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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Linearaktor mit einem Elektromotor und mit einem Planetenwälzgewindetrieb.
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Aus
DE 10 2011 006 297 A1 ist ein Linearaktor gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bekannt geworden. Aufgabe der Erfindung war es, einen kompakt bauenden Linearaktor anzugeben.
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Erfindungsgemäß wurde diese Aufgabe durch den Linearaktor gemäß Anspruch 1 gelöst. Der Linearaktor weist einen Planetenwälzgewindetrieb auf, der eine auf einer Gewindespindel angeordnete Spindelmutter aufweist, sowie zwischen der Gewindespindel und der Spindelmutter angeordnete Planeten, wobei die Planeten mit ihrem planetenseitigen Eingriffsprofil mit einem mutterseitigen Eingriffsprofil der Spindelmutter sowie mit einem schraubenförmig um die Spindelachse gewundenen Gewindeprofil der Gewindespindel in Eingriff stehen, wobei das Stellteil entlang der Spindelachse linear verschiebbar angeordnet ist, und wobei der Elektromotor innerhalb der hohl ausgebildeten Gewindespindel angeordnet ist.
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Der erfindungsgemäße Linearaktor benötigt gegenüber bekannten Linearaktoren aufgrund des innerhalb der Gewindespindel angeordneten Elektromotors einen sehr geringen Bauraum.
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Der erfindungsgemäße Linearaktor ist gegenüber bekannten Linearaktoren aufgrund der hohlen Gewindespindel von seinem Gewicht her leichter.
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Dadurch, dass der Elektromotor innerhalb der hohl ausgebildeten Gewindespindel angeordnet ist, ist der Elektromotor zuverlässig geschützt vor unerwünschter äußerer Fremdeinwirkung.
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Erfindungsgemäße Planetenwälzgewindetriebe lassen sich aufgrund verbesserter Fertigungsmöglichkeiten kostengünstig herstellen und ermöglichen große Untersetzungen. Das planetenseitige Eingriffsprofil kann durch umlaufende Rillen am Umfang der Planeten gebildet sein, wobei einander benachbarte Rillen in einer Ebene quer zur Planetenachse liegen. Gleiche Rillen können sowohl für den Eingriff mit der Spindelmutter als auch für den Eingriff mit der Gewindespindel vorgesehen sein. Oftmals weisen die Planeten einen dickeren Mittelabschnitt und benachbarte dünnere Endabschnitte auf, mit Rillen an dem Mittelabschnitt und mit Rillen an den Endabschnitten. Die Rillen der Endabschnitte kämmen dann mit mutterseitigen Rillen, die Rillen des Mittelabschnitts kämmen dann mit dem Gewindeprofil der Gewindespindel.
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Unter Relativdrehung von Spindelmutter und Gewindespindel erfolgt eine relative axiale Verschiebung der Spindelmutter und Gewindespindel entlang der Spindelachse; wahlweise können die Spindelmutter oder die Gewindespindel als linear verschiebbares Stellteil verwendet werden, die Spindelmutter oder die Gewindespindel können als Stellteil mit einem Anschlussteil versehen sein.
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Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist die Spindelmutter als Stellteil vorgesehen, wobei der Elektromotor die Gewindespindel antreibt. In diesem Fall kann auf einfache Art und Weise eine Antriebsverbindung zwischen dem Elektromotor und der Gewindespindel hergestellt werden, denn der Elektromotor und die Gewindespindel können axial unverschieblich zueinander positioniert werden. In diesem Fall können die Spindelmutter und der Elektromotor drehfest zueinander und axial verschieblich zueinander angeordnet sein, und die Gewindespindel und der Elektromotor können drehbar zueinander und axial unverschieblich zueinander angeordnet sein kann.
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Bei einer erfindungsgemäßen Weiterbildung kann der Elektromotor die Gewindespindel über ein Untersetzungsgetriebe antreiben. Der Elektromotor kann dann an das Untersetzungsgetriebe eingangsseitig angeschlossen sein. Das Untersetzungsgetriebe ist in diesem Fall ausgangsseitig an die Gewindespindel angeschlossen.
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Je nach Anwendung besteht ein Bedarf für sehr große Untersetzungen. Die Drehzahl der Motorwelle des Elektromotors wird zunächst über das Untersetzungsgetriebe untersetzt, das ausgangsseitig die Gewindespindel in Rotation versetzt; unter Rotation der Gewindespindel findet eine gewünschte Relativverschiebung zwischen der Gewindespindel und der Spindelmutter statt, wobei wahlweise die Gewindespindel oder die Spindelmutter als Stellteil vorgesehen sein kann.
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Innerhalb der hohlen Gewindespindel kann auch das Untersetzungsgetriebe angeordnet sein, das antriebsseitig an den Elektromotor und abtriebsseitig an die Gewindespindel des Planetenwälzgewindetriebes angeschlossen ist. Demzufolge ist auch das Untersetzungsgetriebe bauraumsparend eingebaut und gegen Witterungseinflüsse weitestgehend geschützt.
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Wenn das Untersetzungsgetriebe als Stirnradgetriebe ausgebildet ist, bietet sich in günstiger Weise an, die hohle Gewindespindel an ihrem Innenumfang mit einer koaxial um die Spindelachse herum angeordneten Innenverzahnung zu versehen, mit der abtriebsseitige Stirnräder des Stirnradgetriebes kämmen. Diese Innenverzahnung kann an einem separaten Ring ausgebildet sein, der am Innenumfang der Gewindespindel angeordnet und befestigt ist. Diese Innenverzahnung kann aber in günstiger Weise auch an den Innenumfang der Gewindespindel einstückig angeformt sein; beispielsweise kann die Innenverzahnung in einem Umformverfahren bereitgestellt werden.
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Für eine wetterunempfindliche, kompakte Bauweise sieht eine erfindungsgemäße Weiterbildung vor, dass der Linearaktor ein Aktorgehäuse aufweist, das den Planetenwälzgewindetrieb sowie den Elektromotor aufnimmt. Das Aktorgehäuse übernimmt in diesem Fall mehrere Funktionen: es schützt die Komponenten der erfindungsgemäßen Schalteinrichtung gegen Witterungseinflüsse, es ermöglicht eine bauraumsparende Anordnung der Komponenten, es kann der Führung des Stellteils dienen, und es kann eine Messeinrichtung aufnehmen, um eine Stellbewegung des Stellteils zu erfassen. Wenn die Spindelmutter als Stellteil vorgesehen und in dem Aktorgehäuse angeordnet ist, kann kann die Spindelmutter an dem Gehäuse längsverschieblich geführt und – sofern erforderlich – drehfest an dem Gehäuse abgestützt sein.
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Bei einer erfindungsgemäßen Weiterbildung ist das Stellteil drehfest und axial verschieblich in dem Aktorgehäuse aufgenommen, wobei eine axiale Relativverschiebung zwischen dem Stellteil und dem Aktorgehäuse mittels einer Messeinrichtung erfasst wird. Diese Messeinrichtung kann in an sich bekannter Weise eine Maßverkörperung und einen die Maßverkörperung abtastenden Sensor aufweisen; die Maßverkörperung kann an das zugrundeliegende Messprinzip angepasst sein, also bspw. als Skalierung eine magnetische Codierung oder eine Strichteilung aufweisen. Es können inkrementelle magnetische oder induktive Messsysteme zum Einsatz kommen. Es können auch analoge potenziometrische Messsysteme zum Einsatz kommen. Die Maßverkörperung kann an der Spindelmutter und der Sensor an dem Aktorgehäuse angebracht sein, oder bei weiterer erfindungsgemäßer Ausbildung, ist auch eine umgekehrte Anordnung denkbar.
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Eine besonders wirtschaftliche Ausführung ist mit einer erfindungsgemäßen Variante bereitgestellt, bei der die Messeinrichtung durch ein Schiebepotentiometer gebildet ist, das ein schienenförmiges Widerstandselement und einen Schleifer aufweist. Der Schleifer und das Widerstandselement verschieben relativ zueinander, wenn der Aktor betätigt wird. Der Schleifer tastet das Widerstandselement ab und verändert die Teilwiderstände des Spannungsteilers. Der Schleifer kann an der Spindelmutter gehaltert sein, das schienenförmige Widerstandselement kann an dem Aktorgehäuse gehaltert sein.
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Die Gewindespindel kann bei einer erfindungsgemäßen Weiterbildung mittels eines Lagers an dem Aktorgehäuse drehbart gelagert sein, wobei der Elektromotor an dem Aktorgehäuse gehaltert ist. Beispielsweise kann als Lager ein Rillenkugellager vorgesehen werden, das in vorteilhafter Weise sowoh radiale als auch axiale Belastung aufnehmen kann. Der Innenring des Rillenkugellagers kann auf die Gewindespindel aufgesetzt und daran befestigt werden. Der Außenring kann in eine Lageraufnahme des Aktorgehäuses eingesetzt und daran befestigt werden. Der Elektromotor kann auf vielfältige Art und Weise an dem Aktorgehäuse gehaltert werden: das Motorgehäuse kann in eine Motoraufnahme des Aktorgehäuses eingesetzt sein und kraft- oder form- oder stoffschlüssig befestigt sein.
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In günstiger Weise sieht eine erfindungsgemäße Weiterbildeung eine Auslegung der Gewindesteigung des Gewindeprofils der Gewindespindel für eine Selbsthemmung des Planetenwälzgewindetriebes vor. Das bedeutet, es bedarf keiner weiteren Mittel, eine eingestellte Stellposition des Stellteils des erfindungsgemäßen Linearaktors zu halten.
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Erfindungsgemäße Linearaktoren können auf kleinstem Bauraum zum Einsatz kommen und sind beispielsweise in günstiger Weise für Schalteinrichtungen von Kettenschaltungen für Fahrräder geeignet. In diesem Fall kann das Stellteil des erfindungsgemäßen Linearaktors einen Käfig der Kettenschaltung zum Schalten der Kette betätigen. Dieser Käfig kann als Umwerferkäfig an den vorderen Zahnkränzen oder als Schaltkäfig am hinteren Schaltwerk ausgebildet sein.
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Nachstehend wird die Erfindung anhand eines in einer einzigen Figur abgebildeten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
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Die Figur zeigt eine Schalteinrichtung einer Kettenschaltung eines Fahrrades mit einem erfindungsgemäßen Linearaktor 9. Abgebildet ist ein Umwerfer 1 zum Schalten einer Kette von einem Kettenblatt auf ein benachbartes Kettenblatt. Ein nachstehend als Umwerferkäfig 1a bezeichneter Käfig 1b ist mittels einer Parallelogrammführung 2 schwenkbeweglich gelagert. Der Umwerferkäfig 1a kann als Schaltgabel oder allgemein als Käfig 1b bezeichnet werden.
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Die Parallelogrammführung 2 weist gestellfeste – am Fahrradrahmen gehalterte – Schwenkachsen 3, 3a für Schwenkhebel 4, 5 auf. An den von den Schwenkachsen 3 abgewandten Enden der beiden Schwenkhebel 4 ist der Umwerferkäfig 1a an zwei Schwenkachsen 6, 7 schwenkbeweglich gelagert, wobei die eine Schwenkachse 6 an dem Schwenkhebel 4 und die andere Schwenkachse 7 an dem Schwenkhebel 5 angeordnet ist.
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Der Linearaktor 9 weist ein linear verschiebbares Stellteil 10 auf, dessen Stellachse S quer zu der Schwenkachse 7 angeordnet ist, wobei die Stellachse S in diesem Ausführungsbeispiel in einer Ebene liegt, in der auch Schwenkachse 7 liegt. Unter Verschiebung des Stellteiles 10 entlang der Stellachse S wird der Umwerferkäfig 1a in der beschriebenen Weise ausgelenkt.
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Der Linearaktor 9 weist einen Elektromotor 11 auf, ferner einen Planetenwälzgewindetrieb 12, sowie ein Untersetzungsgetriebe 13. Der Elektromotor 11, der Planetenwälzgewindetrieb 12 und das Untersetzungsgetriebe 13 sind in einem gemeinsamen Aktorgehäuse 14 untergebracht. Das Aktorgehäuse 14 ist um eine gestellfeste Schwenkachse 15 eines nicht abgebildeten Fahrrades schwenkbar gelagert.
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Der Planetenwälzgewindetrieb 12 weist eine auf einer Gewindespindel 16 angeordnete Spindelmutter 17 auf, sowie zwischen der Gewindespindel 16 und der Spindelmutter 17 angeordnete Planeten 18, wobei die Planeten 18 mit ihrem planetenseitigen Eingriffsprofil 19 mit einem mutterseitigen Eingriffsprofil 20 der Spindelmutter 17 sowie mit einem schraubenförmig um die Spindelachse gewundenen Gewindeprofil 21 der Gewindespindel 16 in Eingriff stehen. Das planetenseitige Eingriffsprofil 19 ist gebildet durch erste Rillen 22 (lediglich angedeutet), die an einem dickeren Mittelabschnitt 23 der Planeten 18 ausgebildet sind, sowie durch zweite Rillen 24 (lediglich angedeutet), die an dünneren Endabschnitten 24a der Planeten 18 ausgebildet sind.
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Die Planeten 18 weisen an ihren Stirnseiten Zapfen 25 auf, die jeweils in eine Bohrung 26 eines ringförmigen Planetenkäfigs 27 eingreifen, wobei die beiden Planetenkäfige 27 mit einer der Anzahl von Planeten 18 entsprechenden Anzahl von über den Umfang verteilt angeordneten Bohrungen 26 versehen sind. Die Planetenkäfige 27 gewährleisten einen einwandfreien umfangsseitigen Abstand einander benachbarter Planeten 18.
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In diesem Ausführungsbeispiel ist die Spindelmutter 17 als Stellteil 10 vorgesehen, an deren dem Umwerfer 1 zugewandten Ende ein weiter unten beschriebenes Anschlußteil 29 als Teil des Stellteils 10 befestigt ist. Die Stellachse S und die Spindelachse der Gewindespindel 16 fallen in diesem Ausführungsbeispiel zusammen.
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Der Planetenwälzgewindetrieb 12 ist selbsthemmend ausgelegt. Für die Selbsthemmung genügt es, wenn eine rückwärts von außen in das Stellteil 10 des Linearaktor 9 eingeleitete Kraft ein Rückstellmoment der Gewindespindel 16 um die Spindelachse erzeugt, das kleiner ist als ein zu überwindendes Reibmoment, das über das Untersetzungsgetriebe 13 und die Motorreibung im Elektromotor 11 erzeugt wird. Je kleiner die Gewindesteigung des Gewindeprofils 21 ist, desto kleiner ist das auf die Gewindespindel 16 einwirkende Rückstellmoment.
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Die Gewindespindel 16 ist mittels eines Rillenkugellagers 28 in dem Aktorgehäuse 14 axial und radial drehbar gelagert. Die Spindelmutter 17 ist in dem Aktorgehäuse 14 axial verschieblich angeordnet, jedoch drehfest gegenüber dem Aktorgehäuse 14. Die drehfeste Anordnung ist hier durch ein an der Spindelmutter 17 befestigtes Anschlussteil 29 gegeben, das an der Schwenkachse 7 des Umwerfers 1 gelagert ist.
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Ein Motorgehäuse 30 des Elektromotors 11 ist an dem Aktorgehäuse 14 befestigt; es sind lösbare sowie unlösbare Verbindungen möglich. Das Motorgehäuse 30 weist einen Außendurchmesser auf, der kleiner ist als der Innendurchmesser der Gewindespindel 16 und ragt bei eingefahrener Gewindespindel 16 über seinen größeren Teil in die hohle Gewindespindel 16 hinein. An seinem dem Umwerfer zugewandten axialen Ende ist ein nicht abgebildeter Rotor des Elektromotors 11 drehfest an eine Motorwelle 31 angeschlossen, die mit einem Stirnrad 32 versehen ist.
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Das Untersetzungsgetriebe 13 ist hier durch ein Stirnradgetriebe 13a gebildet. Das Stirnrad 32 der Motorwelle 31 ist Teil des Stirnradgetriebes 13a. Das Stirnrad 32 kämmt mit über seinen Umfang verteilt angeordneten Stirnrädern 33, die drehbar an dem Motorgehäuse 30 gelagert sind. Die Stirnräder 33 kämmen außerdem mit einem innenverzahnten Stirnrad 34, das koaxial zu der Spindelachse und zu der Motorwelle 31 angeordnet ist. Das innenverzahnte Stirnrad 34 ist am Innenumfang der hohlen Gewindespindel 16 befestigt; es kann auch einstückig mit der Gewindespindel 16 ausgeführt sein. Das Stirnradgetriebe 13a ist innerhalb der hohlen Gewindespindel 16 untergebracht.
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Der Linearaktor 9 weist ferner eine Messeinrichtung 35 auf, die eine lineare Verschiebung der Spindelmutter 17 gegenüber dem Aktorgehäuse 14 erfasst.
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Diese Messeinrichtung 35 kann bspw. für eine inkrementale oder absolute Wegmessung ausgebildet sein. Inkrementale Wegmessgeräte wandeln die Bewegung der Spindelmutter 17 in Zählimpulse. Die so erzeugten Signale lassen sich mit einem einfachen elektronischen Aufwand auswerten. Bei diesen inkrementalen Messungen kann eine Referenzierungsfahrt nach Einschalten des Linearaktors erforderlich sein, um eine aktuelle Lage des Linearaktors zu bestimmen. Absolute Wegmessgeräte übergeben der Steuerung die Position der Spindelmutter 17 als absoluten Wert. Dadurch ist die erfindungsgemäße Schalteinrichtung jederzeit einsatzbereit.
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Die Messeinrichtung 35 kann einen Sensor und eine Massverkörperung aufweisen. Das Abtasten der Maßverkörperung kann optisch, induktiv oder magnetisch erfolgen. Die Maßverkörperung kann sich parallel zur Spindelachse am Innenumfang des Aktorgehäuses 14 erstrecken. Der Sensor kann in einer Ausnehmung der Spindelmutter 17 angeordnet sein.
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Im Ausführungsbeispiel ist ein als sogenanntes Leitplastikpotentiometer ausgeführtes Schiebepotentiometer 36 vorgesehen. Dieser Spannungsteiler besteht aus einem schienenförmigen Widerstandselement 37, und einem beweglichen Schleifer 37a, der den festen Gesamtwiderstand elektrisch in Teilwiderstände aufteilt. Das Widerstandselement 37 besteht aus einer elektrisch nichtleitenden Trägerschiene 37b, auf der ein elektrisch leitender Kunststoff als Widerstandsmaterial aufgebracht ist. Der Schleifer 37a kann entlang dem Widerstandselement bewegt werden und verändert unter dieser Bewegung die Teilwiderstände. Der gemessene elektrische Widerstand ist abhängig von dem zurückgelegten Stellweg der Spindelmutter. Das schienenförmige Widerstandslement 37 ist am Innenumfang des Aktorgehäuses 14 parallel zur Spindelachse angeordnet. Der Schleifer 37a ist an der Spindelmutter 17 angeordnet und steht in Kontakt mit dem Widerstandselement 37.
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Ferner ist eine nicht weiter abgebildete Steuereinrichtung vorgesehen, über die ein Gangwechsel vom Radfahrer eingeleitet werden kann.
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Der Linearaktor 9 greift hier in günstiger Weise an der Umfangstangente des Schwenkhebels 5 an. Der Linearaktor 9 ist quer zu der Schwenkachse 3a des Umwerferkäfigs 1a angeordnet, so dass Stellbewegungen des Linearaktors 9 in der Richtung erfolgen, in der auch der Umwerferkäfig verlagert wird.
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Nachstehend wird die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Schaltreinrichtung und des erfindungsgemäßen Linearaktors 9 näher erläutert.
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Wenn der Radfahrer die Kette von einem Kettenblatt auf ein benachbartes Kettenblatt schalten möchte, betätigt er die Steuereinrichtung. Der Elektromotor 11 wird eingeschaltet und die Rotation der Motorwelle 31 wird über das Untersetzungsgetriebe 13 in eine Rotation der Gewindespindel 16 umgewandelt. Unter Rotation der Gewindespindel wälzen die Planeten 18 an dem schraubenförmig um die Spindelachse gewundenen Gewindeprofil 21 der Gewindespindel 16 sowie an dem mutterseitigen Eingriffsprofil 20 der Spindelmutter 17 ab. Die Spindelmutter 17 wird gemeinsam mit den Planeten 18 gegenüber der Gewindespindel 16 und dem Aktorgehäuse 14 entlang der Spindelachse linear verschoben. Das durch die Gewindespindel 16 gebildete Stellteil 10 greift über das Anschlussteil 29 an der Schwenkachse 7 an, so dass die Schwenkachse 7 um die gestellfeste Schwenkachse 3a herum schwenkt. Während dieser Schwenkbewegung gewährleistet die Parallelogrammführung 2, dass der Umwerferkäfig 1a seine Ausrichtung im Raum weitgehend beibehält und mehr oder weniger parallel verschoben wird. Die Kette wird umgeworfen und der Umwerferkäfig 1a fährt seine vorgesehen Position an. Schließlich wird der Elektromotor 11 abgeschaltet. Aufgrund der Selbsthemmung ist ohne eine weitere Betätigung des Linearaktors 9 eine ungewollte Bewegung des Umwerferkäfigs 1a ausgeschlossen.
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Unter der Stellbewegung des Stellteiles 10 verschwenkt die Schwenkachse 7 des Umwerfers 1 gemeinsam mit dem an der Schwenkachse 7 angreifenden Anschlußteil entlang einer Kreisbahn um die gestellfeste Achse 3a. Der Linearaktor 9 verschwenkt unter dieser Stellbewegung geringfügig um seine gestellfeste Schwenkachse 15, so dass die Stellachse S geringfügig um diese gestellfeste Achse 15 schwenkt. In diesem Ausführungsbeispiel liegt die Stellachse S tangential an dieser Kreisbahn an.
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Bei erfindungsgemäßen Varianten kann können konstruktive Gründe dafür sprechen, die Anbindung des Stellteils des Linearaktors an den Umwerfer auch in einem Abstand von dieser Schwenkachse 7 vorzusehen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Umwerfer
- 1a
- Umwerferkäfig
- 1b
- Käfig
- 2
- Parallelogrammführung
- 3
- Schwenkachse
- 3a
- Schwenkachse
- 4
- Schwenkhebel
- 5
- Schwenkhebel
- 6
- Schwenkachse
- 7
- Schwenkachse
- 8
- Aktor
- 9
- Linearaktor
- 10
- Stellteil
- 11
- Elektromotor
- 12
- Planetenwälzgewindetrieb
- 13
- Untersetzungsgetriebe
- 14
- Aktorgehäuse
- 15
- Schwenkachse
- 16
- Gewindespindel
- 17
- Spindelmutter
- 18
- Planet
- 19
- planetenseitiges Eingriffsprofil
- 20
- mutterseitiges Eingriffsprofil
- 21
- Gewindeprofil
- 22
- erste Rille
- 23
- Mittelabschnitt
- 24
- zweite Rille
- 24a
- Endabschnitt
- 25
- Zapfen
- 26
- Bohrung
- 27
- Planetenkäfig
- 28
- Rillenkugellager
- 29
- Anschlussteil
- 30
- Motorgehäuse
- 31
- Motorwelle
- 32
- Stirnrad
- 33
- Stirnrad
- 34
- innenverzahnte Stirnrad
- 35
- Messeinrichtung
- 36
- Schiebepotentiometer
- 37
- Widerstandselement
- 37a
- Schleifer
- 38
- Riementrieb
- 39
- Gewindespindel
- 40
- Linearaktor
- 41
- Linearaktor
- 42
- Winkelgetriebe
- 43
- gestellfeste Achse
- 44
- Bowdenzug
- 45
- Hülle
- 46
- Öffnung
- 47
- Hebel
- 48
- Schenkel
- 49
- Schenkel
- 50
- gestellfeste Achse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011006297 A1 [0002]
