DE102012004467A1

DE102012004467A1 - Klemmvorrichtung und elastisches Klemmelement

Info

Publication number: DE102012004467A1
Application number: DE102012004467A
Authority: DE
Inventors: Benedict Korischem; Andre Winkler
Original assignee: Peiseler GmbH and Co KG
Current assignee: Peiseler GmbH and Co KG
Priority date: 2012-03-08
Filing date: 2012-03-08
Publication date: 2013-09-12
Also published as: WO2013131655A1

Abstract

Dargestellt und beschrieben ist eine Klemmvorrichtung mit einem Gehäuse (2), einer Spindel (3), einem elastischen Klemmelement (4) und einer Bremsscheibe (5), wobei die Spindel (3) und das Gehäuse (2) relativ zueinander drehbar sind, wobei das Klemmelement (4) mit dem Gehäuse (2) und die Bremsscheibe (5) mit der Spindel (3) drehfest verbunden ist, und wobei das Klemmelement (4) durch Beaufschlagung mit einer Kraft (F) aus einer ersten Position, in der die Spindel (3) drehbar ist, in eine zweite Position, in der die Spindel (3) durch das Klemmelement (4) geklemmt ist, verbringbar ist. Mit der erfindungsgemäßen Klemmvorrichtung können bei einfacher konstruktiver Gestaltung dadurch hohe Klemmkräfte bzw. Haltemomente erzielt werden, dass das Klemmelement (4) eine Membran (6) und einen parallel zur Spindel (3) verlaufenden Außenzylinder (7) aufweist, wobei die Membran (6) und der Außenzylinder (7) unter einem Winkel β von 90° ± α zueinander angeordnet sind und in der Mitte der Membran (6) eine die Spindel (3) mit radialem Abstand umgebende Öffnung (8) ausgebildet ist, dass der Außenzylinder (7) einen Klemmabschnitt (9) und die Bremsscheibe (5) einen koaxial dazu angeordneten Gegenklemmabschnitt (10) aufweist, wobei in der ersten Position des Klemmelements (4) zwischen dem Klemmabschnitt (9) des Außenzylinders (7) und dem Gegenklemmabschnitt (10) der Bremsscheibe (5) ein radialer Spalt (11) besteht, und dass durch Beaufschlagung der Membran (6) mit einer im Wesentlichen axial gerichteten Kraft (F) der Winkel β zwischen der Membran (6) und dem Außenzylinder (7) veränderbar ist, wobei eine Veränderung des Winkels β eine Veränderung des Abstandes des Klemmabschnitts (9) des Außenzylinders (7) zum Gegenklemmabschnitt (10) der Bremsscheibe (5) bewirkt, so dass durch Beaufschlagung der Membran (6) mit einer Kraft die Spindel (3) durch das Klemmelement (4) geklemmt oder eine Klemmung der Spindel (3) gelöst wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Klemmvorrichtung mit einem Gehäuse, einer Spindel, einem elastischen Klemmelement und einer Bremsscheibe, wobei die Spindel und das Gehäuse relativ zueinander drehbar sind, wobei das Klemmelement mit dem Gehäuse und die Bremsscheibe mit der Spindel drehfest verbunden ist, und wobei das Klemmelement durch Beaufschlagung mit einer Kraft aus einer ersten Position, in der das Gehäuse oder die Spindel drehbar ist, in eine zweite Position, in der das Gehäuse oder die Spindel geklemmt ist, verbringbar ist. Daneben betrifft die Erfindung noch ein elastisches Klemmelement zur Verwendung bei einer Klemmvorrichtung, die ein Gehäuse, eine im Gehäuse drehbar gelagerte Spindel und eine Bremsscheibe aufweist.
Klemmvorrichtungen werden im Werkzeugmaschinenbau, insbesondere bei Rundschalttischen oder Teilgeräten eingesetzt, um ein aufgespanntes Werkstück in einer gewünschten Winkelstellung zu positionieren, damit das Werkstück dann bearbeitet werden kann. Das Werkstück kann dabei je nach Ausführung des Rundschalttisches bzw. Teilgeräts horizontal oder vertikal angeordnet werden. Damit sich die vorgegebene Position eines eingespannten Werkstücks bei dessen Bearbeitung mit einer entsprechenden Bearbeitungsmaschine, beispielsweise einer Fräs-, Bohr- oder Schleifmaschine nicht ungewollt verändert, muss von der Klemmvorrichtung eine ausreichend hohe Klemmkraft auf die Spindel aufgebracht werden.
Die Klemmung kann entweder formschlüssig, beispielsweise durch eine Planverzahnung, die eingekoppelt wird oder reibschlüssig durch das Andrücken einer Bremsscheibe an ein ortsfestes Gehäuse erfolgen. Die Ausgestaltung einer formschlüssigen Positionierung der Spindel bzw. eines Werkstücks hat dabei den Nachteil, dass die Anzahl der möglichen Teilschritte und somit die Anzahl der möglichen Positionen durch die Anzahl der Zähne der Planverzahnung vorgegeben ist, so dass unter Umständen eine bestimmte Position eines Werkstücks nicht realisierbar ist. Aus diesem Grunde wird insbesondere bei Teilgeräten, die eine hohe Positioniergenauigkeit aufweisen sollen, vorzugsweise eine reibschlüssige Klemmung der Spindel gegenüber dem feststehenden Gehäuse realisiert.
Aus der DE 103 32 424 B4 ist ein Rundschalttisch mit einer Klemmvorrichtung bekannt, bei dem die Klemmvorrichtung eine mit der Spindel verbundene Bremsscheibe, mehrere sich im Gehäuse abstützende Federelemente und einen hydraulisch oder pneumatisch betätigbaren, den Federelementen entgegenwirkenden Kolben aufweist. Im drucklosen Zustand des Kolbens erfolgt die Klemmung der Spindel dadurch, dass ein dünner Klemmkörper durch die Federelemente gegen die Bremsscheibe gedrückt wird. Wird der Kolben dagegen mit einem Druckmedium beaufschlagt, so wirkt der Kolben der Federkraft des Federelements entgegen, so dass der Klemmkörper nicht gegen die Bremsscheibe gedrückt wird und sich somit die Bremsscheibe ungehindert mit der Spindel mitdrehen kann.
Zur Erzeugung einer hohen Klemmkraft und damit auch eines hohen Klemm- und Haltemoments ist die Federkraft herkömmlicher Federelemente jedoch in der Regel nicht ausreichend, so dass in der Praxis zumeist pneumatische oder hydraulische Systeme zur Erzeugung der Klemmkraft eingesetzt werden. Die Verwendung eines hydraulischen Systems hat dabei den Nachteil, dass aufgrund des hohen Betriebsdrucks die Anforderungen an die Zuleitungen, Dichtungen und Druckerzeuger relativ hoch sind, was die Kosten des hydraulischen Systems erhöht. Dieses Problem besteht zwar bei pneumatischen Systemen nicht, hier ist jedoch aufgrund des relativ geringen Betriebsdrucks in der Regel auch nur eine relativ geringe Klemmkraft erreichbar.
Aus der DE 103 35 795 A1 ist eine Klemmvorrichtung bekannt, bei der eine reibschlüssige Klemmung einer Welle gegenüber einem feststehenden Gehäuse erfolgt. Diese bekannte Klemmvorrichtung weist ein flaches, plattenförmiges Spannelement als Klemmelement auf, das einen im Ausgangszustand konvexen Biegebereich aufweist, wobei sich das äußere Ende des Spannelements im Gehäuse abstützt und das innere Ende des Spannelements eine Klemmkraft auf die zu klemmende Welle ausüben kann. Hierzu ist bei der bekannten Klemmvorrichtung im Gehäuse ein Druckraum ausgebildet, der auf einer Seite von dem konvexen Biegebereich des Spannelements begrenzt wird. Wird der Druckraum mit Überdruck beaufschlagt, so führt dies zu einer Verringerung der Krümmung des Biegebereichs des plattenförmigen Spannelements, wodurch das freie, innere Ende des Spannelements gegen die Welle gedrückt wird, so dass die Welle durch das Spannelement geklemmt wird.
Die bekannte Klemmvorrichtung weist jedoch den Nachteil auf, dass der Druckraum – funktionsnotwendiger Weise – nach innen zur rotierenden Spindel offen ist, was eine aufwendige Abdichtung erforderlich macht. Damit die Krümmung des Biegebereichs des plattenförmigen Spannelements bei Druckbeaufschlagung verringert werden kann, ist es erforderlich, dass das Spannelement eine entsprechend geringe Dicke aufweist. Dies führt zu hohen Spannungen im Spannelement und an den Kraftübertragenden Flächen bzw. Kanten des Spannelements. Außerdem steht auch nur eine relativ geringe Reibfläche zur Klemmung der Spindel zur Verfügung, da bei der bekannten Klemmvorrichtung die Reibfläche durch die Dicke des Spannelements bestimmt wird.
Dieses Problem ist bei der aus der DE 10 2009 014 117 A1 bekannten Klemmvorrichtung, von der die vorliegende Erfindung ausgeht, dadurch gelöst, dass das Klemmelement einen die zu klemmende Spindel umgebenden Innenzylinder und einen koaxial zum Innenzylinder angeordneten Außenzylinder aufweist, die beide durch eine Membran miteinander verbunden sind. Das Klemmelement ist somit topfförmig ausgebildet, wobei die Membran nach innen oder nach außen gewölbt ist, so dass durch Beaufschlagung der Membran mit einer Kraft die Krümmung der Membran veränderbar ist, was zu einer Veränderung des Abstandes sowohl des Klemmabschnitts des Innenzylinders als auch des Klemmabschnitts des Außenzylinders zur Spindel führt. Durch Beaufschlagung des Klemmelements mit einer Kraft kann die Spindel so durch das Klemmelement geklemmt oder eine Klemmung der Spindel gelöst werden.
Durch die topfförmige Ausgestaltung des Klemmelements mit einem Innenzylinder und einem Außenzylinder bildet das Klemmelement selber einen Druckraum, so dass bei Druckbeaufschlagung der Membran von der Innenseite der Druckraum durch das Klemmelement selber zur drehbar gelagerten Spindel geschlossen ist. Da der Druckraum nicht gegenüber der drehenden Spindel abgedichtet werden muss, können einfache Dichtungselemente verwendet werden, was die Ausgestaltung und Anordnung der Klemmvorrichtung vereinfacht.
Auch wenn mit dieser Klemmvorrichtung bereits relativ hohe Klemmkräfte bzw. Haltemomente erzeugt werden können, so weist sie doch auch einige Nachteile auf. Um die im nicht geklemmten Zustand vorhandenen Spalte zwischen den Klemmflächen des Klemmelements und den korrespondierenden Flächen an der Spindel bzw. an der Bremsscheibe beim Klemmen zu schließen, ist ein gewisser axialer Hub der Membran erforderlich, der zu Biegespannungen in den Übergangsbereichen zwischen der Membran und dem Innenzylinder bzw. dem Außenzylinder führt. Da diese Biegespannungen das begrenzende Bemessungskriterium für das Klemmelement darstellen, müssen die Spalte möglichst klein gehalten werden, was bei der topfförmigen Ausgestaltung des Klemmelements jedoch relativ hohe Fertigungsgenauigkeiten erfordert.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine neue Klemmvorrichtung bzw. ein neues Klemmelement zur Verwendung bei einer Klemmvorrichtung zur Verfügung zu stellen, mit der bzw. mit dem bei möglichst einfacher konstruktiver Gestaltung hohe Klemmkräfte bzw. Haltemomente erzielt werden können.
Diese Aufgabe ist bei der eingangs beschriebenen Klemmvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 dadurch gelöst, dass das Klemmelement eine Membran und einen parallel zur Spindel verlaufenden Außenzylinder aufweist, wobei die Membran und der Außenzylinder unter einem Winkel β von 90° ± α zueinander angeordnet sind und in der Mitte der Membran eine die Spindel mit radialem Abstand umgebende Öffnung ausgebildet ist. Im Unterschied zur aus der DE 10 2009 014 117 A1 bekannten Klemmvorrichtung weist das Klemmelement somit lediglich einen Außenzylinder und nicht zusätzlich auch noch einen Innenzylinder auf.
Der Außenzylinder weist dabei einen Klemmabschnitt und die Bremsscheibe einen koaxial dazu angeordneten Gegenklemmabschnitt auf, die in der ersten Position des Klemmelements einen Abstand zueinander aufweisen, so dass zwischen dem Klemmabschnitt des Außenzylinders und dem Gegenklemmabschnitt der Bremsscheibe ein radialer Spalt besteht. Durch Beaufschlagung der Membran mit einer im Wesentlichen axial gerichteten Kraft ist der Winkel β zwischen der Membran und dem Außenzylinder veränderbar, wobei eine Veränderung des Winkels β eine Veränderung des Abstandes des Klemmabschnitts des Außenzylinders zum Gegenklemmabschnitt der Bremsscheibe bewirkt, so dass durch Beaufschlagung der Membran mit einer Kraft das Gehäuse oder die Spindel durch das Klemmelement geklemmt oder eine Klemmung des Gehäuses oder der Spindel gelöst werden kann.
Einleitend ist ausgeführt worden, dass die Klemmvorrichtung ein Gehäuse, eine Spindel, ein elastisches Klemmelement und eine Bremsscheibe aufweist, wobei die Spindel und das Gehäuse relativ zueinander drehbar sind. In der Regel ist dabei die Spindel drehbar im Gehäuse gelagert, während das Gehäuse und das Klemmelement ortsfest sind. Das der Erfindung zugrunde liegende Klemmprinzip, welches dem eines Kniehebels ähnlich ist, kann grundsätzlich auch angewendet werden, wenn das Gehäuse und das Klemmelement drehbar sind, während die Spindel und die Bremsscheibe ortsfest sind. In diesem Fall ist das Klemmelement durch Beaufschlagung mit einer Kraft aus einer ersten Position, in der das Gehäuse drehbar ist, in eine zweite Position, in der das Gehäuse über das Klemmelement und die Bremsscheibe geklemmt ist, verbringbar. Entscheidend ist somit, dass das Gehäuse und die Spindel relativ zueinander drehbar sind, wobei das Klemmelement dazu dient, dass das drehbare Bauteil – das Gehäuse oder die Spindel – in einer gewünschten Position geklemmt bzw. gehalten werden kann. Nachfolgend wird gleichwohl immer davon ausgegangen, dass das Gehäuse ortsfest und die Spindel drehbar ist, ohne dass die vorliegende Erfindung jedoch darauf beschränkt sein soll.
Dadurch, dass bei der erfindungsgemäßen Klemmvorrichtung das Klemmelement nur eine Membran und einen Außenzylinder – nicht jedoch zusätzlich noch einen Innenzylinder – aufweist, erfolgt bei der erfindungsgemäßen Klemmvorrichtung die Klemmung der Spindel ausschließlich über den Außenzylinder des Klemmelements. Bei der erfindungsgemäßen Klemmvorrichtung wird somit bewusst auf die zusätzliche innere Klemmung direkt an der Spindel verzichtet, was jedoch nicht zu einer Reduzierung sondern zu einer Vergrößerung des erreichbaren Klemmmoments führt. Dies liegt daran, dass durch den Verzicht auf einen Innenzylinder und damit auch auf eine Klemmung zwischen dem Innenzylinder und der Spindel, die im geklemmten Zustand der Membran bei einer bestimmten Klemmkraft auftretenden Spannungen in der Membran reduziert werden. Die Anmelderin hat nämlich herausgefunden, dass bei der aus dem Stand der Technik bekannten Klemmvorrichtung der Übergangsbereich zwischen der Membran und dem Innenzylinder die mechanische Schwachstelle des Klemmelements darstellt. Die am Innenzylinder auftretende Klemmkraft führt zu hohen Spannungen in der Membran, die die maximal mögliche Klemmkraft begrenzen. Daher kann bei der bekannten Klemmvorrichtung die am Außenzylinder theoretisch mögliche maximale Klemmkraft nicht ausgenutzt werden, da es ansonsten zu einer Beschädigung des Klemmelements im Übergangsbereich zwischen der Membran und dem Innenzylinder kommen würde.
Da bei der erfindungsgemäßen Klemmvorrichtung das Klemmelement keinen Innenzylinder aufweist, kann das Klemmelement mit einer größeren Kraft beaufschlagt werden, was zu einer größeren Klemmkraft zwischen dem Klemmabschnitt des Außenzylinders und dem Gegenklemmabschnitt an der Bremsscheibe führt. Ergänzend kommt bei der erfindungsgemäßen Klemmvorrichtung noch hinzu, dass bei unveränderter Abmessung des Klemmelements der Abstand zwischen dem Kraftangriffspunkt an der Membran und dem Außenzylinder vergrößert werden kann, was zu einer Vergrößerung des Klemmmoments führt. Bei der erfindungsgemäßen Klemmvorrichtung bzw. dem erfindungsgemäßen Klemmelement kann nämlich die gesamte Breite der Membran, d. h. die radiale Erstreckung der Membran von der Öffnung bis zum Außenzylinder als ”Kniehebel-Schenkel” genutzt werden, während bei der bekannten Klemmvorrichtung lediglich die halbe Breite der Membran als ”Kniehebel-Schenkel” jeweils sowohl zum Außenzylinder als auch zum Innenzylinder wirkt. Dies hat den Vorteil, dass für die Schließung des funktionsbedingten radialen Spaltes ein kleinerer axialer Hub notwendig ist, was wiederum zu geringeren Biegespannungen im Übergangsbereich zwischen der Membran und dem Außenzylinder führt.
Zur Befestigung des Klemmelements weist der Außenzylinder vorzugsweise an seinem der Membran abgewandten freien Ende einen Befestigungsbereich auf, über den das Klemmelement fest mit dem Gehäuse verbunden, insbesondere verschraubt werden kann. Da bei dem erfindungsgemäßen Klemmelement der die Öffnung begrenzende Rand der Membran – Funktionsnotwendigerweise – nicht mit dem Gehäuse verbunden ist, so dass dort auch kein Befestigungsbereich ausgebildet ist, ist entweder nur ein kleinerer Bauraum für das Klemmelement erforderlich oder die Breite der Membran kann – bei gleich bleibender Größe des Bauraums – vergrößert werden, was zu einer weiteren Erhöhung des maximal möglichen Klemmmoments führt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Klemmvorrichtung ist innerhalb der Öffnung der Membran ein die Spindel mit radialem Abstand umgebendes zylindrisches Abstützelement angeordnet, das eine radiale Verschiebung des die Öffnung begrenzenden Randes der Membran begrenzt. Wird die Membran mit einer Kraft beaufschlagt, so führt dies zum einen zu einer Veränderung des Winkels β zwischen der Membran und dem Außenzylinder, zum anderen zu einer Verschiebung des Klemmabschnitts des Außenzylinders senkrecht zur Richtung der Kraft. Durch die Anordnung des zylindrischen Abstützelements innerhalb der Öffnung der Membran wird eine Verformung der Membran radial nach innen verhindert, wodurch die Klemmkraft zwischen dem Außenzylinder und der Bremsscheibe erhöht wird.
Die Beaufschlagung der Membran des Klemmelements mit einer Kraft erfolgt vorzugsweise mit Hilfe eines aktivierbaren Kraftelements, wobei im Rahmen der Erfindung das Kraftelement sowohl Druckluft oder Drucköl als auch ein insbesondere pneumatisch oder hydraulisch betätigbares Bauteil, insbesondere ein Kolben sein kann. Ein derartiger Kolben greift dabei vorzugsweise in der Nähe der Öffnung an der Membran an, so dass die wirksame ”Kniehebel-Schenkellänge” maximal ist. Vorzugsweise ist dabei das innerhalb der Öffnung der Membran angeordnete zylindrische Abstützelement mit dem Kolben verbunden. Eine axiale Verschiebung des Kolbens führt dann automatisch auch zu einer axialen Verschiebung des Abstützelements.
Bei der zuvor beschriebenen Ausführung mit einem Abstützelement ist es besonders vorteilhaft, wenn der die Öffnung begrenzende Rand der Membran und/oder die angrenzende Innenfläche der Membran eine nach außen gewölbte Kontaktfläche aufweisen, die mit dem Abstützelement bzw. dem Kolben zusammenwirken. Die Ausbildung von nach außen gewölbten Kontaktflächen führt zu einer Verringerung der Flächenpressung, die an der Berührungsfläche der Membran mit dem Abstützelement bzw. dem Kolben auftritt. Da die maximal zulässige Spannung (Hertz'sche Pressung), die in der Mitte der Berührungsfläche zweier elastischer Körper auftreten darf, bei einer gewölbten Kontaktfläche deutlich größer ist als bei einer scharfkantigen Kontaktfläche, kann durch die Ausbildung von nach außen gewölbten Kontaktflächen die maximal zulässige Kraft, mit der die Membran beaufschlagt wird, weiter erhöht werden, was zu einer weiteren Erhöhung der maximal möglichen Klemmkraft führt.
Zur Reduzierung der auftretenden hohen Flächenpressungen können vorteilhafterweise auch die übrigen kraftübertragenden Kontaktflächen nach außen gewölbt Kontaktflächen aufweisen. Derartige, nach außen gewölbte Kontaktflächen können daher beispielsweise auf der dem Gegenklemmabschnitt zugewandten Seite des Klemmabschnitts des Außenzylinders oder auf der dem Klemmabschnitt zugewandten Seite des Gegenklemmabschnitts der Bremsscheibe ausgebildet sein.
Damit eine von dem Außenzylinder des Klemmelements auf die Bremsscheibe ausgeübte Klemmkraft zu einer Klemmung der Spindel führt, ist es erforderlich, dass die Bremsscheibe – wie eingangs ausgeführt – mit der Spindel drehfest verbunden ist. Hierbei wird es in der Praxis häufig herstellungstechnisch vorteilhaft sein, wenn die Spindel und die Bremsscheibe zwei separate Bauteile sind, wobei die Bremsscheibe dann mit der Spindel fest verbunden, insbesondere verschraubt ist. Alternativ dazu kann die Bremsscheibe jedoch auch einstückig mit der Spindel ausgebildet sein, so dass die Bremsscheibe bzw. dass als Bremsscheibe fungierende Bauteil Teil der Spindel ist.
Unabhängig davon, ob die Bremsscheibe als separates Bauteil oder einstückig mit der Spindel ausgebildet ist, ist gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Bremsscheibe derart angeordnet und ausgebildet ist, dass der Gegenklemmabschnitt der Bremsscheibe in der zweiten Position des Klemmelements mit seiner dem Klemmabschnitt des Außenzylinders abgewandten Seite an einem gegenüberliegenden Gehäuseabschnitt anliegt. Hierdurch kann die Klemmwirkung der Bremsscheibe auf einfache Art und Weise verstärkt werden. Zur Reduzierung der auftretenden Flächenpressung kann dabei auch die dem Klemmabschnitt des Außenzylinders abgewandte Seite des Gegenklemmabschnitts der Bremsscheibe und/oder die dem Gegenklemmabschnitt zugewandte Seite des Gehäuseabschnitts eine nach außen gewölbte Kontaktfläche aufweisen.
Das Abstützelement kann eine Schräge aufweisen, so dass das Abstützelement kegelstumpfförmig ausgebildet ist, wobei sich der dem Rand der Membran zugewandte Außenumfang des Abstützelements in Richtung auf die der Membran wirkenden Kraft verringert. Eine derartige Ausgestaltung des Abstützelements hat den Vorteil, dass ein zwischen dem Rand der Membran und dem Abstützelement im nicht geklemmten Zustand ausgebildeter Spalt durch eine axiale Verschiebung des Abstützelements auf null reduziert werden kann, ohne dass dabei bereits die Membran verformt wird. Darüber hinaus kann durch die Schräge an dem Abstützelement die Größe des radialen Hubs bei einem vorgegebenen axialen Hub, d. h. einer axialen Verschiebung des Abstützelements erhöht werden. Ein Kniehebel, nach dessen Funktionsprinzip die Klemmung bei der erfindungsgemäßen Klemmvorrichtung erfolgt, hat normalerweise die Eigenschaft, dass mit zunehmendem axialem Hub der radiale Hub stark abnimmt. Dies hat bei der erfindungsgemäßen Klemmvorrichtung zur Folge, dass bei fortschreitender Klemmbewegung des Klemmelements eine große Verformung der Membran nur zu einer geringen radialen Verschiebung des Klemmabschnitts des Außenzylinders und damit nur zu einer relativ geringen Steigerung der Klemmkraft führt. Durch die Ausbildung einer Schräge am Abstützelement besteht die Möglichkeit, den radialen Hub in Abhängigkeit vom axialen Hub gleichmäßiger zu gestalten, so dass eine weitere Steigerung der Klemmkraft möglich ist.
Außerdem kann durch eine nach außen gewölbte Kontaktfläche des Abstützelementes in Zusammenwirken mit einer schrägen bzw. kegelförmigen Innenfläche des Außenzylinders der radiale Hub in Abhängigkeit vom axialen Hub, wie bereits im vorherigen Abschnitt beschrieben, beeinflusst werden
Wie zuvor ausgeführt worden ist, besteht bei der erfindungsgemäßen Klemmvorrichtung das Klemmelement aus einer Membran und einem parallel zur Spindel verlaufenden Außenzylinder. Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist dabei das Klemmelement als ein Bauteil ausgebildet, so dass die Membran und der Außenzylinder einstückig ausgebildet sind. Alternativ dazu können die Membran und der Außenzylinder jedoch auch als zwei separate Bauteile ausgebildet sein, die formschlüssig und/oder kraftschlüssig miteinander verbunden sind.
Vorzugsweise ist dazu an der der Membran zugewandten Fläche des Klemmabschnitts des Außenzylinders ein Bund oder eine Schräge ausgebildet, durch die die innerhalb des Außenzylinders angeordnete Membran form- bzw. kraftschlüssig mit dem Außenzylinder verbunden ist. Die zweiteilige Ausbildung des Klemmelements hat den Vorteil, dass im Übergangsbereich von der Membran zum Außenzylinder keine Biegespannungen auftreten, die die maximal mögliche Klemmkraft begrenzen. Sind die Membran und der Außenzylinder als zwei separate Bauteile ausgebildet, so weist vorteilhafterweise der dem Außenzylinder zugewandte Rand der Membran eine nach außen gewölbte Kontaktfläche auf, die mit der zugewandten Fläche des Klemmabschnitts des Außenzylinders zusammenwirkt. Durch die nach außen gewölbte Kontaktfläche wird wiederum die auftretende Flächenpressung reduziert, so dass die Membran mit einer größeren Kraft beaufschlagt und damit ein höheres Klemmmoment erzeugt werden kann.
Besonders vorteilhaft ist es bei der zuvor beschriebenen zweiteiligen Ausbildung des Klemmelements, wenn auch der die Öffnung begrenzende Rand der Membran eine nach außen gewölbte Kontaktfläche aufweist, die mit dem Abstützelement zusammenwirkt. Die Membran kann dann als konkave oder konvexe Scheibe ausgebildet sein, in deren Mitte die Öffnung für die Spindel ausgebildet ist, wobei sowohl der äußere als auch der innere Rand der scheibenförmigen Membran aufgrund der gewölbten Kontaktfläche abgerundet ist.
Grundsätzlich gibt es verschiedene Möglichkeiten, wie das Klemmelement im Einzelnen ausgebildet sein kann und wie das Klemmelement und die Bremsscheibe relativ zueinander angeordnet sind. Eingangs ist ausgeführt, dass die Membran und der Außenzylinder unter einem Winkel β von 90° ± α zueinander angeordnet sind. Gemäß einer grundsätzlich ersten Ausführungsvariante beträgt der Winkel β zwischen der Membran und dem Außenzylinder 90° – α, d. h. der Winkel β ist kleiner als 90°, wobei α in der Regel kleiner als 20° ist, vorzugsweise zwischen 5° und 15° beträgt, so dass der Winkel β zwischen 75° und 85° beträgt.
Gemäß einer ersten Variante der Erfindung, bei der der Winkel β kleiner 90° ist und bei der zwischen dem Klemmabschnitt des Außenzylinders und dem Gegenklemmabschnitt der Bremsscheibe ein radialer Spalt besteht, wenn das Klemmelement nicht mit einer Kraft beaufschlagt ist, sind die Bremsscheibe und das Klemmelement derart ausgebildet und zueinander angeordnet, dass die Bremsscheibe zumindest den Klemmabschnitt des Außenzylinders umschließt. Bei dieser Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Klemmvorrichtung ist das aktivierbare Kraftelement, beispielsweise der Kolben, derart relativ zum Klemmelement angeordnet, dass eine Beaufschlagung des Klemmelements mit einer Kraft dazu führt, dass sich der Winkel β zwischen der Membran und dem Außenzylinder vergrößert. Dies führt dann dazu, dass der Klemmabschnitt des Außenzylinders gegen den Gegenklemmabschnitt der Bremsscheibe gepresst wird, wodurch die Spindel geklemmt wird.
Gemäß einer zweiten Variante der erfindungsgemäßen Klemmvorrichtung, bei der der Winkel β zwischen der Membran und dem Außenzylinder ebenfalls kleiner als 90° ist, sind das Klemmelement und die Bremsscheibe derart dimensioniert und zueinander angeordnet, dass zwischen dem Klemmabschnitt des Außenzylinders und dem Gegenklemmabschnitt der Bremsscheibe kein radialer Spalt besteht, wenn das Klemmelement nicht mit einer Kraft beaufschlagt ist. Auch bei dieser Ausführungsvariante umschließt die Bremsscheibe zumindest den Klemmabschnitt des Außenzylinders, wobei bei dieser Ausführungsvariante die Kraft derart zum Klemmelement angeordnet ist, dass sich bei Beaufschlagung des Klemmelements mit einer Kraft der Winkel β verkleinert, so dass der Klemmabschnitt des Außenzylinders vom Gegenklemmabschnitt der Bremsscheibe weggezogen wird und dadurch die Klemmung gelöst wird, so dass die Spindel drehbar ist. Im Vergleich zur erstem Ausführungsvariante wird bei dieser Ausführungsvariante die Membran – bei ansonsten im Wesentlichen gleicher Ausgestaltung des Klemmelements – von der gegenüberliegenden Seite mit der Kraft beaufschlagt.
Bei einer dritten Variante der erfindungsgemäßen Klemmvorrichtung, bei der der Winkel β zwischen der Membran und dem Außenzylinder ebenfalls kleiner als 90° ist, weist der Außenzylinder einen zylindrischen Ansatz auf, der die Bremsscheibe zumindest teilweise umschließt. Der Klemmabschnitt des Außenzylinders wird dabei von dem zylindrischen Ansatz gebildet, wobei die Klemmung zwischen der Innenseite des Ansatzes und der Außenseite des Gegenklemmabschnitts der Bremsscheibe erfolgt. Bei dieser Ausführungsvariante sind der Außenzylinder bzw. dessen Ansatz und die Bremsscheibe derart dimensioniert und zueinander angeordnet, dass zwischen dem Klemmabschnitt und dem Gegenklemmabschnitt der Bremsscheibe kein radialer Spalt besteht, wenn das Klemmelement nicht mit einer Kraft beaufschlagt ist. Eine Beaufschlagung des Klemmelements mit einer Kraft führt dabei wiederum dazu, dass sich der Winkel β vergrößert, wodurch nun jedoch der Klemmabschnitt des Außenzylinders vom Gegenklemmabschnitt der Bremsscheibe abgehoben wird, so dass die Klemmung gelöst wird und die Spindel drehbar ist. Bei einer grundsätzlich zweiten Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Klemmvorrichtung ist der Winkel β zwischen der Membran und dem Außenzylinder größer als 90°. Hierbei sind das Klemmelement und die Bremsscheibe vorzugsweise so dimensioniert und zueinander angeordnet, dass zwischen dem Klemmabschnitt des Außenzylinders und dem Gegenklemmabschnitt der Bremsscheibe, die den Außenzylinder zumindest teilweise umschließt, kein radialer Spalt besteht, wenn das Klemmelement nicht mit einer Kraft beaufschlagt ist. Das aktivierbare Kraftelement ist dabei derart relativ zum Klemmelement angeordnet, dass sich bei Beaufschlagung des Klemmelements mit einer Kraft der Winkel β vergrößert, wodurch der Klemmabschnitt des Außenzylinders vom Gegenklemmabschnitt der Bremsscheibe weggezogen wird, so dass die Klemmung gelöst wird und damit die Spindel drehbar ist.
Mit der erfindungsgemäßen Klemmvorrichtung kann somit durch eine entsprechende Ausgestaltung des Klemmelements, insbesondere durch die Wahl des Winkels β zwischen der Membran und dem Außenzylinder, sowie durch eine entsprechende Anordnung und Ausgestaltung von Klemmelement und Bremsscheibe zueinander eine Klemmung realisiert werden, die durch Aktivierung des Kraftelements, beispielsweise bei Druckbeaufschlagung, entweder aktiv (geklemmter Zustand) oder passiv ist (nicht geklemmter Zustand).
Wie eingangs ausgeführt worden ist, betrifft die vorliegende Erfindung nicht nur eine Klemmvorrichtung sondern auch ein elastisches Klemmelement zur Verwendung bei einer entsprechenden Klemmvorrichtung, die ein Gehäuse, eine Spindel und ggf. eine Bremsscheibe aufweist. Das elastische Klemmelement ist dabei gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 17 erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass das Klemmelement eine Membran und einen zylindrischen Abschnitt aufweist, wobei die Membran und der zylindrische Abschnitt unter einem Winkel β von 90° – α zueinander angeordnet sind und in der Mitte der Membran eine Öffnung ausgebildet ist, die die Spindel mit radialem Abstand umgibt, wobei der zylindrische Abschnitt einen Klemmabschnitt aufweist, der mit einem korrespondierenden Gegenklemmabschnitt an der Spindel oder einer an der Spindel befestigten Bremsscheibe zusammenwirken kann. Durch Beaufschlagung der Membran mit einer im Wesentlichen parallel zum zylindrischen Abschnitt gerichteten Kraft ist dabei der Winkel β zwischen der Membran und dem zylindrischen Abschnitt veränderbar, so dass der Klemmabschnitt des zylindrischen Abschnitts senkrecht zur Richtung der Kraft bewegbar ist.
Der zylindrische Abschnitt kann dabei als Innenzylinder oder alternativ als Außenzylinder ausgebildet sein, wobei dann, wenn der zylindrische Abschnitt als Innenzylinder ausgebildet ist, die Klemmung direkt an der Bremsscheibe bzw. einem Gegenklemmabschnitt an der Bremsscheibe erfolgt, so dass eine Bremsscheibe nicht vorgesehen ist. Dies ist auch der Vorteil eines Klemmelements, das neben einer Membran nur einen Innenzylinder aufweist, dass nämlich kein Bauraum für eine mit der Spindel verbundene Bremsscheibe erforderlich ist. Besteht jedoch die Möglichkeit, eine Bremsscheibe anzuordnen, so weist das Klemmelement vorzugsweise einen Außenzylinder als zylindrischen Abschnitt auf.
Bezüglich der Vorteile eines derartigen elastischen Klemmelements wird auf die vorherigen Ausführungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Klemmvorrichtung verwiesen. Weitere Ausführungsvarianten des Klemmelements ergeben sich ebenfalls aus den vorherigen Ausführungen sowie aus den dem Patentanspruch 17 nachgeordneten Patentansprüchen.
Die Membran des Klemmelements kann – aus Richtung des Kraftelements bzw. des am zylindrischen Abschnitt vorzugsweise vorgesehenen Befestigungsbereichs gesehen – schräg nach innen oder nach außen geneigt sein, so dass die Membran etwa kegelstumpfförmig ausgebildet ist, mit der Öffnung in der Mitte. Vorzugsweise ist die Membran von ihrem dem Außenzylinder zugewandten Außenbereich zur in der Mitte ausgebildeten Öffnung hin nach innen geneigt, so dass der Winkel β zwischen dem Außenzylinder und der Membran kleiner als 90° ist, insbesondere zwischen 75° und 85° beträgt. Zur Vermeidung von an den Kontaktflächen auftretenden zu hohen Flächenpressungen können der die Öffnung begrenzende Rand der Membran und vorzugsweise auch die dem Gegenklemmabschnitt zugewandte Seite des Klemmabschnitts des Außenzylinders jeweils eine nach außen gewölbte Kontaktfläche aufweisen.
Im Einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, die erfindungsgemäße Klemmvorrichtung bzw. das erfindungsgemäße elastische Klemmelement auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen sowohl auf die den Patentansprüchen 1 und 17 nachgeordneten Patentansprüche als auch auf die Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen
1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Klemmvorrichtung als Teil eines Teilgeräts, im Schnitt,
2 eine vergrößerte Darstellung eines Teils eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Klemmvorrichtung, im Schnitt,
3 eine vergrößerte Detaildarstellung zweier alternativen Ausführungsformen eines Teils der Klemmvorrichtung, im Schnitt,
4 eine vergrößerte Detaildarstellung eines alternativen Ausführungsbeispiel einer Klemmvorrichtung, im Schnitt,
5 eine vergrößerte Darstellung eines Teils eines weiteren Ausführungsbeispiel einer Klemmvorrichtung, im Schnitt,
6 eine vergrößerte Detaildarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Klemmvorrichtung, ähnlich der Ausführung gemäß 1,
7 eine vergrößerte Darstellung zweier alternativen Ausführungsformen eines Teils des Klemmelements, im Schnitt,
8 eine vergrößerte Darstellung eines Teils eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Klemmelements, im Schnitt, und
9 eine perspektivische Darstellung eines Teils eines erfindungsgemäßen Klemmelements.
Die 1 bis 8 zeigen verschiedene Ausführungsvarianten bzw. Details unterschiedlicher Ausgestaltungen einer erfindungsgemäßen Klemmvorrichtung 1 als Teil einer Werkzeugmaschine, insbesondere eines Teilgeräts oder eines Rundschalttischs. 9 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Klemmelements in perspektivischer Darstellung.
Die in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Klemmvorrichtung 1 weisen ein Gehäuse 2, eine in dem Gehäuse 2 drehbar angeordnete Spindel 3, ein Klemmelement 4 und eine mit dem Gehäuse 2 fest verbundene, beispielsweise verschraubte Bremsscheibe 5 auf. Das funktional zur Klemmvorrichtung 1 gehörende Gehäuse 2 stellt gleichzeitig das Gehäuse des Teilgeräts oder des Rundschalttisches dar, wobei das Gehäuse 2 selber aus mehreren Gehäuseteilen bestehen kann, die miteinander verbunden sind. Die in 1 dargestellte Klemmvorrichtung 1 kann dazu dienen, ein aufgespanntes Werkstück in einer beliebigen Winkelstellung der Spindel 3 zu positionieren, so dass das Werkstück anschließend in der gewünschten Position mittels einer Bearbeitungsmaschine bearbeitet werden kann.
Wie aus 1 ersichtlich ist, weist das Klemmelement 4 eine Membran 6 und einen parallel zur Spindel 3 verlaufenden Außenzylinder 7 auf, wobei die Membran 6 und der Außenzylinder 7 unter einem Winkel β von 90° – α zueinander angeordnet sind. Der Winkel α beträgt dabei vorzugsweise zwischen 5° und 15°, so dass der Winkel β vorzugsweise zwischen 75° und 85° beträgt. Wie insbesondere aus 9 ersichtlich ist, weist das rotationssymmetrische Klemmelement 4 in seiner Mitte eine Öffnung 8 auf, die die Spindel 3 mit radialem Abstand umgibt.
Zur Klemmung der Spindel 3 weist der Außenzylinder 7 einen Klemmabschnitt 9 und die Bremsscheibe 5 einen koaxial dazu angeordneten Gegenklemmabschnitt 10 auf, wobei in der in 1 gezeigten ersten Position, in der die Spindel 3 nicht geklemmt ist, zwischen dem Klemmabschnitt 9 und dem Gegenklemmabschnitt 10 ein radialer Spalt 11 besteht. Der Spalt 11 beträgt dabei in der Regel nur wenige Hundertstel Millimeter. Wird die Membran 6 mit einer axial gerichteten Kraft F beaufschlagt, so führt dies dazu, dass sich der Winkel β zwischen der Membran 6 und dem Außenzylinder 7 vergrößert, was wiederum dazu führt, dass der Klemmabschnitt 9 des Außenzylinders 7 nach außen in Richtung des in 1 mit F_A dargestellten Pfeils gedrückt wird, so dass zunächst der Spalt 11 geschlossen und dann der Klemmabschnitt 9 gegen den gegenüberliegenden Gegenklemmabschnitt 10 der Bremsscheibe 5 gepresst wird. Aufgrund des ”Kniehebel-Prinzips” erfolgt dabei eine hohe Kraftverstärkung, so dass auch mit einer relativ geringen Kraft F, mit der die Membran 6 beaufschlagt wird, eine große Klemmkraft F_A erzielt werden kann.
Innerhalb der Öffnung 8 der Membran 6 ist ein mit radialem Abstand die Spindel 3 umgebendes zylindrisches Abstützelement 12 angeordnet, das eine radiale Verschiebung des die Öffnung 8 begrenzenden Randes 13 der Membran 6 in Richtung der Spindel 3, d. h. nach innen, begrenzt. Das Abstützelement 12 ist dabei mit einem Kolben 14 verbunden, der hydraulisch oder vorzugsweise pneumatisch betätigbar ist und mit dessen Hilfe die Membran 6 im Bereich des Randes 13 mit der Kraft F beaufschlagt werden kann. Der Kolben 14 ist selber innerhalb eines Zylinders 15 beweglich angeordnet, der die Spindel 3 mit radialem Abstand umgibt. Zwischen dem Kolben 14 und dem Zylinder 15 ist dadurch ein Druckraum 16 ausgebildet, der mit Druckluft oder einem anderen Druckmedium gefüllt werden kann, so dass sich der Kolben 14 in Richtung zur Membran 6 bewegt und dabei die Membran 6 auslenkt. Die in 1 dargestellte Ausgestaltung der Klemmvorrichtung 1 mit einem in einem Zylinder 15 geführten Kolben 14 hat den Vorteil, dass der Druckraum 16 nicht gegenüber der drehenden Spindel 3 abgedichtet werden muss. Somit können zur Abdichtung des Druckraumes 16 einfache (hier nicht dargestellte) Dichtungselemente zwischen dem Kolben 14 und dem Zylinder 15 eingesetzt werden.
Aus der Detaildarstellung des Ausführungsbeispiels gemäß 2 ist ersichtlich, dass der die Öffnung 8 begrenzende Rand 13 der Membran 6 und die angrenzende Innenfläche der Membran 6 jeweils eine nach außen gewölbte Kontaktfläche 13a, 6a aufweisen, die mit dem Abstützelement 12 bzw. dem Kolben 14 zusammenwirken. Die nach außen gewölbten Kontaktflächen 13a, 6a führen zu einer Verringerung der Flächenpressung zwischen der Membran 6 und dem Abstützelement 12 bzw. dem Kolben 14, so dass sich die maximal zulässige Kraft F, mit der die Membran 6 beaufschlagt werden kann, erhöht. Aus demselben Grund weist auch die dem Gegenklemmabschnitt 10 zugewandte Seite des Klemmabschnitts 9 des Außenzylinders 6 eine nach außen gewölbte Kontaktfläche 9a auf.
Aus 2 ist darüber hinaus ersichtlich, dass dem Gegenklemmabschnitt 10 der Bremsscheibe 5 ein Gehäuseabschnitt 17 gegenüberliegend angeordnet ist, so dass der Gegenklemmabschnitt 10 in der zweiten Position des Klemmelements 4, in der die Spindel 3 geklemmt ist, mit seiner dem Klemmabschnitt 9 abgewandten Seite am gegenüberliegenden Gehäuseabschnitt 17 anliegt. Auch hierdurch wird eine weitere Erhöhung der maximal möglichen Klemmkraft erreicht. Zur Reduzierung der auftretenden Flächenpressung kann dabei vorzugsweise auch der Gegenklemmabschnitt 10 auf seiner dem Gehäuseabschnitt 17 gegenüberliegenden Seite eine nach außen gewölbte Kontaktfläche 10a aufweisen.
Die 3 zeigt zwei unterschiedliche Ausführungsvarianten der Membran 6 des Klemmelements 4 und des zylindrischen Abstützelements 12 bzw. des Kolbens 14. Bei der Variante gemäß 3a ist das einstückig mit dem Kolben 14 verbundene Abstützelement 12 kegelstumpfförmig ausgebildet, wobei die Schräge des Kegelstumpfes derart ausgerichtet ist, das sich der dem Rand 13 der Membran 6 zugewandte Außenumfang des Abstützelement 12 in Richtung der auf die Membran 6 wirkenden Kraft F verringert. Eine derartige Ausgestaltung des Abstützelements 12 hat den Vorteil, dass ein im nicht geklemmten Zustand zwischen dem Rand 13 der Membran 6 und dem Abstützelement 12 ausgebildeter Spalt durch eine axiale Verschiebung des Abstützelements 12 bzw. des Kolbens 14 auf null reduziert werden kann, ohne dass dabei bereits die Membran 6 verformt wird, so dass die auftretenden Biegespannungen reduziert werden. Auch hierdurch kann die maximal mögliche Klemmkraft bzw. das auf die Spindel 3 wirkende maximale Klemmmoment weiter vergrößert werden.
Bei der in 3b dargestellten Variante ist in dem der Membran 6 zugewandten Seite des Kolbens 14 eine Ausnehmung 18 ausgebildet, so dass sich die Erstreckung des Kolbens 14 in axialer Richtung reduziert. Das Abstützelement 12 für den Rand 13 der Membran 6 ist somit quasi in den Kolben 14 integriert bzw. innerhalb des Kolbens 14 ausgebildet.
Während bei den Ausführungsbeispielen gemäß den 1 und 2 das Klemmelement 4 als ein Bauteil ausgebildet ist, so dass die Membran 6 und der Außenzylinder 7 einstückig miteinander verbunden sind, sind bei den Ausführungsbeispielen gemäß 7 die Membran 6 und der Außenzylinder 7 zwei separate Bauteile, die formschlüssig und/oder kraftschlüssig miteinander verbunden sind. Bei der Variante gemäß 7a ist dabei an der der Membran 6 zugewandten Fläche des Klemmabschnitts 9 des Außenzylinders 7 ein Bund 19 ausgebildet, während bei der Variante gemäß 7b der Außenzylinder 7 eine Schräge 20 aufweist. Bei der bevorzugten Variante eines zweiteiligen Klemmelements 4 gemäß 7b weist der dem Außenzylinder 7 zugewandte Rand 21 der Membran 6 eine nach außen gewölbte Kontaktfläche 21a auf, die mit der zugewandten Fläche des Klemmabschnitts 9 des Außenzylinders 7 zusammenwirkt. Durch die Ausbildung der Schräge 20 am Außenzylinder 7 kann der Spalt 11 zwischen der Membran 6 und dem Außenzylinder 7 zu null reduziert werden, ohne dass bereits Biegespannungen in der Membran 6 oder im Außenzylinder 7 auftreten.
Während bei den Ausführungsbeispielen gemäß den 1 und 2 eine Klemmung der Spindel 3 erst dann erfolgt, wenn das Klemmelement 4 mit einer Kraft F beaufschlagt wird, ist bei den Ausführungsbeispielen gemäß den 4 bis 6 die Spindel 3 im kraftlosen bzw. drucklosen Zustand der Klemmung geklemmt. Bei diesen Ausführungsbeispielen muss die Membran 6 mit einer Kraft F beaufschlagt werden, um die Klemmung zu lösen, so dass die Spindel 3 drehbar ist.
Das Ausführungsbeispiel einer Klemmvorrichtung 1 gemäß 4 unterscheidet sich im Wesentlichen dadurch von dem Ausführungsbeispiel gemäß 1, dass die das Klemmelement 4 beaufschlagende Kraft F in die entgegen gesetzte Richtung gerichtet ist, so dass sich der Winkel β zwischen der Membran 6 und dem Außenzylinder 7 verkleinert, wenn das Klemmelement 4 mit einer Kraft F beaufschlagt wird. Das Klemmelement 4 und die Bremsscheibe 5 sind dabei so dimensioniert, dass im – in 4 dargestellten – drucklosen Zustand der Klemmabschnitt 9 des Außenzylinders 7 gegen den Gegenklemmabschnitt 10 der Bremsscheibe 5 drückt, so dass die Spindel 3 geklemmt ist. Wird das Klemmelement 4 mit einer Kraft F beaufschlagt, so verringert sich der Winkel β zwischen der Membran 6 und dem Außenzylinder 7, wodurch der Klemmabschnitt 9 des Außenzylinders 7 vom Gegenklemmabschnitt 10 der Bremsscheibe 5 weggezogen wird, so dass die Klemmung gelöst wird und dadurch die Spindel 3 drehbar ist. Wird bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel im Druckraum 16 ein Druck erzeugt, so kann ein am Abstützelement 12 des Kolbens 14 ausgebildeter Bund 22 dazu genutzt werden, die Membran 6 entsprechend auszulenken, so dass der Klemmabschnitt 9 des Außenzylinders 7 vom Gegenklemmabschnitt 10 der Bremsscheibe 5 weggezogen werden, so wie dies in 4 mit dem Pfeil F_A angedeutet ist.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 weist der Außenzylinder 7 einen zylindrischen Ansatz 23 auf, der die Bremsscheibe 5 zumindest teilweise umschließt. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der Klemmabschnitt 9 des Außenzylinders 7 somit von dem zylindrischen Ansatz 23 gebildet, wobei die Klemmung zwischen der Innenseite des Ansatzes 23 und der gegenüberliegenden Außenseite des Gegenklemmabschnitts 10 der Bremsscheibe 5 erfolgt. Bei dieser Ausführungsvariante sind die Bremsscheibe 5 und der Außenzylinder 7 bzw. der zylindrische Ansatz 23 derart dimensioniert und zueinander angeordnet, dass zwischen dem Klemmabschnitt 9 und dem Gegenklemmabschnitt 10 kein radialer Spalt 11 besteht, wenn das Klemmelement 4 nicht mit einer Kraft F beaufschlagt ist. Zum Lösen der Klemmung muss somit das Klemmelement 4 mit einer Kraft F beaufschlagt werden, wodurch sich der Winkel β zwischen der Membran 6 und dem Außenzylinder 7 vergrößert, was dazu führt, dass der Klemmabschnitt 9 des Außenzylinders 7 vom Gegenklemmabschnitt 10 der Bremsscheibe 5 abgehoben wird (in 5 dargestellt), so dass die Klemmung gelöst wird und die Spindel 3 drehbar ist.
6 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Klemmvorrichtung 1, bei der der Winkel β zwischen der Membran 6 und dem Außenzylinder 7 größer als 90° ist. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel besteht zwischen dem Klemmabschnitt 9 des Außenzylinders 7 und dem Gegenklemmabschnitt 10 der Bremsscheibe 5 kein radialer Spalt, wenn das Klemmelement 4 nicht mit einer Kraft F beaufschlagt ist. Wird die Membran 6 mit einer Kraft F beaufschlagt, so führt dies zu einer Vergrößerung des Winkels β zwischen der Membran 6 und dem Außenzylinder 7, wodurch der Klemmabschnitt 9 des Außenzylinders 7 vom Gegenklemmabschnitt 10 der Bremsscheibe 5 in Richtung des in 6 eingezeichneten Pfeils F_A weggezogen wird. Zur Lösung der Klemmung zwischen dem Klemmelement 4 und der den Außenzylinder 7 zumindest teilweise umgebenden Bremsscheibe 5 muss somit auch bei diesem Ausführungsbeispiel die Membran 6 mit einer Kraft F beaufschlagt werden, wozu – so wie dies in 1 dargestellt ist – der Kolben 14 mit Druck beaufschlagt werden kann.
Zur Vereinfachung der Herstellung des Klemmelements 4 kann der an die Öffnung 8 angrenzende, innere Bereich der Membran 6 dicker als der gegenüberliegende, äußere Bereich der Membran 6 ausgebildet sein, so wie dies in 8 angedeutet ist. Eine verdickte Ausbildung des inneren Bereichs der Membran 6 erleichtert gleichzeitig die Ausbildung einer nach außen gewölbten Kontaktfläche 13a, wie diese beispielsweise in 3a dargestellt ist. Wie schließlich der 1 noch entnommen werden kann, weist der Außenzylinder 7 an seinem der Membran 6 abgewandten freien Ende einen Befestigungsbereich 24 auf, über den das Klemmelement 4 fest mit dem Gehäuse 2 verschraubt ist.
9 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines elastischen Klemmelements 4 mit einer Membran 6 und einem Außenzylinder 7 als zylindrischer Abschnitt, wobei die Membran 6 und unter ein Winkel β von 90° – α zum Außenzylinder 7 angeordnet ist und in der Mitte der Membran 6 eine Öffnung 8 ausgebildet ist, die eine Spindel 3 mit radialem Abstand umgibt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der an die Öffnung 8 angrenzende, innere Bereich der Membran 6 dicker als der gegenüberliegende, äußere Bereich der Membran 6 ausgebildet. Außerdem weist der die Öffnung 8 begrenzende Rand 13 der Membran 6 eine nach außen gewölbte Kontaktfläche auf.
Alternativ zur in 9 gezeigten Variante kann das Klemmelement 4 neben der Membran 6 auch einem Innenzylinder anstelle eines Außenzylinders als zylindrischen Abschnitt aufweisen, so dass die Klemmung innen, zwischen dem Klemmabschnitt des Innenzylinders und einem Gegenklemmabschnitt der Spindel 3 erfolgt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10332424 B4 [0004]
DE 10335795 A1 [0006]
DE 102009014117 A1 [0008, 0012]

Claims

Klemmvorrichtung mit einem Gehäuse (2), einer Spindel (3), einem elastischen Klemmelement (4) und einer Bremsscheibe (5), wobei die Spindel (3) und das Gehäuse (2) relativ zueinander drehbar sind, wobei das Klemmelement (4) mit dem Gehäuse (2) und die Bremsscheibe (5) mit der Spindel (3) drehfest verbunden ist, und wobei das Klemmelement (4) durch Beaufschla gung mit einer Kraft (F) aus einer ersten Position, in der das Gehäuse (2) oder die Spindel (3) drehbar ist, in eine zweite Position, in der das Gehäuse (2) oder die Spindel (3) geklemmt ist, verbringbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Klemmelement (4) eine Membran (6) und einen parallel zur Spindel (3) verlaufenden Außenzylinder (7) aufweist, wobei die Membran (6) und der Außenzylinder (7) unter einem Winkel β von 90° ± α zueinander angeordnet sind und in der Mitte der Membran (6) eine die Spindel (3) mit radialem Abstand umgebende Öffnung (8) ausgebildet ist, dass der Außenzylinder (7) einen Klemmabschnitt (9) und die Bremsscheibe (5) einen koaxial dazu angeordneten Gegenklemmabschnitt (10) aufweist, wobei in der ersten Position des Klemmelements (4) zwischen dem Klemmabschnitt (9) des Außenzylinders (7) und dem Gegenklemmabschnitt (10) der Bremsscheibe (5) ein radialer Spalt (11) besteht, dass durch Beaufschlagung der Membran (6) mit einer im Wesentlichen axial gerichteten Kraft (F) der Winkel β zwischen der Membran (6) und dem Außenzylinder (7) veränderbar ist, wobei eine Veränderung des Winkels β eine Veränderung des Abstandes des Klemmabschnitts (9) des Außenzylinders (7) zum Gegenklemmabschnitt (10) der Bremsscheibe (5) bewirkt, so dass durch Beaufschlagung der Membran (6) mit einer Kraft das Gehäuse (2) oder die Spindel (3) durch das Klemmelement (4) geklemmt oder eine Klemmung des Gehäuses (2) oder der Spindel (3) gelöst wird.
Klemmvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Öffnung (8) der Membran (6) ein die Spindel (3) mit radialem Abstand umgebendes zylindrisches Abstützelement (12) angeordnet ist, das eine radiale Verschiebung des die Öffnung (8) begrenzenden Randes (13) der Membran (6) begrenzt.
Klemmvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beaufschlagung des Klemmelements (4) mit einer Kraft ein Kolben (14) vorgesehen ist, wobei der Kolben (14) auf den an die Öffnung (8) angrenzenden Bereich der Membran (6) einwirkt und vorzugsweise pneumatisch oder hydraulisch beaufschlagbar ist.
Klemmvorrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Abstützelement (12) mit dem Kolben (14) verbunden ist, vorzugsweise einstückig mit dem Kolben (14) ausgebildet ist.
Klemmvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der die Öffnung (8) begrenzende Rand (13) der Membran (6) und/oder die angrenzenden Innenfläche der Membran (6) eine nach außen gewölbte Kontaktfläche (13a, 6a) aufweisen, die mit dem Abstützelement (12) bzw. dem Kolben (14) zusammenwirken.
Klemmvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der an die Öffnung (8) angrenzende, innere Bereich der Membran (6) dicker als der gegenüberliegende, äußere Bereich der Membran (6) ausgebildet ist.
Klemmvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Abstützelement (12) derart kegelstumpfförmig ausgebildet ist, dass sich der dem Rand (13) der Membran (6) zugewandte Außenumfang des Abstützelements (12) in Richtung der auf die Membran (6) wirkenden Kraft (F) verringert.
Klemmvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremsscheibe (5) einstückig mit der Spindel (3) ausgebildet ist.
Klemmvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenklemmabschnitt (10) der Bremsscheibe (5) in der zweiten Position des Klemmelements (4) mit seiner dem Klemmabschnitt (9) des Außenzylinders (6) abgewandten Seite an einem gegenüberliegenden Gehäuseabschnitt (17) anliegt.
Klemmvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Gegenklemmabschnitt (10) zugewandte Seite des Klemmabschnitts (9) des Außenzylinders (6) und/oder die dem Klemmabschnitt (9) zugewandte Seite des Gegenklemmabschnitts (10) der Bremsscheibe (5) und/oder die dem Klemmabschnitt (9) abgewandte Seite des Gegenklemmabschnitts (10) der Bremsscheibe (5) und/oder die dem Gegenklemmabschnitt (10) zugewandte Seite des Gehäuseabschnitts (15) eine nach außen gewölbte Kontaktfläche (9a, 10a) aufweisen.
Klemmvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (6) und der Außenzylinder (7) des Klemmelements (4) zwei separate Bauteile sind, die formschlüssig und/oder kraftschlüssig miteinander verbunden sind, und dass an der der Membran (6) zugewandten Fläche des Klemmabschnitts (9) des Außenzylinders (7) ein Bund (19) oder eine Schräge (20) ausgebildet ist.
Klemmvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der dem Außenzylinder (7) zugewandte Rand (21) der Membran (6) eine nach außen gewölbte Kontaktfläche (21a) aufweist, die mit der zugewandten Fläche des Klemmabschnitts (9) des Außenzylinders (7) zusammenwirkt.
Klemmvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Membran (6) und der Außenzylinder (7) unter einem Winkel β von 90° – α zueinander angeordnet sind und zwischen dem Klemmabschnitt (9) des Außenzylinders (7) und dem Gegenklemmabschnitt (10) der Bremsscheibe (5) ein radialer Spalt (11) besteht, wenn das Klemmelement (4) nicht mit einer Kraft (F) beaufschlagt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremsscheibe (5) zumindest den Klemmabschnitt (9) des Außenzylinders (7) umschließt, und dass sich bei Beaufschlagung des Klemmelements (4) mit einer Kraft (F) der Winkel β vergrößert, wodurch der Klemmabschnitt (9) des Außenzylinders (7) gegen den Gegenklemmabschnitt (10) der Bremsscheibe (5) gepresst wird, so dass die Spindel (3) geklemmt ist.
Klemmvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Membran (6) und der Außenzylinder (7) unter einem Winkel β von 90° – α zueinander angeordnet sind und zwischen dem Klemmabschnitt (9) des Außenzylinders (7) und dem Gegenklemmabschnitt (10) der Bremsscheibe (5) kein radialer Spalt (11) besteht, wenn das Klemmelement (4) nicht mit einer Kraft (F) beaufschlagt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremsscheibe (5) zumindest den Klemmabschnitt (9) des Außenzylinders (7) umschließt, und dass sich bei Beaufschlagung des Klemmelements (4) mit einer Kraft (F) der Winkel β verkleinert, wodurch der Klemmabschnitt (9) des Außenzylinders (7) vom Gegenklemmabschnitt (10) der Bremsscheibe (5) weggezogen wird, so dass die Spindel (3) drehbar ist.
Klemmvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Membran (6) und der Außenzylinder (7) unter einem Winkel β von 90° – α zueinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenzylinder (7) einen zylindrischen Ansatz (23) aufweist, der die Bremsscheibe (5) zumindest teilweise umschließt, dass zwischen dem Klemmabschnitt (9) des Außenzylinders (7) und dem Gegenklemmabschnitt (10) der Bremsscheibe (5) kein radialer Spalt (11) besteht, wenn das Klemmelement (4) nicht mit einer Kraft (F) beaufschlagt ist, und dass sich bei Beaufschlagung des Klemmelements (4) mit einer Kraft (F) der Winkel β vergrößert, wodurch der Klemmabschnitt (9) des Außenzylinders (7) vom Gegenklemmabschnitt (10) der Bremsscheibe (5) abgehoben wird, so dass die Spindel (3) drehbar ist.
Klemmvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Membran (6) und der Außenzylinder (7) unter einem Winkel β von 90° + α zueinander angeordnet sind und zwischen dem Klemmabschnitt (9) des Außenzylinders (7) und dem Gegenklemmabschnitt (10) der Bremsscheibe (5) kein radialer Spalt (11) besteht, wenn das Klemmelement (4) nicht mit einer Kraft (F) beaufschlagt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremsscheibe (5) zumindest den Klemmabschnitt (9) des Außenzylinders (7) umschließt, und dass sich bei Beaufschlagung des Klemmelements (4) mit einer Kraft (F) der Winkel β vergrößert, wodurch der Klemmabschnitt (9) des Außenzylinders (7) vom Gegenklemmabschnitt (10) der Bremsscheibe (5) weggezogen wird, so dass die Spindel (3) drehbar ist.
Elastisches Klemmelement zur Verwendung bei einer ein Gehäuse (2), eine Spindel (3) und ggf. eine Bremsscheibe (5) aufweisenden Klemmvorrichtung, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei durch Beaufschlagung des Klemmelements (4) mit einer Kraft (F) dieses aus einer ersten Position, in der die Spindel (3) drehbar ist, in eine zweite Position, in der die Spindel (3) durch das Klemmelement (4) geklemmt ist, verbringbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Klemmelement (4) eine Membran (6) und einen zylindrischen Abschnitt aufweist, wobei die Membran (6) und der zylindrische Abschnitt unter einem Winkel β von 90° ± α zueinander angeordnet sind und in der Mitte der Membran (6) eine Öffnung (8) ausgebildet ist, die die Spindel (3) mit radialem Abstand umgibt, dass der zylindrische Abschnitt einen Klemmabschnitt (9) aufweist, der mit einem korrespondierenden Gegenklemmabschnitt (10) an der Spindel (3) oder einer mit der Spindel (3) verbundenen Bremsscheibe (5) zusammenwirken kann, dass durch Beaufschlagung der Membran (6) mit einer im Wesentlichen parallel zum zylindrischen Abschnitt gerichteten Kraft (F) der Winkel β zwischen der Membran (6) und dem zylindrischen Abschnitt veränderbar ist, wodurch der Klemmabschnitt (9) des zylindrischen Abschnitts senkrecht zur Richtung der Kraft (F) bewegbar ist.
Elastisches Klemmelement nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der zylindrische Abschnitt an seinem der Membran (7) abgewandten freien Ende einen Befestigungsbereich (24) aufweist, der mit dem Gehäuse (2) fest verbindbar, insbesondere verschraubbar ist.
Elastisches Klemmelement nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass α kleiner als 20° ist, vorzugsweise zwischen 5° und 15° beträgt.
Elastisches Klemmelement nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (6) und der zylindrische Abschnitt des Klemmelements (4) zwei separate Bauteile sind, die formschlüssig und/oder kraftschlüssig miteinander verbunden sind, und dass an der der Membran (6) zugewandten Fläche des Klemmabschnitts (9) des zylindrischen Abschnitts ein Bund (19) oder eine Schräge (17) ausgebildet ist, wobei der dem zylindrische Abschnitt zugewandte Rand (21) der Membran (6) vorzugsweise eine nach außen gewölbte Kontaktfläche (21a) aufweist, die mit der zugewandten Fläche des Klemmabschnitts (9) des zylindrische Abschnitt zusammenwirkt.
Elastisches Klemmelement nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der zylindrische Abschnitt als Außenzylinder (7) ausgebildet ist.
Elastisches Klemmelement nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der die Öffnung (8) begrenzende Rand (13) der Membran (6) und/oder die angrenzenden Innenfläche der Membran (6) und/oder die dem Gegenklemmabschnitt (10) zugewandte Seite des Klemmabschnitts (9) des zylindrischen Abschnitts eine nach außen gewölbte Kontaktfläche (13a, 6a, 9a) aufweisen.