Hintergrund der Erfindung
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Viele moderne Maschinen, von Datendruckern bis
Positioniereinrichtungen, Robotern und dergleichen, erfordern ein
Element, um bei relativ hohen Geschwindigkeiten und mit
beträchtlicher Genauigkeit eine Hin- und Herbewegung
auszuführen. Heutige Standards erfordern, daß solche Geräte eine gute
Positionierwiederholbarkeit, Zuverlässigkeit und lange
Lebensdauer aufweisen. Ein typisches Element, um dieses zu
erreichen, ist eine auf eine Leitspindel geschraubte spielfreie
Mutter, die sich hin- und herbewegt, wenn sich die Spindel
dreht.
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Ein derartiges Element ist in unserem U. S. Patent
4,131,031 offenbart, welches eine spielfreie Mutternanordnung
beinhaltet, welche einer Vorwärts- und
Rückwärts-Translationsbewegung entlang einer Leitspindel als Antwort auf die
Rotation der Spindel unterliegt. Die Mutter selbst ist in
zwei Hälften unterteilt, wovon beide Innengewindegänge
aufweisen, die komplementär zu dem Gewindegang auf der Spindel
sind. Die zwei Teile oder Hälften der Mutter werden auf der
Spindel gehalten, indem sie in radialer Richtung von einem
Abstandshalter in der Form eines Rohres oder einer Manschette
gesichert werden. Eine Feder wird zur Aufbringung einer
axialen Vorspannkraft in der Längsrichtung der Spindel verwendet,
welche die Mutternhälften auseinanderdrückt, um das Spiel zu
minimieren oder eliminieren.
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Obwohl sich die gemäß unserem vorstehend angegebenen
Patent hergestellten spielfreien Muttern als zufriedenstellend
erwiesen haben, sind sie doch wegen der verwendeten Feder
etwas eingeschränkt. Die Feder spannt die Mutternhälften
auseinandergerichtet vor, um deren Gewindeflanken gegen
gegenüberliegende Gewindeflanken der Leitspindel zu drücken. Wenn
eine Last auf eine der Mutternhälften ohne vorhandene Feder
aufgebracht würde, würde die gegenüberliegende Mutternhälfte
sich im Bezug auf die erste Mutternhälfte verschieben, da
nichts vorhanden ist, um sie festzuhalten. Das
Spielfrei
heits-Merkmal der Erfindung hängt von der axialen Kraft der
Feder selbst ab. Da die Last durch die Feder hindurch
übertragen wird, bewirkt eine Feder mit hoher Kompressibilität
oder Steifigkeit eine zu große Reibungskraft, und somit einem
Wirkungsgradverlust. Umgekehrt würde eine zu schwache Feder
das Spiel nicht adäquat reduzieren. Somit ist der
Spielfreiheitsaspekt nur so gut wie der die Kraft der Feder. Mit
diesem Problem befaßt sich die vorliegende Erfindung.
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Ein weiteres Element ist in unserem U. S. Patent 4,353,264
zu finden, in welchem wir eine spielfreie Mutternanordnung
offenbart haben, welche ebenfalls einer Translationsbewegung
entlang einer Spindel als Reaktion auf die Rotationsbewegung
der Spindel unterliegt. Der Mechanismus verwendet eine
Mutter, welche in zwei Hälften unterteilt ist, welche intern mit
demselben Gewindegang und Windungssinn wie die Spindel
versehen sind. Die zwei Mutternhälften werden in der radialen
Richtung von einem Abschnitte der Mutternhälften umgebenden
koaxialen Zylinder gehalten. Zusätzlich ist ein Abstandhalter
auf der Halterungseinrichtung zwischen den Mutternoberflächen
befestigt, und ist zumindest gegen eine der Oberflächen
vorgespannt, um jeden Spalt zu schließen, welcher zwischen dem
Gewindegang der Spindel und dem Gewindegang der Mutter
auftreten könnte. Somit wird die Vorspannung durch die
Verwendung einer Anzahl mechanischer Elemente erreicht.
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Immer dann, wenn eine Anzahl von Elementen für den Aufbau
dieser Vorspannung verwendet wird, sind diese hinsichtlich
der axialen Steifigkeit aufgrund von mechanischen und
Fertigungspassungsproblemen inhärent schwach. Die ideale
spielfreie Mutter würde eine unbegrenzte axiale Steifigkeit in der
Weise aufweisen, daß dann, wenn eine Last in beiden
Richtungen aufgebracht wird, keine erkennbare Bewegung aufgrund der
Elastizität der Mutter selbst auftreten würde. Der
Spielfreiheitsaspekt der Mutter ist nur so gut, wie die Steifigkeit
der Mutter, welche erzeugt wurde. Es ist die Absicht dieser
Erfindung ein derartiges Problem zu lösen.
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Der am nächsten kommende Stand der Technik kann von GB-A-
2 105 816 dargestellt werden, wovon die nachstehenden
Merkmale bekannt sind:
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Eine spielfreie Mutter ist für die Ausführung einer
bidirektionalen Translationsbewegung entlang einer
Rotationsspindel mit Außengewindegängen vorgesehen. Die Mutter weist zu
den Spindelgewindegängen komplementäre Innengewindegänge auf.
Die Mutter weist auf: zwei Mutternhälften, wobei jede die
Innengewindegänge besitzt und als eine Einheit und relativ
zueinander auf der Spindel beweglich ist, und eine
Torsionsfeder die zwei Mutternhälften verbindet, um deren
Relativrotation auf der Spindel in entgegengesetzte Richtungen auf eine
geschlossene Anschlagsposition hin zu bewirken, um das Spiel
zwischen den Spindelgewindegängen und den Innengewindegängen
auf der Mutter aufzuheben.
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Die vorliegende Erfindung ist durch die Merkmale des
Kennzeichnungsabschnittes von Anspruch 1 gekennzeichnet.
Zusammenfassung der Erfindung
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Die Erfindung beruht auf einer spielfreien Mutter, welche
für die Ausführung ein bidirektionalen Translationsbewegung,
d. h., eine Hin- und Herbewegung entlang einer drehbaren
Leitspindel ausgelegt ist. Die Mutter weist interne Gewindegänge
auf, welche komplementär zu dem Gewindegang auf der Spindel
sind. Die Mutter selbst weist zwei Mutternhälften auf, welche
als eine Einheit entlang der drehbaren Leitspindel beweglich
sind, und auch relativ zueinander auf der Spindel verdrehbar
sind.
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Es gibt Einrichtungen, welche die Mutternhälften
verbinden, um deren Relativrotation auf der Spindel in
entgegengesetzten Richtungen auf eine geschlossene Position hin zu
bewirken, wobei das Spiel zwischen den Gewindegängen der
Spindel und den Gewindegängen der Mutter aufgehoben wird. Eine
Torsionsfeder wurde verwendet, um in ausreichendem Maße die
Rotation zu bewirken.
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Zusätzlich befinden sich Einrichtungen zwischen den
Mutternhälften, um deren relative Rotationsbewegung zu
begrenzen, wenn sie sich in der geschlossenen Teleskopposition
befinden, um das Wiederauftreten des Spiels zu verhindern. Eine
elastomerische Unterlegscheibe mit hoher Reibung zwischen den
Mutternhälften wurde für diesen Zweck verwendet.
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In einer Ausführungsform der Erfindung weist eine
Mutternhälfte eine Planscheibe zur Befestigung der Mutter an
einer Last auf.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung
verschiebt sich eine der Mutternhälften teleskopartig drehend
innerhalb der anderen.
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In noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung
weist jede von den Mutternhälften eine sich quer zu der
Spindel erstreckende Fläche auf, wovon mindestens eine dieser
Flächen mit einer elastomerischen Material mit hoher Reibung
beschichtet ist.
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Die vorstehenden und weiteren Merkmale der Erfindung
einschließlich verschiedener und neuer Details hinsichtlich
Konstruktion und Kombination von Teilen, werden nun spezifischer
unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben
und in den Ansprüchen ausgeführt. Es versteht sich, daß die
die Erfindung verkörpernde spezifische spielfreie
Mutternanordnung nur im Rahmen eines Beispiels und nicht als
Einschränkung der Erfindung dargestellt ist. Die Prinzipien und
Merkmale dieser Erfindung können in abgewandelten zahlreichen
Ausführungsformen angewendet werden, ohne von dem
Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, welcher in den Ansprüchen
beansprucht ist.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Fig. 1 ist ein Seitenaufriß einer spielfreien
Mutternanordnung auf einer Leitspindel, welche die Erfindung
darstellt.
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Fig. 2 ist die spielfreie Mutter von Fig. 1, dargestellt
in einer Explosionsansicht und teilweise im Schnitt.
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Fig. 3 ist eine detaillierte Schnittansicht in einem
vergrößerten Maßstab von zwei Hälften einer spielfreien Mutter
und der Leitspindel von Fig. 1.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Unter Bezugnahme auf Fig. 1 und 2 wird nun eine die
Erfindung verkörpernde spielfreie Mutter beschrieben. Eine
Leitspindel 10 mit Rechtsgewinde ist als Träger einer
allgemein mit 12 bezeichneten spielfreien Mutternanordnung
dargestellt. Die Mutter weist einen ersten oder linken
Mutternabschnitt 14 und einen zweiten oder rechten Mutternabschnitt 16
auf, welche in bidirektionaler Translationsbewegung entlang
der Spindel 10 durch die Rotation der Spindel vorwärts und
rückwärts bewegt werden. Die Mutternabschnitte 14 und 16
werden auch als Mutternhälften bezeichnet. Die linke
Mutternhälfte weist eine Planscheibe 18 zur Verbindung der Mutter
mit einer von der Leitspindel hin und her zu bewegenden Last
auf. Ein runder Abschnitt 20 ragt aus der rechten Oberfläche
der Planscheibe 18 hervor. Ein zweites zylindrisches Element
22 (Fig. 2) ragt aus dem runden Element 20 hervor, und endet
in einer runden oder ringförmigen flachen Fläche 24, welche im
rechten Winkel zu der Achse α der Leitspindel 10 ausgebildet
ist. Eine runde Bohrung 26 ist in der Fläche 24 des
zylindrischen Elementes 22 ausgebildet, und endet an einer Wand 27
(Fig. 2).
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Der Mittelpunkt der Planscheibe 18, das zylindrische
Element 20 und ein Abschnitt des zylindrischen Elementes 22 sind
mit den Innenspindelgewindegängen 29 entlang der Achse α
ausgebildet. Sie weisen dieselbe Größe und denselben
Windungssinn, wie die Gewindegänge auf der Leitspindel 10 auf. Eine
kleine Bohrung 30 ist in dem runden Abschnitt 20 ausgebildet.
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Es wird nun die rechte Mutternhälfte 16 beschrieben. Sie
enthält einen zylindrischen Abschnitt 40 und einen zweiten
kleineren zylindrischen Abschnitt 42. Das Innere der
Muttern
hälfte 16 ist ebenfalls mit Gewindegängen 31 derselben Größe
und desselben Windungssinns wie die Gewindegänge der
Leitspindel 10 versehen. Der zylindrische Abschnitt 40 weist eine
ebene Fläche 44 auf, die senkrecht zu der Achse α der
Leitspindel und den Gewindegängen 31 ausgebildet ist. Die Fläche
44 und die Fläche 24 sind parallel und können miteinander in
Eingriff kommen, wenn die Mutternhälften zusammengebaut
werden, wie es später noch erläutert wird. In dem zylindrischen
Abschnitt 40 ist eine zweite kleine Bohrung 48 ausgebildet.
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Eine Antireibungseinrichtung ist in der Form einer
elastomerischen Unterlegscheibe 50 mit hoher Reibung vorgesehen.
Sie weist eine runde Bohrung 52 nur leicht größer als der
Durchmesser des zylindrischen Abschnittes 42 der
Mutternhälfte 14 in der Weise auf, daß die elastomerische
Unterlegscheibe über den zylindrischen Abschnitt 42 geschoben und an
der Fläche 44 anliegen kann, wenn die Mutterhälften
zusammengebaut werden. Sie liegt dann ebenfalls an der Fläche oder
dem runden Ring 24 an. Eine Torsionsfeder 60 mit Mitnehmern
62 und 64 ist vorgesehen, um die Relativrotation (in
entgegengesetzter Richtung) der zwei Mutternhälften auf der
Spindel zu bewirken, wenn sie gemäß Darstellung in Fig. 1
zusammengebaut werden.
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Jede von den Mutternhälften 14, 16 wird auf die
Leitspindel 10 gemäß Darstellung in Fig. 1 aufgeschraubt, wobei der
zylindrische Abschnitt 42 der rechten Mutternhälfte in die
zylindrische Öffnung 26 in der linken Mutternhälfte
teleskopartig eindringt. Der Torsionsfeder 60 wird eine Verdrehung
gegeben, um sie leicht anzuspannen. Der Mitnehmer 62 wird in
die Bohrung 60 eingesetzt, und der Mitnehmer 64 wird in die
Bohrung 48 eingesetzt. In der in Fig. 3 dargestellten
zusammengebauten Position ist die elastomerische Unterlegscheibe
50 zwischen der Fläche 24 auf der Mutternhälfte 14 und der
Fläche 46 auf der Mutternhälfte 16 angeordnet, wobei die
Teile in einer geschlossenen Anschlagsposition gegenüber der
Unterlegscheibe 50 aufgrund dessen angeordnet sind, daß die
Torsionsfeder die Mutternhälften in entgegengesetzten
Richtungen dreht.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung besteht in der
Beschichtung der Flächen 24, 44 der Mutternhälften mit einem
elastomerischen Material hoher Reibung, wie z. B. durch
Sprühen. Somit könnte die elastomerische Unterlegscheibe 50 mit
hoher Reibung ersetzt werden.
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Obwohl die eine Torsion bewirkende Einrichtung als eine
herkömmliche Torsionsfeder 60 mit Mitnehmern 62 und 64
dargestellt ist, könnte jede äquivalente Einrichtung verwendet
werden, um eine entgegengesetzte Rotation der Mutternhälften
zu bewirken, wie z. B. eine vorgespannnte elastomerische Hülse
oder elastomerische Binder, die an den Mutterhälften unter
Vorspannung befestigt sind.
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Gemäß Fig. 3 wird, wenn sich die Torsionsfeder in der in
Fig. 1 dargestellten zusammengebauten Position befindet, die
linke Mutternhälfte zu einer Drehung in die Richtung des nach
unten weisenden Pfeils auf der Mutternhälfte veranlaßt. Die
Mutternhälfte 16 wird zu einer Drehung in die Richtung des
aufwärts weisenden Pfeils auf der Mutternhälfte in Fig. 3
veranlaßt. Die Mutternhälften drehen sich in
entgegengesetzten Richtungen. Spalte zwischen den Flanken der Leitspindel
10 und den Gewindegängen der Mutternhälften 14 werden somit
aufgehoben, wenn ein Eingriff bei a-a und b-b erfolgt.
Umgekehrt führt dieses, da die Mutternhälfte 16 zu einer Drehung
in die entgegengesetzte Richtung veranlaßt wird, zu einem
Eingriff der Gewindegangflanken bei c-c und d-d, wobei sich
die Mutternhälften in die Richtung der Pfeile e und f, mit
anderen Worten, aufeinander zu bewegen. Dieses setzt sich
fort, während sich die Fläche 24 der Mutternhälfte 14 auf die
Fläche der. Mutternhälfte 16 zu bewegt. Die Mutternhälften
kommen dann zu einem Aufliegen auf den gegenüberliegenden
Oberflächen der elastomerischen Unterlegscheibe 50 mit hoher
Reibung. Wenn die Unterlegscheibe nicht verwendet wird, und
das gesprühte Reibungsmaterial mit hoher Reibung verwendet
wird, stoßen die Flächen 24 und 44 aneinander an. Dieses wird
als die verriegelte Position bezeichnet, worauf keine weitere
Relativrotation der Mutternhälften 14, 16 stattfindet. Sie
sind gegen die Gewindegangflanken bei a-a, b-b, c-c und d-d
verspannt. Es findet keine weitere Rotation statt, und was
noch wichtiger ist, es findet keine Rückwärtsrotation wegen
des Kontaktes mit hoher Reibung zwischen der Unterlegscheibe
50 und den Flächen 24, 44 oder den beschichteten Flächen
selbst statt. Eine Rotation der Leitspindel 10 in der
Richtung des aufwärtsweisenden Pfeiles (d. h., im Uhrzeigersinn in
Fig. 3 von rechts aus gesehen) bewirkt, daß sich die
Mutternhälften nach rechts als eine Einheit bewegen, und jede Last
transportieren, welche an der Planscheibe 18 der
Mutternhälfte 14 befestigt ist.
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Am Ende der Querbewegung der Leitspindel 10 nach rechts,
wobei die Mutternhälfte 14 die Mutternhälfte 16 gemäß
Darstellung in Fig. 3 über die gesamte Länge der Leitspindel
nach rechts drückt, wird die Richtung der Leitspindel
umgekehrt. Zu diesem Zeitpunkt stehen die Gewindegangflanken noch
bei c-c, d-d in Eingriff und es wird keine spielbedingte
Bewegung verloren, da diese Oberflächen sich bereits in einem
engen Kontakt befinden. Die in dieser Weise verspannten
Mutternhälften erzeugen einen Keileffekt und eine Verriegelung
des Zweimutternsystems.
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Wenn die Verkeilung nicht erfolgen würde, würden die
Muttern unabhängig voneinander arbeiten, und es würde aufgrund
der Spalte zwischen den Gewindegangflanken ein Spiel
auftreten. Die auf die linke Mutternhälfte 14 oder
Befestigungsmutter aufgebrachte Last würde lediglich die rechte
Mutternhälfte 16 zu einer Rotation im Bezug auf die linke veranlassen.
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Jedoch wird durch die Verwendung der elastomerischen
Unterlegscheibe 50 mit hoher Reibung oder der beschichteten
Flächen 24, 44 in Verbindung mit der Fähigkeit der
Torsionsfeder, eine Mutternhälfte in Bezug auf die andere zu drehen,
um einen engen Kontakt zwischen den zwei Mutternhälften mit
der elastomerischen Reibungsunterlegscheibe und mit den in
Eingriff stehenden Gewindegangflanken aufrechtzuerhalten, das
Spiel eliminiert.
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Demzufolge passiert jede an die linke Mutternhälfte 14
angelegte axiale Kraft die Reibungsunterlegscheibe 50 bevor
sie die rechte Mutternhälfte 16 erreicht. Die Reibung
beschränkt die Fähigkeit der rechten Mutternhälfte sich im
Bezug auf die linken Mutternhälfte zu drehen.
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Wenn ein Verschleiß an den Kontaktflächen a-a, b-b, c-c,
d-d der Gewindemutterhälften und der Spindelflanken auftritt,
erscheinen, da die Torsionsfeder 60 konstant auf die
Mutternhälften einwirkt, um sie gegen die Flanken der
Gewindespindelgänge zu drücken, keine Spalten an den Kontaktbereichen.
Die auf die elastomerische Unterlegscheibe 50, oder in der
Alternative auf die beschichteten Oberflächen 24, 44
aufgebrachte Kraft nimmt jedoch tendenziell ab, was es der
Torsionsfeder 60 ermöglicht, die Mutternhälften eher weiter
zusammenzudrehen, statt das Auftreten eines Spaltes an der
Unterlegscheibe 50 oder an den beschichteten Oberflächen 24, 44
zu erlauben. Demzufolge hängt das System nicht von der Kraft
einer Kompressionsfeder wie unserem früheren Patent U. S.
4,131,031 ab. Ein Verschleiß wird kompensiert und nur eine
relativ niedrige Verriegelungskraft benötigt, um die
Steifigkeit des Systems zu bewahren.
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Durch ihre Einfachheit, das Fehlen zahlreicher Teile und
die Art der Funktion werden die Probleme unseres U. S.
Patentes 4,353,264 vermieden.