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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Eine
derartige Vorrichtung ist aus der
DE 37 39 059 A1 bekannt. Diese Vorrichtung
dient zur Umwandlung einer Drehbewegung in eine Axialbewegung oder
umgekehrt. Als wesentliche Komponenten umfasst die Vorrichtung eine
eine Außenprofilierung aufweisende
Spindel, eine die Spindel umgebende und relativ zu dieser drehbare,
eine Innenprofilierung aufweisende Mutter und dazwischen angeordnete Wälzkörper, welche
unterschiedliche Profilierungen aufweisen, von welchen die eine
einen axialen Kraftschluss mit der Außenprofilierung der Spindel
und die andere einen axialen Kraftschluss mit der Mutter herstellt.
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Die
so ausgebildete Vorrichtung bildet einen Gewindetrieb, welchem ein
Elektroantrieb zugeordnet sein kann, dessen Drehbewegung durch den
Gewindetrieb in eine langsame Axialbewegung umgesetzt wird.
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Hierbei
wälzen
die Wälzkörper, die
endseitig in Abstandsscheiben drehbar gelagert sind, mit einer bestimmten
Umlaufgeschwindigkeit auf dem die Außenprofilierung aufweisenden
Mantel der Spindel um. Dabei sind die ersten Profilierungen der
Wälzkörper in
der Außenprofilierung
der Spindel geführt.
Die Profilierungen der über
den Umfang der Spindel verteilten, vorzugsweise an äquidistanten
Winkelscheiben zueinander liegenden Wälzkörper weisen einen axialen Versatz
auf.
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Der
axiale Versatz der Profilierungen der einzelnen Wälzkörper leitet
sich von der Steigung der Außenprofilierung
der Spindel ab. Dadurch bilden die Wälzkörper in ihrer Gesamtheit ein
Gewinde für
die Spindel. Das Gewinde ist damit nicht von der Innenprofilierung
der Mutter gebildet. In dieser Innenprofilierung laufen vielmehr
die zweiten Profilierungen der Walzkörper.
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Bei
der so ausgebildeten Vorrichtung laufen die Wälzkörper entsprechend dem Käfig eines
Kugellagers um. Diese Bewegung ist langsamer als die Drehbewegung
der Spindel. Erst nach einem vollständigen Umlauf der Wälzkörper hat
sich die Spindel um den Betrag der Steigung deren Außenprofilierung
in axialer Richtung verschoben. Die effektive Steigung der Vorrichtung
ist somit kleiner als die Steigung der Außenprofilierung der Spindel.
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Wird
ein derartiger Gewindetrieb unter Last betrieben, so bewirken die
wirkenden Lastkräfte, dass
die Profilierungen der Wälzkörper spielfrei
an der Außenprofilierung
der Spindel beziehungsweise der Innenprofilierung der Mutter anliegen,
das heißt es
existiert nur ein geringer Schlupf zwischen diesen Komponenten.
Dieser Schlupf liegt in der Größenordnung
von 1% bis 2% und ist einigermaßen
gleichmäßig, das
heißt
ohne Sprünge
und hat keine negativen Auswirkungen auf eine Regelung der Linearposition des
Gewindetreibes, so dass eine exakte und reproduzierbare Umsetzung
der Drehbewegung eines Antriebs in eine Axialbewegung gewährleistet
ist.
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Im
lastfreien Zustand existiert jedoch ein Spiel zwischen der Spindel
und den Wälzkörpern, wodurch
der Schlupf in einem großen
Bereich variieren kann. Die effektive Steigung des Gewindetriebs kann
damit zwischen dem Wert Null als erstem Extremwert und der Steigung
der Spindel als zweitem Extremwert liegen.
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Der
erste Extremwert wird erhalten, wenn die Wälzkörper in der Mutter durchrutschen
und auf der Spindel stehen. Der zweite Extremwert wird erhalten, wenn
die Wälzkörper in
der Mutter stehen und auf der Spindel durchrutschen.
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Durch
einen derartigen Schlupf nimmt nicht nur der Verschleiß des Gewindetriebs
zu. Vielmehr ergeben sich dadurch auch Positionierfehler bei Positioniervorgängen, die
allgemein im lastfreien Betrieb des Gewindetriebs durchgeführt werden.
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Um
diese Probleme zu entschärfen
wird in der Praxis versucht, die Komponenten des Gewindetriebs so
zu fertigen, dass die Profilierungen der Wälzkörper spielfrei in der Außenprofilierung
der Spindel beziehungsweise in der Innenprofilierung der Mutter
liegen. Dies setzt jedoch eine sehr toleranzarme Fertigung dieser
Komponenten voraus, wodurch die Herstellkosten des Gewindetriebs
erhöht
werden. Aufgrund nie völlig
auszuschließender
Toleranzen bei der Fertigung kann es zudem zu Verspannungen der
in die Außenprofilierung
der Spindel oder die Innenprofilierung der Mutter greifenden Profilierungen der
Wälzkörper kommen.
Dadurch treten stark erhöhte
Reibungskräfte
auf, wodurch die erforderliche Antriebsleistung für den Gewindetrieb
ebenfalls erhöht
wird. Der Wirkungsgrad des Gewindetriebs sinkt hierdurch. Die erhöhte Reibung
führt zu
einem erhöhten
Verschleiß und
dadurch bedingt zu einer reduzierten Lebensdauer des Gewindetriebs.
Weiterhin wird durch die infolge der Reibungskräfte auftretenden höheren Temperaturen
die maximale Gebrauchsdauer der zur Schmierung notwendigen Fette
reduziert.
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Die
DE 10 2006 060 681
B3 betrifft eine Vorrichtung zur Umwandlung einer Drehbewegung
in eine Axialbewegung oder umgekehrt. Diese Vorrichtung weist eine
eine Außenprofilierung
aufweisende Spindel, sowie eine die Spindel umgebende und relativ
zu dieser drehbarem eine Innenprofilierung aufweisende Mutter auf.
Dazwischen sind Wälz-
oder Rollkörper
angeordnet, welche zwei unterschiedliche Profilierungen aufweisen,
von welchen die eine einen axialen Kraftschluss zur Außenprofilierung
der Spindel und die andere einen axialen Kraftschluss zur Innenprofilierung
der Mutter herstellt. Hierbei ist wenigstens ein Dichtmittel vorgesehen,
welches mit der Umlaufgeschwindigkeit der Wälz- oder Rollkörper drehend auf der Spindel
gleitet.
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Die
DE 13 01 789 A betrifft
eine Vorrichtung zum Prägepolieren
einer Gewindespindel mit einem Träger des Muttergewindes und
zwischen Mutter- und Spindelgewinde eingefügten nachstellbaren Wälzkörpern. Beim
Prägepolieren
der Spindel wird eine Hohlschraube derart angezogen, dass die Planetenwalze
in leichter Vorspannung an den im späteren Getriebe aktiven Gewindeflanken
der Gewindespindelkämme
anliegt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Funktionalität der Vorrichtung
der eingangs genannten Art mit möglichst
geringem konstruktivem Aufwand zu verbessern.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte
Ausführungsformen
und zweckmäßige Weiterbildungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
dient zur Umwandlung einer Drehbewegung in eine Axialbewegung oder
umgekehrt. Die Außenprofilierung
weist eine Spindel mit einer diese umgebenden und relativ zu dieser
drehbaren, eine Innenprofilierung aufweisenden Mutter auf. Dazwischen
sind Wälzkörper angeordnet,
welche zwei unterschiedliche Profilierungen aufweisen, von welchen
die eine einen axialen Kraftschluss zur Außenprofilierung der Spindel
und die andere einen axialen Kraftschluss zur Innenprofilierung
der Mutter herstellt. In der Mutter sind Vorspannmittel gelagert,
welche mit Vorspannkräften
gegen Rillen der Profilierungen der Wälzkörper gedrückt sind, wodurch wenigstens
Segmente der Profilierungen spielfrei an der Innenprofilierung der
Mutter und der Außenprofilierung
der Spindel anliegen. Die Vorspannmittel umfassen einen gegen Rillen
der Profilierungen der Wälzkörper drückenden
Vorspannung sowie ein elastisches Element.
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Durch
die erfindungsgemäßen Vorspannmittel
wird auch im lastfreien Zustand ein geringerer Schlupf des Gewindetriebs
erhalten. Damit können insbesondere im
lastfreien Zustand des Gewindetriebs erfolgende Positioniervorgänge exakt
und reproduzierbar durchgeführt
werden.
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Ein
wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass trotz vorhandenen
Spiels zwischen den Profilierungen der Wälzkörper einerseits und der Innenprofilierung
der Mutter beziehungsweise der Außenprofilierung der Spindel
andererseits mittels der Vorspannmittel auch im lastfreien Zustand
ein geringer Schlupf des Gewindetriebs erhalten wird. Dies bedeutet,
dass bei der Festlegung der Komponenten des Gewindetriebs relativ
große
Toleranzen zulässig sind,
was die Kosten der Herstellung des Gewindetriebs signifikant reduziert.
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Durch
die Vorspannmittel als externe Einheit zur Generierung definierter
Vorspannungen zwischen dem Wälzkörper und
der Mutter beziehungsweise der Spindel sind auch Wärmeausdehnungen dieser
Komponenten beim Betrieb des Gewindetriebs unkritisch und führen zu
einem geringen Schlupf, der keine negativen Auswirkungen auf die Regelung
der Linearposition des Gewindetriebs hat.
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Weiterhin
ist vorteilhaft, dass die Vorspannmittel einfach und kostengünstig herstellbar
sind und einfach im Bereich eines längsseitigen Endes der Mutter
gelagert werden können.
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Erfindungsgemäß bestehen
die Vorspannmittel aus zwei separaten Teilen, nämlich einem Vorspannring sowie
einem elastischen Element. Der Vorspannring besteht aus hartem verschleißfestem Material,
insbesondere aus Stahl, und liegt an Rillen der Profilierungen der
Wälzkörper an.
Das elastische Element ist relativ zur Mutter lagefixiert und liegt
an der Rückseite
des Vorspannrings und sorgt so für
definierte Vorspannkräfte,
die der Vorspannring auf die Wälzkörper überträgt. Das
elastisches Element kann vorteilhaft von einem O-Ring aus elastischem
Material oder einer Feder gebildet sein.
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Mit
dem so ausgebildeten Vorspannmittel kann auf konstruktiv einfache
Weise auch im lastfreien Betrieb des Gewindetriebs ein Schlupf vermieden werden.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Vorspannmittel wird
vorteilhaft die Geometrie der Rillenstrukturen der Profilierungen
der Wälzkörper ausgenutzt.
Die Vorspannmittel liegen seitlich an Rillen der Wälzkörper an.
Die durch die Vorspannmittel generierte, in Längsrichtung der Wälzkörper wirkende
Vorspannkraft bewirkt, dass jeweils eine Flanke der Rillen der Profilierung
der Wälzkörper an
der entsprechenden Flanke der Innenprofilierung der Mutter anliegt,
so dass die Wälzkörper spielfrei
in der Mutter geführt sind.
Da die Rillen der Profilierungen der Wälzkörper schräge Flanken aufweisen, wird
durch die an diesen Rillen anliegenden Vorspannmittel weiterhin
erreicht, dass die Wälzkörper mit
ihren Profilierungen von oben in die Außenprofilierung der Spindel
gedrückt werden,
so dass die Wälzkörper auch
an der Spindel spielfrei geführt
sind.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es
zeigen:
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1:
Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Umwandlung einer Drehbewegung in eine Axialbewegung.
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2:
Detaildarstellung eines ersten Ausschnitts der Vorrichtung gemäß 1.
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3:
Detaildarstellung eines zweiten Ausschnitts der Vorrichtung gemäß 1.
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1 zeigt
in einem Längsschnitt
ein erstes Ausführungsbeispiel
einer Vorrichtung 1 zur Umwandlung einer Drehbewegung in
eine Axialbewegung oder umgekehrt. Die mit einem nicht gesondert dargestellten
Elektromotor angetriebene Vorrichtung 1 bildet einen Gewindetrieb
und umfasst eine Spindel 2, die an ihrer Mantelfläche eine
Außenprofilierung 3 in
Form von Rillen aufweist. Die Spindel 2 bildet somit eine
Gewindespindel und kann die Welle des Elektromotors bilden. Die
Spindel 2 ist von einer Mutter 4 umgeben, wobei
die Mutter 4 gegenüber
der Spindel 2 drehbar ist. An der Innenseite der Mutter 4 ist
eine Innenprofilierung 5 in Form von Rillen vorgesehen.
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Zwischen
der hohlzylindrischen Mutter 4 und der Spindel 2 ist
eine vorgegebene Anzahl von Wälzkörpern 6 vorgesehen.
Die Wälzkörper 6 sind
in äquidistanten
Winkeldistanzen in Umfangsrichtung der Spindel 2 versetzt
angeordnet, wobei die Längsachsen
der Wälzkörper 6 parallel
zur Längsachse
L der Spindel 2 verlaufen. Die längsseitigen Enden der Wälzkörper 6 sind
jeweils in einer Abstandsscheibe 7 gelagert. Die Wälzkörper 6 weisen
jeweils eine erste Profilierung 6a und eine zweite Profilierung 6b auf. Mit
der ersten Profilierung 6a wird ein axialer Kraftschluss
des Wälzkörpers 6 mit
der Spindel 2 hergestellt indem diese Profilierung 6a in
der Außenprofilierung 3 der
Spindel 2 geführt
ist. Mit der zweiten Profilierung 6b wird ein axialer Kraftschluss
des Wälzkörpers 6 mit
der Mutter 4 hergestellt, indem diese Profilierung 6b in
der Innenprofilierung 5 der Mutter 4 geführt ist.
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Die
die längsseitigen
Enden der Wälzkörper 6 aufnehmenden
Abstandsscheiben 7 dienen als Abstandshalter für die Wälzkörper 6.
Die identisch ausgebildeten Abstandsscheiben 7 weisen eine
kreisscheibenförmige
Form auf. In der Mitte jeder Abstandsscheibe 7 ist eine
zentrale Bohrung vorgesehen, durch welche die Spindel 2 geführt ist.
Dabei liegen die Abstandsscheiben 7 in Abstand zur Spindel 2.
Weiterhin weisen die Abstandsscheiben 7 Aufnahmen auf,
in welchen die längsseitigen
Enden der Wälzkörper 6 gelagert
sind.
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Die
Profilierungen 6a der einzelnen Wälzkörper 6 sind versetzt
zueinander. Dabei weist die Profilierung 6a jedes Wälzkörpers 6 zu
dem vorigen Wälzkörper 6 einen
definierten axialen Versatz auf. Die versetzten Profilierungsstrukturen
der Wälzkörper 6 bilden
ein Gewinde für
die Außenprofilierung 3 der Spindel 2.
Bei einer Drehbewegung der Spindel 2 relativ zur Mutter 4 wälzen die
Wälzkörper 6 mit
den Profilierungen 6a auf der Außenprofilierung 3 ab,
wobei zugleich die zweiten Profilierungen 6b in der Innenprofilierung 5 der
Mutter 4 geführt
sind. Bei stehender Mutter 4 und sich drehender Spindel 2 laufen die
in den Abstandsscheiben 7 gelagerten Wälzkörper 6 auf der Mantelfläche der
Spindel 2 um, wobei diese Bewegung langsamer ist als die
Drehbewegung der Spindel 2. Die Drehbewegungen erfolgen derart,
dass sich erst nach einem vollständigen
Umlauf der Wälzkörper 6 die
Spindel 2 um den Betrag der Steigung der Außenprofilierung 3 axial
verschoben hat.
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Während des
Betriebs der Vorrichtung 1 müssen die Abstandsscheiben 7 in
axialer Richtung, das heißt
in Richtung der Längsachse
L relativ zur Mutter 4 lagefixiert sein, damit die Abstandsscheiben 7 ihre
Funktion als Drehlagerung für
die Wälzkörper 6 übernehmen
können.
Bei der Vorrichtung 1 gemäß 1 sind zur
Axialfixierung der Abstandsscheiben 7 Deckscheiben 8 vorgesehen.
Die Deckscheiben 8 selbst werden dann jeweils durch einen
Sprengring 9 in der Mutter 4 lagegesichert. Zur
Aufnahme eines Sprengrings 9 ist jeweils eine Nut in die
Innenkontur der Mutter 4 eingearbeitet.
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Aufgrund
fertigungsbedingter Toleranzen besteht ein gewisses Spiel zwischen
den Profilierungen 6a der Wälzkörper 6 und der Außenprofilierung 3 der Spindel 2 sowie
zwischen den Profilierungen 6b und der Innenprofilierung 5 der
Mutter 4. Damit dieses Spiel auch im lastfreien Betrieb
des Gewindetriebs nicht zu einem zu großen Schlupf führt, sind
in der Mutter 4 Vorspannmittel zur Generierung definierter Vorspannkräfte vorgesehen.
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Die
Vorspannmittel bestehen aus einem Vorspannring 10 aus Stahl
sowie einem elastischen Element in Form eines aus Gummi, insbesondere
aus Kautschuk bestehenden O-Rings 11. Alternativ kann als
elastisches Element eine Feder, wie zum Beispiel eine Tellerfeder
oder eine Wellenfeder eingesetzt werden.
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Wie
aus 1 ersichtlich sind die Vorspannmittel an einem
längsseitigen
Ende der Mutter 4 gelagert. Der O-Ring 11 ist
dadurch an der Mutter 4 lagefixiert, dass dieser an der
Deckscheibe 8 anliegt, die selbst mittels des Sprengrings 9 an
der Mutter 4 lagefixiert ist.
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Der
O-Ring 11 selbst liegt zwischen der Deckscheibe 8 und
dem Vorspannring 10 unter Vorspannung. Durch die Elastizität des O-Rings 11 übt dieser
eine in Längsrichtung
des Gewindetriebs wirkende Vorspannkraft auf den Vorspannring 10 aus.
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Der
Vorspannring 10 liegt an jeweils der ersten Rille der Profilierung 6b der
Wälzkörper 6.
Dadurch wird die vom O-Ring 11 ausgeübte Vorspannkraft über den
Vorspannring 10 auf die Wälzkörper 6 übertragen.
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Die 2 und 3 zeigen
vergrößerte Detaildarstellungen
von Ausschnitten der Vorrichtung 1 gemäß 1 und verdeutlichen
die mit der Vorspannkraft bewirkten Effekte. Dabei zeigt 2 einen
Ausschnitt der Vorrichtung 1 im Bereich des an der Profilierung 6b der
Wälzkörper 6 anliegenden Vorspannrings 10.
Dieser Ausschnitt ist in 1 mit X bezeichnet. 3 zeigt
einen Ausschnitt der Vorrichtung 1 im Bereich der Außenprofilierung 3 der Spindel 2.
Dieser Ausschnitt ist in 1 mit Y bezeichnet.
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Wie
aus 1 und detaillierter aus 2 ersichtlich
drückt
der Vorspannring 10, bedingt durch die mittels des elastischen
Elements generierte Vorspannkraft, gegen die ersten Flanken der
Profilierung 6b der Wälzkörper 6.
Durch diese in Längsrichtung des
Gewindetriebs wirkenden Vorspannkräfte werden die Wälzkörper 6 in
Längsrichtung
verschoben. Dadurch werden die in 2 mit I bezeichneten Flanken
der Profilierungen 6b der Wälzkörper 6 gegen die mit II bezeichneten
Flanken der Innenprofilierung 5 der Mutter 4 gedrückt, so
dass die Wälzkörper 6 auch
ohne anliegende Last spielfrei in der Mutter 4 liegen.
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Da
die Profilierung 6b der Wälzkörper 6 Rillenstrukturen
mit schräg
verlaufenden Konturen aufweisen, werden infolge der von dem elastischen
Element generierten Vorspannkräfte
durch die Anlage der Vorspannkräfte
an den schräg
verlaufenden Konturen der Profilierungen 6b der Wälzkörper 6 auch Kräfte generiert,
die quer zur Längsachse
L gerichtet sind und bewirken, dass die Profilierungen 6a der Wälzkörper 6 in
die Außenprofilierung 3 der
Spindel 2 gedrückt
werden. Damit wird, wie aus 3 ersichtlich,
erreicht, dass die Profilierungen 6a der Wälzkörper 6 spielfrei
in der Außenprofilierung 3 der Spindel 2 geführt sind.
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Somit
wird allein durch die Vorspannmittel eine spielfreie Führung der
Wälzkörper 6 in
der Mutter 4 und an der Spindel 2 erreicht, wodurch
auch bei lastfreiem Betrieb des Gewindetriebs ein sehr geringer
Schlupf erhalten wird, der insbesondere die Regelung der Linearposition
des Gewindetriebs nicht negativ beeinflusst.
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Spindel
- 3
- Außenprofilierung
- 4
- Mutter
- 5
- Innenprofilierung
- 6
- Walzkörper
- 6a
- erste
Profilierung
- 6b
- zweite
Profilierung
- 7
- Abstandsscheibe
- 8
- Deckscheibe
- 9
- Sprengring
- 10
- Vorspannring
- 11
- O-Ring
- L
- Längsachse