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Die Erfindung betrifft einen Linearantrieb gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Herkömmliche Linearantriebe, insbesondere Spindeltriebe, sind beispielsweise in Elektrozylindern realisiert. Sie haben eine Gewindespindel, die mit einem ihrer axialen Endabschnitte beispielsweise in einem Gehäuse drehbar gelagert ist, und eine Spindelmutter, die mit der Gewindespindel in Eingriff ist. An der Spindelmutter ist eine Hubstange befestigt, die mit einem Anlenkpunkt einer anderen, zu bewegenden Vorrichtung koppelbar ist. Da sich die Hubstange zusammen mit der Spindelmutter bei drehender Gewindespindel in Hubrichtung bewegen kann, ist an der Hubstange eine Ausnehmung vorgesehen, in die der andere axiale Endabschnitt der Gewindespindel eintauchen kann. Hier stellt sich die Aufgabe, den letztgenannten axialen Endabschnitt in der Ausnehmung radial abzustützen, da insbesondere bei hohen Drehzahlen der Gewindespindel diese eine radiale Auslenkung oder Verbiegung erfährt.
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Zur radialen Abstützung der Gewindespindel in der Ausnehmung zeigt die Patentschrift
DE 10 2005 025 748 B4 einen Zentrierring, der an einem radial zurückgestuften Zapfen des axialen Endabschnitts der Gewindespindel angeordnet ist. Der Zentrierring ist aus Vollmaterial gefertigt und erstreckt sich vollumfänglich am Zapfen.
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Diese Form der Abstützung hat den Nachteil, dass ein Außendurchmesser des Zentrierrings für den Fall, dass die Ausnehmung toleranzbedingt exzentrisch zu einer Längsachse der Gewindespindel ist, kleiner als der Durchmesser der Ausnehmung sein muss. Dies führt zu einer verstärkten Geräuschentwicklung bei Biegeschwingungen der Gewindespindel bei höheren Drehzahlen.
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Um eine von der Toleranz der Exzentrizität der Ausnehmung mit der Gewindespindel unabhängige Abstützung zu schaffen, zeigt die Patentschrift
DE 10 2009 007 958 B4 einen Elektrozylinder mit federnder Abstützung des betreffenden axialen Endabschnittes der Gewindespindel.
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Nachteilig an dieser Lösung ist, dass die Abstützkraft über den Linienkontakt einer umlaufenden Kante auf die Ausnehmung übertragen wird. Dies stellt eine scharfe mechanische Belastung der Ausnehmung bei entsprechender Abstützkraft und zudem eine Geräuschquelle dar.
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Bei der
DE 10 2007 047 625 A1 wird die Endabstützung der Gewindespindel mittels einer im Wesentlichen starren Führungshülse bewirkt. Bei der
DE 89 11 260 U1 ist die Endabstützung der Gewindespindel mit einem Geräuschdämpfungsring versehen.
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Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, einen geräuschärmeren Linearantrieb zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Linearantrieb mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des Linearantriebs sind in den Patentansprüchen 2 bis 15 beschrieben.
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Ein Linearantrieb, insbesondere ein Spindeltrieb, hat eine Gewindespindel, die an einem ihrer axialen Endabschnitte, insbesondere in einem Gehäuse, drehbar gelagert ist. Die Lagerung kann beispielsweise über ein Schrägkugellager erfolgen. Die Gewindespindel steht dabei mit einer - insbesondere im Gehäuse - drehfest und axial verschieblich gelagerten Spindelmutter in Eingriff. An der Spindelmutter ist eine Hubstange befestigt, die eine sich in Hubrichtung erstreckende, insbesondere zylindrische oder kreiszylindrische Ausnehmung hat. Das kann beispielsweise dadurch realisiert sein, dass die Hubstange als gezogenes Rohr ausgebildet ist. Alternativ kann die Ausnehmung als Bohrung ausgebildet sein. In die Ausnehmung taucht ein anderer der axialen Endabschnitte der Gewindespindel ein. An diesem axialen Endabschnitt ist wenigstens ein sich zumindest axial erstreckendes, elastisches Biegeelement angeordnet, über dessen radiale Außenfläche die Gewindespindel an der Ausnehmung radial abstützbar ist. Erfindungsgemäß weist die Außenfläche dabei wenigstens einen nach radial außen gewölbten, das heißt balligen Abschnitt auf. Ballig ist dabei insbesondere derart zu verstehen, dass an diesem Abschnitt keine Kanten oder Tangentenunstetigkeiten der Außenfläche vorliegen, die beim Drehen der Gewindespindel wesentlich für eine Geräuschentwicklung des Linearantriebs mitverantwortlich sind.
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In Betriebszuständen des Linearantriebs, insbesondere in einem Drehzahlbereich des Linearantriebs, in denen oder dem der ballige Abschnitt mit der Ausnehmung in Anlage gerät, ist der Linearantrieb somit geräuschärmer als herkömmliche Linearantriebe. Zudem sind aus Tangentenunstetigkeiten oder Kanten resultierende Kerbwirkungen des Biegeelementes an der Ausnehmung vermieden. Verglichen mit der Lehre der erwähnten Druckschrift
DE 10 2009 007 958 B4 ergibt sich durch den balligen Abschnitt zudem eine geringere Durchbiegung der Gewindespindel am abgestützten Endabschnitt: Zunächst ist beiden Lösungen gemein, dass eine Drehzahlerhöhung zu einer verstärkten Durchbiegung den abgestützten Endabschnitts führt. Bei der bekannten Lösung bleibt dabei der Hebelarm des Biegeelementes, über den der Endabschnitt der Gewindespindel an der Ausnehmung abgestützt ist, aufgrund der kegelstumpfförmigen Außenfläche im Wesentlichen konstant. Bei der erfindungsgemäßen Lösung führt die mit der Drehzahl zunehmende Durchbiegung jedoch zu einem „Abrollen“ des balligen Abschnitts an der Ausnehmung. Das heißt auch, dass sich der Hebelarm mit zunehmender Drehzahl verkürzt. Mit zunehmender Durchbiegung wächst somit eine Federkraft des erfindungsgemäßen Biegeelements stärker an als die des herkömmlichen Biegeelements. Daraus resultiert die erwähnte geringere Durchbiegung.
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In einer Variante einer Weiterbildung ist ein Endabschnitt des Biegeelementes an dem erfindungsgemäß abgestützten axialen Endabschnitt der Gewindespindel drehbar gelagert. Dies kann über ein Gleitlager oder ein Wälzlager erfolgen. Auf diese Weise kann das Biegeelement mit Bezug zur Ausnehmung drehfest angeordnet sein, wodurch ein rotierendes Schleifen des Biegelementes an der Ausnehmung verhindert ist. Alternativ dazu kann der Endabschnitt des Biegeelementes am abgestützten, anderen axialen Endabschnitt fest gelagert sein. Somit dreht das Biegeelement mit der Gewindespindel mit. Die erste Variante erweist sich dabei als bedeutend geräusch- und verschleißärmer als die zweite.
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In einer bevorzugten Weiterbildung ist der eine Endabschnitt des Biegeelementes über eine Lagerhülse an einem Zapfen des abgestützten, anderen axialen Endabschnitts der Gewindespindel drehbar gelagert. Alternativ dazu kann der Endabschnitt über die Lagerhülse fest am Zapfen gelagert sein. Gegen eine axiale Verschiebung der Lagerhülse auf dem Zapfen ist vorzugsweise am Zapfen ein Sicherungsring angeordnet.
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Mit steigender Drehzahl der Gewindespindel nehmen Biegekräfte zu, durch die der erfindungsgemäß abgestützte axiale Endabschnitt radial ausgelenkt wird. Um einen im Wesentlichen starren Anschlag bei einer maximalen Durchbiegung der Gewindespindel zu schaffen, weist eine besonders bevorzugte Weiterbildung eine sich radial erstreckende Lagerscheibe auf, an der radial außen der eine Endabschnitt des Biegeelementes gelagert ist und die radial innen mit der Lagerhülse verbunden ist.
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Besonders schonend können Abstützkräfte vom Biegeelement auf den Zapfen übertragen werden, wenn sich in einer bevorzugten Weiterbildung die Lagerhülse und das Biegeelement ausgehend vom gelagerten, einen Endabschnitt des Biegeelementes in axialer Richtung gleichsinnig erstrecken.
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Besonders bevorzugt erstreckt sich das Biegeelement mit seinem freien, ungelagerten Endabschnitt in Richtung des einen, insbesondere im Gehäuse gelagerten, axialen Endabschnitts der Gewindespindel. Das bedeutet, dass der gelagerte, eine Endabschnitt des Biegeelementes in axialer Richtung weit außen am anderen, abgestützten axialen Endabschnitt der Gewindespindel angeordnet ist. Auf diese Weise kann das Biegeelement, insbesondere bei maximaler Durchbiegung der Gewindespindel, eine größere Abstützkraft aufnehmen, als bei umgekehrter Erstreckung.
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In einer besonders bevorzugten Weiterbildung ist das Biegeelement, je nach Variante, mit der Lagerhülse oder mit der Lagerhülse und der Lagerscheibe einstückig ausgebildet. Unabhängig davon, ob die Ausführung einstückig oder mehrstückig ist, besteht oder bestehen das Biegeelement und/oder die Lagerhülse und/oder die Lagerscheibe vorzugsweise aus Kunststoff, insbesondere aus Polyoxymethylen (POM).
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In einer bevorzugten Weiterbildung erstreckt sich der ballige Endabschnitt der Außenfläche ausgehend vom gelagerten Endabschnitt des Biegeelementes weg.
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Alternativ dazu kann sich ausgehend vom gelagerten Endabschnitt des Biegeelementes beispielsweise ein kegelstumpfförmiger Abschnitt der Außenfläche weg erstrecken, an dem der ballige Abschnitt der Außenfläche, vorzugsweise tangentenstetig, angrenzt.
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In einer bevorzugten Weiterbildung erstreckt sich der ballige Abschnitt der Außenfläche über die gesamte Außenfläche. Das heißt, dass die gesamte zur Abstützung vorgesehene Außenfläche des Biegeelementes ballig ausgestaltet ist. Auf diese Weise lässt sich eine vergleichsweise homogene Kennlinie der Abstützkraft des Biegeelementes in Abhängigkeit der Drehzahl der Gewindespindel realisieren.
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In einer besonders bevorzugten und vorteilhaften Weiterbildung ist der ballige Endabschnitt der Außenfläche am freien, das heißt ungelagerten Endabschnitt des Biegeelementes von einem im Wesentlichen zylindrischen Abschnitt der Außenfläche begrenzt, der zumindest bei ruhender, das heißt nicht drehender Gewindespindel, in Anlage mit der Ausnehmung ist. So ist die Gewindespindel in Ruhe sicher abgestützt.
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Generell sind Weiterbildungen vorteilhaft, bei denen der ballige Abschnitt der Außenfläche mit dem im Wesentlichen zylindrischen Abschnitt der Außenfläche tangentenstetig verbunden ist. Wie bereits erwähnt, sind dadurch Kanten oder Tangentenunstetigkeit verhindert, die maßgeblich an der Geräuschentwicklung des Linearantriebs beteiligt sind.
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Geometrisch besonders einfach und leicht zu fertigen ist der Linearantrieb ausgebildet, wenn die Ausnehmung und die Außenfläche bezüglich einer Längsachse der Ausnehmung rotationssymmetrisch ausgestaltet sind.
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Besonders bevorzugt ist der ballige Abschnitt der Außenfläche über eine Mantelfläche eines balligen Kegelstumpfes ausgebildet. Dessen Kegelwinkel beträgt vorzugsweise zwischen 1° und 6°, besonders bevorzugt etwa 4°.
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Vorzugsweise ist eine Dicke des Biegeelementes quer zu einer Längsachse der Ausnehmung im Wesentlichen konstant. Auch dadurch ist eine Kennlinie der Abstützkraft des Biegeelementes in Abhängigkeit der Drehzahl der Gewindespindel homogen.
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Vorzugsweise erstreckt sich das Biegeelement über einen Umfangswinkel von etwa 30° bis 70°, insbesondere etwa 55°. Je breiter dabei die umfängliche Erstreckung, je größer also der Umfangswinkel ist, umso steifer ist das Biegeelement bei ansonsten unveränderter Biegeelementgeometrie. Vorzugsweise weist eine Weiterbildung des Linearantriebes wenigstens 3, bevorzugt 4, derart ausgebildete, umfänglich verteilt angeordnete Biegeelemente auf.
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Um eine besonders homogene Abstützung zu erreichen, sind die Biegeelemente in einer Weiterbildung umfänglich gleich verteilt angeordnet und auch geometrisch gleich ausgebildet.
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Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Linearantriebes anhand von vier Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 ein Ausführungsbeispiel eines Linearantriebes in einem Längsschnitt,
- 2 den Bereich einer radialen Abstützung der Gewindespindel des Ausführungsbeispiels in einer vergrößerten Darstellung,
- 3 ein Abstützelement gemäß den 1 und 2 in einer perspektivischen Ansicht, und
- 4 das Abstützelement gemäß 3 in einem Längsschnitt.
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Gemäß 1 hat ein Linearantrieb 1 ein etwa zylinderrohrförmiges Gehäuseteil 3, das an seinen axialen Endabschnitten jeweils mit einem Gehäusedeckel 4 und 6 abgeschlossen ist. Im Gehäuse 3, 4, 6 ist eine Gewindespindel 5 angeordnet, die mit einer Spindelmutter 15 in Eingriff ist. Ein axialer Endabschnitt 10 der Gewindespindel 5 ist über ein als Schrägkugellager ausgebildetes Drehlager 7 im Gehäusedeckel 6 drehbar gelagert. Der eine axiale Endabschnitt 10 der Gewindespindel 5 durchsetzt den Gehäusedeckel 6 mit einem Antriebszapfen 9. An diesen ist beispielsweise eine Triebwelle eines Elektromotors (nicht dargestellt) koppelbar.
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Die Spindelmutter ist im Gehäuseteil 3 axial verschieblich und drehfest gelagert. Zur drehfesten Lagerung sind mit der Spindelmutter 15 mehrere umfänglich verteilt angeordnete Verdrehsicherungen 17 verbunden, die die Spindelmutter 15 in beiden Drehrichtungen am Gehäuseteil 3 abstützen.
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Über einen Schraubadapter 19 ist an der Spindelmutter 15 eine Hubstange 11 befestigt. Diese durchsetzt den Gehäusedeckel 4 und ist an diesem, beziehungsweise am Durchgriff, über ein Gleitlager axial verschieblich gelagert. Am äußeren Endabschnitt der Hubstange 11 ist ein Gewindezapfen 21 zur Kopplung mit einer axial zu bewegenden Vorrichtung (nicht dargestellt) vorgesehen.
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Die Hubstange 11 ist hohlzylindrisch, in diesem Ausführungsbeispiel kreiszylindrisch, ausgestaltet. Dadurch kann ein dem einen axialen Endabschnitt 10 gegenüber angeordneter, anderer axialer Endabschnitt 12 der Gewindespindel 5 in die Hubstange 11 eintauchen.
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Am diesem anderen axialen Endabschnitt 12 hat die Gewindespindel 5 einen radial verjüngten Zapfen 43, an dem ein Abstützelement 29 drehbar, gegen axiale Verschiebung gesichert, gelagert ist. Über das Abstützelement 29 ist der andere axiale Endabschnitt 12 der Gewindespindel 5 in einer Ausnehmung 23 der Hubstange 11 erfindungsgemäß radial abgestützt.
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2 zeigt den Bereich der erfindungsgemäßen Abstützung des betreffenden axialen Endabschnittes 12. Zu erkennen ist, dass am Zapfen 43 ein Sicherungsring 45 angeordnet ist, über den das Abstützelement 29 axial auf dem Zapfen 43 gesichert ist. Das Abstützelement 29 hat eine Lagerhülse 47, die drehbar gleitend auf dem Zapfen 43 gelagert ist.
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Von der Lagerhülse 47 erstreckt sich benachbart zum Sicherungsring 45 eine Lagerscheibe 49 radial nach außen. An deren radialem, äußerem Umfang sind mehrere sich axial gleichsinnig mit der Lagerhülse 47 erstreckende Biegeelemente 31 angeordnet. Jedes der Biegeelemente 31 ist dabei geometrisch gleich und in gleichem Abstand umfänglich an der Lagerscheibe 49 angeordnet. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind es vier Biegeelemente 31. Gut zu erkennen ist, dass die Lagerhülse 47 in axialer Richtung länger als das Biegeelement 31 ist.
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3 zeigt das Abstützelement 29 in einer perspektivischen, vergrößerten Darstellung. Zur Orientierung ist dabei eine Längsachse 13 der Gewindespindel 5 gemäß den 1 und 2 eingezeichnet. Gut zu erkennen sind die vier Biegeelemente 31, die umfänglich an der Lagerscheibe 49 gleich verteilt angeordnet sind. Jedes Biegeelement 31 erstreckt sich dabei über einen Umfangswinkel α von etwa 55°. Jedes Biegeelement 31 ist mit seinem gelagerten Endabschnitt über die Lagerscheibe 49 mit der Lagerhülse 47 verbunden. Mit seinem freien, ungelagerten Endabschnitt erstreckt sich jedes Biegelement 31 gleichsinnig mit der Lagerhülse 47.
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Das Abstützelement 29 ist einstückig ausgebildet. Vom mit der Lagerscheibe 49 verbundenen Endabschnitt des Biegelementes 31 erstreckt sich ein balliger Abschnitt 51 einer Außenfläche 53, der in einen kreiszylindrischen Abschnitt 55 der Außenfläche 53 tangentenstetig übergeht. An seinem freien, ungelagerten Endabschnitt weist das Biegeelement 31 eine Fase 57 auf.
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4 zeigt das Abstützelement 29 gemäß den 1 bis 3 in einem Längsschnitt. Aufgrund der Rotationssymmetrie zur Längsachse 13 ist lediglich eine obere Hälfte dargestellt. Zu erkennen ist die Hubstange 11, die Gewindespindel 5 mit ihrem Zapfen 43, auf den die Lagerhülse 47 gleitende aufgeschoben ist. Die Lagerhülse 47 ist axial mit dem Sicherungsring 45 am Zapfen 43 festgelegt.
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Radial nach außen erstreckt sich von der Lagerhülse 47 die Lagerscheibe 49, an der das Biegeelement 31 mit seinem balligen Endabschnitt 51 befestigt ist. Von diesem ausgehend erstreckt sich das Biegeelement 31 in axialer Richtung gleichsinnig mit der Lagerhülse 47 in Richtung der Gewindespindel 5.
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Wird der Linearantrieb beispielsweise mit einer höheren Drehzahl betrieben, so erfährt der andere axiale Endabschnitt 12 eine radiale Auslenkung oder Verbiegung. Mit dem Abstützelement 29 kann diese Auslenkung verhindert oder zumindest gemindert werden. Zudem ist über die radiale Lagerscheibe 49 eine starre Endabstützung für den Fall extremer Drehzahlen realisiert.
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Im Stillstand und bei niedrigen Drehzahlen ist die radial nach außen auf den anderen axialen Endabschnitt 12 wirkende Kraft so gering, dass das Abstützelement 29, oder besser gesagt dessen Außenfläche 53 nur mit dem kreiszylindrischen Abschnitt 55 an der Ausnehmung 23 in Anlage ist. Auf diese Weise kann beispielsweise eine exzentrische Lage der Längsachse der Gewindespindel zur Längsachse der Ausnehmung 23 ausgeglichen werden.
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Nimmt die Drehzahl der Gewindespindel 5 zu, so steigt die den anderen, axialen Endabschnitt 12 auslenkende, radiale Kraft an. Dementsprechend steigt die Abstützkraft des Abstützelementes 29, insbesondere des Biegeelementes 31 an. In Folge erfährt das Biegeelement 31 eine zur Lagerhülse 47 gerichtete Biegung. Somit erfolgt die Abstützung nicht mehr mit dem kreiszylindrischen Abschnitt 55 der Außenfläche 53, sondern geht auf den balligen Abschnitt 51 der Außenfläche 53 über.
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Der Übergang zwischen dem kreiszylindrischen und dem balligen Abschnitt ist dabei tangentenstetig, so dass die Krafteinleitung und die Verlagerung des Bereiches der Krafteinleitung stetig erfolgt.
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Erreicht die Gewindespindel 5 sehr große oder grenzwertig große Drehzahlen, so ist die Verbiegung des Biegeelementes 31 derart stark, dass der andere axiale Endabschnitt 12 der Gewindespindel 5 nur noch über denjenigen Endabschnitt des Biegelementes 31 an der Ausnehmung 23 abgestützt wird, der mit der Lagerscheibe 49 verbunden ist. Da diese bezogen auf eine radiale Krafteinleitung jedoch knick- oder biegestabil ist, ist die Abstützung an dieser Stelle und zu diesem Betriebspunkt starr. Dieser Fall tritt beispielsweise bei extremen Schwingungen der Gewindespindel 5 ein und kann als Notabstützung verstanden werden, um ein Berühren einer Spindelaußenmantelfläche mit der Ausnehmung 23 auszuschließen.
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Die gezeigte Ausführung der Außenfläche 53 der Biegeelemente 31 bietet eine große Anlagefläche an der Ausnehmung 23, wodurch Verschleiß minimiert ist. Aufgrund des tangentenstetigen Übergangs zwischen den Abschnitten 51, 55 der Außenfläche 53 sind kantige Übergänge beim Einfedern oder beim Verbiegen des Biegeelementes 31 verhindert. Dadurch ist eine Geräuschreduzierung und eine geringere Flächenpressung realisiert.
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Offenbart ist ein Linearantrieb mit einer Gewindespindel und einer damit in Eingriff stehenden Spindelmutter. An dieser ist eine Hubstange befestigt, wobei ein axialer Endabschnitt der Gewindespindel in einem Gehäuse drehbar gelagert ist und der andere axiale Endabschnitt der Gewindespindel in einer sich in Hubrichtung erstreckenden Ausnehmung der Hubstange radial abgestützt ist. Die Abstützung erfolgt dabei über ein biegeelastisches Element, dessen zur Abstützung vorgesehene Außenfläche zumindest einen nach außen gewölbten, beziehungsweise balligen Abschnitt aufweist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Linearantrieb
- 3
- Gehäuseteil
- 4
- Gehäusedeckel
- 5
- Gewindespindel
- 6
- Gehäusedeckel
- 7
- Drehlager
- 9
- Antriebszapfen
- 10
- ein axialer Endabschnitt
- 11
- Hubstange
- 12
- anderer axialer Endabschnitt
- 13
- Längsachse
- 15
- Spindelmutter
- 17
- Verdrehsicherung
- 19
- Schraubadapter
- 21
- Gewindezapfen
- 23
- Ausnehmung
- 29
- Abstützelement
- 31
- Biegeelement
- 43
- Zapfen
- 45
- Sicherungsring
- 47
- Lagerhülse
- 49
- Lagerscheibe
- 51
- balliger Abschnitt
- 53
- Außenfläche
- 55
- kreiszylindrischer Abschnitt
- 57
- Fase
