DE102013105694A1

DE102013105694A1 - Spannvorrichtung, insbesondere Spannmodul

Info

Publication number: DE102013105694A1
Application number: DE102013105694.6A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-06-03
Filing date: 2013-06-03
Publication date: 2014-12-04
Also published as: JP2014233836A; KR20140142175A; US20140353898A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Spannvorrichtung, insbesondere Spannmodul, mit einem Basisteil, einem gegenüber dem Basisteil verschiebbar angeordneten Spannelement mit einer Beaufschlagungsfläche zur Übertragung einer Spannkraft auf ein zu spannendes Teil und einem Antrieb, welcher das Spannelement verschiebbar beaufschlagt. Erfindungsgemäß weist der Antrieb eine von einem Motor rotatorisch antreibbare Gewindespindel auf, welche in eine ein Innengewinde aufweisende Bohrung in einem sich axial erstreckenden Bereich des Spannelements eingreift, wobei das Außengewinde der Gewindespindel unmittelbar oder mittelbar mit einem Innengewinde der Bohrung derart zusammenwirkt, dass ein rotatorischer Antrieb der Gewindespindel eine Verschiebung des Spannelements bewirkt und/oder eine Erzeugung einer Spannkraft bewirkt. Alternativ kann der Antrieb eine von einem Motor rotatorisch antreibbare Gewindehülse mit einem Innengewinde aufweisen, in welche eine Gewindestange des Spannelements eingreift, wobei das Außengewinde der Gewindestange unmittelbar oder mittelbar mit einem Innengewinde der Gewindehülse derart zusammenwirkt, dass ein rotatorischer Antrieb der Gewindehülse eine Verschiebung des Spannelements bewirkt und/oder eine Erzeugung einer Spannkraft bewirkt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Spannvorrichtung, insbesondere ein Spannmodul mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
Auf dem Gebiet der Werkzeugmaschinen werden häufig Spannvorrichtungen benötigt, um Werkstücke während ihrer Bearbeitung sicher zu fixieren. Die Spannvorrichtungen sind hierzu häufig mittels eines Antriebs steuerbar ausgebildet, um die erforderlichen hohen Spannkräfte schnell, sicher und ohne großen manuellen Kraftaufwand erzeugen zu können. Nach der Bearbeitung des betreffenden Werkstücks ist es häufig gewünscht, dass das Werkstück einschließlich der Spannvorrichtung aus der Werkzeugmaschine entnommen und einer anderen Werkzeugmaschine zugeführt oder für eine künftige, weitere Bearbeitung aufbewahrt werden kann, ohne das Werkstück aus der Spannvorrichtung entnehmen zu müssen. Hierbei ist es erforderlich, dass das Werkstück während seines Transports in der Spannvorrichtung weiterhin sicher fixiert wird. Die Spannkräfte müssen also während des Transports beziehungsweise während einer Aufbewahrung des Werkstücks im eingespannten Zustand aufrechterhalten werden.
Zu diesem Zweck werden bisher hauptsächlich hydraulisch betätigte Spannvorrichtungen verwendet. Nachteilig hierbei ist jedoch, dass die Hydraulik immer kleinere Leckagen aufweist, so dass das Werkstück zumindest nicht über längere Zeit ohne den Anschluss an eine Druckquelle beziehungsweise eine Hydraulikquelle aufbewahrt werden kann, ohne dass die Spannkräfte nachlassen oder das eingespannte Werkstück sogar freigegeben wird. Muss das eingespannte Werkstück zusammen mit der Spannvorrichtung von einer Werkzeugmaschine in eine andere Werkzeugmaschine bewegt werden, so ist es normalerweise nicht erforderlich, während des Transports eine Druckquelle an die Spannvorrichtung anzuschließen, da die Leckagen üblicherweise ausreichend klein sind, um die Spannkräfte über eine kürzere Zeit in ausreichendem Maße aufrechtzuerhalten. Bei der eingespannten Aufbewahrung des Werkstücks ist jedoch bei derartigen Spannvorrichtungen der Anschluss an eine Hydraulikquelle unumgänglich.
Ein weiterer Nachteil solcher hydraulischer Spannvorrichtungen besteht darin, dass bei Leckagen das Hydraulikmedium austritt und zu entsprechenden Verunreinigungen führt.
Der Vorteil hydraulischer Spannvorrichtungen besteht jedoch darin, dass diese sehr hohe Spannkräfte bei gleichzeitig geringer Baugröße erzeugen können.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Spannvorrichtung, insbesondere ein Spannmodul, zu schaffen, welche einen hydraulischen Antrieb mit dem Risiko von Leckagen vermeidet und gleichzeitig in der Lage ist, bei geringer Baugröße ausreichend hohe Klemmkräfte zu erzeugen.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass anstelle einer hydraulischen Betätigung ausreichend hohe Klemmkräfte mit einem einfachen motorischen Antrieb erzeugt werden können, welcher eine Gewindespindel aufweist, die in eine ein Innengewinde aufweisende Bohrung in einem sich axial erstreckenden Bereich des Spannelements einreicht, oder welcher eine rotatorisch antreibbare Gewindehülse mit einem Innengewinde aufweist, in welche eine Gewindestange des Spannelements eingreift. Die mittelbar oder unmittelbar zusammenwirkenden Gewinde der beiden Elemente bewirken bei einem rotatorischen Antrieb des angetriebenen Elements, das heißt der Gewindespindel oder der Gewindehülse, eine Verschiebung des Spannelements und/oder eine Erzeugung der benötigten Spannkraft. Es ergibt sich somit eine sehr einfache Konstruktion.
Ein weiterer Vorteil eines derartigen Antriebs besteht darin, dass dieser auf einfache Weise auch bei hohen Anpresskräften selbsthemmend ausgebildet werden kann, so dass die Klemmkräfte auch bei deaktiviertem Antrieb ohne das Zuführen von Energie aufrechterhalten werden können.
Die Spannvorrichtung kann ein einziges verschiebbar angetriebenes Spannelement aufweisen, welches mit einem weiteren, separaten, beispielsweise ortsfesten Spannelement zusammenwirkt. Die Spannvorrichtung kann jedoch selbstverständlich auch ein mit dem beweglichen Spannelement zusammenwirkendes ortsfestes Spannelement umfassen. Schließlich kann die Spannvorrichtung auch zwei gegeneinander verschiebbare Spannelemente aufweisen.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist der Durchmesser der Gewindespindel oder der Innendurchmesser der Gewindehülse so klein gewählt, dass mindestens 10% des Antriebsdrehmoments, vorzugsweise mindestens 15%, höchst vorzugsweise mindestens 25% des Antriebsdrehmoments, welches auf das antriebsseitige Ende der Gewindespindel oder der Gewindehülse übertragen wird, zur Erzeugung der an der Beaufschlagungsfläche des Spannelements abgreifbaren Spannkraft beitragen.
Zur Erläuterung dieser Dimensionierung der Spannvorrichtung sei im Folgenden ein Gewinde M12x1 für eine Gewindespindel angenommen, wobei der effektive Gewindeflankendurchmesser in diesem Fall 10,8 mm beträgt. Als zu erzeugende Axialkraft sei ein Wert von 40 kN angenommen. Das Drehmoment, welches bei einer idealisierten Schraube (ohne Reibung) aufgewendet werden muss, um eine vorgegebene Axialkraft bzw. Spannkraft F zu erzeugen, ergibt sich als das Produkt der Axialkraft F mal der Ganghöhe h des Gewindes dividiert durch das Produkt aus dem effektiven Gewindeflankendurchmesser und der Kreiszahl π.
Damit ergibt sich für die idealisierte Gewindespindel mit einem Gewinde M12x1 ein Drehmoment von 6,37 Nm, welches zur Erzeugung einer Axialkraft und damit einer Spannkraft von 40 kN erforderlich ist.
Mit einem für Schraubenberechnungen üblichen Reibungskoeffizienten von 0,14 ergibt sich ein für die Überwindung der Reibung erforderliches Drehmoment (Reibmoment) von 30,24 Nm.
Versucht man das Reibmoment mit einer Beschichtung der Gewindematerialien oder mittels Sonderschmierstoffen zu reduzieren, so ergibt sich bei einem angenommenen reduzierten Reibungskoeffizienten von 0,09 ein Reibmoment von 19,44 Nm.
Dagegen erweist sich das zur Überwindung der Reibung eines Axialwälzlagers erforderliche Drehmoment in der Größenordnung von ca. 1 bis 2 Nm als gering beziehungsweise fast vernachlässigbar.
Würde man auf ein Axialwälzlager verzichten und ein Axialgleitlager verwenden, so ergäben sich drastisch höhere Werte für das zur Überwindung der Reibkräfte des Axiallagers erforderliche Drehmoment. Wird ein Axialgleitlager mit einer Stirnfläche von 20 mm Durchmesser angenommen, so ergäbe sich bei einem angenommenen Reibungskoeffizienten von 0,14 ein Drehmoment von 56 Nm, welches zur Überwindung der Reibkräfte des Axialgleitlagers aufgewendet werden müsste (genauer: angenommen wird hier eine Stirnfläche, bei der zur Berechnung des Reibmoments mit einem wirksamen Hebelarm von 20 mm gerechnet werden kann).
Versucht man dieses angenommene Axialgleitlager mittels Materialbeschichtungen der aufeinanderliegenden Oberflächen oder mittels Sonderschmierstoffen hinsichtlich des Reibungskoeffizienten zu verbessern, so ergibt sich bei einem angenommenen reduzierten Reibungskoeffizienten von 0,09 immer noch ein Drehmoment von 36 Nm.
Bei sämtlichen der vorgenannten Beispielrechnungen wurde als Axialkraft der vorgenannte Wert von 40 kN angenommen.
Mit den vorgenannten Werten für die einzelnen Teildrehmomente, die zur Überwindung der einzelnen Reibmechanismen überwunden werden müssen, und mit dem für die reine Erzeugung der Reibkraft von 40 kN erforderlichen Drehmoment von 6,37 Nm ergibt sich, dass im nicht optimierten Fall (d.h. ohne ein hinsichtlich des Reibungskoeffizienten optimiertes Gleitlager und Gewinde) nur ca. 7% des Antriebsdrehmoments zur Erzeugung der gewünschten Axialkraft beziehungsweise Spannkraft beitragen.
Wird das Axialgleitlager durch ein Axialwälzlager mit einem angenommenen, zur Überwindung der Lagerreibung erforderlichen Drehmoment von 1,2 Nm verwendet, so ergibt sich bereits ein Anteil von ca. 17% des Antriebsdrehmoments, der zur Erzeugung der Spannkraft wirksam ist.
Wird das Gewinde noch hinsichtlich des Reibungskoeffizienten optimiert, so tragen bereits ca. 24% des Antriebsdrehmoments zur Erzeugung der Spannkraft F bei.
Dieses Beispiel verdeutlicht, dass insbesondere die Wahl des Durchmessers des antreibenden Gewindes und die Verwendung eines Axiallagers für das antreibende Element (Gewindespindel beziehungsweise Gewindehülse) entscheidend sind, um mit einem möglichst geringen Antriebsdrehmoment, welches vom Antriebsmotor erzeugt werden muss, die gewünschte Spannkraft erzeugen zu können.
Bei der Bestimmung des Durchmessers des Gewindes der Gewindespindel beziehungsweise der Gewindehülse ist es somit wünschenswert, einen möglichst kleinen Durchmesser zu wählen, um den Hebel, der für die verschiedenen Reibmomente maßgeblich ist, und damit die Reibmomente selbst möglichst gering zu halten. Andererseits muss der Durchmesser des Gewindes ausreichend groß gewählt werden, um über das Gewinde die Axialkräfte übertragen zu können, ohne dass das Gewinde Schaden nimmt beziehungsweise die Standzeit des Gewindes unzulässig reduziert wird.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die Steigung des Innen- und Außengewindes der Gewindespindel und der Bohrung des Spannelements oder der Gewindehülse und der Gewindestange abhängig von den zwischen den betreffenden Elementen auftretenden Reibkräften so gewählt sein, dass im Bereich bis zu einer maximal vorgegebenen Nenn-Spannkraft Selbsthemmung gegeben ist.
Hierdurch kann der verbleibende Teil des Antriebs in praktisch beliebiger Weise ausgebildet sein. Insbesondere ist es nicht erforderlich, dass der Motor seinerseits eine Selbsthemmung bewirkt.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung kann, wie bereits vorstehend erwähnt, das Außengewinde der Gewindespindel und/oder das Innengewinde der Bohrung des Spannelements oder das Innengewinde der Gewindehülse und/oder das Außengewinde der Gewindestange mit einer die Reibung reduzierenden Beschichtung versehen sein.
Als Beschichtung eignet sich dabei jedes die Reibung reduzierende Material, welches mit ausreichender Haltbarkeit auf das Gewinde aufgebracht werden kann. Als Beispiel für eine derartige, die Reibung reduzierende Beschichtung sei eine DLC (Diamond Like Carbon) Beschichtung genannt.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei der die Spannvorrichtung nur ein einziges verschiebbares Spannelement umfasst, weisen die Gewindespindel beziehungsweise die Gewindehülse einen Flanschbereich mit einer zur Rotationsachse der Gewindespindel beziehungsweise der Gewindehülse senkrecht verlaufenden und von der Beaufschlagungsfläche des Spannelements abgewandten Stirnfläche auf, wobei sich die Gewindespindel beziehungsweise die Gewindehülse über diesen Flanschbereich gegen ein ortsfest in oder am Basisteil der Spannvorrichtung angeordnetes Axiallager abstützt.
Das Axiallager ist dabei so ausgebildet, dass es in der Lage ist, die erforderlichen maximal auftretenden Axialkräfte aufzunehmen, so dass die Gewindespindel beziehungsweise die Gewindehülse drehbar im Basisteil gehalten ist und die dem rotatorischen Antrieb entgegenwirkenden Reibungskräfte minimiert werden, die durch eine axiale Lagerung des antreibenden Elements, das heißt der Gewindespindel oder der Gewindehülse, entstehen.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung, bei der die Spannvorrichtung zwei mittels eines einzigen Antriebs gegenläufig verschiebbare Spannelemente aufweist, kann eine einzige rotatorisch antreibbare Gewindespindel des Antriebs mit jeweils einem Gewindebereich mit der Gewindebohrung jeweils eines der beiden Spannelemente oder eine einzige rotatorisch antreibbare Gewindehülse des Antriebs mit jeweils einem Gewindebereich mit der Gewindestange jeweils eines der beiden Spannelemente unmittelbar oder mittelbar so zusammenwirken, dass bei der einen Rotationsrichtung des Antriebs die beiden Spannelemente in der einen Verschieberichtung und bei der anderen Rotationsrichtung des Antriebs die beiden Spannelemente in der anderen Verschieberichtung bewegt werden. Dies kann beispielsweise durch das Verwenden jeweils eines Rechtsgewindes und eines Linksgewindes für die beiden Gewindebereiche der Gewindespindel beziehungsweise der Gewindehülse des Antriebs erreicht werden, die mit jeweils einer Gewindebohrung bzw. einer Gewindestange der beiden Spannelemente zusammenwirken.
Bei einer derartigen Ausführungsform ergibt sich der Vorteil, dass kein aufwändiges Axiallager erforderlich ist.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung können die Gewindespindel oder die Gewindehülse einen Antriebsbereich aufweisen, welcher an einem Endbereich der Gewindespindel oder der Gewindehülse ausgebildet sein kann und welcher direkt mit dem Abtrieb des Motors oder über ein Getriebe mit dem Abtrieb des Motors verbunden ist.
Bei einer Ausführungsform mit zwei gegenläufig bewegbaren Spannelementen kann der Antriebsbereich zwischen den beiden Gewindebereichen der Gewindespindel oder der Gewindehülse vorgesehen sein. Hierdurch ergibt sich eine einfache und kompakte Bauweise.
Dabei kann das Getriebe selbsthemmend ausgebildet sein. Nach einer anderen Ausgestaltung kann das Getriebe so ausgebildet sein, dass in Verbindung mit dem durch die Gewindespindel und die Bohrung im axialen Bereich des Spannelements oder mit dem durch die Gewindehülse und die Gewindestange des Spannelements gebildeten Antriebsteil eine Selbsthemmung erreicht wird.
Selbstverständlich kann auch der Motor so gestaltet sein, dass er alleine für sich oder mit den übrigen Komponenten des Antriebs eine Selbsthemmung bewirkt.
Als Motor kann insbesondere ein Pneumatikmotor, beispielsweise ein als Lamellenmotor ausgebildeter Pneumatikmotor, verwendet werden. Selbstverständlich ist auch der Einsatz eines Elektromotors oder eines Hydraulikmotors möglich.
In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Motor im Basisteil im Wesentlichen neben und/oder unterhalb der Gewindebohrung des Spannelements und der Gewindespindel des Antriebs oder neben und/oder unterhalb der Gewindestange des Spannelements und der Gewindehülse des Antriebs angeordnet. Bei der Ausführungsform mit zwei gegenläufig verschiebbaren Spannelementen kann der Motor dabei selbstverständlich auch im axialen Bereich zwischen den beiden Gewindebohrungen bzw. Gewindehülsen der Spannelemente neben und/oder unterhalb der Achse der Gewindebohrungen beziehungsweise Gewindehülsen angeordnet sein.
Auf diese Weise ergibt sich eine Spannvorrichtung beziehungsweise ein Spannmodul von sehr geringer Länge. Dies ist oft wünschenswert, wenn mehrere Spannvorrichtungen beziehungsweise Spannmodule auf einer gemeinsamen Schiene einer vorbestimmten, begrenzten Länge angeordnet werden müssen.
Eine Anordnung des Motors im Basisteil neben dem Spannelement wird insbesondere dadurch ermöglicht, dass der Motor nur ein verhältnismäßig geringes Drehmoment erzeugen muss und deshalb eine geringe Baugröße, insbesondere eine geringe Breite/Dicke im Hinblick auf die Motorachse, aufweisen kann. Damit kann die Breite der Spannvorrichtung beziehungsweise des Spannmoduls sogar gleich oder kleiner gewählt werden als die Breite der Beaufschlagungsfläche des Spannelements beziehungsweise der Spannbacke.
Der Motor kann dabei so angeordnet sein, dass die mit der Rotationsachse des Abtriebs fluchtende Längsachse parallel zur Rotationsachse der Gewindespindel oder der Gewindehülse verläuft.
Der Abtrieb des Motors kann dabei auf einfache Weise mittels eines oder mehrerer Ritzel mit der Gewindespindel beziehungsweise der Gewindehülse gekoppelt werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung können zwischen dem Außengewinde der Gewindespindel des Antriebs und dem Innengewinde der Bohrung im axialen Bereich des Spannelements oder zwischen dem Innengewinde der Gewindehülse des Antriebs und dem Außengewinde der Gewindestange des Spannelements zur Bildung eines Gewinderollenantriebs mehrere Lagerrollen vorgesehen sein. Mit einem derartigen Rollengewindetrieb kann die Reibung zwischen dem Innen- und Außengewinde der zusammenwirkenden Elemente drastisch reduziert werden. Hierbei lassen sich ohne weiteres Reibmomente kleiner als 5 Nm bis in einen Bereich unterhalb von 2 Nm erreichen.
Nimmt man beispielsweise nur ein Reibmoment von 5 Nm für einen derartigen Rollengewindetrieb an, so ergibt sich bei dem vorstehend erläuterten Beispiel einer Gewindespindel mit einem Gewinde M12x1 ein Wert von ca. 51% des Antriebsdrehmoments, der zur Erzeugung der Spannkraft wirksam ist.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann in der Außenwandung des axialen Bereichs des Spannelements eine parallel zur Verschieberichtung des Spannelements verlaufende Längsnut ausgebildet sein, in welche ein ortsfest im Basisteil gehaltenes Begrenzungselement eingreift, wobei die Abmessung eines in die Nut eingreifenden Kopfteils des Begrenzungselements senkrecht zur Längsachse der Nut im Wesentlichen der Breite der Nut entspricht, so dass eine rotatorische Bewegung des Spannelements im Wesentlichen blockiert und eine Verschiebebewegung des Spannelements ermöglicht werden.
Auf diese Weise ist es nicht mehr erforderlich, an der Spannbacke beziehungsweise am Spannelement einen parallel zur Achse der Gewindespindel beziehungsweise der Gewindehülse verlaufenden Zapfen vorzusehen, welcher in eine entsprechende Ausnehmung beziehungsweise Bohrung im Basisteil eingreift, wobei durch die gegenüber der Verschiebeachse exzentrische Anordnung des Zapfens eine Blockierung der Drehbewegung des Spannelements erfolgt. Insbesondere kann dabei der Aufwand vermieden werden, der sich durch eine ausreichend genaue Fertigung des Zapfens beziehungsweise der diesen aufnehmenden Bohrung ergibt.
Das Kopfteil des Begrenzungselements kann dabei in der Richtung senkrecht zur Längsachse der Nut federnd oder unter Beaufschlagung mittels eines Stellelements aufspreizbar ausgebildet sein, um eine rotatorische Bewegung des Spannelements zu minimieren oder vollständig zu unterbinden.
Das Kopfteil kann auch zweiteilig ausgebildet sein, wobei jedes Teil eine Seitenwandung der Nut beaufschlagt und wobei in den einander zugewandten Seiten der beiden Teile jeweils eine Ausnehmung ausgebildet ist, die zusammen eine Eingriffsausnehmung für ein senkrecht zur Längsachse der Nut ortsfest im Basisteil gehaltenes Stiftelement bilden. Das in die Eingriffsausnehmung eingreifende Ende des Stiftelements und/oder die Ausnehmungen in den beiden Teilen weisen dabei eine Konizität derart auf, dass die beiden Teile bei zunehmendem Eingriff des Stiftelements in die Eingriffsausnehmung in Richtung auf die beiden Seitenwandungen der Nut bewegt werden oder diese mit zunehmender Anpresskraft beaufschlagen.
Dabei kann das Stiftelement als Schraube ausgebildet sein, so dass durch das weitere Einschrauben des Stiftelements in eine dieses aufnehmende Bohrung im Basiskörper die das Kopfteil bildenden Teile so weit auseinandergespreizt werden, dass sich eine praktisch spielfreie Führung des Spannelements ergibt und gleichzeitig jegliche rotatorische Bewegung des Spannelements unterbunden wird.
Die axiale Länge der Nut kann in Bezug auf die axiale Abmessung des Kopfteils so gewählt sein, dass das Kopfteil in Verbindung mit den axialen Begrenzungswandungen der Nut gleichzeitig als axialer Anschlag für eine oder beide Bewegungsrichtungen des Spannelements dient.
Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. In der Zeichnung zeigen
1 eine perspektivische, teilweise aufgebrochene Darstellung einer modulartigen Spannvorrichtung nach der Erfindung mit einer rotatorisch angetriebenen Gewindespindel;
2 einen senkrechten Schnitt durch die Längsachse des Antriebs des Spannmoduls in 1;
3 eine Schnittdarstellung ähnlich 2 durch eine zweite Ausführungsform eines Spannmoduls nach der Erfindung mit einem Rollengewindetrieb und
4 eine perspektivische, teilweise aufgebrochene Darstellung einer dritten Ausführungsform einer modulartigen Spannvorrichtung nach der Erfindung mit einer alternativen Einrichtung zur rotatorischen Fixierung des Spannelements;
5 einen senkrechten Schnitt durch die Längsachse des Antriebs einer vierten Ausführungsform einer modulartigen Spannvorrichtung nach der Erfindung mit einer rotatorisch angetriebenen Gewindehülse; und
6 eine perspektivische, teilweise aufgebrochene Darstellung einer fünften Ausführungsform einer modulartigen Spannvorrichtung nach der Erfindung mit zwei gegenläufig verschiebbar angetriebenen Spannelementen.
Die in 1 perspektivisch und teilweise aufgebrochen dargestellte Spannvorrichtung 1 ist in Form eines Spannmoduls ausgebildet und weist ein Basisteil 3 auf, welches, wie im dargestellten Ausführungsbeispiel, als Gehäuse ausgebildet sein kann, so dass es die übrigen Komponenten, soweit möglich, vollständig umschließt. Auf diese Weise sind die übrigen Komponenten sicher im Basisteil 3 fixiert und gegenüber Umwelteinflüssen geschützt angeordnet.
Es ist jedoch selbstverständlich ebenfalls möglich, das Basisteil 3 als Trägerteil auszubilden, auf oder an welchem die übrigen Komponenten der Spannvorrichtung 1 angeordnet sind. Das Basisteil 3 kann, wie in 1 und 2 dargestellt, an seiner Unterseite eine Verzahnung 5 aufweisen, mit welcher die Spannvorrichtung 1 beziehungsweise das Spannmodul auf einem Trägerelement, beispielsweise einer Schiene, mittels weiterer, nicht näher dargestellter Befestigungselemente, fixiert werden kann. Die Verzahnung 5 kann hierzu mit einer komplementären Verzahnung des Trägerelements zusammenwirken.
Bei der Ausführungsform nach den 1 und 2 umschließt das Basisteil 3 ein gegenüber dem Basisteil 3 verschiebbar angeordnetes Spannelement 7, welches eine Spannbacke 9 und einen damit verbundenen, sich axial erstreckenden Bereich 11 aufweist, in welchem eine axiale Gewindebohrung 13 ausgebildet ist.
Der sich axial erstreckende Bereich 11 kann im Wesentlichen rotationssymmetrisch zur Achse A der Gewindebohrung ausgebildet sein. Die mit dem sich axial erstreckenden Bereich 11 verbundene Spannbacke 9 kann beispielsweise symmetrisch zu einer vertikal durch die Achse A verlaufenen Ebene ausgebildet sein, so dass eine Spannkraft F, die von der Spannvorrichtung 1 erzeugt beziehungsweise von dieser aufgenommen werden muss, zumindest dann ohne ein großen Kippmoment bezogen auf die Achse A über eine Beaufschlagungsfläche 9a auf die Spannvorrichtung 1 übertragen werden kann, wenn ein zu spannendes Teil (nicht dargestellt) entsprechend zentrisch (beziehungsweise symmetrisch zur Längsmittelebene des Spannelements) mittels der Beaufschlagungsfläche 9a der Spannbacke 9 beziehungsweise des Spannelements 7 beaufschlagt wird.
In die Gewindebohrung 13 in dem sich axial erstreckenden Bereich 11 des Spannelements 7 greift eine Gewindespindel 15 ein. Die Gewindespindel 15 weist, wie aus 2 ersichtlich, einen vorderen Bereich 17 auf, welcher mit einem Außengewinde 17a versehen ist, welches mit einem entsprechenden Innengewinde 13a der Gewindebohrung 13 zusammenwirkt.
Anschließend an das rückwärtige, das heißt das von dem sich axial erstreckenden Bereich 11 des Spannelements 7 abgewandte Ende weist die Gewindespindel 15 einen Flanschbereich 19 auf, an den sich ein Lagerbereich 21 anschließt. Der Lagerbereich 21 weist gegenüber dem vorderen Bereich 17 einen vergrößerten Durchmesser auf, mit welchem die Gewindespindel 15 ein Axiallager 23 durchgreift. Das Axiallager 23 stützt sich mit seinem von dem Flanschbereich 19 der Gewindespindel 15 abgewandten Ende in axialer Richtung gegen einen entsprechenden Abschnitt des Basisteils 3 ab. Das vordere Ende des Axiallagers 23, welches vorzugsweise als Wälzlager ausgebildet ist, wird von dem betreffenden ringförmigen Abschnitt der rückwärtigen Stirnfläche des Flanschbereichs 19 beaufschlagt. Auf diese Weise wird die Gewindespindel in axialer Richtung fixiert und um die Achse A rotierbar gelagert.
Das Axiallager 23 kann zusätzlich die Funktion eines Radiallagers übernehmen, so dass die Gewindespindel 15 im Lagerbereich 21 zusätzlich zur der axialen Lagerung zur Übertragung der Anpresskraft F auf das Basisteil 3 gleichzeitig eine radiale Lagerung erfährt.
Am rückwärtigen Ende des Lagerbereichs 21 der Gewindespindel 15 ist ein Zentrierzapfen 25 angeordnet, welcher in eine entsprechende Ausnehmung in der rückwärtigen Seitenwandung des Basisteils 3 eingreift. Der Zentrierzapfen 25 dient somit zur Zentrierung der Gewindespindel 15 bei der Montage und gegebenenfalls auch während des Betriebs der Spannvorrichtung, das heißt bei einem rotatorischen Antrieb der Gewindespindel 15.
Des Weiteren dient der Zentrierzapfen 25 zur Aufnahme und Zentrierung eines Antriebsritzels 27, welches mit einer koaxialen Bohrung auf den Zentrierzapfen 25 aufgesteckt und mittels Schrauben 29 drehfest mit der Gewindespindel 15 verbunden wird.
Wie aus den 1 und 2 ersichtlich, ist der sich axial erstreckende Bereich 11 des Spannelements 7 in einer entsprechenden Ausnehmung im Basisteil 3 verschiebbar in Richtung der Achse A gehalten und geführt. Damit wird bei einem rotatorischen Antrieb der Gewindespindel 15 das Spannelement 7 aus dem Basisteil 3 heraus oder in dieses hinein bewegt. Die Spannvorrichtung 1 ist damit in der Lage, mit einem weiteren ortsfesten oder ebenfalls bewegbaren (jedoch in der Spannstellung fixierbaren) Spannmodul zusammenzuwirken und ein zu fixierendes Teil mit einer vorgegebenen Spannkraft zu fixieren. Die Spannkraft F wird durch den im Folgenden beschriebenen Antrieb der Spannvorrichtung 1 erzeugt.
Die Verdrehung des Spannelements 7 um die Rotations- beziehungsweise Verschiebeachse A wird bei der in 1 dargestellten Ausführungsform der Spannvorrichtung 1 durch einen Zapfen 31 bewirkt, welcher exzentrisch zur Achse A vorgesehen und mit der Spannbacke 9 des Spannelements 7 verbunden ist. Die Achse des Zapfens 31 erstreckt sich parallel zur Achse A der Gewindebohrung 13, um welche die rotatorische Bewegung der Gewindespindel 15 erfolgt und welche die Verschieberichtung des Spannelements 7 definiert. Selbstverständlich muss die Achse des Zapfens 31 ausreichend genau mit der Achse einer entsprechenden Aufnahmebohrung beziehungsweise Aufnahmeausnehmung im Basisteil 3 fluchten, so dass die Verschiebebewegung des Spannelements 7 im gesamten vordefinierten axialen Verschiebebereich nicht behindert wird. Dies erfordert selbstverständlich das Einhalten entsprechender enger Fertigungstoleranzen.
Der axiale Verschiebeweg des Spannelements 7 wird bei der in 1 dargestellten Ausführungsform durch einen Anschlagzapfen 35 bewirkt, welcher im Wesentlichen senkrecht zur Verschiebebewegung im Basisteil 3 gehalten ist und welcher mit seinem vorderen Ende, das dem sich axial erstreckenden Bereich 11 des Spannelements 7 zugewandt ist, in eine Längsnut 37 im Außenumfang des sich axial erstreckenden Bereichs 11 eingreift. Die Position und Länge der Längsnut 37 in Bezug auf den Anschlagzapfen und Durchmesser beziehungsweise die Abmessungen des Anschlagzapfens 35 legen den maximal möglichen Verschiebeweg beziehungsweise die Endpositionen der Verschiebebewegung des Spannelements 7 fest.
Der motorische Antrieb der Gewindespindel 15 erfolgt über einen Motor 39, der beispielsweise als Elektromotor, vorzugsweise jedoch aber auch als Pneumatikmotor ausgebildet sein kann. Der Motor 39 ist, wie aus 1 ersichtlich, neben dem sich axial erstreckenden Bereich 11 beziehungsweise neben der Gewindespindel 15 innerhalb der axialen Länge dieser beiden zusammenwirkenden Elemente angeordnet. Hierdurch wird eine extrem kurze und infolge der länglichen Dimensionen des Motors auch ausreichend schmale Bauweise für eine solche motorisch angetriebene Spannvorrichtung erreicht, die zudem auch noch eine relativ geringe Bauhöhe aufweist.
Der Motor 9 weist einen Abtrieb in Form eines rotatorisch angetriebenen Abtriebsritzels 41 auf. Bei der in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsform sind das Abtriebsritzel 41 und das Antriebsritzel 27 der Gewindespindel 15 über ein Zweifachritzel 43 gekoppelt, wobei das Abtriebsritzel 41 mit einem größeren Zahnkranz des Zweifachritzels 43 gekoppelt ist und der kleinere Zahnkranz des Zweifachritzels 43 mit dem Antriebsritzel 27 kämmt. Das Zweifachritzel 43 ist selbstverständlich in der erforderlichen Position im Basisteil 3 drehbar gelagert.
Auf diese Weise ergibt sich ein äußerst einfacher Antrieb für das Spannelement 7, welcher aus dem Motor 39, einem durch die Ritzel 41, 43 und 27 gebildeten Getriebe und die drehbar, aber axial fest gelagerte Gewindespindel 15 gebildet ist.
Der Antrieb ist insgesamt vorzugsweise so ausgebildet, dass eine Selbsthemmung gegeben ist, das heißt bis zur maximal möglichen Spannkraft, die von der Spannvorrichtung 1 erzeugt beziehungsweise von dieser aufgenommen werden soll (Nennspannkraft), darf keinerlei Verschiebung des Spannelements 7 auftreten. Die Spannkraft kann somit in voller Höhe aufrechterhalten werden, auch wenn der Motor 39 von jeglicher Energieversorgung getrennt ist.
Um einen möglichst leistungsschwachen und damit baukleinen Motor 39 verwenden zu können, kann selbstverständlich ein Getriebe mit einer entsprechend hohen Untersetzung verwendet werden. Zudem sollten die mechanischen Verluste in dem dem Motor nachgeschalteten Teil des Antriebs für das Spannelement 7 möglichst gering gehalten werden, insbesondere Reibungsverluste im Getriebe und Reibungsverluste bei der Lagerung der Gewindespindel 15 und sowie die Verluste infolge der Reibung zwischen dem Innengewinde 13a des sich axial erstreckenden Bereichs 11 des Spannelements 7 und dem Außengewinde 17a der Gewindespindel 15.
Hierzu können insbesondere das Innengewinde 13a und/oder das Außengewinde 17a mit einer die Reibung reduzierenden Beschichtung versehen werden. Hierfür kommt beispielsweise eine DLC-Beschichtung in Frage.
Es können jedoch auch Sonderschmierstoffe eingesetzt werden, um die Reibung zwischen diesen Komponenten zu reduzieren.
Auch das Axiallager 23 trägt in besonderem Maße dazu bei, Reibungsverluste zu reduzieren. Würde man an dieser Stelle anstatt eines Axialwälzlagers ein Axialgleitlager verwenden, so ergäbe sich ein drastisch erhöhtes Reibmoment um die Achse A.
Als weitere Dimensionierungsregel ist zu berücksichtigen, dass der Durchmesser des das Außengewinde 17a tragenden vorderen Bereichs 17 der Gewindespindel 15 beziehungsweise der Durchmesser der damit zusammenwirkenden Gewindebohrung 13 ausreichend klein gehalten wird. Denn das vom Antrieb, insbesondere dem Motor 39 zu überwindende Reibmoment steigt mit dem wirksamen Hebelarm um die Achse A, das heißt mit dem Gewindeflankendurchmesser, also dem effektiven Durchmesser der schraubenförmigen Linienberührung zwischen der Gewindespindel und der Gewindebohrung.
Andererseits muss die Gewindespindel in der Lage sein, die gewünschte maximale Anpresskraft beziehungsweise Nennanpresskraft zu erzeugen beziehungsweise auf das Basisteil 3 übertragen zu können, ohne dass eine Beschädigung der Spannvorrichtung 1 auftritt oder die Standzeit der Vorrichtung inakzeptabel reduziert wird. Hierzu ist selbstverständlich eine gewisse Mindestdicke der Gewindespindel beziehungsweise eine entsprechende Ausbildung des Gewindes erforderlich.
Zur Abschätzung des Drehmoments, welches vom Antrieb einschließlich des Getriebes zur Übertragung des Antriebsdrehmoments auf die Gewindespindel erforderlich ist, um eine gewünschte Anpresskraft F zu erzeugen, kann folgende Abschätzung dienen:
Das Drehmoment D₀, welches ohne Berücksichtigung jeglicher Reibungsverluste auf die Gewindespindel übertragen werden müsste, um die Anpresskraft F zu erzeugen, ergibt sich nach der Beziehung D₀ = F·h/2π wobei mit h die Ganghöhe des Gewindes bezeichnet ist.
Das Reibmoment D_G, welches durch das Gewinde beziehungsweise das Zusammenwirken des Außengewindes 17a der Gewindespindel 15 und des Innengewindes 13a der Gewindebohrung 13 im Spannelement 7 erzeugt wird, ergibt sich aus der Beziehung D_G = F·r₀·µ_r wobei mit r₀ der Flankenradius des beziehungsweise der Gewinde und mit µ_r der Reibungskoeffizient (Gleitreibung) zwischen den zusammenwirkenden Gewinden bezeichnet sind.
Als Wert für den Reibungskoeffizienten kann hier ein Wert von ca. µ_r = 0,14 angenommen werden, wie er für Schraubenberechnungen üblich ist. Durch spezielle Beschichtungen oder Sonderschmierstoffe kann der Reibungskoeffizient µ_r reduziert werden bis ca. µ_r = 0,09.
Das durch das Axiallager verursachte Reibmoment D_L kann nach der Beziehung D_L = F·R₀·µ_R ermittelt werden, wobei mit R₀ der Radius der Wälzkörperlaufbahn und mit µ_R der Reibungskoeffizient für die Rollreibung im Wälzlager bezeichnet sind. Als Wert für den Reibungskoeffizienten für die Rollreibung kann µ_R = 0,002 angenommen werden, wie er für Wälzlagerberechnungen üblich ist.
Damit muss der Antrieb ein Antriebsdrehmoment D_AN erzeugen, welches auf die Gewindespindel zu übertragen ist, um eine gewünschte Anpresskraft F zu erzeugen, welches sich als Summe der Drehmomente D₀, D_G und D_L ergibt, also nach der Beziehung D_AN = D₀ + D_G + D_L.
Als Verhältnis η des Drehmoments D₀, welches zur Erzeugung der Anpresskraft F (ohne jegliche Reibung) aufgebracht werden muss, zum Antriebsdrehmoment D_AN, welches unter Berücksichtigung der Reibung hierfür aufgebracht werden muss, ergibt sich damit zu η = D₀/(D₀ + D_G + D_L) Wird für das Gewinde der Gewindespindel ein M12x1-Gewinde verwendet, welches einen Gewindeflankendurchmesser von 10,8 mm und eine Ganghöhe von 1 mm aufweist, ergibt sich bei einer Nennanpresskraft von 40 kN ein Drehmoment D₀ von 6,37 Nm, welches ohne Reibungsverluste zur Erzeugung der Nennanpresskraft erforderlich ist. Mit dem Flankendurchmesser von 10,8 mm und einem Reibungskoeffizienten von 0,14, wie er für Schraubenberechnungen üblich ist, ergibt sich ein Reibmoment des Gewindes beziehungsweise der zusammenwirkenden Gewinde von D_G = 30,24 Nm.
Wird ein Axiallager mit einem Radius der Wälzkörperlaufbahn R₀ von 15 mm verwendet, welches den Lagerbereich 21 der Gewindespindel 15 umgreift und an welchem sich der Flanschbereich 19 abstützt, so ergibt sich bei einem angenommenen Reibungskoeffizienten von 0,002, wie er für Wälzlagerberechnungen üblich ist, ein Reibmoment für das Axialwälzlager von D_L = 1,2 Nm.
Mit diesen Werten ergibt sich ein Verhältnis η = 16,8%, das heißt, 16,8% des Antriebsdrehmoments D_AN tragen zur Erzeugung der Nennanpresskraft (unabhängig von deren Wert) bei.
Werden Beschichtungen für die zusammenwirkenden Gewinde der Gewindespindel 15 und des Spannelements 7 oder Sonderschmierstoffe zur Reduzierung der Reibung verwendet, so ergibt sich bei einem reduzierten Reibungskoeffizienten µ_r = 0,09 ein Wert für das Verhältnis η = 23,6%.
Unter Verwendung der vorstehenden Beziehungen kann auf einfache Weise die Dimensionierung der Gewindespindel 15 und des Axiallagers 23 so erfolgen, dass ein möglichst hoher Anteil des Antriebsdrehmoments D_AN, welches auf die Gewindespindel 15 übertragen wird, zur Erzeugung der Axialkraft beiträgt.
Wie vorstehend erläutert, kann beispielsweise zur Erzeugung einer Axialkraft von 40 kN ein M12x1-Gewinde verwendet werden und die Lagerung der Gewindespindel 15 mittels eines Axiallagers erfolgen, welches einen Radius von 15 mm für die Wälzkörperlaufbahn aufweist. Dabei geht der überwiegende Anteil der zu überwindenden Reibmomente auf die Gewinde der Gewindespindel 15 und der Gewindebohrung 13 im Spannelement 7 zurück, so dass in erster Näherung der Einfluss des Axialwälzlagers 23 vernachlässigt werden kann.
Durch die Verwendung einer reibungsreduzierenden Beschichtung, wie beispielsweise einer DLC-Beschichtung, für die Gewinde oder durch den Einsatz von Sonderschmierstoffen kann der Anteil des ausschließlich für die Erzeugung der Anpresskraft erforderlichen Drehmoments am gesamten Antriebsdrehmoment D_AN von einem Wert von η = 16,8% auf einen Wert von η = 23,6% verbessert werden.
Würde man dagegen auf das Axialwälzlager 23 verzichten und dieses durch ein Axialgleitlager ersetzen, so würden nur weniger als 7% des Antriebsdrehmoments zur Erzeugung der Axialkraft beitragen.
Die in dem vertikalen Schnitt entlang der Achse A in 3 dargestellte weitere Ausführungsform einer Spannvorrichtung 1 nach der Erfindung zeigt eine Möglichkeit zur weiteren Reduzierung der Reibungsverluste bei der Übertragung der Anpresskraft F zwischen dem Spannelement 7 und der Gewindespindel 15. In diesem Fall wird eine Gewindespindel 15 mit einem vorderen Bereich 17 verwendet, welcher auch einen größeren Durchmesser aufweisen kann, als im Fall der Variante nach den 1 und 2. Der Durchmesser der Gewindebohrung 13 ist in diesem Fall deutlich größer gewählt als der Außendurchmesser der Gewindespindel 15 im vorderen Bereich 17. Im Ringspalt zwischen dem Innengewinde 13a in dem sich axial erstreckenden Bereich 11 und dem Außengewinde 17a des vorderen Bereichs 17 der Gewindespindel 15 sind hier mehrere Gewinderollen 45 verwendet, deren Gewinde beziehungsweise Quasigewinde mit dem Innengewinde 13a beziehungsweise dem Außengewinde 17a zusammenwirkt.
Die Gewinderollen können so ausgebildet sein, dass anstelle eines Gewindes im eigentlichen oder strengen Sinn ein entartetes Gewinde mit einer Steigung 0 am Umfang der Gewinderollen ausgebildet ist, welches aus einer entsprechenden Anzahl von Umfangsnuten besteht, die im durch das Innengewinde 13a beziehungsweise das Außengewinde 17a vorgegebenen Abstand angeordnet sind.
Durch einen derartigen Rollengewindetrieb wird erreicht, dass anstelle einer Gleitreibung zwischen den zusammenwirkenden Gewinden lediglich die geringere Rollreibung auftritt. Damit kann in diesem Fall der Durchmesser der Gewindespindel bei gleichem Verhältnis η größer gewählt werden als bei der Ausführungsform nach 2. Allerdings ist diese Variante selbstverständlich auch teurer, so dass sich die vorstehend erläuterte Ausführungsform mit einer Gewindespindel entsprechend geringen Radius und Verwendung einer die Reibung reduzierenden Beschichtung beziehungsweise eines Sonderschmierstoffs einen guten Kompromiss darstellt, der es immer noch erlaubt, einen entsprechend baukleinen Motor zu verwenden, der neben der Gewindespindel beziehungsweise dem sich axial erstreckenden Bereich des Spannelements 7 angeordnet werden kann und dennoch in Verbindung mit dem übrigen Antriebsteil zur Erzeugung des erforderlichen Drehmoments genügt.
Die in 4 perspektivisch und aufgebrochen dargestellte weitere Ausführungsform einer Spannvorrichtung 1 unterscheidet sich von der Ausführungsform nach den 1 bis 3 im Wesentlichen dadurch, dass auf einen zusätzlichen Stift zur Verhinderung der Drehbewegung des Spannelements 7, welcher parallel zur Verschiebeachse beziehungsweise Rotationsachse A angeordnet ist, verzichtet wird. Damit entfällt der Aufwand zur Realisierung einer derart exzentrisch zur Achse A vorgesehenen Führung für die Verdrehsicherung durch den Zapfen 31 und die Bohrung 33 unter Einhaltung entsprechend enger Toleranzen in Bezug auf die Parallelität der Achsen des Zapfens und der Bohrung in Bezug auf die Verschiebeachse A und ggf. in Bezug auf den Außendurchmesser des Zapfens und den Innendurchmesser der Bohrung, um einerseits ein Verklemmen zu vermeiden und andererseits möglichst jegliches rotatorisches Spiel zu vermeiden.
Das Verhindern der Drehbewegung wird bei der Ausführungsform nach 4 durch einen speziell ausgestalteten Anschlagzapfen 35‘, dessen konische Spitze in ein Kopfteil 47 eingreift, erreicht. Der Anschlagzapfen 35‘ und das Kopfteil 47 bilden ein Begrenzungselement, welches in azimutaler Richtung des sich axial erstreckenden Bereichs 11 des Spannelements 7 möglichst spielfrei in die Längsnut 27 eingreift. Hierdurch werden einerseits auch geringe Drehbewegungen des Spannelements 7 um die Achse A vermieden und andererseits wird hierdurch auch eine zusätzliche Führung der Verschiebebewegung des Spannelements 7 erreicht.
Der Anschlagzapfen 35‘ greift bei der in 4 dargestellten Ausführungsform einer Spannvorrichtung 1 in ein zweiteilig ausgebildetes Kopfteil 47 ein, wobei die beiden Kopfteilhälften 49 in den einander zugewandten Seiten jeweils eine in der Achse des Anschlagzapfens 35‘ konisch verlaufende Vertiefung aufweisen, in welcher ein vorderer, ebenfalls konisch ausgebildeter Teil des Anschlagzapfens 35‘ eingreift. Die Teilung des Kopfteils 47 in die beiden Kopfteilhälften 49 kann dabei, wie im dargestellten Ausführungsbeispiel, in der Längsmittelebene der Längsnut 37 (horizontal verlaufend) verlaufen. Auf diese Weise kann durch ein Einwärtsbewegen des Anschlagzapfens 35‘ ein Auseinanderbewegen der Kopfteilhälften 49 erfolgen, so dass die den Längsseitenwandungen der Längsnut 37 zugewandten Außenflächen der Kopfteilhälften 49 die Längsseitenwandungen der Längsnut 37 mit einer (relativ geringen) Anpresskraft beaufschlagen, wodurch die Spielfreiheit der Führung der Verschiebebewegung des Spannelements 7 erreicht beziehungsweise auch geringe Drehbewegungen des Spannelements 7 in jeder möglichen Verschiebeposition verhindert werden.
Zur Fixierung des Anschlagzapfens 35‘ in seiner Längsrichtung kann der Anschlagzapfen beispielsweise ein Außengewinde aufweisen, mit welchem dieser in eine entsprechende Gewindebohrung im Basisteil 3 eingeschraubt werden kann. Durch die Wahl einer entsprechenden Einschraubtiefe kann dann die gewünschte Aufspreizung des Kopfteils 47 erreicht werden.
Selbstverständlich kann das Kopfteil 47 auch einteilig ausgebildet sein und mittels eines Festkörpergelenks oder eines dehnbaren Bereichs in der gewünschten Richtung aufspreizbar ausgebildet sein, um die erforderliche Spielfreiheit zu gewährleisten.
Nach einer anderen Ausführungsform kann das Begrenzungselement auch ein Kopfteil aufweisen, welches in der Richtung quer zur Längsrichtung der Längsnut 37 von sich aus federnd aufspreizbar ausgebildet ist. Das Kopfteil ist dabei so zu dimensionieren, dass beim Einsetzen des Kopfteils in die Längsnut eine gewünschte Vorspannung des Kopfteils erreicht wird, wodurch wiederum die gewünschte Spielfreiheit gewährleistet werden kann.
Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die verschiebbare Bewegung des Spannelements auch in der Weise erfolgen kann, dass anstelle einer in eine Gewindebohrung des sich axial erstreckenden Bereichs 11 eingreifenden und rotatorisch angetriebenen Gewindespindel auch eine rotatorisch angetriebene Gewindehülse verwendet werden kann, die mit einer Gewindestange des Spannelements 7 entsprechend zusammenwirkt. In diesem Fall ist also der sich axial erstreckende Bereich 11 des Spannelements als Gewindestange ausgebildet, die in eine Gewindebohrung eines rotatorisch angetriebenen Elements (der Gewindehülse) eingreift. Eine derartige Ausführungsform ist in 5 dargestellt. Das Spannelement 7 weist hier eine Gewindestange 51 auf, welche in eine Gewindebohrung 53 einer rotatorisch angetriebenen Gewindehülse 55 eingreift. Die Gewindestange 51 weist ein Außengewinde 51a auf, welches mit einem Innengewinde 53a der Gewindehülse 55 zusammenwirkt.
Die Gewindehülse 55 weist wiederum einen sich an einen vorderen Bereich 57 der Gewindehülse 55 anschließenden Lagerbereich 21 sowie einen sich an den Lagerbereich 21 anschließenden Zentrierzapfen 25 auf. Diese Teile beziehungsweise Komponenten oder Bereiche einschließlich des Axiallagers 19 für die axiale und gegebenenfalls zusätzliche radiale Lagerung der Gewindehülse 55 sind mit den entsprechenden Teilen beziehungsweise Bereichen oder Komponenten der Ausführungsformen nach den 1 bis 4 identisch, so dass diesbezüglich auf die vorstehenden Erläuterungen der Beschreibung verwiesen werden kann.
Das Abstützen der Gewindehülse 55 am Axiallager 19 erfolgt über eine Ringschulter 59 zwischen dem vorderen Bereich 57 und dem Lagerbereich 21 der Gewindehülse 55, welche dadurch entsteht, dass der Lagerbereich 21 einen geringeren Durchmesser aufweist als der vordere Bereich 57 der Gewindehülse 55. Die Gewindehülse 55 weist vorzugsweise über die gesamte axiale Länge einen kreiszylindrischen Außendurchmesser auf, so dass eine einfache Lagerung möglich ist.
Selbstverständlich kann hierzu auch eine radiale Lagerung im vorderen Bereich 57 vorgesehen sein, beispielsweise mittels eines entsprechenden Radiallagers zwischen dem Außenumfang des vorderen Bereichs 57 und dem Innenumfang der entsprechenden kreiszylindrischen Aufnahmeausnehmung im Basisteil 3.
Eine Verdrehsicherung des Spannelements 7 kann bei dieser Ausführungsform entsprechend der in 1 dargestellten Variante mittels eines Zapfens 31 erfolgen, welcher in eine Aufnahmebohrung 33 des Basisteils 3 eingreift.
Die vorstehenden Erläuterungen betreffend die Dimensionierung und Ausgestaltung beziehungsweise Schmierung der für die Erzeugung der Verschiebebewegung des Spannelements 7 zusammenwirkenden Gewinde lassen sich auf die Ausführungsform nach 5 analog übertragen.
Damit schafft die Erfindung eine Spannvorrichtung, insbesondere in Form eines Spannmoduls, welches ein motorisch angetriebenes Spannelement aufweist und welches geringe Abmessungen, insbesondere hinsichtlich der Länge der Spannvorrichtung, aufweist. Zudem kann die Spannvorrichtung auf einfache Weise so gestaltet werden, dass sich auch bei Fehlen einer Energieversorgung für den motorischen Antrieb eine Selbsthemmung ergibt, die gewährleistet, dass die Spannkraft auch ohne Anschluss an eine Energieversorgung in voller Höhe aufrechterhalten wird.
6 zeigt eine Ausführungsform einer Spannvorrichtung 100 in Form eines Spannmoduls mit zwei gegenläufig verschiebbar angetriebenen Spannelementen 7. Im Folgenden werden nur die Besonderheiten dieser Ausführungsform beschrieben. Zur Erläuterung der Elemente, die im Wesentlichen mit den entsprechenden Ausführungsformen 1 und 4 und deren Funktion übereinstimmen, kann auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen werden.
Die Spannelemente 7 weisen in diesem Fall jeweils einen sich axial erstreckenden Bereich 110 auf, dessen Breite der Breite der Spannbacken 9 entspricht. Die Spannelemente sind mit dem sich axial erstreckenden Bereich mittels einer schwalbenschwanzartigen Führung im Gehäuse 3 verschiebbar geführt. In ihrer Längsmittelebene weisen die Spannelemente 7 beziehungsweise die sich axial erstreckenden Bereiche 110 eine Gewindebohrung 130 auf, welche in einem vorgegebenen axialen Abschnitt ein Innengewinde 130a aufweist.
Die Spannvorrichtung 100 umfasst eine Gewindespindel 150, welche mit jeweils einem Gewindebereich 170 in eine Gewindebohrung 130 des betreffenden Spannelements eingreift. Die Länge der Gewindespindel ist so gewählt, dass der gewünschte Verschiebeweg für die beiden Spannelemente 7 ermöglicht wird.
Die Außengewinde 170a der Gewindespindel 150 in den Gewindebereichen 170 sind so ausgebildet und wirken so mit den Innengewinden 130a der Gewindebohrungen 130 zusammen, dass bei einem Antrieb der Gewindespindel 150 in der einen Rotationsrichtung die Spannelemente 7 in der einen Verschieberichtung, beispielsweise aufeinander zu, und bei einem Antrieb in der anderen Rotationsrichtung in der jeweils anderen Verschieberichtung, beispielsweise voneinander weg, bewegt werden. Hierzu wird vorzugsweise ein Linksgewinde in einem der Gewindebereiche 170 bzw. der zugeordneten Gewindebohrung 130 und ein Rechtsgewinde in dem jeweils anderen Gewindebereich 170 beziehungsweise der zugeordneten Gewindebohrung 130 verwendet.
Der Antrieb der Gewindespindel 150 erfolgt über ein Ritzel 270, das in einem Antriebsbereich der Gewindespindel 150 vorgesehen ist. Dieser kann vorzugsweise zwischen den beiden Gewindebereichen 170 angeordnet sein. Hierdurch ist es möglich, die Spannelemente 7 so weit nach außen zu bewegen, bis die Gewinde nicht mehr in Eingriff stehen, um auf diese Weise die Spannvorrichtung zu demontieren. Zudem ermöglicht diese Konstruktion eine kürzere Bauweise als das Vorsehen des Antriebsbereichs in einem der Endbereiche der Gewindespindel 150.
Die Gewindespindel 150 muss nicht axial gelagert werden, da praktisch keine axialen Kräfte auftreten, die eine Verschiebung der Gewindespindel bewirken würden. Zur axialen Fixierung der Gewindespindel 150 kann, wie in 6 dargestellt, ein seitlicher bzw. axialer Anschlag auf beiden Seiten des Ritzels 270 vorgesehen sein. Zur Montage der Spannvorrichtung 100 müssen dann lediglich die Gewindespindel 150 mit dem Ritzel 270 von oben zwischen die Anschläge eingesetzt und die Spannelemente 7 von außen mit den Gewindebohrungen 130 soweit auf die Gewindespindel 150 aufgeschoben und dabei in die Schwalbenschwanzführung eingesetzt werden, bis die Gewinde in Eingriff gebracht werden können. Durch einen Antrieb der Gewindespindel 150 können die Spannelemente 7 dann weiter aufeinander zu bewegt werden. Anschließend können nicht dargestellte Anschläge montiert werden, die die Bewegung der Spannelemente 7 nach außen begrenzen, so dass diese nicht unbeabsichtigt außer Eingriff mit der Gewindespindel 150 geraten können.
Der Antrieb der Gewindespindel 150 erfolgt wiederum über ein Getriebe, das in geeigneter Weise ausgebildet ist. Bei der Ausführungsform nach 6 ist wirkt das Zweifachritzel 43, mit einem weiteren Ritzel 430 zusammen, dessen Achse so lang ausgebildet ist, dass ein am anderen Ende der Achse angeordnetes Ritzel 432, das in der Ebene des Ritzels 270 liegt, über ein weiteres Ritzel 434, das ebenfalls im Gehäuse 3 gelagert ist, die Gewindespindel 150 antreibt. Das Ritzel 434 kann natürlich auch entfallen, wenn die Durchmesser der Ritzel 270 und 432 so ausgebildet sind, dass diese direkt kämmen.
Selbstverständlich können auch sämtlichen Varianten, die zuvor in Verbindung mit den Ausführungsformen mit einem einzigen verschiebbar angetriebenen Spannelement nach 1 bis 5 erläutert wurden, soweit sinnvoll, auch auf Ausführungsformen mit zwei gegenläufig angetriebenen Spannelementen angewendet werden. Beispielsweise kann anstelle einer schwalbenschwanzartigen Führung der Spannelemente auch eine Führung in einem sich axial erstreckenden Bereich erfolgen, der eine geringere Breite aufweist als die Spannbacken (vgl. 1). Die motorisch angetriebene Gewindespindel bzw. Gewindehülse kann bei einer solchen Variante durch die Spannbacken 9 hindurchgeführt oder auch unterhalb der Höhe der Spannbacken verlaufen, d.h. die Spannbacken sind gegenüber der Ausführungsform nach 1 gegenüber dem sich axial erstreckenden Bereich höher angeordnet und mit diesem einstückig ausgebildet oder lösbar verbunden.
Der Motor 39 kann selbstverständlich auch nur im Bereich eines einzigen der beiden Spannelemente 9 angeordnet sein, um eine schmalere Bauweise zu ermöglichen (analog den 1 bis 5 jedoch mit einem zweiten, im Gehäuse 3 angeordneten Spannelement 9).
Ist eine schmalere Bauform nicht notwendig, so kann der Motor auch unterhalb oder neben dem, d.h. seitlich versetzt, und unterhalb des Spannelements angeordnet sein.
Selbstverständlich lassen sich auch alle Varianten zur Verhinderung einer rotatorischen Bewegung eines Spannelements 7, wie in den 1 bis 4 beschrieben, mit einer Ausführungsform mit zwei gegenläufig angetriebenen Spannelementen kombinieren.
Für den Antrieb des Spannelements kann auch ein Gewinderollentrieb verwendet werden, wie er oben beschrieben ist. Dabei kann, wie auch im Fall der Ausführungsformen nach den 1 bis 5, der Gewinderollentrieb auch zur Kopplung einer motorisch angetriebenen Gewindehülse mit einer beziehungsweise beiden Gewindestangen der Spannelementen 7 ausgebildet sein. In diesem Fall sind die Gewinderollen zwischen dem Innengewinde der Gewindehülse und dem Außengewinde der Gewindestange des oder der Spannelemente 7 angeordnet. Die Gewindestangen der Spannelemente 7 erstrecken sich dabei vom Endbereich des axialen Bereichs jedes Spannelements 7 in Richtung des vorderen Bereichs, d.h. in Richtung der Spannbacke. Die Gewindehülse kann so mit ihren beidseitig angeordneten Gewindebereichen mit dem jeweiligen Gewindebereich der betreffenden Gewindestange zusammenwirken.
Bezugszeichenliste

1: Spannvorrichtung
3: Basisteil
5: Verzahnung
7: Spannelement
9: Spannbacke
9a: Beaufschlagungsfläche
11: sich axial erstreckender Bereich
13: axiale Gewindebohrung
13a: Innengewinde
15: Gewindespindel
17: vorderer Bereich
17a: Außengewinde
19: Flanschbereich
21: Lagerbereich
23: Axiallager
25: Zentrierzapfen
27: Antriebsritzel
29: Schrauben
31: Zapfen
33: Bohrung
35: Anschlagzapfen
35‘: Anschlagzapfen
39: Motor
41: Abtriebsritzel
43: Zweifachritzel
45: Gewinderollen
47: Kopfteil
49: Kopfteilhälften
51: Gewindestange
51a: Außengewinde
53: Gewindebohrung
53a: Innengewinde
55: Gewindehülse
57: vorderer Bereich
59: Ringschulter
100: Spannvorrichtung
110: sich axial erstreckender Bereich
130: Gewindebohrung
130a: Innengewinde
150: Gewindespindel
170: Gewindebereich
170a: Außengewinde
270: Ritzel
430: Ritzel
432: Ritzel
434: Ritzel
A: Rotationsachse Gewindespindel/Gewindehülse
F: Spannkraft
R₀: Radius der Wälzkörperlaufbahn
r₀: Flankenradius
µ_r: Reibungskoeffizient (Gleitreibung)
µ_R: Reibungskoeffizient (Rollreibung)
h: Ganghöhe
D₀: auf Gewindespindel/Gewindehülse zu übertragendes Drehmoment zur Erzeugung der Anpresskraft F ohne Berücksichtigung von Reibungsverlusten
D_G: Reibmoment Gewindespindel/Gewindehülse
D_L: Reibmoment Axiallager/Gleitlager
D_AN: auf Gewindespindel/Gewindehülse zu übertragendes Drehmoment zur Erzeugung der Anpresskraft F unter Berücksichtigung der Reibmomente D₀, D_L, D_G

Claims

Spannvorrichtung, insbesondere Spannmodul, mit (a) einem Basisteil (3), (b) einem gegenüber dem Basisteil (3) verschiebbar angeordneten Spannelement (7) mit einer Beaufschlagungsfläche (9a) zur Übertragung einer Spannkraft auf ein zu spannendes Teil und (c) einem Antrieb, welcher das Spannelement (7) verschiebbar beaufschlagt, dadurch gekennzeichnet, (d) dass der Antrieb eine von einem Motor (39) rotatorisch antreibbare Gewindespindel (15, 150) aufweist, welche in eine ein Innengewinde (13a, 130a) aufweisende Gewindebohrung (13, 130) des Spannelements (7) eingreift, (e) wobei das Außengewinde (17a, 170a) der Gewindespindel (15, 150) unmittelbar oder mittelbar mit dem Innengewinde (13a, 130a) der Bohrung (13, 130) derart zusammenwirkt, dass ein rotatorischer Antrieb der Gewindespindel (15, 150) eine Verschiebung des Spannelements (7) bewirkt und/oder eine Spannkraft (F) erzeugt, oder (f) dass der Antrieb eine von einem Motor (39) rotatorisch antreibbare Gewindehülse (55) mit einem Innengewinde (53a) aufweist, in welche eine Gewindestange (51) des Spannelements (7) eingreift, (g) wobei das Außengewinde (51a) der Gewindestange (51) unmittelbar oder mittelbar mit dem Innengewinde (53a) der Gewindehülse (55) derart zusammenwirkt, dass ein rotatorischer Antrieb der Gewindehülse (55) eine Verschiebung des Spannelements (7) bewirkt und/oder eine Spannkraft (F) erzeugt.
Spannvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Gewindespindel (15, 150) oder der Innendurchmesser der Gewindehülse (15) so klein gewählt ist, dass mindestens 10% des Antriebsdrehmoments, vorzugsweise mindestens 15%, höchst vorzugsweise mindestens 25% des Antriebsdrehmoments, welches auf das antriebsseitige Ende der Gewindespindel (15, 150) oder der Gewindehülse (55) übertragen wird, zur Erzeugung der an der Beaufschlagungsfläche (9a) des Spannelements (7) abgreifbaren Spannkraft (F) beitragen.
Spannvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steigung der Innen- und Außengewinde (13a, 130a, 17a; 170a; 53a, 51a) der Gewindespindel (15, 150) und der Bohrung (13, 130) des Spannelements (7) oder der Gewindehülse (55) und der Gewindestange (51) abhängig von den zwischen den betreffenden Elementen auftretenden Reibkräften so gewählt ist, dass im Bereich bis zu einer maximal vorgegebenen Nenn-Spannkraft Selbsthemmung gegeben ist.
Spannvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Außengewinde (17a, 170a) der Gewindespindel (15, 150) und/oder das Innengewinde (13a, 130a) der Bohrung (13, 130) des Spannelements (7) oder das Innengewinde (53a) der Gewindehülse (55) und/oder das Außengewinde (51a) der Gewindestange (51) mit einer die Reibung reduzierenden Beschichtung versehen sind.
Spannvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannvorrichtung ein einziges verschiebbares Spannelement (7) aufweist und dass die Gewindespindel (15) oder die Gewindehülse (55) einen Flanschbereich (19; 59) mit einer zur Rotationsachse (A) der Gewindespindel (15) oder der Gewindehülse (55) senkrecht verlaufenden und von der Beaufschlagungsfläche (9a) des Spannelements (7) abgewandten Stirnfläche aufweisen, mit welcher sich die Gewindespindel (15) oder die Gewindehülse (55) gegen ein ortsfest im oder am Basisteil (3) angeordnetes Axiallager (23) abstützt.
Spannvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannvorrichtung zwei mittels des einzigen Antriebs gegenläufig verschiebbare Spannelemente (7) aufweist und dass eine einzige rotatorisch antreibbare Gewindespindel (150) des Antriebs mit jeweils einem Gewindebereich (170) mit der Gewindebohrung (130) jeweils eines der beiden Spannelemente (7) oder eine einzige rotatorisch antreibbare Gewindehülse des Antriebs mit jeweils einem Gewindebereich mit der Gewindestange jeweils eines der beiden Spannelemente (7) unmittelbar oder mittelbar so zusammenwirkt, dass bei der einen Rotationsrichtung des Antriebs die beiden Spannelemente (7) in der einen Verschieberichtung und bei der anderen Rotationsrichtung des Antriebs die beiden Spannelemente in der anderen Verschieberichtung bewegt werden.
Spannvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewindespindel (15, 150) oder die Gewindehülse (55) einen Antriebsbereich aufweisen, welcher an einem Endbereich der Gewindespindel (15, 150) oder der Gewindehülse (55) ausgebildet sein kann und welcher direkt mit dem Abtrieb (41) des Motors (39) oder über ein Getriebe (27, 43; 270, 430, 432, 434) mit dem Abtrieb (41) des Motors (39) verbunden ist.
Spannvorrichtung nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsbereich zwischen den beiden Gewindebereichen (170) der Gewindespindel oder der Gewindehülse vorgesehen ist.
Spannvorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (27, 43; 270, 430, 432, 434) selbsthemmend ausgebildet ist oder dass das Getriebe (27, 43) so ausgebildet ist, dass in Verbindung mit dem durch die Gewindespindel (15) und die Bohrung (13) im axialen Bereich (11) des Spannelements (7) oder mit dem durch die Gewindehülse (55) und die Gewindestange (51) des Spannelements (7) gebildeten Antriebsteil eine Selbsthemmung erreicht ist.
Spannvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor (39) ein Pneumatikmotor, vorzugsweise ein Lamellenmotor, ein Hydraulikmotor oder ein Elektromotor ist.
Spannvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor (39) im Basisteil im Wesentlichen neben und/oder unterhalb der Gewindebohrung des Spannelements (7) und der Gewindespindel (15) des Antriebs oder neben und/oder unterhalb der Gewindestange des Spannelements (7) und der Gewindehülse (55) des Antriebs angeordnet ist.
Spannvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor (39) eine vorzugsweise mit der Rotationsachse des Abtriebs (41) fluchtende Längsachse aufweist und der Motor (39) so angeordnet ist, dass die Längsachse des Motors parallel zur Rotationsachse (A) der Gewindespindel (15, 150) oder der Gewindehülse (55) verläuft.
Spannvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Außengewinde (17a, 170a) der Gewindespindel (15, 150) des Antriebs und dem Innengewinde (13a, 130a) der Bohrung (13, 130) im axialen Bereich (11) des Spannelements (7) oder zwischen dem Innengewinde (53a) der Gewindehülse (55) des Antriebs und dem Außengewinde (51a) der Gewindestange (51) des Spannelements (7) zur Bildung eines Gewinderollentriebs mehrere Lagerrollen (45) vorgesehen sind.
Spannvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Außenwandung des axialen Bereichs (11) des Spannelements (7) eine parallel zur Verschieberichtung des Spannelements (7) verlaufende Längsnut (37) ausgebildet ist, in welche ein ortsfest im Basisteil gehaltenes Begrenzungselement (35; 35‘, 47) eingreift, wobei die Abmessung eines in die Nut (37) eingreifenden Kopfteils (35, 47) des Begrenzungselements (35, 35‘, 47) senkrecht zur Längsachse der Nut (37) im Wesentlichen der Breite der Nut (37) entspricht, so dass eine rotatorische Bewegung des Spannelements (7) im Wesentlichen blockiert und eine Verschiebebewegung des Spannelements (7) ermöglicht wird.
Spannvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopfteil (47) des Begrenzungselements (35‘, 47) in der Richtung senkrecht zur Längsachse der Nut (37) federnd oder unter Beaufschlagung mittels eines Stellelements (35‘) aufspreizbar ausgebildet ist, um eine rotatorische Bewegung des Spannelements (7) zu minimieren oder vollständig zu vermeiden.