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Linearaktoren werden in technischen Systemen eingesetzt, um mit Hilfe geradliniger Bewegungen bestimmte Systemzustände einzustellen. Sie bestehen aus einer Antriebseinheit und einem Stellelement. Durch Positionsänderungen des Stellelementes gelangt dieses in unterschiedliche Stellpositionen, wodurch sich der Stellzustand des Linearaktors ändert. Über das Stellelement selbst oder über ein weiteres, mit dem Stellelement verbundenes, Systemelement kann somit der beabsichtigte Systemzustand eingestellt werden. Es gibt Linearaktoren für kontinuierliche, diskrete oder binäre Positionsänderungen ihrer Stellelemente. In dieser Schrift geht es ausschließlich um den letztgenannten Funktionstyp, bei dem der Linearaktor letztlich einen mechanischen Schalter darstellt und somit über nur zwei Stellzustände verfügt, etwa um An-Aus-, Oben-Unten-, Rechts-Links-, Vorn-Hinten-, Auf-Zu-, Gesperrt-Frei- oder vergleichbare Zustandswechsel des Systems beziehungsweise im System zu realisieren. Da bei diesen Aktoren weniger die Bewegung sondern eher die beiden Stellzustände im Vordergrund stehen, wird dieser Aktortyp nachfolgend als Binäraktor bezeichnet. Neben linearen Aktortypen gibt es auch rotatorische und solche mit einer Stellwegkurve, jedoch soll sich unten beanspruchte Erfindung lediglich auf diejenigen Aktoren mit einem geradlinigen Stellweg, also auf lineare Binäraktoren beziehen. Für elektrisch angetriebene lineare Binäraktoren werden als Antriebseinheit vorrangig Elektromagnete oder Motorantriebe verwendet. Bei Elektromagneten wird üblicherweise das Stellelement durch den Anker des Magneten oder ein mit dem Anker verbundenes Teil gebildet. Die beiden Stellpositionen sind über Endstellungen beziehungsweise Anschläge des Ankers bestimmt; zum Wechsel von der einen Stellpositionen in die andere muss – je nach Konzept – entweder der Strom ein- oder ausgeschaltet oder die Stromrichtung umgeschaltet werden. Lineare Binäraktoren mit Motorantrieb weisen im Allgemeinen entweder ein Schraubgetriebe oder einen Zahnstangenantrieb auf, und als Stellelement fungieren entweder eine Wandermutter – eine gegen Verdrehung gesicherte Mutter – des Schraubgetriebes beziehungsweise die Zahnstange selbst oder mit ihnen verbundene Teile. Sofern kein Servo- oder Schrittmotor verwendet wird, werden hier elektrische Endschalter eingesetzt, um die Bewegung des Stellelementes auf den beiden Stellpositionen zu stoppen. Elektromagnetsysteme besitzen den Vorteil einer kompakten Konstruktion und einer einfachen, kostengünstigen Ansteuerung, weisen jedoch auch Nachteile auf, etwa einen begrenzten Stellweg oder geringe Haltekräfte für das Stellelement in den beiden Stellpositionen, was diese bei einigen Anwendungen manipulations- und störungsempfänglich macht. Motorangetriebene lineare Binäraktoren wiederrum sind in der Regel aufwendiger in der Konstruktion und bedürfen auch einer aufwendigeren Ansteuerung, sind aber ansonsten zuverlässig und sehr flexibel einsetzbar. Die Realisierung gleichzeitig preiswerter, einfach anzusteuernder und kompakter linearer Binäraktoren mit optional großem Stellweg und störungs- sowie manipulationssicheren Stellpositionen für die Stellelemente ist bisher noch nicht in befriedigender Weise gelungen. Es gibt zahlreiche Anwendungsfälle für lineare Binäraktoren, etwa für einfache mechanische Schaltaufgaben, wo für das technische Gesamtsystem der Anwendung, in der der lineare Binäraktor verbaut ist, hohe Anforderung an Preis und Zuverlässigkeit bestehen, aber zum Beispiel eine hohe Präzision eine eher untergeordnete Rolle spielt. Hierfür sind die technischen Möglichkeiten zur Realisierung linearer Binäraktoren noch nicht ausgeschöpft.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, einen elektrisch angetriebenen linearen Binäraktor zu entwickeln, der einfach und kompakt im Aufbau ist, mit dem sich auch große Stellwege seines Stellelementes realisieren lassen, bei dem das Stellelement in den Stellpositionen stabil steht, der auf einfache Weise anzusteuern ist und der grundsätzlich kostengünstig gefertigt werden kann.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Anordnung nach den Ansprüchen 1 und 2 gelöst.
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Nach den Ansprüchen 1 und 2 besteht der erfindungsgemäße lineare Binäraktor nur aus wenigen Komponenten, besitzt dadurch einen sehr einfachen Aufbau und lässt sich in kompakter Ausführung umsetzen. In der Erfindung wird das bekannte Konzept des Schraubgetriebes verwendet, das auch große Stellwege erlaubt. In dem erfindungsgemäßen Binäraktor besitzt aber die Gewindespindel ihr Gewinde nicht über die volle Spindellänge sondern nach Anspruch 1 zwei und nach Anspruch 2 mindestens einen Führungszylinder neben dem Spindelgewinde. Diese Führungszylinder stellen gewindefreie, glatte, kreiszylindrische Anschlussbereiche zum Spindelgewinde mit Durchmessern, die kleiner oder gleich dem des Mutterkernloches der Wanderschraube sind, dar, und sie sind in jedem Fall so lang, dass die Wandermutter auf beiden Seiten des Spindelgewindes vollständig ausfahren kann. Damit ergibt sich die Möglichkeit, die beiden Endpositionen des Antriebs für die Wandermutter durch das Spindelgewinde an den beiden Enden des Spindelgewindes als die beiden Stellpositionen des Stellelementes des linearen Binäraktors zu verwenden. Ebenso ist damit der Stellweg als Abstand zwischen den beiden Endpositionen beziehungsweise über die Spindelgewindelänge genau festgelegt. Da nach den Ansprüchen 1 und 2 die Gewindepaarung von Spindelgewinde und Muttergewinde selbsthemmend ist, kann das Stellelement nur mit Hilfe der durch einen Motor angetriebenen Gewindespindel in die jeweils andere Stellposition bewegt werden, nicht dagegen durch äußere Kräfte, die auf das Stellelement wirken. Dies macht den erfindungsgemäßen linearen Binäraktor sehr sicher und verlässlich hinsichtlich der eingestellten Stellpositionen beziehungsweise Stellzustände, was einen sehr großen Vorteil darstellt.
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Das Stellelement des linearen Binäraktors wird nach Anspruch 1 durch die Wandermutter und gegebenenfalls daran oder darin angeordnete Funktionselemente oder nach Anspruch 2 durch die Wandermutter und ein mit ihr fest verbundenes Führungselement, an oder in dem ebenfalls weitere Funktionselemente angeordnet sein können, gebildet. Das Führungselement weist mindestens ein Führungsloch für einen Führungszylinder, einen Platzierungsraum für die Wandermutter und daneben einen Spindelfreiraum auf, der in Länge und Durchmesser mindestens den Maßen des Spindelgewindes entspricht. Ein solcher Spindelfreiraum zwischen Platzierungsraum für die Wandermutter und dem folgenden Führungsloch ist notwendig, damit das Spindelgewinde ungehindert aus der Wandermutter ausfahren kann. Während also nach Anspruch 1 die Wandermutter kein zusätzliches Führungselement benötigt und sich selbst auf dem Spindelgewinde sowie ein entsprechend angepasstes Durchmesserverhältnis von Mutterkernloch und Führungszylindern auf der Gewindespindel führt, wird ein solches in einer Lösung nach Anspruch 2 eingesetzt. Dabei werden nach Anspruch 2 zwei grundsätzliche Umsetzungsvarianten zugelassen: eine, bei der das oder die Führungslöcher des Führungselementes nur auf einer Seite der Wandermutter angeordnet sind, und eine zweite, bei der sich die Führungslöcher beidseitig der Wandermutter befinden.
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Das Führungselement hat über sein Führungsloch oder seine Führungslöcher die präzise Führung der Wandermutter auf der Gewindespindel, beziehungsweise den Führungszylindern, zu gewährleisten, weswegen es – kraft-, form- oder stoffschlüssig – fest mit der Wandermutter verbunden sein muss. Es kann sehr unterschiedlich gestaltet sein, eine offene wie auch eine geschlossene Konstruktion aufweisen und sowohl aus einem als auch mehreren Teilen bestehen. Das oder die Führungslöcher können sich entweder im Führungselement oder in einem Führungselementteil befinden, durch mehrere Führungselementteile gebildet werden oder durch weitere Teile des Stellelementes, wie Führungsbuchsen und dergleichen, beigebracht werden. Die Führungslöcher können langgestreckt oder kurz sein, wobei insbesondere bei der einseitigen Anordnung des oder der Führungslöcher neben der Wandermutter deren ausreichende Führung nur gewährleistet werden kann, wenn entweder ein Führungsloch sehr lang ist oder zwischen zwei oder mehreren koaxial angeordneten Führungslöchern ein genügend großer Abstand besteht.
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Das Ausfahren der Wandermutter aus dem Spindelgewinde ist, sofern keine sonstigen zu großen Kräfte der Bewegung der Wandermutter entgegenwirken, ohne Schwierigkeiten möglich. Anders verhält es sich mit dem Einfahren der Wandermutter auf beziehungsweise in das Spindelgewinde, also dem Vorgang, bei dem sich die Gewindespindel nach bereits erfolgtem Ausfahren in die entgegengesetzte Richtung dreht und die beiden Gewinde wieder ineinander greifen beziehungsweise sich einkuppeln müssen, damit die Wandermutter zur entgegengesetzten Stellposition befördert werden kann, um dort wieder das Spindelgewinde zu verlassen. Voraussetzung für den störungsfreien Ablauf dieses Vorgangs ist, dass nach Anspruch 1 und 2 die Rotationsachsen der Wandermutter und der Gewindespindel koaxial zueinander ausgerichtet sind und die Wandermutter mit Federkraft gegen das Spindelgewinde gedrückt ist. Die Federkraft kann etwa über Andruckfedern erzeugt werden, die sowohl innerhalb als auch außerhalb des linearen Binäraktors angeordnet sein können, aber in jedem Fall in den Endpositionen des Antriebs die Wandermutter in Richtung Spindelgewinde drücken. Vor und während des Einfahrens darf zudem die Wandermutter nicht verkippen, da dies zu Blockierungen oder gar zum Festklemmen führen kann. Nach den Ansprüchen 1 und 2 wird sowohl einer unzureichenden Koaxialität als auch einer Verkippungsgefahr dadurch vorgebeugt, dass die Wandermutter selbst beziehungsweise die Wandermutter über das Führungselement koaxial und verkippungssicher auf der Gewindespindel geführt ist.
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Technische Systeme weisen Toleranzen auf beziehungsweise müssen diese für ein anwendungsgerechtes Funktionieren besitzen. Die Bedingung der Koaxialität ist bei Verwendung üblicher Gewinde und Durchmesser für die Führungszylinder, die eine knappe Spielpassung zum Mutterkernloch oder zu dem oder zu den Führungslöchern aufweisen, im Allgemeinen ausreichend gewährleistet. Die Verkippungssicherheit stellt dagegen eine höhere Anforderung dar. Hier darf zwischen den Achsen von Gewindespindel und Wandermutter der Kippwinkel die Größenordnung von circa 1° nicht überschreiten (s. Kliemand, W., Hopperdietz, K., Maschinenbautechnik 34 (1985) 3, 120–123), damit die Wandermutter zuverlässig und ohne Blockierungen wieder in das Spindelgewinde einfahren und sich auf dieses aufschrauben kann. Paarungen von Gewindespindel und Wandermutter, die diesen Grenzkippwinkel der Größenordnung 1° einhalten und möglichst unterschreiten – wobei abhängig von Material, Materialoberfläche und Gewindeart die realen Grenzkippwinkel variieren können – gelten im Sinne der Ansprüche 1 und 2 als verkippungssicher. Entscheidend für die Verkippung ist einerseits die Ringspaltdicke zwischen Mutterkernloch oder Führungsloch und dem Führungszylinder und andererseits die Länge des Führungsbereiches. Diese Führungslänge entspricht dem Abstand, bei dem bei einer maximalen Verkippung von Wandermutter oder Führungselement die äußersten Führungsloch- und/oder Mutterkernlochenden auf der Gewindespindel beziehungsweise den Führungszylindern aufsetzen. Über die Ringspaltdicke wird zudem jegliche radiale Relativbewegung zwischen Stellelement und Gewindespindel, wie Verkippung und Koaxialitätsabweichung, bestimmt. Befindet sich die Wandermutter innerhalb des Führungsbereiches, ist die radiale Relativbewegung der Wandermutter zur Gewindespindel maximal so groß, wie die Ringspaltdicke. Für diejenigen Fälle nach Anspruch 2, bei denen die Wandermutter nur von einer Seite durch das Führungselement geführt wird, ist dagegen zu beachten, dass diese radiale Relativbewegung der Wandermutter, insbesondere an ihrem äußersten Ende, größer sein kann als die Ringspaltdicke. Die Ringspalte sind daher in diesen Fällen entsprechend enger und/oder die Führungslängen länger zu gestalten als bei Konstruktionen, bei denen die Wandermutter innerhalb der Führung liegt.
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Wenngleich der Stellweg eines erfindungsgemäßen linearen Binäraktors über die Länge des Spindelgewindes genau festgelegt ist, kann aber bei Wirkung genügend großer äußerer Kräfte die Wandermutter trotz Wirkung einer Federkraft entsprechend Anspruch 1 und 2 vom Spindelgewinde und damit von den Stellpositionen weg bewegt werden. Dies ist bei Verwendung eines Führungselementes nach Anspruch 2 nur bis zu einem Führungsloch möglich, da dessen Durchmesser geringer ist als der des Spindelgewindes. Das Spindelgewinde stellt daher bei einer Bewegung in Richtung des Anschlags am Führungsloch aus Richtung des Spindelfreiraumes gleichzeitig ein Stoppelement für das Stellelement dar, wie es auch nach Anspruch 3 beansprucht ist. Ein solcher Anschlag, der letztlich ein eigenes Funktionselement im Führungselement darstellt, existiert bei einseitiger Führung der Wandermutter nach Anspruch 2 nur auf einer und bei Anordnungen nach Anspruch 1 auf keiner der beiden Seiten der Wandermutter. Dies ist für zahlreiche Anwendungen ohne Belang, insbesondere wenn etwa andere Systemkomponenten die Bewegung der zu stellenden Systemteile nach außen begrenzen. In anderen Situationen ist es jedoch von Bedeutung, dass die Stellelemente auch in ihren Stellpositionen verharren oder nur sehr wenig von diesen weg bewegt werden können. Dies kann nach Anspruch 3 erreicht werden, indem der lineare Binäraktor Stoppelemente für die Begrenzung der axialen Bewegungsfreiheit des Stellelementes jenseits der Stellpositionen aufweist. Die Stoppelemente können Bestandteil des Stellelementes selbst sein, etwa Funktionselemente der Wandermutter oder des Führungselementes, wie oben beschrieben, sie können auf der Gewindespindel angeordnet sein, etwa als Stoppringe für das Stellelement, oder sie können auch an anderen Teilen des linearen Binäraktors befestigt sein, sofern zwischen diesen Teilen und der axialen Koordinate der Gewindespindel eine starre Anordnung besteht, wie etwa Anschläge für das Stellelement in einem Gestell des linearen Binäraktors nach Anspruch 7. Darüber hinaus können andere Komponenten des linearen Binäraktors, wie etwa Lager für die Gewindespindel, als Stoppelemente wirken. Über die Stoppelemente kann damit für die Stellpositionen der Stellpositionstoleranzbereich festgesetzt werden. Von den Endpositionen des Spindelgewindes in Richtung des Spindelgewindes weist das Stellelement eine konzeptvorgegebene Toleranz entsprechend der Ganghöhe des Spindelgewindes auf. In die gewindeabweisende Richtung kann die Toleranz dagegen frei gewählt werden. Sie sollte aber entsprechend der sonstigen Fertigungstoleranzen nicht zu knapp bemessen sein, damit das Spindelgewinde ungehindert aus der Wandermutter ausfahren kann. Wenn man von einem praktischen Wert in der Größenordnung von 30% der Ganghöhe ausgeht, würde sich etwa für ein M4-Normgetriebe, mit einer Ganghöhe von 0,7 mm, ein Stellpositionstoleranzbereich von knapp 1 mm ergeben, was für viele Anwendungen, bei denen nicht zu hohe Ansprüche an die Präzision bestehen, völlig ausreichend ist.
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Trotz verkippungssicherer und koaxialer Anordnung besteht, wie bei jedem Einkuppeln harter Komponenten, ein geringfügiges Restrisiko, dass eine zufällige Punkt-Punkt-Positionierung der Einkuppelpartner zu einer Blockierung führt. Bei einem Schraubgetriebe liegt der Fall vor, dass die jeweils erhabenen Bereiche der Gewindezüge beim Einkuppeln aufeinandertreffen können. Dieses Risiko ist bei einem Trapez- oder Flachgewinde mit breitem Profil sicher höher als bei einem Spitzgewinde. Indem die Gewindepartner mit ausreichenden Toleranzen ausgestattet sind und die Stoßbereiche möglichst schmal gestaltet werden, kann dieses Blockierungsrisiko beim Einkuppeln bereits auf nahezu Null reduziert werden. Eine weitere Verbesserung wird nach Anspruch 4 erzielt, indem die Gewindeprofile von Wandermutter und/oder Spindelgewinde so gefertigt werden, dass sie am Gewindeauslauf abgerundet sind. Dies kann etwa durch leichtes Schleifen oder Polieren erreicht werden – notwendig sind lediglich kleine Radien. Bei derartig vorbereiteten Gewindepartner und einer genügenden Ausweichtoleranz kann so das Blockierungsrisiko auf praktisch Null gesenkt werden. Insgesamt ist es überhaupt von Vorteil, wenn Muttergewinde, Spindelgewinde und Führungszylinder polierte Oberflächen aufweisen und auch möglichst gehärtet sind. Sowohl hinsichtlich Abnutzung, Gleiteigenschaften und damit Energieeffizienz als auch Funktionssicherheit beim Einkuppeln sind dadurch deutliche Verbesserungen erreichbar.
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Die zur Sicherstellung des Einkuppel- beziehungsweise Einfahrvorganges notwendigen Andruckfedern zur Erzeugung der Federkraft für die Wandermutter nach den Ansprüchen 1 und 2 können an verschiedenen Stellen sowohl des linearen Binäraktors als auch des technischen Gesamtsystems angeordnet sein. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn nach Anspruch 5 die Andruckfedern am Stellelement selbst angeordnet sind. Hierdurch ergeben sich besonders kompakte Konstruktionen, da für die Anschläge der Andruckfedern sowohl Teile des linearen Binäraktors selbst wie auch Teile des technischen Gesamtsystems mitverwendet werden können und keine zusätzlichen Konstruktionselemente zur Befestigung der Andruckfedern erforderlich sind. Außerdem lassen sich durch die unmittelbare Positionierung der Andruckfedern an dem kraftbeaufschlagten Element – dem Stellelement – Federwege und Federkräfte besser einstellen.
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Je nach technischer Anforderung kann die Gewindespindel des binären Linearaktors direkt oder indirekt über verschiedene Zwischengetriebe elektrisch angetrieben werden, wobei die Rotationsachsen von Antriebsmotor und Gewindespindel beliebig zueinander ausgerichtet sein können. Besonders vorteilhaft kann es jedoch für verschiedene Einsatzfälle sein, wenn die Gewindespindel nicht über Zwischengetriebe angetrieben wird sondern nach Anspruch 6 direkt Teil der Antriebswelle eines elektrischen Motors oder Getriebemotors ist. Die Vorteile betreffen dabei insbesondere die kompakte Anordnung der wesentlichen Komponenten, die Möglichkeit zur einfachen und zuverlässigen Befestigung über den Motor beziehungsweise den Getriebemotor, die Nutzung der stabilen Lagerung der Motorwelle für eine spannungsfreie Aufhängung sowie Führung des Stellelementes und auch die Energieeffizienz des linearen Binäraktors.
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Eine noch kompaktere und in sich geschlossene Konstruktion erhält man allerdings, wenn nach Anspruch 7 der lineare Binäraktor in einem Gestell angeordnet ist, welches einen Verdrehsicherungsanschlag für das Stellelement und damit der Wandermutter und gegebenenfalls weitere Funktionselemente, wie Andruckfedern, Stoppelemente, Anschläge und dergleichen, aufweist, und so eine konstruktive Einheit bildet. Diese enthält sämtliche Komponenten des linearen Binäraktors und lässt sich so leicht mit der elektrischen Ansteuereinheit verbinden sowie als Modul sehr flexibel in einer Vielzahl von Konstruktionen einsetzen.
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Die elektrische Ansteuerung ist abhängig vom eingesetzten Motortyp. Beim erfindungsgemäßen binären Linearaktor können einfache DC-Motoren eingesetzt werden, so dass nach Anspruch 8 die elektrische Ansteuerung lediglich ein Bestromungsmodul für den Motor oder Getriebemotor mit Zeitbegrenzung und Stromrichtungswechsel aufweisen muss. Um von einer Stellposition in die jeweils andere zu gelangen, muss lediglich die Polung gewechselt und der Motor solange Strom erhalten, bis die Wandermutter das Spindelgewinde verlässt, wobei es sich empfiehlt, zur Sicherheit eine geringfügig längere Laufzeit einzustellen. Da auch zusätzliche Sensoren nicht benötigt werden ist dies alles technisch sehr einfach realisierbar, so dass sowohl durch den Einsatz preisgünstiger DC-Motoren als auch Ansteuerungen insgesamt sehr kostengünstige Lösungen entstehen können.
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Der erfindungsgemäße lineare Binäraktor ist vor allem für einfache aber sichere mechanische Schaltvorgänge geeignet. Ein solcher Schaltvorgang, bei dem es nicht um hohe Präzision geht, sondern vor allem darum, dass der eingestellte Zustand unverändert bleibt und auch nicht von außen manipuliert werden kann, ist das Öffnen und Schließen eines Schlosses oder das Freigeben und Versperren mit einer Verriegelung. Hierzu ist es notwendig, nach Anspruch 9 das Stellelement des linearen Binäraktors mit dem Sperrelement, das heißt, dem Riegel oder der Falle, des elektrischen Schlosses beziehungsweise der Verriegelung zu verbinden. Da nach den Ansprüchen 1 und 2 die Gewindepaarung Spindelgewinde-Muttergewinde selbsthemmend ist, ist eine Manipulation der Stellzustände des linearen Binäraktors und damit der Sperrzustände des Sperrelementes ausgeschlossen, wodurch über den linearen Binäraktor eine einfache aber sehr sichere Schloss- beziehungsweise Verriegelungskonstruktion realisiert werden kann.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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In der Zeichnung zeigen:
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1 Schraubgetriebe eines linearen Binäraktors nach Anspruch 1, Stellposition A
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2 Schraubgetriebe eines linearen Binäraktors nach Anspruch 1, Stellposition B
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3 Schraubgetriebe eines linearen Binäraktors nach Anspruch 2, Wandermutter einseitig geführt, Stellposition A
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4 Schraubgetriebe eines linearen Binäraktors nach Anspruch 2, Wandermutter einseitig geführt, Stellposition B
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5 Schraubgetriebe eines linearen Binäraktors nach Anspruch 2, Wandermutter beidseitig geführt, Stellposition A
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6 Schraubgetriebe eines linearen Binäraktors nach Anspruch 2, Wandermutter beidseitig geführt, Stellposition B
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7 Modul mit linearem Binäraktor, Wandermutter beidseitig geführt, Stellzustand A
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8 Modul mit linearem Binäraktor, Wandermutter beidseitig geführt, Stellzustand B
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9 Verriegelungsmodul mit linearem Binäraktor, Wandermutter beidseitig geführt, Systemzustand A
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10 Verriegelungsmodul mit linearem Binäraktor, Wandermutter beidseitig geführt, Systemzustand B.
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In 1 ist ein Schraubgetriebe eines linearen Binäraktors nach Anspruch 1 dargestellt. Auf einer Gewindespindel 1 befindet sich eine Wandermutter 2, deren maximale axiale Beweglichkeit durch zwei Stoppelemente 3 nach Anspruch 3 begrenzt ist. Die Wandermutter 2 besitzt ein M4-Muttergewinde 4 und bildet mit verschiedenen Funktionselementen, wie einem Verdrehsicherungselement 5, den Sacklöchern 6 zur Aufnahme der Andruckfedern 7 sowie einem Anschlussadapter 8 für ein potenzielles Systemelement, das mit dem linearen Binäraktor bewegt werden soll, das Stellelement 9. Über ein Zahnrad 10, das hier direkt in die Gewindespindel 1 eingearbeitet ist, kann die Gewindespindel 1 elektrisch angetrieben werden. Das Spindelgewinde 11 auf der Gewindespindel 1 ist nur über einen vergleichsweise kurzen Abschnitt ausgebildet; davor und dahinter befinden sich deutlich längere gewindefreie Bereiche, die Führungszylinder 12. Die Durchmesser der Führungszylinder 12 und des Kernloches des Muttergewindes 4 sind so aufeinander abgestimmt, dass die Wandermutter 2 verkippungssicher auf der Gewindespindel 1 geführt ist. Das Verdrehsicherungselement 5 der Wandermutter wird in einer Nut 13 eines starr angeordneten Bauteiles 14, an dem auch die Stoppelemente 3 befestigt sind, geführt, so dass eine Rotation der Wandermutter 2 beim Rotieren der Gewindespindel 1 ausgeschlossen ist. Bei Rotation der Gewindespindel 1 kann diese die Wandermutter 2 maximal zwischen den beiden ausgefahrenen Endpositionen 15 der Wandermutter 2 aus dem Spindelgewinde 11 bewegen. Dadurch sind gleichzeitig die beiden Stellpositionen des Stellelementes 9 beziehungsweise die beiden Stellzustände des gesamten linearen Binäraktors bestimmt. In 1 ist eine vordere Stellposition A und in 2 für die gleiche Anordnung wie in 1 eine hintere Stellposition B dargestellt. Wirken auf das Stellelement 9 externe Kräfte, kann sich dieses maximal bis zu dem jeweiligen Stoppelement 3 bewegen, wird aber bei Wegfall der externen Kräfte durch die – bei den ausgefahrenen Endpositionen 15 komprimierten – Andruckfedern 7 durch deren, als Kraftrichtungspfeil dargestellt, Federkraft 16 immer wieder gegen das Spindelgewinde 11 gedrückt. Dadurch ist bei entsprechender Rotationsrichtung der Gewindespindel 1 immer ein gegenseitiges Einkuppeln von Muttergewinde 4 und Spindelgewinde 11 und damit ein Transport des Stellelementes 9 zur jeweils anderen ausgefahrenen Endposition 15 beziehungsweise Stellposition gewährleistet. Sowohl bei der der Wandermutter 2 wie auch beim Spindelgewinde 11 ist der Gewindeauslauf 17 entsprechend Anspruch 4 abgerundet, was in 1 für das Spindelgewinde 11 in einer Detailansicht verdeutlicht ist. Die Andruckfedern 7 sind entsprechend Anspruch 5 am Stellelement 9 angeordnet. Beide Stoppelemente 3, das Stellelement 9 und das starr angeordnete Bauteil 14 sind in den 1 und 2 schraffiert, was eine Schnittdarstellung bedeutet. Auch in den nachfolgenden Figuren weisen schraffierte Bereiche auf Schnittdarstellungen hin.
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3 und 4 zeigen ein Schraubgetriebe eines linearen Binäraktors nach Anspruch 2. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde auf die Darstellung der Andruckfedern 7, des Anschlussadapters 8 sowie des die Rotation des Stellelementes 9 verhindernden starr angeordneten Bauteils 14 mit der eingelassenen Nut 13 für das Verdrehsicherungselement 5 verzichtet. Die Wandermutter 2 ist hier in einem Führungselement 18 mit einem Führungsloch 19 angeordnet, und zwar in einer entsprechend ausgeformten Ausnehmung, dem Platzierungsraum 20. Da die Wandermutter 2 von einer Seite ungehindert in das Führungselement 18 eingeschoben werden kann, ist – neben anderen möglichen Fügevarianten – das Einpressen eine geeignete Methode zur festen Verbindung beider Teile. Wandermutter 2 und Führungselement 18 bilden zusammen das Stellelement 9. Für die in 3 dargestellte Stellposition A bedarf das Stellelement 9 eines sperrenden Elementes, damit es, etwa durch äußere Kräfte bewirkt, nicht von der Gewindespindel 1 geschoben werden kann. Daher ist zur Beschränkung der axialen Bewegungsfreiheit des Stellelementes 9 unmittelbar hinter diesem auf der Gewindespindel 1 ein Stoppelement 3 nach Anspruch 3 angebracht. Bei entsprechender Rotation der Gewindespindel 1 und bei Anschlag des Muttergewindes 4 gegen das Spindelgewinde 11 infolge der Wirkung einer Federkraft 16 wird das Stellelement 9 in zweite Stellposition B, siehe 4, bewegt. Der im Führungselement 18 eingebrachte Spindelfreiraum 21 ermöglicht dabei dem Spindelgewinde 11, voll aus dem Muttergewinde 4 herauszufahren. Zudem bildet in diesem Spindelfreiraum 21 die stirnseitig begrenzende Wand um das Führungsloch 19 herum einen Anschlag im Stellelement 9 für das Spindelgewinde 11, so dass das Spindelgewinde 11 gleichzeitig auch das Stoppelement 3 für das Stellelement 9 in der in 4 gezeigten Stellposition B darstellt.
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Während in den 3 und 4 die Führung der Wandermutter 2 durch das Führungselement 18 einseitig über einen Führungszylinder 12 und ein Führungsloch 19 erfolgt, ist in den 5 und 6 eine weitere Möglichkeit nach Anspruch 2 gezeigt, bei der die Wandermutter 2 beidseitig geführt wird. Das Führungselement 18 besteht hier aus 2 Teilen, die nach dem Zusammenfügen den Platzierungsraum 20 für die Wandermutter 2, zwei Spindelfreiräume 21 und zwei Führungslöcher 19 bilden. Die Positionierung der beiden Teile für das Fügen kann sehr präzise mit Hilfe von Positionierstiften 22 und Positionierlöchern 23 durchgeführt werden, so dass die Führungslöcher 19 als exakte Rundlöcher ausgebildet werden können. In den 5 und 6 ist das dem Betrachter zugewandte Teil des Führungselementes 18 ausgeblendet, das heißt, das Führungselement 18 beziehungsweise das Stellelement 9 ist in geöffneten Zustand zu sehen. Die beidseitige Führung der Wandermutter 2 stellt eine sehr effektive und kompakte Lösung dar. Zusätzliche Stoppelemente 3 sind nicht erforderlich, da hier das Spindelgewinde 11 in beiden Spindelfreiräumen 21 auch als Stoppelement 3 für das Stellelement 9 fungieren kann.
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In den 7 und 8 ist eine Anordnung nach Anspruch 7 gezeigt. Auf einem Gestell 24 sind die Hauptkomponenten des linearen Binäraktors, der elektrische Antrieb und das Stellelement 9, angeordnet und bilden mit diesem eine konstruktive Einheit. Das Stellelement 9 ist hier, wie auch in den 5 und 6 in geöffnetem Zustand gezeigt. Der elektrische Antrieb besteht aus einem Getriebemotor 25, dessen Antriebswelle 26 entsprechend Anspruch 6 in die Gewindespindel 1 übergeht. Die Seitenwände einer unten im Gestell 24 eingearbeiteten Nut 13 dienen als Verdrehsicherungsanschlag für das Stellelement 9 beziehungsweise dessen Verdrehsicherungselement 5. Beide Andruckfedern 7 sind koaxial zur Gewindespindel 1 in kreisnutförmigen Sacklöchern 6 am Stellelement 9 angeordnet. In beiden Stellpositionen drückt die jeweilige Andruckfeder 7 entweder gegen das Gestell 24 oder die Stirnseite des Getriebemotors 25, so dass keine zusätzlichen Anschläge erforderlich sind. Die Verwendung eines Schraubgetriebes analog dem in den 5 und 6 erlaubt eine besonders kompakte Bauweise, so dass ein solches Modul sehr flexibel in einem technischen System eingesetzt werden kann.
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Einige Anwendungen, wie die der elektrischen Schlösser und Verriegelungen, erlauben es, das Gehäuse 27 dieser Anwendung als Gestell 24 zu verwenden. In den 9 und 10 ist ein linearer Binäraktor gezeigt, der direkt in ein Gehäuse 27 eingesetzt ist und bei dem nach Anspruch 9 das Stellelement 9 mit dem als Riegel ausgebildeten Sperrelement 28 verbunden ist. Zur Freilegung der Innenansicht wurde in den 9 und 10 die obere Hälfte des Gehäuses 27, die analog der unteren gestaltet ist, entfernt. 9 zeigt den verriegelnden und 10 den freigebenden Systemzustand, das heißt, die beiden Zustände des Verriegelungsmoduls. Der lineare Binäraktor, dessen Stellelement 9 nicht offen dargestellt ist aber dessen innerer Aufbau dem der 5 bis 8 entspricht, bewegt das Sperrelement 28 mittels zwei symmetrisch angebrachter Anschlussadapter 8, die in entsprechende Ausnehmungen des Sperrelementes 28 eingelegt sind. Im Sperrelement 28 befindet sich ein Loch 29, in das die Gewindespindel 1 in der eingefahrenen Stellposition, die den freigebenden Systemzustand B einstellt, eintauchen kann, siehe 10. Als Andruckfedern 7 werden seitlich angebrachte U-Federn verwendet, die in beiden Stellpositionen gegen Federanschläge 30 im Gehäuse 27 stoßen, dadurch gespannt werden und so eine symmetrisch aufgeteilte Federkraft 16 für das Stellelement 9 erzeugen. Sowohl die Federanschläge 30 wie auch die Nuten 13 für die Verdrehsicherungselmente 5 am Stellelement 9 sind direkt in die beiden Hälften des Gehäuses 27 eingeformt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gewindespindel
- 2
- Wandermutter
- 3
- Stoppelement
- 4
- Muttergewinde
- 5
- Verdrehsicherungselement
- 6
- Sackloch
- 7
- Andruckfeder
- 8
- Anschlussadapter
- 9
- Stellelement
- 10
- Zahnrad
- 11
- Spindelgewinde
- 12
- Führungszylinder
- 13
- Nut
- 14
- starr angeordnetes Bauteil
- 15
- ausgefahrene Endposition
- 16
- Federkraft
- 17
- Gewindeauslauf
- 18
- Führungselement
- 19
- Führungsloch
- 20
- Platzierungsraum
- 21
- Spindelfreiraum
- 22
- Positionierstift
- 23
- Positionierloch
- 24
- Gestell
- 25
- Getriebemotor
- 26
- Antriebswelle
- 27
- Gehäuse
- 28
- Sperrelement
- 29
- Loch
- 30
- Federanschlag
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Kliemand, W., Hopperdietz, K., Maschinenbautechnik 34 (1985) 3, 120–123 [0008]
