zahnbreite natürlich auch ein größeres Drehmoment bzw. eine größere Antriebskraft auf die Zahnstange übertragen werden. Bei einer Verwendung von bspw. zwei Zahnstangenelementen kann die Last in etwa verdoppelt werden. Dies ist besonders vorteilhaft für Verspannungsritzel, bei der die Verzahnung durch zwei parallel, aber minimal axial versetzt angeordnete Ritzel vorgespannt wird und dadurch in der Regel nur die Hälfte der Zahnbreite zur Drehmomentübertragung verwendet werden kann.
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In vielen Anwendungsfällen ist es Vorteilhaft, wenn die mindestens zwei Zahnstangenelemente mittels einer Schraub- und/oder einer Stiftverbindung lösbar miteinander verbunden sind und dass die Zähne der mindestens zwei Zahnstangenelemente in einer bevorzugten Ausgestaltung miteinander fluchten. Damit bildet die Zahnstangenanordnung eine Einheit, die zusammen am Einsatzort befestigt werden kann. Ein gesondertes Ausrichten oder Einstellen der beiden Zahnstangenelemente vor Ort ist nicht erforderlich. Es ist jedoch auch möglich, die beiden Zahnstangenelemente erst am Einbauort miteinander zu verbinden.
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Durch die Schraub- und/oder Stiftverbindung kann eine gute Präzision in der Anordnung der Zähne zueinander sichergestellt werden. Außerdem können sich die Zahnstangenelemente während des Betriebs nicht gegeneinander verschieben. Bei einer Anwendung des Zahnstangenantriebs als Verspannungsritzel, brauchen die Zähne der Zahnstangenelemente nicht miteinander zu fluchten. Dabei kann die Verzahnung als Geradverzahnung ausgebildet sein; bevorzugt ist jedoch eine schräge Anordnung der Zähne, die die Eingriffsfläche des Ritzels auf der Zahnstange vorteilhafterweise vergrößert und die Laufruhe des Zahnstangenantriebs steigert. Außerdem wird annähernd die gleiche Flankenrichtungsabweichung wie bei einer gleich breiten Einzelzahnstange erreicht.
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Weiter ist vorteilhaft, dass die Oberflächen der Zähne gehärtet sind. Dies vermindert den Verschleiß der Zähne. Nach dem Härten werden die Zahnstangenelemente miteinander verbunden und anschließend, falls notwendig, gemeinsam geschliffen. Dadurch wird die gleiche Präzision der Verzahnung wie bei einer einstückigen Sonder-Zahnstange erreicht.
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Dabei ist es alternativ möglich, die Zahnstangenelemente vor dem Schleifen miteinander zu verbinden oder die Zahnstangenelemente in einer Aufspannung zu Schleifen, ohne sie vorher zu verbinden. Dabei ist darauf zu achten ist, dass die Bohrbilder beider Zahnstangenelemente miteinander fluchten, so dass die Zahnstangenelemente beim Befestigen an einer Maschine, das heißt am Einsatzort, zu einer erfindungsgemäßen Zahnstange zusammengefügt werden. Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den beigefügten Figuren.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Figuren dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen, jeweils in schematischer Form:
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1 zwei nebeneinander angeordnete Zahnstangenelemente in einer Seitenansicht;
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2 die zwei nebeneinander angeordneten Zahnstangenelemente von 1 in einer Draufsicht;
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3 ein Schnitt A-A aus 2;
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4 ein Schnitt B-B aus 2;
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5 ein Schnitt C-C aus 2 mit einer eingesetzten Befestigungsschraube;
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6 ein Schnitt D-D aus 2 mit einem eingesetzten Passstift;
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7 eine Darstellung einer Einbausituation einer Befestigungsschraube im Schnitt B-B aus 4;
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8 eine Darstellung einer Einbausituation einer Befestigungsschraube im Schnitt C-C aus 5;
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9 ein Diagramm mit einer Darstellung der Zahnsteifigkeit bei einer einteiligen Zahnstange; und
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10 ein Diagramm mit einer Darstellung der Zahnsteifigkeit bei einer zweiteiligen Zahnstange.
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Die 1 und 2 zeigen zwei Zahnstangenelemente 12 und 14 in einer Seitenansicht (1) und in einer Draufsicht (2). Die Zahnstangenelemente 12 und 14 sind nebeneinander angeordnet und miteinander lösbar verbunden. Beide Zahnstangenelemente 12 und 14 bilden eine Zahnstange 10.
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In den 3 bis 6 sind verschiedene Bohrungen in der Zahnstange 10 in einem Querschnitt dargestellt. Das mit den Zähnen der Zahnstange 10 kämmende Ritzel für einen Zahnstangenantrieb ist in den Figuren nicht dargestellt.
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Die Zahnstange 10 weist drei unterschiedlich ausgebildete Bohrungen auf. Mit den Bezugszeichen 16 und 30 wird ein erster Bohrungstyp gekennzeichnet. Dies sind Durchgangsbohrungen, die auch gerieben sein können (vgl. auch 3 und 6). Diese Bohrungen 16, 30 dienen zum Verstiften der Zahnstangenelemente 12 und 14 oder zum Fixieren der erfindungsgemäßen Zahnstange 10 an einer Maschine (nicht dargestellt) mit Hilfe von Passstiften. 6 zeigt beispielhaft einen eingesetzten Passstift 32 zum Verbinden beziehungsweise gegenseitigen Positionieren der Zahnstangenelemente 12 und 14.
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Mit dem Bezugszeichen 18 wird ein zweiter Bohrungstyp gekennzeichnet. Dieser weist Durchgangsbohrungen mit einer Ansenkung 20 zum Einsetzen einer versenkbaren Schraube, z. B. einer Inbusschraube 22, auf (vgl. auch 4). Die Bohrungen 18 dienen zur Befestigung der Zahnstange 10 an einer Maschine 24 (siehe 7) mit Hilfe der Inbusschraube 22, deren Länge größer als die Breite der Zahnstange 10 ist. Zum Befestigen der Zahnstange 10 weist die Werkzeugmaschine jeweils ein Gewinde zum Eindrehen der Inbusschraube 22 auf.
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Wenn die Zahnstangenelemente 12 und 14 gleich breit sind, verdoppelt sich die Zahnbreite der Zahnstange 10 durch das Verbinden der beiden Zahnstangenelemente 12 und 14. Allerdings können auch unterschiedlich breite Zahnstangenelemente 12 und 14 zu einer erfindungsgemäßen Zahnstange 10 verbunden werden. In den 5 und 8 wird dargestellt, wie die Zahnstangenelemente 12 und 14 mit einem dritten Bohrungstyp 26 zu einer erfindungsgemäßen Zahnstange 10 mit vergrößerter Zahnbreite verschraubt werden. Diese Verschraubung kann zusätzlich oder alternativ zu einer Stiftverbindung (siehe 3 und 6) erfolgen.
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Dazu weist das Zahnstangenelement 12 eine Durchgangsbohrung mit einer Ansenkung (gemäß der Beschreibung zum Bohrungstyp 20) zum Einsetzen einer Inbusschraube 28 auf. Zum Verbinden des Zahnstangenelements 12 mit dem Zahnstangenelement 14 weist das Zahnstangenelement 14 eine Gewindebohrung für die Inbusschraube 28 auf. Das bedeutet, dass die Inbusschraube 28 in ihrer Länge kleiner als die beiden aneinanderliegenden Zahnstangenelemente 12 und 14 ist.
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8 zeigt die Einbausituation der Zahnstange 10. Die Bohrungen 16, 18, 20, 26, und 30 wiederholen sich über die gesamte Länge der Zahnstange 10 vorteilhafterweise im gleichen Abstand mehrfach.
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9 zeigt ein Diagramm mit der Darstellung einer gemessenen Zahnsteifigkeit ZS über einen Drehweg S bei drei unterschiedlichen Drehmomenten des Ritzels bei Verwendung einer einzigen Zahnstange 12 oder 14 im Zahnstangenantrieb. Die 10 zeigt ein Diagramm mit der Darstellung einer gemessenen Zahnsteifigkeit ZS über den Drehweg S bei drei unterschiedlichen Drehmomenten bei Verwendung der erfindungsgemäßen Zahnstange 10 im Zahnstangenantrieb.
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Dabei zeigt eine Kurve 34 in 9 und 10 jeweils einen Verlauf der Zahnsteifigkeit ZS über eine Umdrehung des Ritzels bei einem vergleichsweise hohen Drehmoment, die Kurve 36 zeigt jeweils den Verlauf der Zahnsteifigkeit ZS bei einem vergleichsweise niedrigen Drehmoment. Die Charakteristiken der Kurven 34 und 36 sind innerhalb der Anwendung einer einzigen Zahnstange 12 oder 14, sowie bei Anwendung der erfindungsgemäßen Zahnstange 10 jeweils nahezu identisch. Lediglich die Werte für die Zahnsteifigkeit ZS variieren in der Größe.
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Wie aus 9 ersichtlich ist, variiert der Wert der Zahnsteifigkeit ZS innerhalb eines Zahneingriffs des Ritzels um annähernd 10%. Es liegt also keine konstante Zahnsteifigkeit ZS vor. Bei einem niedrigen Drehmoment ist der Effekt prozentual größer als bei einem hohen Drehmoment.
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Wie aus 10 ersichtlich ist, wird durch den Einsatz einer erfindungsgemäßen Zahnstange 10 eine nahezu konstante Zahnsteifigkeit ZS innerhalb einer Umdrehung des Ritzels erreicht. Die Schwankungsbreite der Zahnsteifigkeit ZS verringert sich auf etwa 1–2%. Dadurch wird die Regelgüte eines mit der erfindungsgemäßen Zahnstange 10 ausgerüsteten Linearantriebs deutlich verbessert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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