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Die Erfindung betrifft eine Linearantriebstechnik, insbesondere eine Kugelrollspindel mit versetzter Vorspannung im erweiterbaren Lastbereich.
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Die Kugelrollspindel gehört zu einem stabilen, ruhigen sowie mit einer hohen Antriebsgenauigkeit versehenen Linearantrieb, wobei die erforderliche Positionierungsgenauigkeit in der Regel durch die aufgebrachte Vorspannung erreicht wird.
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In 1 und 2 ist eine herkömmliche Kugelrollspindel 10 mit versetzter Vorspannung dargestellt, wobei die Kugelrollspindel 10 vor allem eine Gewindespindel 11 und eine an der Gewindespindel aufgeschraubte Mutter 12 aufweist. Die Gewindespindel 11 ist mit einer gewindeförmigen Gewindespindelrille 111 versehen, während die Mutter 12 eine gewindeförmige Mutterrille 121 umfasst. Zwischen der Gewindespindelrille 111 und der Mutterrille 121 sind mehrere Lagerkugeln 13 eingesetzt. In 3 sind die Achsrichtungskoordinaten der Mutterrille 121 relativ zu den Schrägungswinkelkoordinaten dargestellt, wobei ein Versetzungspunkt P für eine derartig versetzte Vorspannung der Kugelrollspindel an der Mutterrille 121 angebracht ist. In 3 entspricht die Querachse den Schrägungswinkelkoordinaten der Mutterrille 121, während die Längsachse der Achsrichtungskoordinate der Mutterrille 121 entspricht. Auf der linken Seite des Versetzungspunkts P bleibt die Schrägungswinkelkoordinate der Mutterrille 121 zu der Achsrichtungskoordinate proportionsgleich. Bei jeder Vergrößerung der Schrägungswinkelkoordinaten um 360° (eine Umdrehung der Mutter 12) wird die entsprechende Vergrößerung der Achsrichtungskoordinate als der Ganghöhenwert L definiert. Auf der rechten Seite des Versetzungspunkts P bleibt die Schrägungswinkelkoordinate der Mutterrille 121 zu der Achsrichtungskoordinate ebenfalls proportionsgleich, nämlich mit dem proportionalen Ganghöhenwert L. An dem Versetzungspunkt P der Mutterrille 121 ist ein Ganghöhenversetzungswert δ generiert, wodurch eine relative Ganghöhenversetzung stattfindet, sodass die Lagerkugeln 13 auf den beiden Seiten des Versetzungspunkts P die Vorspannungen in entgegengesetzte Richtungen erbringen. In der Abbildung unter 1 ist die Vorspannungsänderung der oben dargestellten Konstruktion dargestellt: die graphische Querachse entspricht der Achsrichtungskoordinate, die Längsachse entspricht der aufgenommenen Vorspannungen der an der Achsrichtungskoordinate befindlichen Lagerkugeln 13, die Plus- und Minuszeichen bedeuten die Richtungen der Vorspannungen. Aus 1 ist klar ersichtlich, dass die Richtungen der aufgenommenen Vorspannungen der Lagerkugeln 13 der Kugelrollspindel 10 an dem Versetzungspunkt P massiv verändert sind, wobei der Vorspannungswert der Kugelrollspindel 10 auf der linken Seite des Versetzungspunkts P ein Pluswert, und auf der rechten Seite des Versetzungspunkts P plötzlich minus geworden ist. Mit der unbegrenzten Steigung der Vorspannung kann ein einmaliges Differenzial an diesem Verlauf als grenzenlos groß definiert werden, da die stark verändernde Belastung zu einem nicht leichtgängigen Lauf der kompletten Kugelrollspindel 10 führen kann. Bei der in 2 dargestellten anderen Konstruktion der Kugelrollspindel 10 ändert sich, wie aus der Abbildung unter 2 ersichtlich, die Vorspannung der Lagerkugeln 13 zwar sanft, wobei jedoch eine Vorspannungsänderung mit grenzenlos großer Steigung in der Nähe des Versetzungspunkts P entsteht, was ebenfalls eine gleiche Mangelhaftigkeit darstellt.
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Wie aus 4 und 5 ersichtlich, umfasst die Kugelrollspindel 20 ferner ebenfalls eine Gewindespindel 21, welche die aufgeschraubte Mutter 22 aufnimmt. An dem Kreislauf zwischen der Gewindespindel 21 und der Mutter 22 sind mehrere Lagerkugeln 23 eingesetzt. An dem Kreislauf ist vor allem ein lastfreier Bereich B definiert, während die beiderseits von dem lastfreien Bereich befindlichen Lastbereiche A und C jeweils die direktional entgegengesetzten Belastungen definiert übernehmen. Durch den definierten lastfreien Bereich B werden die aufgenommenen Belastungen an den Lagerkugeln zwischen dem Lastbereich A und dem Lastbereich C freigegeben, damit sich die Vorspannung an der Kugelrollspindel nicht mit einer grenzenlos großen Rampe von einem Pluswert auf einen Minuswert umwandelt, um so den leichtgängigen Lauf zu verbessern. In der Abbildung unter 5 ist die Vorspannungsänderung der oben dargestellten Konstruktion dargestellt: die graphische Querachse entspricht der Achsrichtungskoordinate, die Längsachse entspricht der aufgenommenen Vorspannungen der an der Achsrichtungskoordinate befindlichen Lagerkugeln 23, die Plus- und Minuszeichen entsprechen den Richtungen der Vorspannungen. Aus 1 ist klar ersichtlich, dass die durch die beiderseits von dem lastfreien Bereich B am Kreislauf befindlichen Lagerkugeln eine Vorspannungsänderung mit einer grenzenlos großen Steigung in der Phase von der Aufnahme der Belastung bis zum Eintritt in den lastfreien Bereich B erzeugen. Das heißt, dass die Vorspannung der Lagerkugeln beim Eintritt in den lastfreien Bereich B rasant auf 0 sinkt. Daraus resultiert, dass sich die Vorspannung beim Umlauf der Kugelrollspindel 20 auch rasch ändert, sodass Geräusche und Schwingungen im Betrieb der gesamten Kugelrollspindel 20 entstehen, wobei die in der Mitte des lastfreien Bereichs B befindlichen Lagerkugeln 23 keine Belastung zwischen der Gewindespindel 21 und der Mutter 22 erfahren. In diesem Fall hat der Bereich keine Hilfswirkung für die Lastbeständigkeit der Kugelrollspindel 10.
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Eine vergleichbare Kugelrollspindel ist auch aus der
EP 1 471 286 A1 bekannt.
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Ferner offenbart
4b der
EP 0 514 261 B1 (die in französischer Sprache vorliegt), wozu die deutsche Übersetzung
DE 692 03 789 T2 existiert, eine Anordnung für eine Gewinderollspindel mit einstellbarem Spiel oder Vorspannung, bei der eine eingängige Spindel mit einer bestimmten Steigung zwei aufeinanderfolgende Gewindewindungen aufweist, in denen die Steigung vergrößert ist. Es ist in dem europäischen Patent angegeben, dass die Mutter jeweils einen unabhängigen Kugelkreislauf für jede der beiden Teilmuttern aufweisen muss, um eine zu große Anzahl von Kugeln pro Kreis zu vermeiden und andererseits die Ungleichförmigkeiten der inneren Reibung, die sich bei dem Durchgang der Kugel in der Übergangszone zwischen den beiden Abschnitten von einem gegebenen Berührungswinkel zu einem Berührungswinkel mit entgegengesetzter Richtung ergeben, zu vermeiden.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Kugelrollspindel mit versetzter Vorspannung im erweiterbaren Lastbereich bereitzustellen, welche die Mangelhaftigkeit des nicht leichtgängigen Laufs bei der herkömmlichen Kugelrollspindel mit der Ganghöhenversetzung beseitigt. Dank der Konstruktion des erweiterbaren Lastbereichs kann die vorliegende Kugelrollspindel einer höheren Belastung im Vergleich zu den herkömmlichen Gewindespindeln standhalten.
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Zum Lösen der Aufgabe umfasst die erfindungsgemäße Kugelrollspindel folgende Komponenten:
eine Gewindespindel mit einer sich axial erstreckenden Länge, deren Außenfläche mit einer Außengewinderille versehen ist, für welche ein Gewindespindel-Ganghöhenwert festgelegt ist,
eine Mutter mit einer sich axial erstreckenden Länge, deren Innenfläche mit einer Innengewinderille versehen ist, wobei die Mutter an der Gewindespindel so aufgeschraubt ist, dass ein Belastungsweg zwischen der Innengewinderille und der Außengewinderille entsteht, wobei die Innengewinderille mindestens einen kontinuierlich angeschlossenen Erstgewinde-Rillenabschnitt, einen Zweitgewinde-Rillenabschnitt und einen Drittgewinde-Rillenabschnitt umfasst, wobei der Zweitgewinde-Rillenabschnitt eine axiale Länge hat, durch welche der Axialverschubwert einem ersten Ganghöhenwert bei jeder Vergrößerung des Schrägungswinkels des Erstgewinde-Rillenabschnitts um 360° (eine Umdrehung) gleicht, der Axialverschubwert einem zweiten Ganghöhenwert bei jeder Vergrößerung des Schrägungswinkels des Zweitgewinde-Rillenabschnitts um 360° (eine Umdrehung) gleicht und der Axialverschubwert einem dritten Ganghöhenwert bei jeder Vergrößerung des Schrägungswinkels des Drittgewinde-Rillenabschnitts um 360° (eine Umdrehung) gleicht, wobei der erste Ganghöhenwert und der dritte Ganghöhenwert mit dem Gewindespindel-Ganghöhenwert gleich bleiben, während der erste Ganghöhenwert mit dem zweiten Ganghöhenwert ungleich bleibt, mehrere Lagerkugeln, welche innerhalb des Belastungswegs eingesetzt sind.
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Bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform ist es möglich, anschließend veränderliche Vorspannungsganghöhenwerte mittels des Zweitgewinde-Rillenabschnitts an der Mutter festzusetzen, damit die in der Zweitgewinderille eingesetzten Lagerkugeln den Normaldrücken und Gegendrücken gleichzeitig standhalten und die Vorspannungsänderung leichtgängig übernehmen, um den Lastbereich zu erweitern und die Laufleichtgängigkeit zu erhöhen.
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1 Schnittdarstellung und Vorspannungsänderungsschema einer herkömmlichen Kugelrollspindel
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2 Schnittdarstellung und Vorspannungsänderungsschema einer weiteren herkömmlichen Kugelrollspindel
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3 Relative Darstellung der Achsrichtungskoordinaten der Mutterrille zu den Schrägungswinkelkoordinaten bei den herkömmlichen Kugelrollspindeln
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4 Schnittdarstellung einer mit einem lastfreien Bereich versehenen Kugelrollspindel
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5 Seitenansicht von 4 und Vorspannungsänderungsschema
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6 Strukturansicht der erfindungsgemäßen Kugelrollspindel
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7A Schematische Darstellung der Änderung der Schrägungswinkelkoordinaten der erfindungsgemäßen Kugelrollspindel
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7B Schematische Darstellung der Änderung der Schrägungswinkel-Versetzung der erfindungsgemäßen Kugelrollspindel
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7C Schematische Darstellung der Änderung der Schrägungswinkel-Belastung der erfindungsgemäßen Kugelrollspindel
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In 6 bis 7 ist eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kugelrollspindel dargestellt, welche die folgenden Komponenten aufweist:
eine Gewindespindel 30 mit einer sich entlang der X-Achse erstreckenden Länge, deren Außenfläche mit einer Außengewinderille 31 versehen ist, für welche ein Gewindespindel-Ganghöhenwert L0 festgelegt ist, wobei der X-Achsen-Verschubwert dem Gewindespindel-Ganghöhenwert L0 bei jeder Vergrößerung des Schrägungswinkels der Außengewinderille 31 um 360° (eine Umdrehung) gleicht,
eine Mutter 40 mit einer sich entlang der X-Achse erstreckenden Länge, deren Innenfläche mit einer Innengewinderille 41 versehen ist, wobei die Mutter 40 an der Gewindespindel 30 so aufgeschraubt ist, dass ein Belastungsweg zwischen der Innengewinderille 41 und der Außengewinderille 31 entsteht, wobei die Innengewinderille 41 mindestens einen kontinuierlich angeschlossenen Erstgewinde-Rillenabschnitt 411, einen Zweitgewinde-Rillenabschnitt 412 und einen Drittgewinde-Rillenabschnitt 413 umfasst. Der X-Achsen-Verschubwert gleicht einem ersten Ganghöhenwert L1 bei jeder Vergrößerung des Schrägungswinkels des Erstgewinde-Rillenabschnitts 411 um 360° (eine Umdrehung), der X-Achse-Verschubwert gleicht einem zweiten Ganghöhenwert L2 bei jeder Vergrößerung des Schrägungswinkels des Zweitgewinde-Rillenabschnitts 412 um 360° (eine Umdrehung), der X-Achse-Verschubwert gleicht einem dritten Ganghöhenwert L3 bei jeder Vergrößerung des Schrägungswinkels des Drittgewinde-Rillenabschnitts 413 um 360° (eine Umdrehung), wobei der erste Ganghöhenwert L1 und der dritte Ganghöhenwert L3 mit dem Gewindespindel-Ganghöhenwert L0 gleich bleiben.
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Wie aus 7A ersichtlich, ist die Querachse als eine Schrägungswinkelkoordinate ausgebildet, während die Längsachse als die damit komplementäre X-Achsen-Koordinate dient. Weil die Steigungen jeweils von dem Zweitgewinde-Rillenabschnitt 412, dem Erstgewinde-Rillenabschnitt 411 und dem Drittgewinde-Rillenabschnitt 413 offensichtlich unterschiedlich sind, verfügt die Maßhilfslinie jeweils von dem Erstgewinde-Rillenabschnitt 411 und dem Drittgewinde-Rillenabschnitt 413 über einen axialen Versetzungswert an der X-Achse. Wenn ein axialer Vorspannungs-Ganghöhenversetzungswert als δ ≠ 0 definiert ist und der erste Ganghöhenwert L1 dem dritten Ganghöhenwert L3 gleicht, entspricht der Vorspannungs-Ganghöhenversetzungswert δ dann W(L2 – L1)/L2, wobei der W-Wert des Zweitgewinde-Rillenabschnitts 412 als die Länge W des Zweitgewinde-Rillenabschnitts an der X-Achse gilt, wobei der erste Ganghöhenwert L1 mit dem zweiten Ganghöhenwert L2 nicht gleich bleibt. In 6 gleicht die Länge W des Zweitgewinde-Rillenabschnitts ungefähr dem zweiten Ganghöhenwert L2. Es sei bemerkt, dass sich die in 6 dargestellte Länge W des Zweitgewinde-Rillenabschnitts 412 nicht unbedingt zweifach sondern 0,5- bis 2-fach größer als der zweite Ganghöhenwert L2 festlegen lässt. Insbesondere, wie aus 7A ersichtlich ist, ist die Differenz zwischen dem ersten Ganghöhenwert L1 und dem zweiten Ganghöhenwert L2 tatsächlich gering, während der Vorspannungs-Ganghöhenversetzungswert δ ein viel kleineres Volumen als der erste Ganghöhenwert L1 ist, normalerweise ≤ 1% des ersten Ganghöhenwerts L1. (In 7A ist der Vorspannungs-Ganghöhenversetzungswert δ absichtlich vergrößert, damit sich der dargestellte Erstgewinde-Rillenabschnitt 411, Zweitgewinde-Rillenabschnitt 412 und Drittgewinde-Rillenabschnitt 413 jeweils nicht näherungseise als gerade Linie darstellen lassen).
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In dem Belastungsweg sind mehrere Lagerkugeln 50 aufgenommen. Weil der Zweitgewinde-Rillenabschnitt 412 im Vergleich zu dem Erstgewinde-Rillenabschnitt 411 und dem Drittgewinde-Rillenabschnitt 413 über einen Ganghöhenversetzungswert δ verfügt, sodass die zwischen dem Erstgewinde-Rillenabschnitt 411 und dem Drittgewinde-Rillenabschnitt 413 eingesetzten Lagerkugeln 50 jeweils einen entgegengesetzen gleichen Versetzungswert haben. Wie in 7B gezeigt, gilt die Querachse als die Schrägungswinkelkoordinate der Innengewinderille 41, die Längsachse als das komplementäre Versetzungsvolumen. Die Versetzungsvolumen innerhalb des Zweitgewinde-Rillenabschnitts 412 stellen eine Schräglinie dar. Das heißt, dass sich die Versetzungsvolumen des Zweitgewinde-Rillenabschnitts 412 kontinuierlich ändern und jedoch nicht veränderlich relativ zu der Schrägungswinkel-Änderungsquote des Zweitgewinde-Rillenabschnitts 412 sind.
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Wie aus 7C ersichtlich, gilt die Querachse als die Schrägungswinkelkoordinate der Innengewinderille 41, während die Längsachse die durch die Lagerkugeln 50 an dieser Stelle übernommene Last darstellt. Die in 7C angezeigte durchgezogene Linie stellt die durch die Lagerkugeln 50 übernommenen Drücke für die keine externe Belastung übernehmende Mutter 40 dar. Die durch die Lagerkugeln 50 bei der keine externe Belastung übernehmenden Mutter 40 übernommenen Drücke werden als die Vorspannungen bezeichnet. Weil der Versetzungswert für den Erstgewinde-Rillenabschnitt 411 konstant bleibt, ist die übernommene Vorspannung dann auch konstant. Dementsprechend übernimmt der Drittgewinde-Rillenabschnitt 413 einen relativ zu der Vorspannung P0 entgegengesetzten Druck –P0. Die Versetzungsvolumen in dem Zweitgewinde-Rillenabschnitt 412 stellen eine Schräglinie dar, sodass sich die durch die Lagerkugeln 50 in dem Zweitgewinde-Rillenabschnitt 412 übernommene Belastung auch kontinuierlich ändert. Nach der Simulation entsteht zwar ein kurzes Segment, welches keine Kraft übernimmt, aber es besteht innerhalb des Zweitgewinde-Rillenabschnitts 412 kein Segment mit grenzenlos großer Steigung (extrem starke Änderung der übernommenen Kraft). Das heißt, dass sich die durch die Lagerkugeln 50 übernommenen Drücke bei der keine externe Belastung übernehmenden Mutter 40 bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform nicht so stark ändern wie bei den herkömmlichen Ausführungsformen.
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In den obigen Abschnitten sind die konstruktiven Anordnungen und Merkmale beschrieben: Aufgrund der an der X-Achse kontinuierlichen Änderung des zweiten Ganghöhenwerts L2 des Zweitgewinde-Rillenabschnitts 412 ändert sich die durch die Lagerkugeln 50 übernommene Belastung zwar bezüglich der Belastungsrichtung, es findet aber keine starke Linearisationsänderung statt (kein grenzenlos großes Differenzial der veränderlichen Vorspannung zu dem Schrägungswinkel der Gewindespindel). Das heißt, dass das einfache Differenzial der durch die Lagerkugeln 50 in dem Zweitgewinde-Rillenabschnitt 412 übernommenen Belastung relativ zu dem Schrägungswinkel der Gewindespindel nicht grenzenlos groß ist.
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Wie aus 7C ersichtlich, sollen die durch die Lagerkugeln 50 übernommenen Drücke zum Ausgleich auf die an die Außenseite der Gewindespindel 30 ausgeübte Außenkraft F1 (nicht abgebildet) erhöht werden. Wenn die durch die Lagerkugeln 50 in dem Erstgewinde-Rillenabschnitt 411 übernommenen Drücke auf einen Druck P1 erhöht werden, der Ganghöhenversetzungswert δ des Zweitgewinde-Rillenabschnitts 412 konstant bleibt, d. h. der in 7C durch die Lagerkugeln 50 in dem Erstgewinde-Rillenabschnitt 411 übernommene Druckverlauf verschiebt sich parallel so weit bis zum Anschluss an den Verlauf 21, die durch die Lagerkugeln 50 im Zweitgewinde-Rillenabschnitt 412 übernommenen Normaldrücke erhöhen sich dementsprechend, während sich die durch die Lagerkugeln 50 übernommenen Gegendrücke reduzieren, so wie die punktierte Linie in 7C darstellt.
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Wenn die durch die Mutter 40 übernommene externe Belastung auf eine Außenkraft F2 (nicht abgebildet) erhöht wird, ist die Außenkraft F2 größer als F1. Sollte dabei die durch die Lagerkugeln in dem Erstgewinde-Rillenabschnitt 411 übernommene Belastung auf den Druck P2 erhöht werden, während der Ganghöhenversetzungswert δ des Zweitgewinde-Rillenabschnitts 412 konstant bleibt, d. h. der in 10 durch die Lagerkugeln in dem Zweitgewinde-Rillenabschnitt 412 übernommene Druckverlauf verschiebt sich parallel so weit bis zum Anschluss an den Verlauf P2, so erhöhen sich die durch die Lagerkugeln 50 im Zweitgewinde-Rillenabschnitt 412 übernommenen Normaldrücke dementsprechend, während sich die durch die Lagerkugeln 50 übernommenen Gegendrücke reduzieren. Dabei übernehmen die Lagerkugeln 50 im Zweitgewinde-Rillenabschnitt 412 die Normaldrücke vollständig, sodass die Normaldruckbeständigkeit der kompletten Kugelrollspindel erhöht werden kann. Die Tauglichkeit der kompletten Kugelrollspindel lässt sich erhöhen, indem der Zustand der durch die Lagerkugeln 50 übernommenen Belastung durch Ändern der externen Normaldrücke der Gewindespindel 30 eingestellt wird. Wenn die durch die Lagerkugel 50 in dem Drittgewinde-Rillenabschnitt 413 übernommene Belastung auf Null gesenkt wird, reduziert sich die direktional entgegengesetzte Innenbeanspruchung, sodass die Lagerkugeln 50 in dem Zweitgewinde-Rillenabschnitt 412 die Normaldrücke vollständig übernehmen.
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Wenn die Mutter 40 eine direktional entgegengesetzte Außenkraft übernimmt, können die Lagerkugeln 50 in dem Zweitgewinde-Rillenabschnitt 412 auch die Normaldrücke übernehmen. Das bedeutet, dass sich der Lastbereich der Lagerkugeln 50 des Zweitgewinde-Rillenabschnitts 412 je nach Richtung der Außenkraft erweitert, um die Normaldrücke und die Gegendrücke zu übernehmen, sodass die Lastbeständigkeit der erfindungsgemäßen Kugelrollspindel höher ist als die Lastbeständigkeit der herkömmlichen Gewindespindel.
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Es sei noch bemerkt, dass sich die durch die Lagerkugeln 50 übernommene Belastung aufgrund des kontinuierlichen Änderungsstatus der zweiten Ganghöhenwerte L2 des erfindungsgemäßen Zweitgewinde-Rillenabschnitts 412 glatt anstatt steil ändert, sodass die Laufleichtgängigkeit der kompletten Kugelrollspindel und die Genauigkeit des Linearantriebs erhöht werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Kugelrollspindel
- 11
- Gewindespindel
- 111
- Gewindespindelrille
- 12
- Mutter
- 121
- Mutterrille
- 13
- Lagerkugel
- 20
- Kugelrollspindel
- 21
- Gewindespindel
- 22
- Mutter
- 23
- Lagerkugel
- 30
- Gewindespindel
- 31
- Außengewinderille
- 40
- Mutter
- 41
- Innengewinderille
- 411
- Erstgewinde-Rillenabschnitt
- 412
- Zweitgewinde-Rillenabschnitt
- 413
- Drittgewinde-Rillenabschnitt
- 50
- Lagerkugel
- A
- Lastbereich
- B
- Lastfreier Bereich
- C
- Lastbereich
- L
- Ganghöhenwert
- L0
- Gewindespindel-Ganghöhenwert
- L1
- erster Ganghöhenwert
- L2
- zweiter Ganghöhenwert
- L3
- dritter Ganghöhenwert
- P
- Versetzungspunkt
- P0
- Vorspannung
- P1
- Druck
- P2
- Druck
- W
- Zweitgewinde-Rillenabschnitt-Länge
- X
- Achse
- δ
- Ganghöhenversetzungswert
