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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine teleskopisch bewegliche Konstruktion,
umfassend eine unverdrehbare Spindel, eine Antriebswelle, eine relativ
zu einem Rahmenteil drehfest verbindbare Mutter, ein Spindelrohr
mit einem in die Mutter eingreifenden Außengewinde, das im Weiteren
ein Innengewinde mit einer gegenüber
der Steigungsrichtung des Außengewindes
entgegengesetzten Steigungsrichtung aufweist, welches Innengewinde
sich mit der mit einem Außengewinde
versehenen, unverdrehbaren Spindel im Eingriff befindet, wobei das
Spindelrohr mit der Antriebswelle drehfest, jedoch relativ zur Antriebswelle
axial verschiebbar verbunden ist.
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Derartige
teleskopisch bewegliche Konstruktionen gewinnen immer mehr an Bedeutung,
da die Nachfrage nach kompakten und beweglichen teleskopischen Konstruktionen
wächst.
Derartige Konstruktionen sind, wie sich aus dem folgenden ergibt, teleskopierbar
zur im Wesentlichen dreifachen Länge,
was sie beispielsweise für
die Höhenverstellung von
Tischen sehr geeignet macht. Sie werden allerdings in verschiedenen
Zusammenhängen
eingesetzt.
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Zu
vielen Zwecken ist es erforderlich oder zumindest wünschenswert,
dass die Mittel zum Drehen des Spindelrohrs und somit zur Erzeugung
der teleskopischen Bewegung an einem Ende der Konstruktion angeordnet
sind, und dass die Mittel zum Drehen des Spindelrohrs relativ zu
diesem Ende des Spindelrohrs ortsfest sind. Im Weiteren ist es von Vorteil,
dass die Mittel zum Drehen des Spindelrohrs in axialer Richtung
verschiebbar mit dem Rohr verbunden sind, damit keine Last auf den
Antriebsmechanismus in axialer Richtung übertragen wird. Dies bedeutet,
dass Zahnräder
und dergleichen nicht zur Standhaltung eines Stoßes in axialer Richtung dimensioniert
werden müssen.
Falls z.B. ein höhenverstellbarer
Tisch während
des Transports oder dergleichen von wenigen Zentimetern fallen gelassen
wird, ist der Antriebsmechanismus beschädigungsanfällig, wenn diese axiale Kraft
auf Zahnräder
oder dergleichen übertragen
wird. Deswegen müssen
höhenverstellbare
Tische zur Standhaltung eines Falls gemäß einer sogenannten Fallprüfung dimensioniert
werden, eine teleskopisch bewegliche Konstruktion, die verschiebbar
zum Antriebssystem verbunden ist, muss jedoch lediglich zur Standhaltung
der Kräfte des
Einziehens oder der Teleskopierung der Konstruktion dimensioniert
werden, was z.B. bedeutet, dass sich die Konstruktion mit Nylon-Zahnrädern ausbilden
lässt,
die viel kostengünstiger
sind als Stahl-Zahnräder.
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Aus
dem US-Patent 3404580 ist ein Aktuator bekannt, in welchem ein erstes
Gewindespindelrohr von einer Vielkeilwelle drehangetrieben wird,
die sich gleitbar in einem Vielkeilloch an einem Ende des Spindelrohrs
im Eingriff befindet. Das Spindelrohr steht mit einer unverdrehbaren
Mutter im Eingriff, und ein zweites, unverdrehbares Spindelrohr
steht mit einem Innengewinde des ersten Spindelrohrs im Eingriff,
wobei das Innen- bzw. Außengewinde
des ersten Spindelrohrs unterschiedliche Richtungen aufweisen.
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Nachteilig
bei diesem Aktuator ist, dass das Spindelrohr von einer Vielkeilwelle
eines geringen Durchmessers angetrieben wird, die keine hohen Drehmomente übertragen
kann, weil dies zu Festklemmen führen
wird, so dass die Vielkeilwelle nicht in das Vielkeilloch gleiten
kann.
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Aus
der
DE 39 10 814 A1 ist
ebenfalls ein Linearaktuator bekannt, in welchem ein erstes Gewindespindelrohr
von einer Vielkeilwelle drehangetrieben wird, die sich verschiebbar
in einem Vielkeilloch an einem Ende des Spindelrohrs im Eingriff
befindet. Das Spindelrohr steht mit einer unverdrehbaren Mutter
im Eingriff, und ein zweites, unverdrehbares Spindelrohr steht im
Eingriff mit einem Innengewinde des ersten Spindelrohrs, wobei das
Innen- bzw. Außengewinde
unterschiedliche Richtungen aufweisen.
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Nachteilig
bei diesem Aktuator ist, dass eine Vielkeilwelle mit geringem Durchmesser
keine hohen Drehmomente übertragen
kann, weil dies zu Festklemmen führen
wird, so dass die Vielkeilwelle nicht in das Vielkeilloch gleiten
kann.
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Das
US-Patent 1708450 beschreibt einen Zahnarztstuhl, der eine justierbare
Unterstützung aufweist,
in welcher ein erstes Spindelrohr drehangetrieben ist, so dass eine
mit diesem im Eingriff stehende, unverdrehbare Mutter, sich entlang
dem Spindelrohr bewegt. Eine unverdrehbare Spindel steht mit einem
Innengewinde der ersten Spindel im Eingriff, und ein System von
Rollen hindert das Drehen der verschiedenen unverdrehbaren Teile.
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Nachteilig
bei dieser Konstruktion ist, dass sie ziemlich kompliziert ist und
große
Dimensionen aufweist, so dass sie nicht zur allgemeinen Anwendung
als teleskopisch bewegliche Konstruktion geeignet ist, und das Antriebsmittel
ist ferner unverschiebbar mit der Spindel verbunden.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine teleskopisch bewegliche
Konstruktion der eingangs genannten Art bereitzustellen, die im
Stande ist, auch gegen eine starke Kraft zu arbeiten, d.h. zur Übertragung
von hohen Drehmomenten im Stande ist.
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Die
erfindungsgemäße teleskopisch
bewegliche Konstruktion ist dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle
einen im Wesentlichen polygonalen Querschnitt mit einem Perimeter
aufweist, der zwei entgegengesetzte Längsspuren zum Eingriff mit drehmomentübertragenden
Rollkörpern
bildet, die in einer im Spindelrohr befestigten Hülse gelagert
sind. Bei Drehmomentübertragung
von der Antriebswelle auf eine im Spindelrohr befestigte Hülse mittels
entgegengesetzter Längsspuren
für den
Eingriff mit drehmomentübertragenden
Rollkörpern
minimiert sich die axiale Reibung, und die Konstruktion ist deshalb
zur Bewegung von verhältnismäßig schweren Objekte
anwendbar, ohne dass eine Festklemmungsgefahr besteht.
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Eine
Ausführungsform
der teleskopisch beweglichen Konstruktion ist dadurch gekennzeichnet, dass
die Antriebswelle einen im wesentlichen rhombischen Querschnitt
aufweist und mit Rollkörpern
in Form von zwei paarweise entgegengesetzten Sätzen von Rollen im Eingriff
steht, wobei die beiden Sätze von
Rollen in der Längsrichtung
der Spindel gegenseitig verschoben sind. Wegen der Axialverschiebung
der Rollenpaaren ist diese Ausgestaltung derart kompakt, dass sie
für die
Anordnung im Inneren des Spindelrohrs geeignet ist.
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Eine
alternative Ausführungsform
der erfindungsgemäßen teleskopisch
beweglichen Konstruktion ist dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle als
ein polygonales, das Spindelrohr frei umschließendes Rohr ausgebildet ist,
wobei die Spuren als Ecken zwischen inneren, benachbarten Seiten ausgebildet
sind. Diese Ausbildung der Antriebswelle ermöglicht die Übertragung eines hohen Drehmoments,
da der Durchmesser der Antriebswelle wesentlich erhöht ist,
wobei die zum Drehen der Spindel erforderliche Kraft deshalb wesentlich
reduziert ist. Die rohrförmige
Antriebswelle lässt
sich somit mit verhältnismäßig dünnen Wandungen
ausbilden, und die Rollen und ihre Lager sind entsprechend vereinfacht.
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Eine
weitere Ausführungsform
der teleskopisch beweglichen Konstruktion ist dadurch gekennzeichnet,
dass die Rollenkörper
aus Kugeln- oder Wälzlagern,
vorzugsweise Rillenkugellagern, gebildet sind, welche sowohl eine
niedrige Reibung als auch eine ausreichende Verschleißbeständigkeit
gewährleisten.
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Eine
Ausführungsform
der teleskopisch beweglichen Konstruktion ist dadurch gekennzeichnet, dass
die Spuren mit einem ebenen Boden und senkrecht zum Boden verlaufenden
Seiten und einer Breite ausgebildet sind, die etwas größer ist
als der Durchmesser eines an einem radial verlaufenden Wellenzapfen
an der Hülse
befestigten Kugellagers.
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Die
Teile, aus denen die teleskopisch bewegliche Konstruktion gebildet
ist, d.h. das Spindelrohr, die Spindel und die Muttern, können gewöhnliche Gewindeteile
sein, aber vorzugsweise ein oder mehrere dieser Teile sind durch
Hydroformen, d.h. Verformung eines Rohres in einer Gießform mittels
eines unter Druck stehenden Fluids, hergestellt. Ein Aktuator, der
durch Hydroformen hergestellte Elemente benutzt, ist in der WO 98/25051
A1 beschrieben. Obwohl die Kosten einer Vorrichtung zur Herstellung
der Teile durch Hydroformen sehr hoch sind, ist dieses Verfahren
bei der Herstellung von größeren Mengen sehr
kosteneffizient, da die Einzelkosten im Vergleich zu gewöhnlichen
Gewindespindeln sehr niedrig sind. Im weiteren ist die Kurvenform
der Wandungen, die bei Hydroformen herstellbare gerundete Spuren
oder Gewinde bilden, für
die Übertragung
von hohen Drehmomenten sehr gut geeignet, ohne dass eine Gefahr
des Festklemmens der Teile besteht, so dass Spindeln mit einer hohen
Steigung verwendet werden können.
Das bedeutet, dass die Konstruktion von eingezogenem in ausgestreckten
Zustand in sehr wenigen Umdrehungen der Antriebswelle angetrieben
werden kann, so dass hiermit verbundenes Geräusch und Verschleiß der Spindeln
minimiert werden. Durch Hydroformen besteht die Möglichkeit, eine
teleskopisch bewegliche Struktur eines sehr geringen Durchmessers
herzustellen, da es mit diesem Herstellungsverfahren möglich ist,
Spindeln herzustellen, die eine sehr geringe Dicke der Wandungen aufweisen,
ohne auf die Festigkeit zu verzichten. Tatsächlich wird eine Spindel mit
einem Durchmesser von 10 mm und einer Wandungsdicke von 1 mm wegen
der Form der Wandung, d.h. Sicken oder gerundeter Spuren in der
Wandung, kräftiger
sein als ein entsprechender massiver Stab. Ein weiterer Vorteil besteht
darin, dass es möglich
ist, Spindeln mit über ihre
Länge wechselndem
Querschnitt herzustellen, beispielsweise mit integrierten "Muttern" am Ende der Spindel
und/oder mit Längsspuren
für Rollen.
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Im
weiteren betrifft die Erfindung die Anwendung einer teleskopisch
beweglichen Konstruktion der vorgenannten Art als Antriebsmittel
in einem höhen verstellbaren
Tisch mit dreiteiligen, teleskopischen Schenkeln, deren Elemente
beim Anheben des Tisches gleichartig teleskopiert werden, und dem Antriebsmittel
die Antriebskraft in einem Bereich unmittelbar unter der Tischplatte
zugeführt
wird. Diese Konstruktion ist für
den Einbau in einen höhenverstellbaren
Tisch besonders geeignet, wobei das Antriebsmittel in einer festen
Position in der axialen Richtung angeordnet wird, was eine Wahlfreiheit
in Bezug auf die Größe des Motors
gewährleistet,
indem der Motor nicht in z.B. ein Tischbein eingebaut werden muss,
und gleichzeitig ist das Antriebsmittel an einem Ende der Konstruktion
angeordnet, was einen Antrieb der teleskopisch beweglichen Konstruktion über Zahnräder oder
dergleichen von einer zentral angeordneten Antriebsvorrichtung erlaubt,
die mehrere teleskopisch bewegliche Konstruktionen antreiben kann.
Im weiteren ist es ein Vorteil der Erfindung, dass die gleichartige
Teleskopierung der Elemente die größtmögliche Stabilität der Konstruktion in
einem teilweise teleskopierten Zustand sichert, indem alle Elemente
annäherungsweise
gleichartig in ihr benachbartes Element oder in ihre benachbarten Elemente
eingesetzt werden.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
erfindungsgemäße teleskopisch bewegliche
Konstruktion, wobei die Konstruktion ganz telskopiert ist,
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2 die
Konstruktion gemäß 1 in
einem teilweise eingezogenen Zustand,
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3 die
Konstruktion gemäß 1 in
einem ganz eingezogenen Zustand,
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4 einen
vergrößerten Querschnitt
durch eine Antriebswelle in einer ersten Ausgestaltung,
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5a und 5b einen
Axial- bzw. einen Querschnitt eines Eingriffs zwischen der Antriebswelle
und einer Hülse
eines Spindelrohrs,
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6a und 6b einen
Axial- bzw. einen Querschnitt bei einer alternativen Ausführungsform eines
Eingriffs zwischen einer Antriebswelle und einer Hülse des
Spindelrohrs,
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7a und 7b einen
Axial- bzw. einen Querschnitt bei einer alternativen Ausführungsform eines
Eingriffs zwischen der Antriebswelle und einer Hülse des Spindelrohrs,
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8a und 8b einen
Axial- bzw. einen Querschnitt bei einer alternativen Ausführungsform eines
Eingriffs zwischen der Antriebswelle und einer Hülse des Spindelrohrs, und
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9a und 9b einen
Axial- bzw. einen Querschnitt bei einer alternativen Ausführungsform eines
Eingriffs zwischen der Antriebswelle und einer Hülse des Spindelrohrs.
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Die
teleskopisch bewegliche Konstruktion 1 umfasst ein Spindelrohr 3 mit
einem Außengewinde, das
mit einer drehfest montierten Mutter 2 im Eingriff steht.
Das Spindelrohr 3 kann mittels einer mit einem Ende des
Spindelrohrs 3 relativ zum Spindelrohr drehfest verbundenen
Antriebswelle 6 relativ zur Mutter 2 gedreht werden,
wobei dessen gleitende Verschiebung in axialer Richtung ermöglicht wird. Beim
Drehen der Antriebswelle 6 wird sich das Spindelrohr 3 somit
geradlinig in axialer Richtung zur Mutter 2 bewegen. Das
Spindelrohr 3 ist im weiteren mit einem Innengewinde 4 mit
einer gegenüber
der Steigungsrichtung des Außengewindes
entgegengesetzten Steigungsrichtung versehen, welches Innengewinde 4 mit
einem entsprechenden Außengewinde an
einer unverdrehbaren Spindel 5 im Eingriff steht, so dass
beim Drehen des Spindelrohrs 3 die Spindel 5 in
der gleichen axialen Richtung als das Spindelrohr 3 verschoben
wird. Das Innengewinde 4 kann wie gezeigt mit einem relativ
zum Spindelrohr 3 drehfest montierten Bund oder einer Mutter
versehen sein. Alternativ kann das ganze Spindelrohr 3 oder ein
Teil hiervon mit einem Innengewinde versehen sein.
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Auf
diese Weise kann die Konstruktion eine Drehbewegung der Antriebswelle 6 in
eine geradlinige Bewegung des Spindelrohrs 3 und der Spindel 5 zur
Mutter 2 umwandeln, wie in der 1 mit Pfeilen gezeigt
ist.
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Aus
den 1 und 3 ergibt sich, dass die Länge der
Konstruktion 1 im Wesentlichen um einen Faktor drei wechseln
kann. Im zusammengeklappten Zustand der Konstruktion ist die Spindel 5 in das
Spindelrohr 3 aufgenommen, das wiederum in ein drehfestes
Rohrelement 7 aufgenommen ist, mit welchem die Mutter 2 verbunden
ist. Das Element 7 kann ein mit dem Spindelrohr 3 im
Eingriff stehendes Innengewinde aufweisen. Dies muss jedoch nicht
der Fall sein, und das Element 7 kann jegliche Ausgestaltung
haben und Teil einer Rahmenstruktur bilden, und das Element 7 kann
im weiteren beim Zusammenklappen und bei der Teleskopierung als
eine Führung
für das
Spindelrohr 3 dienen.
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Eine
derartige teleskopisch bewegliche Konstruktion 1 ist für beispielsweise
höhenverstellbare Tische
oder dergleichen, wobei die Konstruktion 1 zur Ausdehnung
und zum Zusammenklappen durch Drehen der an einem Ende der Konstruktion 1 angeordneten
Antriebswelle 6 betätigt
wird, besonders geeignet, insbesondere weil sich die Antriebswelle 6, 6' nicht in axialer
Richtung bewegt.
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Um
eine teleskopisch bewegliche Konstruktion 1 zu erreichen,
die auch unter Belastung durch eine verhältnismäßig geringe Kraft angetrieben
werden kann, sind die Muttern 2 und 4 vorteilhaft
der Art, die umlaufende Kugeln aufweisen. Es reicht jedoch aus,
dass die Gewinde eine bestimmte Reibung oder Verriegelung aufweisen,
so dass die Konstruktion 1 nicht zusammengeklappt oder
teleskopiert wird, wenn sie einer Beanspruchung in axialer Richtung ausgesetzt
ist. Eine andere Weise, auf die die Reibung zwischen den Elementen
reduziert werden kann, ist durch die Anwendung von reibungsarmen Werkstoffen
für die
Muttern 2, 4, und/oder durch die Beschichtung
der Gewinde der Spindeln 3, 3', 5 mit einem reibungsarmen
Werkstoff.
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Ein
wichtiges Aspekt der erfindungsgemäßen teleskopisch beweglichen
Konstruktion 1 ist die Minimierung der axialen Reibung
zwischen der Antriebswelle 6, 6' und dem Spindelrohr 3, 3'. Verschiedene
Ausbildungen von Mitteln zur Reduzierung dieser Reibung sind in
den 5 bis 8 schematisch
dargestellt. Bei der in den 5a und 5b gezeigten Ausführungsform
weist die Antriebswelle 6 einen im Wesentlichen diamantförmigen Querschnitt
auf. Zwei Sätze
von paarweise entgegengesetzten Rollen 10 sind in einer
Hülse 11 gelagert,
die in das Spindelrohr 3 eingesetzt ist. Die beiden Sätze von
Rollen 10 sind in der Längsrichtung
des Spindelrohrs 3 axial verscho ben, wobei der Durchmesser
der Hülse 11 soweit
reduziert werden kann, bis die Hülse 11 in
das feste Rohr 7 aufgenommen werden kann.
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Im
weiteren kann zur Minimierung der Reibung und des Verschleißes der
Konstruktion das Spindelrohr 3 in einem nicht dargestellten
Drucklager in der Mutter 4 gelagert werden.
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Bei
den in 6, 7 und 8 gezeigten Ausführungsformen ist die Antriebswelle 6' als ein das
Spindelrohr 3' umgebendes
Rohr ausgestaltet, ist jedoch innerhalb des rohrförmigen Elementes 7' angeordnet.
Die Antriebswelle 6' weist,
wie in den 6b, 7b und 8b gezeigt,
einen polygonalen Querschnitt in Form eines Achtecks auf. Vier der Kanten
bilden Spuren, in denen entgegengesetzte Rollenpaare 10 verlaufen
können
und somit ein Drehmoment auf die Hülse 11 übertragen
können,
in der die Rollen 10 gelagert sind. Die achteckige Form stellt
einen Kompromiss dar, indem sie eine sichere Führung der Rollen 10 sowie
begrenzte Platzanforderungen zwischen dem fixierten Rohr 7 und
dem Spindelrohr 3' ermöglicht.
Andere Ausgestaltungen der rohrförmigen
Antriebswelle 6' sind
jedoch im Rahmen der Erfindung möglich,
wenn nur eine entsprechende Längsspur,
die die Rollen 10 verfolgen können, gewährleistet ist. Bei den Ausführungsformen
mit der Antriebswelle 6' ist
die Lagerung der Rollen 10 besonders einfach, da sie lediglich
in Rillen in der Hülse 11 ruhen.
Die rohrförmige
Welle 6' ist
an ihrem Ende mit einem Verschluss versehen, in dessem Zentrum eine
sechseckige Welle 6'' montiert ist
und einen Teil der Verbindung mit einem nicht dargestellten Antriebsmotor
oder einer Transmission bildet. Eine Ausführungsform mit nur zwei Rollen 10 ist
in den 9a und 9b gezeigt.
Die Rollen 10 laufen eine Rille in der Antriebswelle 6' durch.
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Bei
einer besonderen Ausführungsform
sind die Rollen 10 als an einer Hülse im Spindelrohr 3' angeordnete
Rillenkugellager ausgebildet. Die Kugellager grenzen an den Boden
einer verhältnismäßig flachen
Spur in der rohrförmigen
Antriebswelle 6' an,
indem sie an der Seitenfläche
gegen den Boden der Spur ruhen. Der Außenring des Kugellagers rollt
entlang der einen oder der anderen Seite der Spur, abhängig von
der Antriebsrichtung, in der die rohrförmige Welle 6' das Spindelrohr 3' antreibt. Das
Kugellager ist an einem senkrecht zur Achse des Spindelrohrs 3' und axial von
diesem Spindelrohr ausgehend gerichteten Wellenzapfen befestigt.
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Wie
vorstehend erwähnt
können
die Spindeln gewöhnliche
Gewindespindeln sein, die Gewinde der Spindeln sind jedoch vorteilhaft
durch Hydroformen, d.h. Verformung eines Rohres in einer Gießform mittels
eines unter Druck stehenden Fluids, hergestellt. Die Kosten einer
Vorrichtung zur Herstellung der Elemente durch Hydroformen sind
sehr hoch, dieses Verfahren ist jedoch bei der Herstellung von größeren Mengen
sehr kosteneffizient, da die Einzelkosten im Vergleich zu gewöhnlichen
Gewindespindeln sehr niedrig sind. Im weiteren ist die Kurvenform der
Wandungen, die bei Hydroformen herstellbare gerundete Spuren oder
Gewinde bilden, für
die Übertragung
von hohen Drehmomenten sehr gut geeignet, ohne dass eine Gefahr
des Festklemmens der Teile besteht, so dass Spindeln mit einer hohen
Steigung verwendet werden können.
Das bedeutet, dass die Konstruktion von eingezogenem in ausgestreckten
Zustand in sehr wenigen Umdrehungen der Antriebswelle angetrieben
werden kann, so dass hiermit verbundenes Geräusch und Verschleiß der Spindeln minimiert
werden. Durch Hydroformen besteht die Möglichkeit, eine teleskopisch
bewegliche Struktur eines sehr geringen Durchmessers herzustellen,
da es mit diesem Herstellungsverfahren möglich ist, Spindeln herzustellen,
die eine sehr geringe Dicke der Wandungen aufweisen, ohne auf die
Festigkeit zu verzichten. Tatsächlich
wird eine Spindel mit einem Durchmesser von 10 mm und einer Wandungsdicke
von 1 mm wegen der Form der Wandung, d.h. Sicken oder gerundeter
Spuren in der Wandung, kräftiger
sein als ein entsprechender massiver Stab. Ein weiterer Vorteil
besteht darin, dass es möglich
ist, Spindeln mit über
ihre Länge
wechselndem Querschnitt herzustellen, beispielsweise mit integrierten "Muttern" am Ende der Spindel
und/oder mit Längsspuren
für Rollen.
Das bedeutet, dass die teleskopisch bewegliche Konstruktion aus
wenigen, einen sehr geringen Durchmesser aufweisenden Teilen hergestellt
werden kann, was sie optimal für
einen Einbau macht.