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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verändern der Vorspannung mindestens eines Spindellagers gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Werkzeugmaschinen weisen eine Spindel zur Aufnahme eines Werkzeugs für die Bearbeitung von Werkstücken und eine Spindelhülse zur Aufnahme und Lagerung der Spindel auf, zwischen denen ein oder mehrere Spindellager angeordnet ist bzw. sind. Die Drehzahl der mit dem Werkzeug verbundenen Spindel wird dabei in Abhängigkeit von verschiedenen Kriterien festgelegt, unter anderem in Abhängigkeit von dem Werkstoff des Werkstücks, der Größe des Werkstücks und des verwendeten Werkzeugs. Da die Bearbeitungskräfte von der Spindel über das Spindellager zur Spindelhülse und damit zum Gehäuse der Werkzeugmaschine übertragen werden, hängt die Genauigkeit der Bearbeitung der Werkstücke von den Eigenschaften des Spindellagers ab. Diese wiederum werden von der Vorspannung zwischen einem Außenring und einem Innenring des Spindellagers bestimmt. Bei einer gleichbleibend festen Einstellung der Vorspannung von Spindellagern treten einerseits bei einer schweren Bearbeitung von Werkstücken infolge einer zu geringen Lagervorspannung Vibrationen und Rattermarken mit der Folge schlechter Oberflächeneigenschaften des bearbeiteten Werkstücks und andererseits bei einer zu großen Lagervorspannung erhöhte Lagertemperaturen bei hohen Drehzahlen und dadurch bedingt ein erhöhter Verschleiß des Spindellagers auf.
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Um diese Nachteile zu eliminieren, wird die Lagervorspannung an unterschiedliche Drehzahlen und Bearbeitungsfälle stufenlos oder in vorgegebenen Stufen angepasst, wodurch höchste Drehzahlen und hohe Bearbeitungskräfte mit demselben Spindellager möglich sind, so dass bei einer hohen Lagervorspannung die Steifigkeit der Lagerung erhöht wird und eine geringe Lagervorspannung hohe Drehzahlen bei minimalem Verschleiß erlaubt.
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Zur Anpassung der Lagervorspannung an unterschiedliche Drehzahlen und Bearbeitungskräfte ist es bekannt, auf den Außenring des Spindellagers in radialer Richtung Druck auszuüben, um die höchst zulässige Drehzahl und/oder Steifigkeit des Spindellagers an die jeweilige Bearbeitung eines Werkstücks anzupassen. Dies erfolgt mit einer im Außenring des Spindellagers angeordneten flachen, umlaufenden Ringnut, die mit einem inkompressiblen Medium, beispielsweise mit Hydrauliköl, gefüllt und an beiden Seiten mit O-Ringen abgedichtet ist. Der Öldruck bewirkt, dass der Außenring in den Bereich der Ringnut zentrisch zusammengedrückt und je nach Höhe des Öldrucks die Vorspannung des Spindellagers erhöht oder verringert wird.
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Alternativ wird eine federnde Axialspreizbuchse zwischen der Spindelhülse und dem Außenring des Spindellagers angeordnet und die Länge der Axialspreizbuchse mittels Öldrucks verändert, wobei durch die Verschiebung des Außenrings am antriebsseitigen Spindellager die Vorspannung der gesamten Spindellagerung erhöht bzw. verringert wird.
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Nachteilig hierbei ist, dass zur stufenlosen Regelung der Lagervorspannung eine Vorgabe und Erfassung der Drehzahl und der Bearbeitungskräfte erforderlich und in eine Zuordnung des auf den Außenring des Spindellagers einwirkenden Öldrucks umzusetzen ist, der mittels eines Druckmessumformers erfasst und an eine Regelelektronik gemeldet werden muss, um die Synchronisation zwischen Vorspannung und Drehzahl herzustellen.
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Aus der
DE 39 01 317 A1 ist es bekannt, die Axialkomponente der Vorspannung von Wälzlagern und Spindelmuttern im Betrieb an unterschiedliche Betriebsbedingungen anzupassen und programmgesteuert einzustellen, indem im Kraftfluss der Axialabstützung ein aus scheibenförmigen Piezoaktoren bestehendes variables Spannelement vorgesehen ist. Das Spannelement bildet einen eine Welle oder Spindel umfassenden Kreisring aus und wird in Richtung der funktionsbedingten geometrischen Längenänderung beidseits durch je einen Deckring begrenzt.
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Aus der
DE 19 854 348 C1 ist es bekannt, die Vorspannung eines in einer Spindel einer Werkzeugmaschine angeordneten Lagers einzustellen, indem eine veränderbare Verspannkraft auf den Außenring des Lagers mittels zwischen einer Lagerhülse und dem Spindelgehäuse angeordneten Spannelementen ausgeübt wird. Ein erstes Spannelement weist einen Piezoaktor mit mehreren in Reihe angeordneten Piezoaktoren auf, die einen Kolben zur Veränderung des Drucks in einer Hydraulikflüssigkeit betätigen, während ein zweites Spannelement aus einer mechanischen Druckfeder besteht.
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Mit den bekannten Vorrichtungen kann zwar eine an die jeweilige Betriebssituation der Spindel angepasste Lagervorspannung erzeugt werden, da aber die Vorspannkraft wesentlich von den Abmessungen der Piezoelementen und deren Ansteuerung zur Längsausdehnung abhängt, tritt bei einem Ausfall der Bestromung der Piezoaktore ein undefinierter Zustand bezüglich der auf das Spindellager einwirkenden Vorspannkraft auf, insbesondere dann, wenn mehrere Piezoaktore über den Umfang eines Spindellagers verteilt angeordnet sind.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabenstellung zugrunde, eine an die jeweilige Betriebssituation der Spindel angepasste Lagervorspannung zu erzeugen, die im Betriebsablauf der Spindel jederzeit einen sicheren Kontakt zwischen den Berührungsflächen des Spindellagers und eine an den jeweiligen Anwendungsfall angepasste minimale Vorspannkraft des Spindellagers gewährleistet.
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Diese Aufgabenstellung wird mit einer Vorrichtung zum Verändern der Vorspannung eines Spindellagers, das zwischen einer Spindelhülse und einer Spindelwelle angeordnet ist, einen mit der Spindelhülse verbundenen Außenring und einen mit der Spindelwelle verbundenen Innenring enthält, mit mindestens einem im Kraftfluss zwischen der Spindelhülse und dem Außenring des Spindellagers angeordneten Piezoelement, dessen Längsdehnung in Abhängigkeit von der am Piezoelement angelegten elektrischen Spannung zur Einstellung der auf den Außenring des Spindellagers ausgeübten Vorspannkraft veränderbar ist, dadurch gelöst, dass das Piezoelement derart in ein ringförmiges, in axialer Richtung zwischen der Spindelhülse und dem Außenring des Spindellagers angeordnetes Spannelement integriert ist, dass eine minimale Vorspannkraft durch die axiale Länge des Spannelements oder die axiale Länge des spannungsfreien Piezoelements und eine Zunahme der Vorspannkraft durch die axiale Längsausdehnung des bestromten Piezoelements bestimmt ist.
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Die erfindungsgemäße Lösung stellt eine an die jeweilige Betriebssituation der Spindel angepasste Lagervorspannung sicher, die im Betriebsablauf der Spindel jederzeit einen sicheren Kontakt zwischen den Berührungsflächen des Lagers und eine an den jeweiligen Anwendungsfall angepasste minimale Vorspannkraft gewährleistet.
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Bei einem ersten Ausführungsbeispiel wird die Vorspannkraft in axialer Richtung auf den Außenring des Spindellagers ausgeübt, so dass dieser gegenüber dem Innenring verschoben wird, woraus eine Vorspannungserhöhung der Spindellagerung resultiert. Zu diesem Zweck enthält das Spannelement einen axial am Außenring des Spindellagers abgestützten Verschiebering.
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In einer ersten Variante des ersten Ausführungsbeispiels enthält das Spannelement einen das mindestens eine Piezoelement in einer Bohrung einfassenden Mittelring, der einerseits an einem axial an der Spindelhülse abgestützten Abschlussring und andererseits am Verschiebering derart anliegt, dass eine minimale Vorspannkraft durch den axialen Abstand des Verschieberings vom Abschlussring oder die axiale Länge des spannungsfreien Piezoelements bestimmt ist, wobei in dem Mittelring eine umlaufende Nut zur Aufnahme einer mit dem mindestens einen Piezoelement verbundenen elektrischen Ansteuerleitung angeordnet ist.
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In einer zweiten Variante des ersten Ausführungsbeispiels bildet ein von der Innenfläche der Spindelhülse abstehender Bund einen Teil des Spannelements aus und enthält entweder eine in axialer Richtung offene Nut, in der über den Umfang verteilt Piezoelemente angeordnet sind, oder am Umfang verteilt angeordnete Bohrungen, in denen Piezoelemente angeordnet sind, wobei der Verschiebering bei spannungsfreien Piezoelementen an der Stirnseite des von der Innenfläche der Spindelhülse abstehenden Bund anliegt.
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In einer dritten Variante des ersten Ausführungsbeispiels weist das Spannelement einen axial an einem von der Innenfläche der Spindelhülse abstehenden Bund abgestützten Aufnahmering auf, an dem über den Umfang verteilt angeordnete Piezoelemente befestigt sind, die in Bohrungen des Verschieberings gesteckt sind, wobei bei spannungsfreien Piezoelementen die Stirnseite des Verschieberings an der Stirnseite des Aufnahmerings anliegt.
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Dabei wird der Aufnahmering an einem von der Innenfläche der Spindelhülse abstehenden Bund abgestützt und weist eine scheibenförmige Fläche, die an dem von der Innenfläche der Spindelhülse abstehenden Bund anliegt, und eine an der Innenfläche der Spindelhülse anliegende Zylinderwand auf, an denen die axialen Stirnseiten des Verschieberings bei spannungsfreiem Piezoelement anliegen.
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Ein zweites, alternatives Ausführungsbeispiel der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement in die Spindelhülse integriert und mit einem Kolben wirkverbunden ist, der über ein inkompressibles, vorzugsweise aus einer Hydraulikflüssigkeit bestehenden Medium, das in einem abgeschlossenen Leitungssystem angeordnet ist, auf die radiale Umfangsfläche des Außenrings des Spindellagers derart einwirkt, dass bei einer Längsausdehnung des Piezoelements der Außenring zur Vorspannungserhöhung deformiert wird.
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Vorzugsweise besteht das abgeschlossene Leitungssystem aus einer in der Spindelhülse angeordneten radialen Bohrung, die in eine Nut der Umfangsfläche des Außenrings mündet, und mindestens einem in die radiale Bohrung mündenden, insbesondere axial ausgerichteten Kanal, in dem das Piezoelement angeordnet ist.
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Zur Ansteuerung des Piezoelements oder der Piezoelemente zum Einstellen von deren Längsausdehnung sind das Piezoelement oder die Piezoelemente über die elektrische Leitung mit einer numerischen Steuereinrichtung verbunden, die die Vorspannung des Spindellagers in Abhängigkeit von der Drehzahl der Spindelwelle einstellt.
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Alternativ kann eine Regeleinrichtung vorgesehen werden, die mit
- – einem manuell einstellbaren oder aus einem Tabellenspeicher abrufbaren Sollwert der Vorspannkraft beaufschlagt ist,
- – einem Istwert der Vorspannkraft, der von einem im Kraftfluss zwischen der Spindelhülse und dem Außenring des Spindellagers angeordneten Drucksensor oder von einem die Längenänderung des Piezoelements oder der Piezoelemente erfassenden Dehnmessstreifen abgegeben wird, beaufschlagt ist,
- – die Differenz zwischen dem Sollwert und dem Istwert bestimmt und
- – das Piezoelement oder die Piezoelemente in Abhängigkeit von der Differenz zwischen dem Soll- und Istwert ansteuert.
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Anhand mehrerer in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele sollen die verschiedenen Realisierungsmöglichkeiten der Erfindung sowie die damit jeweils erzielbaren Vorteile näher erläutert werden. Es zeigen:
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1 bis 3 Teilschnitte durch ein Spindellager mit einer Vorrichtung zur Vorspannungsänderung durch axiale Verschiebung des Außenrings des Spindellagers gegenüber dem Innenring mittels eines durch Piezoelemente bewegten Verschieberings in drei Varianten der Lagerung der Piezoelemente und
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4 einen Teilschnitt durch ein Spindellager mit einer Vorrichtung zur Vorspannungsänderung durch Verformung des Außenrings des Spindellagers gegenüber dem Innenring infolge eines radial auf den Außenring einwirkenden inkompressiblen Mediums, wobei der Druck im Medium durch einen von einem Piezoelement bewegten, in einem abgeschlossenen Hydrauliksystem angeordneten Kolben bestimmt wird.
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Die in den Figuren der Zeichnung dargestellten Vorrichtungen zur Änderung der Vorspannung mindestens eines Spindellagers unterscheiden sich in den verschiedenen Wirkungsprinzipien. Während bei den Ausführungsbeispielen gemäß den 1 bis 3 an einer Spindelhülse 1 abgestützte Piezoelemente 3 einen Verschiebering 4 in axialer Richtung bewegen und einen Außenring 21 eines vorzugsweise als Schrägkugellager ausgebildeten Spindellagers 2 gegenüber dem Innenring 22 des Spindellagers 2 verschieben, zwischen denen ein Wälzlagerelement 23 beispielsweise in Form von in einem Käfig angeordneten Kugeln, bewirkt bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 ein Piezoelement 3 über einen Kolben 8 eine Änderung des Drucks in einem inkompressiblen Medium, das in einem abgeschlossenen System angeordnet ist und radial auf den Außenring eines Spindellagers einwirkt, das sich in Abhängigkeit vom Druck verformt und dadurch eine Vorspannungsveränderung bewirkt.
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Der in 1 dargestellte Längsschnitt zeigt einen Teil einer Spindelhülse 1 zur Lagerung einer Spindelwelle mit mehreren hintereinander angeordneten Spindellagern, von denen ein Spindellager 2 mit einer Vorrichtung zur Veränderung der Vorspannung des Spindellagers durch Ausübung einer variablen, auf den Außenring 21 des Spindellagers 2 in axialer Richtung einwirkenden Vorspannkraft verbunden ist, so dass sich der Außenring 21 gegenüber dem Innenring 22 des Spindellagers 2 axial verschiebt und damit je nach Höhe der Vorspannkraft die Vorspannung im Spindellager 2 und damit im gesamten Lagersatz verändert wird.
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Die jeweilige Vorspannkraft wird mittels mehrerer über den Umfang des Spindellagers 2 verteilt angeordneter Spannelemente erzeugt, die einen am Außenring 21 des Spindellagers 2 anliegenden Verschiebering 4 enthalten. Zwischen dem Verschiebering 4 und einem in Richtung der Spindelwelle von der Innenwand der Spindelhülse 1 abstehenden Bund 10 anliegenden Abschlussring 6 ist ein Mittelring 5 angeordnet, der mehrere Bohrungen 50 zur Aufnahme von Piezoelementen 3 aufweist.
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Die Piezoelementen 3 sind über eine elektrische Leitung, die in einer Nut 51 des Mittelrings 5 verlegt ist, mit einer Steuer- oder Regeleinrichtung verbunden, die eine an die Piezoelementen 3 angelegte Spannung abgibt. Die den Piezoeffekt ausnutzenden Piezoelemente führen durch Anlegen der elektrischen Spannung als Piezoaktore eine mechanische Bewegung aus, wobei die relative Längsausdehnung parallel zur elektrischen Feldstärke ist, die der an die Piezoelemente angelegten elektrischen Spannung entspricht. In Abhängigkeit von der an die Piezoelemente 3 angelegten elektrischen Spannung wird der Verschiebering 4 durch die über den Abschlussring 6 an der Spindelhülse 1 abgestützten Piezoelemente 3 axial bewegt und verschiebt den Außenring 21 des Spindellagers 2 gegenüber dem Innenring 22, wodurch eine Vorspannungserhöhung oder Vorspannungsverminderung der Lagerung bewirkt wird.
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Infolge der Einbettung der Piezoelemente 3 in das aus dem Verschiebering 4, dem Mittelring 5 und dem Abschlussring 6 gebildeten Spannelement ist eine minimale Vorspannkraft gewährleistet, die durch die Abmessungen des Verschieberings 4, des Mittelrings 5 und des Abschlussrings 6 in axialer Richtung bestimmt wird. Diese minimale Vorspannkraft ist auch bei einem Ausfall der an die Piezoelemente 3 angelegten Spannung wirksam, so dass eine definierte Vorspannkraft gewährleistet ist, die in Abhängigkeit von dem jeweiligen Bearbeitungsfall durch Vorgabe der axialen Abmessungen des Verschieberings 4, des Mittelrings 5 und des Abschlussrings 6 bestimmt werden kann.
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Bei der in 2 dargestellten zweiten Variante des ersten Ausführungsbeispiels sind die Piezoelemente 3 in einer in axialer Richtung zum Spindellager 2 offenen Nut 11 angeordnet sind, die in dem zur Spindelwelle gerichteten, von der Innenwand der Spindelhülse abstehenden Bund 10 ausgebildet ist. Dabei erfolgt die elektrische Ansteuerung der Piezoelemente 3 über ein in einer Nut des Bundes 10 verlegten Kabels.
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Anstelle einer in axialer Richtung zum Spindellager 2 offenen Nut können mehrere im Bund 10 über den Umfang des Spindellagers 2 verteilt angeordnete Bohrungen 11 vorgesehen werden.
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Auch bei diesem Ausführungsbeispiel liegen die Piezoelemente 3 an einem Verschiebering 4 an, der bei einer Längsausdehnung der Piezoelemente 3 den Außenring 21 des Spindellagers 2 verschiebt, so dass bei an die Piezoelemente 3 angelegter Spannung der Verschiebering 4 axial bewegt wird und den Außenring 21 gegenüber dem Innenring 22 des Spindellagers zur Vorspannungserhöhung verschiebt.
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Dabei ist ebenfalls eine minimale Vorspannkraft durch die Abmessungen des Verschieberings 4 und die Tiefe der Nut bzw. Bohrungen 11 in axialer Richtung vorgegeben, die auch bei einem Ausfall der an die Piezoelemente 3 angelegten Spannung wirksam ist.
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Bei der in 3 dargestellten dritten Variante des ersten Ausführungsbeispiels besteht das Spannelement aus einem die Piezoelemente 3 aufnehmenden Aufnahmering 7, der an dem nach innen gerichteten Bund 10 der Spindelhülse 1 abgestützt ist und eine Ringscheibenfläche 70 sowie eine an der Innenwand der Spindelhülse 1 anliegende Zylinderwand 71 aufweist, in der eine umlaufende Nut 72 zur Aufnahme eines Kabels für die elektrische Ansteuerung des Piezoelements angeordnet ist. In dieser Ausführungsform weist ein modifizierter Verschiebering 4‘ mehrere am Umfang verteilt angeordnete Bohrungen 41 zur Aufnahme der Piezoelemente 3 auf und liegt einerseits an der Ringscheibenfläche 70 bzw. Stirnseite der Zylinderfläche 71 des Aufnahmerings 7 und andererseits am Außenring 21 des Spindellagers 2 an. Beim Anlegen einer Spannung an die Piezoelemente 3 und deren daraus resultierender Längsausdehnung wird der modifizierte Verschiebering 4‘ bewegt und verschiebt den Außenring 21 in axialer Richtung gegenüber dem Innenring 22 zur Vorspannungserhöhung der Spindellagerung.
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Auch bei diesem Ausführungsbeispiel ist eine minimale Vorspannkraft wirksam, die u. a. auch bei einem Ausfall der an die Piezoelemente 3 angelegten Spannung gewährleistet ist.
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Das in 4 schematisch dargestellte zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von den in den 1 bis 3 dargestellten Varianten des ersten Ausführungsbeispiels in Bezug auf die Wirkungsrichtung der Vorspannungsänderung, die beim zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 4 nicht axial gerichtet am Außenring 21 des Spindellagers 2 anliegt, sondern radial auf den Außenring 21 einwirkt.
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Bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel ist ein Piezoelement 3 in einer axialen Bohrung 14 der Spindelhülse 1 angeordnet und einerseits an der Spindelhülse 1 abgestützt. Andererseits wirkt das Piezoelement 3 auf einen Kolben 8, der ebenfalls in der axialen Bohrung 14 angeordnet ist. Die axiale Bohrung 14 mündet in verteilt am Umfang des Spindellagers 2 angeordnete radial ausgerichtete Kanäle 15, die einerseits an der Außenwand der Spindelhülse 1 durch einen Stopfen 16 abgeschlossen sind und andererseits in eine flache, umlaufende und beidseitig mit O-Ringen 9 abgedichtete Nut 24 an der peripheren Außenfläche des Außenrings 21 des Spindellagers 2 münden.
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In dem durch die axiale Bohrung 14 und die radialen Kanäle 15 gebildeten abgeschlossenen System ist ein inkompressibles Medium 100, beispielsweise Hydrauliköl, angeordnet. Wird eine elektrische Spannung an das Piezoelement 3 angelegt, so wird infolge der Längsausdehnung des Piezoelements 3 der Kolben 8 bewegt und erhöht dadurch den Druck im inkompressiblen Medium 100 und damit in der umlaufenden Ringnut des Außenrings 21, wodurch der Außenring 21 in diesem Bereich zentrisch zusammengedrückt wird und dadurch die Vorspannung des Spindellagers erhöht.
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Bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung wird die minimale Vorspannkraft durch die Dimensionierung des Kolbens 8 sowie dessen Verstellbereich innerhalb der axialen Bohrung 14 der Spindelhülse 1 eingestellt, wobei die minimale Vorspannkraft auch bei Ausfall der an dem Piezoelement 3 angelegten elektrischen Spannung wirksam ist und einen sicheren Betrieb auch bei Spannungsausfall gewährleistet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Spindelhülse
- 2
- Spindellager
- 3
- Piezoelement (e)
- 4
- Verschiebering
- 4’
- modifizierter Verschiebering
- 5
- Mittelring
- 6
- Abschlussring
- 7
- Aufnahmering
- 8
- Kolben
- 9
- O-Ring
- 10
- Bund
- 11
- Nut
- 14
- Axiale Bohrung
- 15
- Radiale Kanäle
- 16
- Stopfen
- 21
- Außenring
- 22
- Innenring
- 23
- Wälzlagerelement
- 24
- Nut
- 41
- Bohrungen
- 50
- Bohrung
- 51
- Umlaufende Nut
- 70
- Ringscheibenfläche
- 71
- Zylinderwand
- 72
- Umlaufende Nut
- 100
- inkompressibles Medium
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3901317 A1 [0007]
- DE 19854348 C1 [0008]
