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Keilwelle
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Die Erfindung betrifft eine Keilwelle mit einem Längsnuten aufweisenden
Innenteil, der mit einem ihn umgebenden Außenteil drehfest und axial beweglich über
Rollkörper verbunden ist.
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Keilwellen werden eingesetzt, wenn ein Drehmoment übertragen werden
muß und gleichzeitig eine axiale Bewegung zugelassen oder ausgeführt werden soll.
Derartige Keilwellen finden sich vor allem in den Antrieben von Werkzeugmaschinen,
beispielsweise bei Vorschubantrieben oder auch bei Antrieben von axial beweglichen
Spindeln. Keilwellen werden üblicherweise so ausgebildet, daß der Innenteil eine
durch Längsnuten geschaffene Außenverzahnung besitzt, auf die der Außenteil mit
einer entsprechenden Innenverzahnung aufgesteckt wird. Die Drehmomente werden von
den im wesentlichen radial verlaufenden Flanken übertragen. Bei derartigen Keilwellen
ergeben sich in der Praxis Schwierigkeiten,
da die zum axialen Verschieben
notwendige Kraft abhängig von dem jeweils übertragenen Drehmoment ist, d.h. äe größer
das Drehmoment wird, um so größer wird die notwendige axiale Kraft.
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Es bereitet somit Schwierigkeiten, bei hohen Drehmomenten ein feinfühliges
axiales Verstellen zu realisieren. Außerdem tritt bei derartigen Keilverzahnungen
unvermeidbar ein gewisses Spiel in Umfangsrichtung zwischen den beiden Teilen auf,
so daß es in der Praxis meist nicht möglich ist, in beiden Vorschubrichtungen Arbeiten
auszuführen.
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Es ist auch schon vorgesehen worden, zwischen Längsnuten des Innenteils
und Längsnuten des Außenteils Wälzkörper und insbesondere Kugeln anzuordnen, die
in einer Umlaufbahn in dem Außenteil geführt werden. Die Umlaufbahn für die Kugeln
liegt in einer die Längsachse der Welle schneidenden Ebene, was einerseits dazu
führt, daß ein erheblicher Platzbedarf für den Außenteil notwendig ist, während
andererseits die außenliegenden Kugeln und vor allem die Kugelkäfige mit erhöhten
Kräften bei großen Drehzahlen belastet werden, die schon frühzeitig zu einer Zerstörung
des Lagers führen können.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Keilwelle der eingangs
genannten Art zu schaffen, bei welcher die für ein axiales Verschieben notwendigen
Kräfte sehr gering sind und rollend bei möglichst geringen äußeren Abmessungen übertragen
werden können. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Rollkörper als Laufrollen
ausgebildet sind, die auf Laufflächen des einen Teils laufen und auf dem anderen
Teil von einem Bolzen in Nadellagern geführt laufen.
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Bei einer derartigen Ausbildung sind nur relativ geringe axiale Verschiebekräfte
notwendig, die auch bei dem jeweils übertragenen
Drehmoment ca.
30x kleiner als bei gleitenden Keilwellen sind. Es wird dadurch die Möglichkeit
eröffnet, auch bei hohen Drehmomenten eine feinfühlige Verschiebebewegung auszuführen.
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Die Verschiebegeschwindigkeit ist bedeutend höher als bei herkömmlichen
Keilwellen.
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In der Praxis ist es vorteilhaft, wenn die Laufflächen der Luafrollen
eine flache, konvexe Wirkung aufweisen. Dadurch werden die Laufeigenschaften positiv
beeinflußt. Die Laufrollen sind zweckmäßigerweise mittels Nadellager auf den vorzugsweise
in dem Außenteil gehaltenen Bolzen gelagert. Derartige Nadellager können relativ
hohe Belastungen aushalten, sofern möglichst keine Axialbelastungen auftreten.
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Um ein Auftreten von Spiel innerhalb der Keilwelle ausschließen zu
können, ist es vorteilhaft, wenn die Laufrollen in ihrer radialen Richtung einstellbar
gehalten sind. Dies kann in einfacher Weise dadurch geschehen, daß die Bolzen mit
Hülsen umgeben sind, deren Außenumfang exzentrisch zur Bohrung ist. Dadurch sind
auch beide Drehrichtungen möglich.
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Da das übertragbare Drehmoment auch von der Anzahl der Laufrollen
abhängig ist, ist es vorteilhaft, wenn die Laufrollen in wenigstens zwei quer zur
Wellenachse verlaufenden Ebenen angeordnet ind. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die
Laufrollen einer Ebene sich jeweils gleichsinnig an den Laufflächen des Innenteils
abstützen. In der Praxis hat sich gezeigt, daß eine gute Raumausnutzung erhalten
werden kann, wenn jede Ebene vier um jeweils 0 90° versetzt angeordnete Laufrollen
enthält.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgesehen, daß der Innenteil
mit Längsnuten versehen ist, deren Flanken als Laufflächen ausgebildet sind. Um
den Laufflächen eine geeignete Oberfläche zu geben, ist es vorteilhaft, wenn sie
durch ein Rollwalzen geglättet sind. Dadurch tritt gleichzeitig eine gewisse Härtung
und Verfestigung der Laufflächen ein.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Flanken jeder Längsnut vorzugsweise
einen rechten Winkel miteinander einschließen und symmetrisch zu einer durch die
Achse des Innenteils verlaufenden Radialen angeordnet sind. In Verbindung mit der
dadurch bedingten Anordnung der Bolzen in dem Außenteil ergibt sich eine äußerst
kräftige und dennoch sehr kompakte Ausbildung, die zur Ubertragung von großen Drehmomenten
geeignet ist und dabei auch entsprechend Rollen mit relativ großem Druchmesser aufnehmen
kann, ohne daß die Außenabmessungen zu groß werden. Die Laufflächen des Innenteils
liegen dabei ferner noch in einem relativ günstigen Winkel, da sie dann nur etwa
um 450 von der Radialen abweichen. Es treten dann relativ genau definierte Belastungskräfte
auf, die radial zu den Laufrollen gerichtet sind.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung einer in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsform.
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Fig. 1 zeigt einen axialen Schnitt entlang der Linie I-I der Fig.
2 durch eine erfindungsgemäße Keilwelle, Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie
II-II der Fig. 1, Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie III-III der Fig. 2, Fig.
4 einen Schnitt entlang der Linie IV-IV der Fig. 1 und Fig. 5 einen Teilschnitt
durch eine Einzelheit in größerem Maßstabe entlang der Linie V-V der Fig. 2.
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Die in der Zeichnung dargestellte Keilwelle besitzt einen eine im
wesentlichen zylindrische Gestalt aufweisenden Innenteil1und einen diesen umgebenden
ebenfalls eine zylindrische Außenkontur aufweisenden hülsenartigen Außenteil 2.
Bei der dargestellten Ausführungsform wird beispielsweise vorgesehen, daß über den
Außenteil
2 ein Drehmoment in den axial beweglichen Innenteil 1 übertragen werden soll. Selbstverständlich
ist es auch möglich, die Richtung der Drehmomentübertragung umzukehren und gegebenenfalls
auch den Außenteil 2 axial beweglich auf dem Innenteil 1 anzuordnen. Der Außenteil
ist mit axialen Bohrungen 3 und mit einer Keilnut 4 versehen, an die die entsprechenden
Mitnahmeelemente, wie Zahnräder o.dgl. angeschlossen werden können. Die Verbindung
zwischen dem Außenteil 2 und dem Innenteil 1 erfolgt über Laufrollen 5, die von
dem Außenteil 2 gehalten werden und sich auf Laufflächen des Innenteils 1 abstützen.
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Eei der dargestellten Ausführungsform ist vorgesehen, daß jeweils
vier Laufrollen 5 in zwei radial zur Wellenachse verlaufenden Ebenen angeordnet
sind, wobei die Laufrollen jeweils um 900 zueinander versetzt sind. Die Laufrollen
5 einer Ebene stützen sich dabei gleichsinnig gegen Laufflächen des Innenteils ab,
wobei die Abstützung so erfolgt, daß jeweils die Laufrollen 5 einer der beiden Ebene
abhängig von der gewählten Drehrichtung zum Tragen kommen.
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Als Laufflächen für die Laufrollen 5 dienen in den Innenteil 1 eingearbeitete
Längsnuten, deren Nutenflanken 6 die Laufflächen bilden. Die Längsnuten sind jeweils
um 900 versetzt in dem Innenteil 1 angebracht. Die Nutenflanken 6 einer Längsnut
schließen jeeils miteinander einen Winkel von 900 ein und sind symmetrisch zu einer
durch die Längsnut gelegten Radialen angeordnet, so daß sie zu dieser Radialen einen
Winkel von 450 aufweisen. Jeweils beide Flanken 6 der Längsnuten dienen als Laufflächen,
wie aus Fig. 2 und Fig. 4 zu ersehen ist. Zwischen den Flanken 6 ist als Nutengrund
ein Einschnitt vorgesehen, so daß sie einen etwa Y-förmigen Querschnitt besitzen.
Die Nuten werden in den Innenteil 1 eingefräst und anschließend weiter bearbeitet.
Als abschließender Arbeitsgang wird ein Rollwalzen der Flanken 6 vorgenommen, wodurch
nicht nur eine Glättung sondern auch eine Verfestigung der Oberflächen erhalten
wird.
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Der Außenteil 2, der als ein Rollengehäuse aus Stahlguß ausgebildet
ist, ist mit Aufnahmebohrungen 7 versehen, in welchen Bolzen 8 gehalten sind, auf
denen die Laufrollen 5 gelagert sind. Jeweils die zwei diametral gegenüberliegenden
Aufnahmebohrungen 7 bzw. die darin befindlichen Bolzen 8 einer Ebene verlaufen parallel
zueinander. Entsprechend verlaufen auch dann die zugehörigen von Nutenflanken 6
gebildeten Laufflächen parallel zueinander.
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Um das bei einer Fertigung unvermeidliche Spiel bei der Montage ausschalten
zu können, wird vorgesehen, daß wenigstens die Laufrollen 5 einer Ebene in ihrer
radialen Richtung verstellbar gehalten sind. Hierzu werden die Bolzen 8 dieser Laufrollen
mit einem Außengewinde in ein Innengewinde von Hülsen 9 eingeschraubt, deren Bohrung
exzentrisch zu ihrem Außenumfang verläuft. Die Hülsen 9 besitzen an ihrem äußeren,
den Laufrollen 5 abgewandten Ende einen Schlitz 10, an den ein Werkzeug angreifen
kann, um sie innerhalb der Bohrungen 7 zu verdrehen. Nachdem die Laufrollen 5 durch
Verdrehen der Hülsen 9 zum Ausschalten eines Spiels eingestellt worden sind, werden
sie mit Hilfe von Gewindestiften gesichert, die von der Stirnseite des Außenteils
1 her radial auf die Hülsen 9 zustellbar sind. Die Gewindestifte 11 besitzen zweckmäßigerweise
an ihren den Hülsen 9 zuzustellenden Enden eine Hohlkerbe, so daß sie eine schneidenartige
Gestalt erhalten. Die Bolzen 8' der Laufrollen der zweiten Ebene besitzen eine glatte
zylindrische Gestalt und werden direkt in Bohrungen 7' des Außenteils eingesetzt.
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Die Laufrollen (Fig. 5) besitzen eine leicht konvexe oder ballige
äußere Lauffläche. Sie werden mit Hilfe eines Nadellagers 12 auf den Bolzen 8, 8'
in an sich bekennter Weise gehalten. Die Bolzen 8 und 8' sind mit axialen Bohrungen
versehen, von denen Kanäle zu dem Bereich des Nadellagers abzweigen. ueber diese
Bohrungen, die an den Enden mit Schmiernippeln verschlossen werden können, kann
den Nadellagern 12 ein Schmiermittel zugeführt werden. Der Bolzen 8 und die die
Laufflächen bildenden
Laufrollen 5 oder Pläntel bestehen aus einem
gehärteten Material.
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Derartige Laufrollen sind zusammen mit den Bolzen für sich bekannt
und als fertige Bauteile zu beziehen. Beispielsweise liefert die Firma INA unter
der Bezeichnung Kurvenrollen mit Axialführung über Anlaufbund bzw. Anlaufscheibe
derartige Laufrollen.
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Wie weiter aus Fig. 5 zu ersehen ist, ist die auf den Bolzen 8 aufgeschraubte
Hülse 9 als eine Exzenterhülse ausgebildet, d.h.
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ihre Bohrung ist exzentrisch zu ihrem Außenumfang. Um zu verhindern,
daß sich die Hülse 9 gegenüber dem Bolzen 8 ungewollt verdreht, nachdem die beiden
Teile miteinander verschraubt sind, kann vorgesehen werden, daß in die Gewindegänge
des Bolzens im Bereich des Einschnittes 10 ein aushärtbarer Kunststoff eingeschmiert
wird.
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Es hat sich gezeigt, daß die Verwendung von vier jeweils um 900 versetzten
Laufrollen und deren Anordnung abweichend von radialen Linien im Zusammenhang mit
der entsprechenden Anbringung der Längsnuten zu einer äußerst kompakten Bauweise
führt, bei welcher Laufrollen mit relativ großem Durchmesser Verwendung finden können,
ohne daß der Außendurchmesser des Außenteils 2 übermäßig groß wird. Diese Ausbildung
erlaubt das uebertragen von hohen Drehmomenten bei relativ hohen Drehzahlen und
bei einer hohen Verschiebegeschwindigkeit. Dabei kann davon ausgegangen werden,
daß von der Dimensionierung her die Flächenpressung im Bereich der Nutenflanken
6 entscheidend ist, auf denen die Laufflächen der Laufrollen 5 mit etwa zwei Drittel
bis drei Viertel der Laufrollenbreite aufstehen.
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In Abweichung von der dargestellten Ausführungsform ist es möglich,
bei anderen zu erwartenden Belastungen eine andere Anzahl von Laufrollen vorzusehen,
die dann zweckmäßigerweise auch in anderen Winkeln zueinander angeordnet werden
können. Jedoch besteht dann die Gefahr, daß die Winkel der Laufflächen zu der Radialen
des Innenteils 1 ebenso wie die äußeren Abmessungen ungünstiger werden können.