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Körper zur gleichachsigen Führung zweier Elemente
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zur Verstellung auf verschiedene Abstände Die Erfindung betrifft
einen Körper zur gleichachsigen Führung zweier Elemente z.B. zum Verstellen auf
verschiedene Abstände insbesondere zylindrischer Körper von verstellbarer Länge.
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Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, den der gleichachsigen Führung dienenden
Körper so auszugestalten, daß die Elemente gegenüber Torsion um ihre Längsachse,
gegen Querverschiebung und gegen Kippen um eine Querachse starr abgestützt sind
und spielraumfrei elastisch geführt werden. Der Körper verbindet daher die Funktionen
der Führung und der Federung.
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Die Aufgabe einer solchen Führung tritt auf zahlreichen Gebieten
der Feinmechanik auf, beispielsweise bei Mikromanipulatoren und bei Kugellagern
mit einstellbarer Vorspannung. In allen diesen Fällen kommt es entscheidend darauf
an, daß - die Führungsachse auch im mikroskopischen Bereich genau definiert und
stabil ist.
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- Spiel freiheit gewährleistet ist, - extrem kleine Wege feinfühlig
gestellt werden können, - die Stellbewegung frei von Reibung insbesondere in der
Form des Stick-slip erfolgt, - ein gutes Verhältnis von Tragfähigkeit und elastischer
Nachgiebigkeit erreicht wird,
- die Aufgabe wirtschaftlich gelöst
werden kann.
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Bekannt ist es, Führungen dieser Art aus mehreren Elementen zusammenzusetzen,
zu denen parallele Blattfedern und Doppelmembrane gehören. Insbesondere Doppelmembrane
dienen der Führung elektrodynamischer Systeme, wie Lautsprecher und Vibratoren.
Diese bekannten Führungen erfüllen die Forderungen nach Genauigkeit, Definierbarkeit
und Stabilität der Geradführung nur unvollkommen, weil die geometrische Genauigkeit
begrenzt ist und weil innere Verspannungen des Führungssystems den Führungsweg von
der Geraden abweichen lassen, den linearen Zusammenhang zwischen Kraft und Weg beeinflussen
und den Weg querkraftabhängig machen. Solche Mängel ergeben sich bei der Fügung
wie im Betrieb bei unterschiedlichen Temperaturen infolge der stets vorhandenen
Unterschiede der Wärmedehnungskoeffizienten der verschiedenen miteinander verbundenen
Bauteile.
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In den Patentansprüchen ist angegeben, wie erfindungsgemäß die vorstehend
geschilderte Aufgabe gelöst ist, Bei allen in den Patentansprüchen angegebenen Lösungen
ist der die elastische Führung bildende Körper einschließlich der von ihm gebildeten
Blattfedern aus einem Stück hergestellt. Dadurch ist erreicht, daß alle Bauteile
den gleichen Wärmedehnungskoeffizienten haben, frei von inneren Spannungen sind
und sich durch eine hohe geometrische Genauigkeit auszeichnen. Fügevorgänge mit
ihren unvermeidlichen Fehlern entfallen vollständig.
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In den Zeichnungen, in denen Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt
sind, zeigt Fig. 1 einen erfindungsgemäß ausgestaltetenzylindrischen Körpers von
verstellbarer Länge in schaubildlicher Darstellung,
Fig. 2 einen
zylindrischen Körper mit eckigem Querschnitt, ebenfalls in schaubildlicher Darstellung,
Fig. 3 einen radförmigen Führungskörper, dessen Felge mit dem einen und dessen Nabe
mit dem anderen der beiden gleichachsig federnd zu führenden Elemente starr verbunden
ist, wobei die Speichen als Blattfedern ausgestaltet sind, ebenfalls in schaubildlicher
Darstellung, Fig. 4 einen aus zwei gleichachsigen ineinandergeschachtelten Teilen
bestehenden einstückigen Führungskörper, dessen parallele Blattfedern in zwei parallelen
Querebenen liegen und bogenförmig gestaltet sind, Fig. 5 einen Führungskörper ähnlich
demjenigen der Fig. 3, Fig. 6 einen Führungskörper, der aus zwei gleichachsig ineinandergeschachtelten
Führungskörpern gemäß Fig. 1 besteht, die ein einziges Stück bilden, und Fig. 7
einen Führungskörper ähnlich demjenigen der Fig. 7.
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Die Wandung des in Fig. 1 gezeigten zylindrischen Körpers 10 weist
vier Gruppen A, B, C und D von übereinander angeordneten Ausnehmungen auf, die zwischen
sich parallele Blattfedern 12 - 26 bilden. Diese Blattfedern fallen mit Querebenen
des zylindrischen Körpers zusammen, und zwar die Blattfedern 12, 16, 20 und 24 mit
einer oberen Querebene und die Blattfedern 14, 18, 22 und 26 mit einer dazu parallelen
unteren Querebene, die rechtwinklig zur Achse 28 des zylindrischen Körpers verläuft.
Die vier Gruppen A, B, C und D von Löchern sind durch Schlitze verbunden, und zwar
die unteren Löcher der Gruppen A und B durch einen Schlitz 30, die unteren Löcher
der Gruppen C und D durch einen zweiten Schlitz, der in Fig. 1 nicht zu sehen ist,
die oberen Löcher der Gruppen A und C durch einen dritten Schlitz 32 und die oberen
Löcher der Gruppen B und D durch einen vierten Schlitz 34. Diese Schlitze durchtrennen
die Wandung des zylindrischen Körpers und unterteilen ihn in zwei Hälften, die nur
durch die Blattfedern 12 - 26 verbunden sind. Die eine Hälfte bildet das eine Ende
36 des zylindrischen Körpers und die andere Hälfte bildet sein anderes Ende 38.
Von den beiden spielraumfrei und abgefedert längs ihrer gemeinsamen Achse zu verstellenden
Elementen ist das eine fest in das Ende 36 des zylindrischen Körpers montiert, während
das andere vom Ende 38 des zylindrischen Körpers starr getragen wird. Diese beiden
Elemente lassen sich dann auf verschiedene Abstände einstellen, wobei sich die Blattfedern
entsprechend biegen. Dabei erfolgt die Führung der beiden Elemente längs der Achse
28 völlig spielfrei. Gegenüber Torsion um die Achse 28, gegenüber einer etwaigen
Verschiebung quer
zur Achse 28 und gegen eine etwaige Kippbewegung
der Linsen zueinander um eine quer zur Geraden 28 verlaufende Achse sind die Elemente
abgestützt.
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Fig. 2 zeigt einen zylindrischen Körper, der sich von demjenigen
der Fig. 1 durch seine eckige Gestalt unterscheidet. Ein weiterer Unterschied besteht
darin, daß die Schlitze ebenso breit bemessen sind wie die Löcher, in die sie münden.
Die Blattfedern, die denjenigen der Fig. 1 entsprechen, sind durch Bezugszahlen
bezeichnet, die durch Addition von 100 zu denjenigen der Fig. 1 entstanden sind.
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Fig. 3 zeigt schaubildlich einen anders gestalteten Körper zur gleichachsigen
Führung zweier Elemente auf verschiedene Abstände. Auch dieser Körper löst die oben
geschilderte Aufgabe. Er hat die Gestalt eines Rades mit einer Felge 40, mit einer
Nabe 42 und mit zwei in parallelen Ebenen liegenden Speichen, die von Blattfedern
gebildet werden. Diese Ebenen verlaufen rechtwinklig zur Achse 44 des radförmigen
Körpers.
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Mit der oberen Ebene fallen vier Blattfedern 46, 48, 50 und 52 zusammen,
deren Längsmittellinien 54 und 56 radial zur Achse 44 verlaufen. Jede Speiche besteht
aus einem Stück mit der Nabe 42 und mit der Felge 40.
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Vorzugsweise sind die mit der einen Ebene zusammenfallenden Speichen
46 - 50 in Umfangsrichtung um 450 gegenüber den mit der anderen Ebene zusammenfallenden
Speichen versetzt, die hier insgesamt mit 58 bezeichnet sind.
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Der eine der beiden gleichachsig zueinandergeführten Elemente sitzt
starr an der Nabe 42 und das andere starr an der Felge 40. Die Versetzung der Speichen
der
einen Ebene gegenüber denen der anderen gestattet die Herstellung des radförmigen
Körpers durch Fräsen oder Senkerudieren.
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Fig. 4 besteht aus zwei ein einziges Stück bildenden gleichachsig
angeordneten Teilen, von denen sich das eine innerhalb des anderen befindet. Der
äußere Teil besteht aus zwei gleichachsigen, im Abstand voneinander angeordneten
zylindrischen Ringen 610 und 612, die starr miteinander durch vier, gleichmäßig
um den Umfang herum verteilten achsparallelen Stangen verbunden sind, von denen
nur zwei Stangen 614 und 616 in Fig. 4 zu sehen sind. Der innere Teil besteht aus
einem zylindrischen Körper 618. Der Ring 610 hat zwei einwärts gerichtete Zungen
620 und 622, die bis dicht an den zylindrischen Körper 618 heranreichen, ohne ihn
jedoch zu berühren. Dieser zylindrische Körper 618 hat an seinem oberen Ende zwei
einander gegenüberliegende, auswärts gerichtete Zungen 624 und 626, deren Oberseiten
in
derselben Querebene liegen wie die Oberseiten der Zungen 620 und 622. In einer dicht
darunter befindlichen Querebene sind nun zwischen dem inne-ren Teil 618 und dem
äußeren Ring 610 vier bogenförmige Blattfedern 628, 630, 632 und 634 angeordnet,
die mit ihren Enden an den Zungen sitzen. Diese Blattfedern gestatten dem inneren
Teil und dem äußeren Teil eine gegenseitige Verschiebung in Achsenrichtung.
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Während sich nun diese Blattfedern am oberen Ende des in Fig. 4 gezeigten
Körpers befinden, sind vier entsprechende Blattfedern dicht am unteren Ende dieses
Körpers angeordnet. Eine dieser Blattfedern 636 erstreckt sich zwischen der Stange
614 und einer äußeren Rippe 638 des zylindrischen Körpers 618. Die nächste Blattfeder
640 erstreckt sich zwischen der Stange 614 und einer äußeren Rippe 642, die sich
am zylindrischen Körper 618 der Rippe 638 gegenüber befindet. Die beiden weiteren
Blattfedern am unteren Ende des in Fig. 4 gezeigten Körpers sind in Fig. 4 nicht
zu sehen. Jedenfalls liegen auch die am unteren Ende vorgesehenen vier Blattfedern
in einer gemeinsamen Querebene und sind bogenförmig gestaltet, ebenso wie die oberen
vier Blattfedern 628 - 634.
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Der innere Teil, zu dem der zylindrische Körper 618 gehört, ist also
mit dem äußeren Teil, zu dem die beiden Ringe 610 und 612 und die Stangen 614 und
616 gehören, durch die acht Blattfedern so verbunden, daß sich diese beiden Teile
nur in Achsenrichtung zueinander bewegen können, wobei sich dann die Blattfedern
entsprechend durchbiegen. Jede andere Relativbewegung der beiden Teile würde einige
der Blattfedern unter Zugspannung setzen. Solchen Zugspannungen leisten diese
Blattfedern
aber einen starken Widerstand.
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In Fig. 5 ist ein Körper gezeigt, der weitgehend demjenigen der Fig.
3 entspricht. Während dort aber die Nabe 42 mit der Felge 40 durch insgesamt acht
Blattfedern verbunden ist, weist der in Fig. 5 gezeigte Körper nur vier Blattfedern
auf, welche die Nabe 742 mit der Felge 740 verbinden. Es handelt sich dabei um die
beiden oberen Blattfedern 748 und 752 und die unteren Blattfedern 758.
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Bei der Herstellung dieses Körpers aus einem einzigen Stück empfiehlt
es sich, zwischen der Felge 740 und der Nabe 742 zunächst radiale Arme 702 und 704
stehen zu lassen, die in Fig. 5 gestrichelt dargestellt sind und die Nabe 742 starr
mit der Felge 740 verbinden.
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Erst dann, wenn der die Blattfedern umgebende Werkstoff zwischen Felge
und Nabe entfernt ist, werden auch diese Arme 702 und 704 entfernt.
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Der in Fig. 6 gezeigte Körper besteht gewissermaßen aus zwei gleichachsig
ineinandergesteckten Körpern der Fig. 1, deren obere Enden starr miteinander verbunden
sind, während sich die unteren Enden gleichachsig zueinander verschieben können.
Das ergibt bei gleich großer axialer Belastung den doppelten Verschiebeweg.
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Die in Fig. 6 verwendeten Bezugszahlen sind durch Hinzuaddieren von
800 entstanden.
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Die Wandung des in Fig. 6 gezeigten äußeren zylindrischen Körpers
ist also ebenso wie der zylindrische Körper 10 mit vier Gruppen A, B, D und C von
übereinander angeordneten Löchern versehen, die zwischen sich parallele Blattfedern
812 - 826 bilden. Diese Blattfedern fallen mit Querebenen des zylindrischen
Körpers
zusammen und zwar die Blattfedern 812, 816, 820 und 824 mit einer oberen Querebene
und die Blattfedern 814, 818, 822 und 826 mit einer dazu parallelen unteren Querebene,
die rechtwinklig zur Achse 828 des zylindrischen Körpers verläuft. Die vier Gruppen
A, B,- C und D von Löchern sind durch Schlitze verbunden, und zwar die unteren Löcher
der Gruppen A und B durch einen Schlitz 830 und die unteren Löcher der Gruppen C
und D durch einen Schlitz 832. Diese Schlitze durchtrennen die Wandung des äußeren
zylindrischen Körpers in eine untere Hälfte 838 und in eine obere zweiteilige Hälfte
836. Diese beiden Hälften sind nur durch die Blattfedern 812 - 826 verbunden.
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Insoweit entspricht also der in Fig. 6 gezeigte Körper im wesentlichen
demjenigen der Fig. 1. Die zweiteilige obere Hälfte 836 stellt jedoch das obere
Ende eines inneren zylindrischen Körpers dar, dessen unteres Ende 850 unten in Fig.
6 zu ersehen ist. Der innere Körper ist ebenso wie der äußere durch Löcher und Schlitze
unterteilt, welche Blattfedern bilden, die das untere Ende 830 relativ zum oberen
Ende 836 in Achsenrichtung führen.
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Fig. 7 zeigt eine weitere Ausgestaltung des in Fig. 5 gezeigten Ausführungsbeispiels.
Dort ist das untere Ende der rohrförmigen Nabe 742 mit dem unteren Ende der rohrförmigen
Felge 740 durch Blattfedern verbunden, die ebenso angeordnet sind, wie die Blattfedern
am oberen Ende.