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Die
Erfindung betrifft eine Linearbewegungsvorrichtung gemäß dem
Oberbegriff von Anspruch 1.
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Aus
der
DE 103 09 880
A1 ist eine Linearbewegungsvorrichtung bekannt, bestehend
aus einem ersten Führungsteil in Form einer Trägerplatte,
die an einem zweiten Führungsteil in Form des Stators beweglich
geführt ist. An dem Stator sind zwei parallel angeordnete,
sich in eine Längsrichtung erstreckende Führungsschienen
vorgesehen, an denen mehrere Führungswagen längsbeweglich
gelagert sind. Die Führungswagen sind mit der Trägerplatte
verbunden, so dass das erste Führungsteil insgesamt eine
U-förmige Querschnittsform aufweist, wobei die Basis von der
Trägerplatte und die U-Schenkel von den Führungswagen
gebildet werden. An den Führungswagen sind erste Führungsflächen
vorgesehnen, die zweiten Führungsflächen an den
Führungsschienen gegenüberliegen, wobei zwischen
den ersten und den zugeordneten zweiten Führungsflächen
kugelförmige Wälzkörper abwälzen.
Gemäß der
DE 103 09 880 A1 wird vorgeschlagen, die
Trägerplatte aus zwei Werkstoffen mit unterschiedlichen
Wärmeausdehnungskoeffizienten aufzubauen. Die Trägerplatte wird
sich daher wie ein Bimetall verbiegen, wenn sie durch die Spulen
des in die Linearbewegungsvorrichtung integrierten Linearmotors
erwärmt wird. Durch diesen Effekt soll die Durchbiegung
der Trägerplatte aufgrund der magnetischen Anziehung zwischen dem
Stator und den genannten Spulen kompensiert werden.
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Hinzuweisen
ist darauf, dass die beiden Linearwälzlager jeweils für
sich vorgespannt sind, wobei an dem Führungswagen eines
Linearwälzlagers ein Ausgleichselement vorgesehen ist das
verhindert, dass die beiden Linearwälzlager durch die Längenausdehnung
der Trägerplatte gegeneinander verspannt werden, wodurch
die Lebensdauer der Linearbewegungsvorrichtung herabgesetzt werden
würde. Das Ausgleichselement hat den Nachteil, dass der
betreffende Führungswagen in Querrichtung keine Last überträgt.
Die Tragfähigkeit der Linearbewegungsvorrichtung wird also
vermindert.
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Aus
der
US 5 357 158 ist
eine Linearbewegungsvorrichtung mit integriertem Linearmotor bekannt.
Bei dieser Ausführungsform ist der Linearmotor unmittelbar
zwischen dem U-förmigen Führungswagen und der
Führungsschiene eines Linearwälzlagers integriert.
Dies hat den Nachteil, dass sich durch die Wärmeentwicklung
in den Linearmotorspulen die Vorspannung der Wälzkörper ändert,
wodurch die Führungssteifigkeit und das Führungsspiel
des Linearwälzlagers negativ beeinflusst werden. Die relativ massive
Ausführung des Führungswagens hat zur Folge, dass
sich dieser durch die Magnetkräfte des Linearmotors im
Wesentlichen nicht verformt. Die in der
DE 103 09 880 A1 vorgeschlagenen
Maßnahmen sind daher nicht notwendig.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Linearbewegungsvorrichtung
anzugeben, deren Vorspannung bzw. deren Führungsspiel sich
nicht ändert, wenn der Führungswagen, insbesondere
an der Basis, erwärmt wird. Hierbei soll der Führungswagen
in seiner Tragfähigkeit möglichst nicht geschwächt
werden. Diese Aufgabe wird durch eine Linearbewegungsvorrichtung
gemäß dem selbstständigen Anspruch gelöst.
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Demgemäß wird
vorgeschlagen, dass in der Basis des ersten Führungsteils
wenigstens ein gesonderter, langgestreckter Spannbolzen vorgesehen ist,
der sich im Wesentlichen quer zur Längsrichtung und senkrecht
zu den U-Schenkeln erstreckt, wobei der Werkstoff des Spannbolzens
einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist
als der Werkstoff des an den Spannbolzen angrenzenden Bereichs des
ersten Führungsteils. Ähnlich wie bei der
DE 103 09 880 A1 wird
sich also ein Bimetall-Effekt in der Basis einstellen, welche diese
verbiegt. Da die U-Schenkel unmittelbar mit der Basis verbunden sind,
werden sich diese folglich mit den daran vorgesehenen Führungsflächen
relativ zueinander verlagern, insbesondere verkippen. Durch geeignete
Ausgestaltung und Anordnung der Spannbolzen kann erreicht werden,
dass sich das Verkippen der U-Schenkel und die Wärmedehnung
der Basis so kompensieren, dass sich die ersten Führungsflächen
an den U-Schenkeln relativ zu den zweiten Führungsflächen am
zweiten Führungsteil nicht verlagern, so dass die Vorspannung
bzw. das Führungsspiel der Linearbewegungsvorrichtung im
Wesentlichen konstant bleibt. Die langgestreckten Spannbolzen haben
gegenüber der plattenartigen Ausgestaltung gemäß der
DE 103 09 880 A1 den
Vorteil, dass sie sehr einfach in einen massiven Führungswagen,
wie er beispielsweise aus der
US
5 357 158 bekannt ist, eingebaut werden können.
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In
den Unteransprüchen sind vorteilhaft Weiterbildungen und
Verbesserungen der Erfindung angegeben.
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Der
Spannbolzen kann aus Stahl besteht, wobei wenigstens der an den
Spannbolzen angrenzende Bereich des ersten Führungsteils
aus Aluminium besteht. Durch diese Werkstoffkombination kann das
erste Führungsteil auf kostengünstige Weise besonders
leicht ausgeführt werden. Der Spannbolzen aus Stahl hat überdies
den Vorteil, dass er eine besonders hohe Zugfestigkeit aufweist,
so dass er hoch belastet werden kann, insbesondere wenn er, wie weiter
unten vorgeschlagen, unter Vorspannung in das erste Führungsteil
eingebaut wird. Gleichzeitig ist er plastisch verformbar, was seinen
Einbau erleichtert.
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Der
Spannbolzen kann zu den U-Schenkeln hin versetzt in der Basis des
ersten Führungsteils angeordnet sein. Dies hat zur Folge,
dass sich die U-Schenkel bei einer Erwärmung der Basis
so zueinander verkippen, dass die ersten Führungsflächen
an den Enden der U-Schenkel aufeinander zu bewegt werden. Hierdurch
wird die Verlängerung der Basis aufgrund der Wärmedehnung
kompensiert.
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Es
können mehrere Spannbolzen vorgesehen sein, die entlang
der Längsrichtung verteilt, vorzugsweise gleichmäßig
verteilt, im ersten Führungsteil angeordnet sind. Hierdurch
wird erreicht, dass der erfindungsgemäße Kompensationseffekt über
die gesamte Länge des ersten Führungsteils im
Wesentlichen gleichmäßig auftritt. Eine lokale Überbelastung aufgrund
von ungleichmäßigen Vorspannungsverhältnissen
der ersten Führungsflächen, die die Lebensdauer
der Linearbewegungsvorrichtung herabsetzt, wird vermieden.
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Der
Spannbolzen kann in einem quer zur Längsrichtung angeordneten
Durchbruch der Basis des ersten Führungsteils vorgesehen
sein. Ein derartiger Durchbruch hat gegenüber einer nach
außen offenen Ausnehmung den Vorteil, dass er die Steifigkeit des
ersten Führungsteils kaum vermindert. Insbesondere die
Biegesteifigkeit der Basis wird kaum herabgesetzt, da zu beiden
Seiten des Durchbruchs tragendes Material vorhanden ist, dessen
großer relativer Abstand eine hohe Biegesteifigkeit der
Basis bedingt.
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Der
Spannbolzen kann an beiden Enden einen Kopf aufweisen, mit dem er
quer zur Längsrichtung an der Basis des ersten Führungsteils
abgestützt ist. Durch den Kopf wird die Längenausdehnung
der Basis auf einfache Weise bereichsweise behindert, wodurch der
erfindungsgemäße Bimetall-Effekt hervorgerufen
wird. Gleichzeitig kann sich die Basis abseits des Spannbolzens
ungehindert ausdehnen.
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Wenigstens
ein Kopf kann durch Umformen des Spannbolzens gebildet sein. Insbesondere
ist daran gedacht, den genannten Kopf erst nach dem Einbau des Spannbolzens
in das erste Führungsteil umzuformen. Folglich kann der
Spannbolzen auf einfache Weise in eine eng an diesen anliegende
Ausnehmung eingebaut werden, ohne dass der genannte Kopf die Montage
des Spannbolzens behindern würde. Die Form des Kopfes wird
vorzugsweise halbkugelförmig ausgeführt, damit
er auf einfache Weise wie ein Nietkopf geformt werden kann. Selbstverständlich
ist es auch denkbar, beide Köpfe durch Umformen herzustellen.
Der erste Kopf wird in diesem Fall bevorzugt vor dem Einbau des
Spannbolzens hergestellt. Es ist auch denkbar, dass wenigstens einer
der beiden Köpfe gesondert ausgeführt und mit einem
Gewinde an dem Spannbolzen befestigt wird.
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Der
Spannbolzen kann unter Vorspannung in die Basis des ersten Führungsteils
eingebaut sein. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass
der Spannbolzen vor dem Ausformen des zweiten Nietkopfes erwärmt
wird. Durch die Schrumpfung beim anschließenden Erkalten
wird der Spannbolzen vorgespannt. Durch die Vorspannung des Spannbolzens
wird zum Einen die Steifigkeit des ersten Führungsteils
erhöht. Zum Anderen wird erreicht, dass kein Spiel zwischen
dem Spannbolzen und dem ersten Führungsteil vorhanden ist,
so dass der erfindungsgemäße Bimetall-Effekt auch
bei einer geringen Erwärmung der Basis eintritt, ohne dass
zuvor das Spiel überwunden werden muss.
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Der
Spannbolzen kann im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgeführt
sein, damit er besonders kostengünstig hergestellt werden
kann.
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An
der Basis des ersten Führungsteils kann auf der Seite der
U-Schenkel wenigstens eine Ausnehmung vorgesehen sein, die sich
in Längsrichtung erstreckt. Durch die Ausnehmung kann das
Biegeverhalten der Basis gezielt beeinflusst, insbesondere verstärkt
werden. Die Ausnehmung kommt bevorzugt dann zum Einsatz, wenn die
Basis des ersten Führungsteils im Vergleich zum Durchmesser
des Spannbolzens eine geringe Dicke aufweist.
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Es
können zwei Ausnehmungen vorgesehen sein, die benachbart
zu den beiden U-Schenkeln angeordnet sind, wobei sich die beiden
Ausnehmungen vorzugsweise über die gesamte Länge
des ersten Führungsteils erstrecken. Durch die vorgeschlagene Anordnung
der Ausnehmung kann mit besonders kleinen Ausnehmungen eine besonders
große Verstärkung des Bimetall-Effekts erzielt
werden. Insbesondere wird das Verkippen der U-Schenkel besonders
verstärkt. Wenn sich die Ausnehmung wie bevorzugt über
die gesamte Länge des ersten Führungsteils erstreckt
ist sichergestellt, dass der Bimetall-Effekt über die gesamte
Länge des Führungswagens gleichmäßig
auftritt.
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Bevorzugt
ist daran gedacht, dass an der Basis des ersten Führungsteils
die Spulen eines Linearmotors befestigt sind. Die Erfindung ist
primär darauf gerichtet den Wärmeeintrag eines
Linearmotors zu kompensieren. Selbstverständlich kann die
Erfindung auch in Verbindung mit jeder anderen denkbaren Wärmequelle
im Bereich der Basis des Führungswagens genutzt werden.
Am zweiten Führungsteil, das vorzugsweise wesentlich länger
ausgeführt ist als das erste Führungsteil, sind
vorzugsweise Permanentmagnete vorgesehen, damit dieses im Wesentlichen
nicht erwärmt wird.
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Zwischen
wenigstens einer ersten Führungsfläche und der
zugeordneten zweiten Führungsfläche sind bevorzugt
Wälzkörper vorgesehen, die in Wälzeingriff
mit den beiden Führungsflächen stehen, wobei die
Wälzkörper vorzugsweise unter Vorspannung zwischen
den zugeordneten Führungsflächen eingebaut sind.
Durch die Wälzkörper kann die Linearbewegungsvorrichtung
stark vorgespannt werden, ohne dass deren Verschiebewiderstand wesentlich
ansteigt. Durch die Vorspannung wird sicher gestellt, dass der Führungseingriff
zwischen erstem und zweitem Führungsteil unabhängig
vom Belastungszustand der Linearbewegungsvorrichtung spielfrei ist. Selbstverständlich
kann die vorliegende Erfindung auch bei einem Gleiteingriff zwischen
erster und zweiter Führungsfläche nutzbringend
eingesetzt werden. In diesem Fall dient die Erfindung dazu, das Führungsspiel
zwischen dem ersten und dem zweiten Führungsteil konstant
zu halten.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnung
näher erläutert.
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Es
stellt dar:
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1 eine
perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Linearbewegungsvorrichtung;
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2 einen
Querschnitt der Linearbewegungsvorrichtung gemäß 1;
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3 einen
Querschnitt des Grundkörpers des ersten Führungsteils
in einer Schnittebene, die mittig durch den Spannbolzen verläuft;
und
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4 einen
Querschnitt des Grundkörpers des ersten Führungsteils
in einer Schnittebene, die abseits des Spannbolzens verläuft.
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In 1 ist
eine erfindungsgemäße Linearbewegungsvorrichtung
ganz allgemein mit 10 bezeichnet. Die Linearbewegungsvorrichtung 10 umfasst
ein zweites Führungsteil 60 in Form einer gehärteten
Stahl-Führungsschiene, welche sich in eine Längsrichtung 11 erstreckt.
An dem zweiten Führungsteil 60 ist ein erstes
Führungsteil 30 in Form eines U-förmigen
Führungswagens über insgesamt vier endlos umlaufende
Kugelreihen längsbeweglich gelagert. Zur Überführung
der Kugeln von der Tragzone in den Rückführkanal
sind zwei Umlenkbaugruppen 40 mit gebogenen Umlenkkanälen
vorgesehen. An einer Längsstirnseite des ersten Führungsteils 30 ist
ein Wegsensor 39 angeordnet, der eine Maßverkörperung 63 an
dem ersten Führungsteil 30 induktiv abtastet,
so dass die Stellung der Linearbewegungsvorrichtung 10 ermittelt
werden kann.
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Weiter
sind an dem zweiten Führungsteil 60 eine Vielzahl
von Permanentmagneten 62 vorgesehen, die in Längsrichtung 11 gleichmäßig
verteilt in einer Ausnehmung 65 des zweiten Führungsteils 60 angeordnet
sind. Neben der Ausnehmung 65 sind eine Vielzahl von Befestigungsbohrungen 64 vorgesehen,
mit denen das zweite Führungsteil 60 an einer (nicht
dargestellten) übergeordneten Baugruppe befestigt werden
kann. Innerhalb des U-förmigen ersten Führungsteils 30 sind
elektrische Spulen 43 angeordnet, die zusammen mit den
Permanentmagneten 30 einen Linearmotor bilden, mit dem
das erste Führungsteil 30 gegenüber dem
zweiten Führungsteil 60 bewegt werden kann. Die
Permanentmagnete 30 sind geneigt zur Längsrichtung 11 angeordnet,
damit das Rastmoment des Linearmotors gering ist. Unter dem Rastmoment
ist die Ungleichförmigkeit des Verschiebewiderstands des
ersten gegenüber dem zweiten Führungsteil 30; 60 zu
verstehen, wenn der Linearmotor nicht unter Strom steht. Die Kühlrippen 38 an
der Oberseite des ersten Führungsteils 30 dienen
zum Abführen der durch die Spulen 43 erzeugten Wärme.
Die Befestigungsnuten 47 und die Gewindebohrungen 48 dienen
zum Befestigen einer (nicht dargestellten) übergeordneten
Baugruppe an dem ersten Führungsteil 30. Weiter
ist in 1 die Lage der drei in Längsrichtung 11 gleichmäßig
verteilt angeordneten Spannbolzen 80 angedeutet.
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2 zeigt
einen Querschnitt der Linearbewegungsvorrichtung 10. Zu
erkennen ist insbesondere der geringe Abstand zwischen den Permanentmagneten 62 und
den Spulen 43 der notwendig ist, um einen Linearmotor mit
hoher Antriebskraft und hohem Wirkungsgrad zu schaffen. Die Aufgabe
der Wälzführung besteht zu einem erheblichen Teil
darin, diesen Luftspalt gegen die Magnetkräfte zwischen den
Permanentmagneten 62 und den Spulen 43 konstant
zu halten.
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Das
erste Führungsteil 30 ist im Querschnitt betrachtet
im Wesentlichen U-förmig mit einer Basis 31 und
zwei U-Schenkeln 32 ausgeführt. Im Bereich der
U-Schenkel 32 sind die vier Reihen von Wälzkörpern 12 angeordnet,
die jeweils zwischen einer ersten Führungsfläche 33 am
ersten Führungsteil 30 und einer zweiten Führungsfläche 61 am
zweiten Führungsteil 60 abwälzen. Die
Wälzkörper 12 sind unter Vorspannung
zwischen dem ersten und dem zweiten Führungsteil 30; 60 eingebaut,
damit der Führungseingriff ein hohe Steifigkeit aufweist
und unter beliebigen äußeren Belastungen spielfrei
ist. Jeder Kugelreihe 12 ist ein Rückführkanal 41 zugeordnet,
damit die Wälzkörper 12 endlos umlaufen
können. Die vier Tragzonen sind über je zwei gebogene Umlaufkanäle,
die in den mit Bezug auf 1 beschriebenen Umlenkbaugruppen
vorgesehen sind, mit den zugeordneten Rückführkanälen 41 verbunden,
so dass sich ein endloser Umlaufkanal ergibt.
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Die
ersten Führungsflächen 33 sind an gesondert
vom Grundkörper 44 des ersten Führungsteils
ausgeführten Führungsflächenteilen 37 ausgeführt,
wobei an einem ersten Führungsflächenteil 37 je
zwei erste Führungsflächen 33 vorgesehen
sind. Die Führungsflächenteile 37 bestehen
aus gehärtetem Wälzlagerstahl, damit der Wälzkontakt
eine hohe Verschleißfestigkeit aufweist. Demgegenüber
besteht der Grundkörper 44 des ersten Führungsteils 30 aus
Aluminium, damit dieser besonders leicht ist und damit er die Wärme
der Spulen gut an die Kühlrippen 38 übertragen
kann. Benachbart zu den Kugelreihen 12 sind Längsdichtungen 42 vorgesehen die
verhindern, dass Schmutz in den Wälzkontakt gelangt und
dass Schmiermittel aus der Linearbewegungsvorrichtung 10 austritt.
Der Spannbolzen 80 ist in 2 nur grobschematisch
angedeutet.
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3 zeigt
den Grundkörper 44 der Linearbewegungsvorrichtung
mit dem eingesetzten Spannbolzen 80. Der Spannbolzen 80 besteht
aus einer Stange mit kreisförmigem Querschnitt, an deren Ende
ein erster und ein zweiter Kopf 81; 82 vorgesehen
ist, die jeweils in einer Senkung 45 des Grundkörpers 44 versenkt
angeordnet sind, so dass diese nicht über den Grundkörper 44 überstehen.
Der Spannbolzen 80 erstreckt sich quer zur Längsrichtung
und senkrecht zu den U-Schenkeln 32. Der erste Kopf 81 des
Spannbolzens 80 wird bereits an dessen Rohteil angeformt,
beispielsweise mittels Umformen oder mittels einer Drehbearbeitung.
Nach dem Einführen des gegenüber dem Grundkörper 44 erwärmten
Spannbolzens in den Durchbruch 35 des Grundkörpers 44 im
Bereich der Basis 31 wird der zweite Kopf 82 durch
Umformen des zylindrischen Endes der Stange hergestellt, so dass
beide Köpfe 81; 82 spaltfrei an dem Grundkörper 44 anliegen. Nach
dem Einbau kühlt sich der Spannbolzen 80 von allein
ab, woraufhin seine Länge abnimmt. Hierdurch wird der Spannbolzen 80 gegen
den Grundkörper 44 verspannt. Der Spannbolzen 80 aus
Stahl besitzt einen geringeren Wärmeausdehnungkoeffizienten
als der Grundkörper 44 aus Aluminium. Dadurch,
dass der Spannbolzen 80 zu den U-Schenkeln 32 hin
versetzt angeordnet ist, wird die Wärmeausdehnung der Basis 31 aufgrund
der Spulenabwärme der Basis 31 in diesem Bereich 34 behindert,
während dies im weiter vom Spannbolzen 80 entfernten
Bereich 46 nicht der Fall ist. Die Basis 31 wird
sich dementsprechend wie ein Bimetall verbiegen (Biegerichtung 13),
wodurch die U-Schenkel 32 verkippt werden, woraufhin sich
die daran vorgesehenen ersten Führungsflächen
aufeinander zu bewegen. Diese Bewegung wird von der zwar durch den
Spannbolzen 80 behinderten aber dennoch stattfindenden
Längenausdehnung der Basis 31 überlagert,
so dass sich die Lage der ersten Führungsflächen
in Summe nicht ändert. Folglich ändert sich die
Vorspannung des Wälzkörpereingriffes nicht, wenn
die Basis 31 des ersten Führungsteils 30 durch
die Abwärme der Spulen des Linearmotors erwärmt
wird.
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4 zeigt
einen weiteren Querschnitt des Grundkörpers 44,
wobei die Schnittebene zwischen zwei Spannbolzen angeordnet ist.
Zu erkennen sind die beiden Ausnehmungen 36 an der Basis 31,
die benachbart zu den U-Schenkeln 32 angeordnet sind. Die
Ausnehmungen 36 erstrecken sich über die gesamte
Länge des ersten Führungsteils mit Ausnahme des
Wegsensors. Sie schneiden daher den Durchbruch zur Aufnahme der
Spannbolzen 80, weshalb letztgenannte in 4 sichtbar
sind. Durch die Ausnehmungen 36 wird die Steifigkeit der
Basis 31 im an den Spannbolzen 80 angrenzenden
Bereich 34 herabgesetzt, wodurch der Bimetall-Effekt verstärkt wird.
Durch die Anordnung der Ausnehmungen 36 unmittelbar angrenzend
zu den U-Schenkeln 32 wird zusätzlich deren Verkippen
verstärkt.
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- 10
- Linearbewegungsvorrichtung
- 11
- Längsrichtung
- 12
- Wälzkörper
- 13
- Biegerichtung
- 30
- erstes
Führungsteil
- 31
- Basis
- 32
- U-Schenkel
- 33
- erste
Führungsfläche
- 34
- an
den Spannbolzen angrenzender Bereich
- 35
- Durchbruch
der Basis
- 36
- Ausnehmung
an der Basis
- 37
- Führungsflächenteil
- 38
- Kühlrippe
- 39
- Wegsensor
- 40
- Umlenkbaugruppe
- 41
- Rückführkanal
- 42
- Längsdichtung
- 43
- Spule
- 44
- Grundkörper
- 45
- Senkung
- 46
- vom
Spannbolzen entfernter Bereich
- 47
- Befestigungsnut
- 48
- Gewindebohrung
- 60
- zweites
Führungsteil
- 61
- zweite
Führungsfläche
- 62
- Permanentmagnet
- 63
- Maßverkörperung
- 64
- Befestigungsbohrung
- 65
- Ausnehmung
für die Permanentmagnete
- 80
- Spannbolzen
- 81
- erster
Kopf des Spannbolzens
- 82
- zweiter
Kopf des Spannbolzens
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10309880
A1 [0002, 0002, 0004, 0006, 0006]
- - US 5357158 [0004, 0006]