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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft ein Kugelumlaufspindelmodul, und zwar ein Kugelumlaufspindelmodul mit einer Kugelhaltekette.
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Stand der Technik
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Das Prinzip einer Kugelumlaufspindel besteht darin, Stahlkugeln zwischen eine Spindel und eine Schraubenmutter einzusetzen, wobei die Rollbewegung der Kugeln die konventionelle Übertragung durch Gleitreibung einer ACME-Spindel ersetzt, wodurch der durch Reibung verursachte Verschleiß in erheblichem Maße reduziert wird, was zur Aufrechterhaltung höherer Leistung und höherer Präzision beiträgt.
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Der Einsatz von Kugeln ermöglicht eine ungehinderte Bewegung der Spindel. Jedoch kommt es häufig vor, dass die benachbarten Kugeln im Rollvorgang gegeneinander stoßen, wodurch großer Lärm entsteht; außerdem führt das Stoßen zu einer verkürzten Lebensdauer der Kugeln, was die Lebensdauer der gesamten Spindelvorrichtung beeinträchtigt.
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Zur Lösung des o. g. Problems wurde eine Vorrichtung zur Befestigung der Kugeln mit Ketten vorgeschlagen, und aus
US 5,993,064 A ist weiterhin eine verbesserte Kugelhaltekette bekannt, die aus elastischem Stoff hergestellt ist und vier streifenförmige Teile zur Befestigung der Außenseite der Kugeln aufweist, so dass sich die Haltekette in eine beliebige Richtung frei neigen kann, wobei die Kugeln immer an den gleichen Stellen bleiben. Eine derartige Kugelhaltekette ist für Linearführungen und Kugelumlaufspindeln geeignet.
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Jedoch ist im Kugelumlaufspindelmodul ferner eine Umlaufbahn nötig, um die Kugeln zum Rücklauf in die schraubenförmigen Laufrillen zu führen und somit eine endlos umlaufende Kugellaufbahn zu bilden. Beim Laufen in der vorgenannten Umlaufbahn muss die Kugelhaltekette die Bewegungsrichtung ändern, um einen Rücklauf zu bilden. Wenn die Umlaufbahn aber nicht optimal gestaltet ist, kann die Haltekette schwer ohne Hinderung durchgehen und die Bewegungsrichtung ändern. In dieser herkömmlichen Ausgestaltung kann die Haltekette durch unangemessenes Verdrehen und Zerren unterbrochen werden. Wie aus
1 ersichtlich, ist in der Patentschrift
US 5,993,064 A zwar erwähnt, dass die Kugelhaltekette bei Spindelvorrichtungen anwendbar ist, und dass in der Schraubenmutter eine Umlaufvorrichtung zum Rücklauf der Kugelhaltekette vorgesehen ist, wobei darin jedoch nicht erwähnt ist, wie die Kugelhaltekette ungehindert durch die Umlaufvorrichtung durchgehen kann. Da in der praktischen Anwendung die beiden Seiten der Kette beim Eintritt von der schraubenförmigen Spur in die Umlaufvorrichtung sich dreidimensional umwenden, wird die Innenseite der Kette zusammengedrückt und an der Außenseite derart gezerrt, dass die beiden Seiten aufgrund des unterschiedlichen Verformungsmaßes abgerissen werden, falls die Rücklaufbahn nicht in einem besonderen Winkel ausgestaltet ist. Derzeit sind zwar Linearführungen mit Kugelhaltekette auf dem Markt zu finden, jedoch gibt es noch keine Kugelumlaufspindeln mit Kugelhaltekette.
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Aufgabe der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kugelumlaufspindelmodul zu schaffen, bei dem sich die Kugelhaltekette in der Schraubenmutter ungehindert bewegen kann, so dass eine höhere Leistung und höhere Präzision des Kugelumlaufspindelmoduls erreicht werden.
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Der Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, ein Kugelumlaufspindelmodul zu schaffen, bei dem eine Umlaufvorrichtung zum Rücklauf der Kugelhaltekette in der Schraubenmutter vorgesehen ist, um eine endlose Umlaufbahn (endless track) zu bilden.
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Der Erfindung liegt die noch weitere Aufgabe zugrunde, ein Kugelumlaufspindelmodul zu schaffen, wobei die Umlaufvorrichtung zwei Führungsrillen zum Führen der Richtung der Kugelhaltekette aufweist, wobei die Abbiegungen der Führungsrillen in der Umlaufbahn derart besonders ausgestaltet sind, dass die Kugelhaltekette ungehindert durchlaufen kann und nicht unangemessen zusammengedrückt oder an ihr gezerrt wird.
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Technische Lösung
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Die Aufgaben werden durch ein Kugelumlaufspindelmodul gelöst, das eine Spindel, eine Schraubenmutter, eine Kugelhaltekette und eine Umlaufvorrichtung umfasst. An der äußeren Oberfläche der Spindel ist eine schraubenförmige erste Rollrille ausgebildet; die Schraubenmutter umgibt die Spindel, und an der inneren Oberfläche der Schraubenmutter ist eine schraubenförmige zweite Rollrille ausgebildet, die mit der ersten Rollrille korrespondiert, so dass die beiden Rollrillen zusammen zu einer ersten schraubenförmigen Rollspur kombiniert werden können, die in der ersten Spiralrichtung angeordnet ist. Die Kugelhaltekette verschiebt sich in der ersten Rollspur und umfasst im Wesentlichen eine Vielzahl von Kugeln und einen Abstandhalter zum Tragen der Kugeln. Der Abstandhalter umfasst ferner eine Vielzahl von Distanzstücken, ein erstes und ein zweites Verbindungselement. Die Distanzstücke dienen zum Befestigen und Abtrennen der Kugeln; das erste und das zweite Verbindungselement dienen zum Verbinden der Distanzstücke, wobei das erste und das zweite Verbindungselement in einem gewissen Abstand angeordnet sind, so dass die Kugeln stabil zwischen den Distanzstücken, dem ersten und dem zweiten Verbindungselement angeordnet werden. Der Radius der ersten Rollrille im Querschnitt entspricht ungefähr dem Radius einer Kugel. Um eine Beschädigung des ersten und des zweiten Verbindungselements beim Laufen der Kugelhaltekette zu vermeiden, ist die Rauheit der Oberfläche der ersten Zahnspitze der Spindel und die Rauheit der Oberfläche der zweiten Zahnspitze der Schraubenmutter kleiner als Rmax = 25 Mikrometer. Die Umlaufvorrichtung ist in der Schraubenmutter angeordnet und weist eine mit der ersten Rollspur verbundene Umlaufbahn auf, durch die die Kugelhaltekette durchläuft. Der Radius der Umlaufbahn im Querschnitt entspricht ungefähr dem Radius der ersten Rollspur im Querschnitt. Zum Führen der Kugelhaltekette zum Laufen sind an der Umlaufbahn eine erste Abbiegung, eine zweite Abbiegung, eine erste Führungsrille und eine zweite Führungsrille ausgebildet. An einer Seite der Umlaufbahn ist eine erste Führungsrille ausgebildet, in der das erste Verbindungselement der Kugelhaltekette läuft, wobei die erste Führungsrille einen ersten Krümmungsradius aufweist. Die zweite Führungsrille ist an der anderen Seite der Umlaufbahn angeordnet und steht in einem festen Abstand zu der ersten Führungsrille, wobei in der zweiten Führungsrille das zweite Verbindungselement der Kugelhaltekette läuft, und die zweite Führungsrille einen zweiten Krümmungsradius aufweist. Wenn die Kugelhaltekette durch die erste und die zweite Abbiegung läuft, entsteht ein dreidimensionaler Rücklauf, wobei das Prinzip darin besteht: wenn die erste und die zweite Führungsrille durch die erste Abbiegung läuft, wird der Krümmungsradius der ersten Führungsrille größer als der zweite Krümmungsradius der zweiten Führungsrille sein; wenn die erste und die zweite Führungsrille durch die zweite Abbiegung läuft, wird der Krümmungsradius der ersten Führungsrille kleiner als der zweite Krümmungsradius der zweiten Führungsrille sein. Die Gesamtlänge der ersten Führungsrille und die Gesamtlänge der zweiten Führungsrille sind ungefähr gleich, so dass das erste und das zweite Verbindungselement, die durch die Führungsrillen laufen, durch die Veränderung der Rücklauf-Krümmung einen dreidimensionalen Rücklauf bilden.
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Im Vergleich zu herkömmlichen Kugelumlaufspindelmodulen lassen sich durch die vorliegende Erfindung folgende Vorteile realisieren: die Umlaufvorrichtung im Kugelumlaufspindelmodul ist mit Führungsrillen versehen, die Abbiegungen mit besonderem Krümmungsradius aufweisen, so dass die Kugelhaltekette an den Abbiegungen in der Umlaufvorrichtung entlang der Bahn dreidimensional zurücklaufen kann. Außerdem ist die Gesamtlänge der beiden Führungsrillen im Wesentlichen gleich, so dass an dem ersten und dem zweiten Verbindungselement der Kugelhalteketten nicht aufgrund der Abbiegungen unangemessen gezerrt wird oder sie nicht unangemessen zusammengedrückt werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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1 zeigt eine Schnittansicht, die die Struktur eines herkömmlichen Kugelumlaufspindelmoduls und einer Kugelhaltekette veranschaulicht.
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2 zeigt eine perspektivische Außenansicht einer Schraubenmutter und einer Spindel des erfindungsgemäßen Kugelumlaufspindelmoduls.
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3 zeigt eine Schnittansicht, die eine Kugelhaltekette und Umlaufvorrichtungen des erfindungsgemäßen Kugelumlaufspindelmoduls veranschaulicht.
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4 zeigt eine Schnittansicht, die die zweite Rollrille und die zweite Zahnspitze an der inneren Oberfläche der Schraubenmutter des erfindungsgemäßen Kugelumlaufspindelmoduls veranschaulicht.
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5 zeigt eine Schnittansicht, die die erste Rollspur des erfindungsgemäßen Kugelumlaufspindelmoduls veranschaulicht.
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6 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Kugelhaltekette des erfindungsgemäßen Kugelumlaufspindelmoduls.
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7 zeigt eine perspektivische Ansicht, die einen Abstandhalter der Kugelhaltekette des erfindungsgemäßen Kugelumlaufspindelmoduls sowie die Drehrichtungen des Abstandhalters in der Umlaufbahn entlang der Führungsrille veranschaulicht.
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8A zeigt eine perspektivische Ansicht der Kugelhaltekette und der Umlaufvorrichtungen des erfindungsgemäßen Kugelumlaufspindelmoduls.
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8B zeigt eine perspektivische Ansicht des Unterteils der Umlaufvorrichtung des erfindungsgemäßen Kugelumlaufspindelmoduls in Schnittansicht.
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8C zeigt eine Draufsicht des Oberteils der Umlaufvorrichtung des erfindungsgemäßen Kugelumlaufspindelmoduls in Schnittansicht.
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9A zeigt eine Explosionsdarstellung eines Kugelumlaufspindelmoduls mit innerem Umlauf gemäß der Erfindung.
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9B zeigt eine Schnittansicht des Inneren der Schraubenmutter eines Kugelumlaufspindelmoduls mit innerem Umlauf gemäß der Erfindung, wobei die Kombination der Kugelhaltekette und die Umlaufvorrichtung veranschaulicht werden.
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10A zeigt eine Explosionsdarstellung eines Kugelumlaufspindelmoduls mit Endstöpseln gemäß der Erfindung.
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10B zeigt eine Schnittansicht des Inneren der Schraubenmutter eines Kugelumlaufspindelmoduls mit Endstöpseln gemäß der Erfindung.
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Wege der Ausführung der Erfindung
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Im Folgenden werden Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung anhand der detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen und der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Jedoch soll die Erfindung nicht auf die Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen beschränkt werden.
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2 bis 5 zeigen ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kugelumlaufspindelmoduls 200, das eine Spindel 210, eine Schraubenmutter 220, eine Kugelhaltekette 300 und eine Umlaufvorrichtung 400 umfasst. An der äußeren Oberfläche der Spindel 210 ist eine schraubenförmige erste Rollrille 212 ausgebildet; die Schraubenmutter 220 umgibt die Spindel 210, und an der inneren Oberfläche ist eine schraubenförmige zweite Rollrille 222 ausgebildet, die mit der ersten Rollrille 212 korrespondiert, so dass die beiden Rollrillen 212, 222 zusammen zu einer ersten schraubenförmigen Rollspur 230 kombiniert werden können. Hierbei kann eine Umlaufvorrichtung 400 oder es können mehrere Umlaufvorrichtungen 400 vorgesehen werden.
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Wie aus 3, 5, 6 und 7 ersichtlich, umfasst die Kugelhaltekette 300 im Wesentlichen eine Vielzahl von Kugeln 310 und einen Abstandhalter 320 zum Tragen der Kugeln 310. Der Abstandhalter 320 umfasst ferner eine Vielzahl von Distanzstücken 322, ein erstes Verbindungselement 324 und ein zweites Verbindungselement 326, wobei die Verbindungselemente 324, 326 die Distanzstücke 322 verbinden. Die beiden Verbindungselemente 324, 326 sind in einem Abstand W voneinander angeordnet, der ungefähr dem Durchmesser der Kugeln 310 entspricht, damit die Kugeln 310 stabil zwischen den Distanzstücken 322, dem ersten Verbindungselement 324 und dem zweiten Verbindungselement 326 angebracht werden können. Die Kugelhaltekette 300 bewegt sich in der ersten Rollspur 230 im Kugelumlaufspindelmodul 200, wobei zur Erreichung einer präzisen Übertragung der Radius der ersten Rollrille 212 im Schnitt vorzugsweise in etwa dem Radius W/2 der Kugeln 310 entspricht. Um zu vermeiden, dass das erste 324 und das zweite Verbindungselement 326 beim Laufen der Kugelhaltekette 300 beschädigt werden, ist die Rauheit der Oberfläche der ersten Zahnspitze 214 der Spindel 210 und die Rauheit der Oberfläche der zweiten Zahnspitze 224 der Schraubenmutter 220 vorzugsweise kleiner als Rmax = 25 Mikrometer.
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Wie aus 3, 5, 8A, 8B und 8C ersichtlich, umfasst das Kugelumlaufspindelmodul 200 eine Umlaufvorrichtung 400, um die Kugelhaltekette 300 zum Rücklaufen in die erste Rollspur 230 zu führen. Die Umlaufvorrichtung 400 ist in der Schraubenmutter 220 angeordnet und weist eine Umlaufbahn 410 auf, die mit der ersten Rollspur 230 verbunden ist, so dass eine endlose Umlaufbahn (endless Track) gebildet wird. Die Umlaufbahn 410 weist eine Abbiegung Ul und eine zweite Abbiegung U2 auf, um die Kugelhaltekette 300 zu führen. An der Umlaufbahn 410 sind eine erste Führungsrille 412 und eine zweite Führungsrille 414 ausgebildet, wobei der Radius der Umlaufbahn 410 im Querschnitt vorzugsweise in etwa dem Radius der ersten Rollspur 230 im Querschnitt entspricht. An einer Seite der Umlaufbahn 410 befindet sich die erste Führungsrille 412, in der das erste Verbindungselement 324 der Kugelhaltekette 300 läuft; an der anderen Seite der Umlaufbahn 410 befindet sich die zweite Führungsrille 414, in der das zweite Verbindungselement 326 der Kugelhaltekette 300 läuft, wobei die erste Führungsrille 412 der zweiten Führungsrille 414 entgegengesetzt ist.
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Um zu ermöglichen, dass die Kugelhaltekette 300 über die erste und die zweite Abbiegung U1, U2 ungehindert durchläuft, also nicht gezerrt oder zusammengedrückt, muss die Kugelhaltekette 300 zu einem dreidimensionalen Rücklauf geführt werden, wobei das Prinzip wie folgt erläutert wird.
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Angenommen, dass der Krümmungsradius R der Mittellinie der Umlaufbahn 410 R ist, und die erste Führungsrille 412 einen ersten Krümmungsradius R1 und die zweite Führungsrille 414 einen zweiten Krümmungsradius R2 aufweist, wird, wenn die erste Führungsrille 412 und die zweite Führungsrille 414 über die erste Abbiegung U1 laufen, der erste Krümmungsradius R1 der ersten Führungsrille 412 größer als der Krümmungsradius R der Mittellinie der Umlaufbahn 410 und als der zweite Krümmungsradius R2 der zweiten Führungsrille 414 sein, also vorzugsweise R1 ≧ R + W/2 und R2 ≦ R – W/2. Wenn die erste Führungsrille 412 und die zweite Führungsrille 414 über die zweite Abbiegung U2 laufen, wird der erste Krümmungsradius R1 der ersten Führungsrille 412 kleiner als der Krümmungsradius R der Mittellinie der Umlaufbahn 410 und als der zweite Krümmungsradius R2 der zweiten Führungsrille 414 sein, also vorzugsweise R1 ≦ R – W/2 und R2 ≧ R + W/2. Somit können das erste und das zweite Verbindungselement 324, 326, die durch die erste und die zweite Führungsrille 412, 414 laufen, mit der Veränderung des ersten und des zweiten Krümmungsradius R1, R2 zu einem dreidimensionalen Rücklauf geführt werden. Darüber hinaus ist sehr wichtig, dass gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung die Gesamtlänge der Mittellinie der Umlaufbahn, die Gesamtlänge der ersten Führungsrille 412 und die Gesamtlänge der zweiten Führungsrille 414 gleich sind. Dies ist deswegen von Vorteil, weil das erste und das zweite Verbindungselement 324, 326 der Kugelhaltekette 300 beim Durchlaufen in der Umlaufbahn 410 nicht durch die Veränderung des Krümmungsradius unangemessen zusammengedrückt werden und an ihnen wird nicht unangemessen gezerrt.
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Im oben dargestellten Kugelumlaufspindelmodul werden Kugeln 310 durch den Abstandhalter 320 getragen, befestigt und in einem Abstand voneinander getrennt, damit die Kugeln 310 beim Fortbewegen nicht gegeneinander stoßen, und dass ihre Lebensdauer dadurch verlängert wird. Außerdem ermöglichen die erste und die zweite Führungsrille 412, 414 in der Umlaufvorrichtung 400 die Kugelhaltekette 300 in der Umlaufvorrichtung 400 so zu führen, dass die Kugelhaltekette 300 an der ersten und der zweiten Abbiegung U1, U2 in der Umlaufvorrichtung 400 entlang einer bestimmten Bahn und in einer bestimmten Krümmung zurücklaufen kann. Da die Führungsrillen 412, 414 beiderseits der Kugelhaltekette 300 ungefähr gleich lang ausgebildet sind, werden das erste und das zweite Verbindungselement 324, 326 der Kugelhaltekette 300 nicht aufgrund der Abbiegung unangemessen zusammengedrückt oder es wird nicht an ihnen unangemessen gezerrt. Somit kann die Kugelhaltekette 300 sich ungehindert im Kugelumlaufspindelmodul 200 verschieben, wodurch eine optimale Leistung erzielbar ist.
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8A, 8B und 8C zeigen ferner ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei die Umlaufvorrichtung 400 in der Schraubenmutter 220 eines Kugelumlaufspindelmoduls, insbesondere eines Kugelumlaufspindelmoduls mit äußerem Umlauf, eingesetzt ist, wobei in jeder Schraubenmutter 220 ein, zwei oder mehrere Umlaufvorrichtungen 400 montierbar sind. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Schraubenmutter 220 ferner eine Vielzahl von durch den Schraubenmutter-Hauptkörper verlaufenden Montagelöchern 224 zum Montieren der Umlaufvorrichtungen) 400, wobei ein Teil der Umlaufvorrichtung 400 am Außenrand der Schraubenmutter 220 befestigt ist. Die Umlaufvorrichtung 400 weist eine Umlaufbahn 410, eine Mittelbahn 412 und eine mit den beiden Enden der Mittelbahn 412 verbundene folgende Bahn 414 auf. Die Merkmale dieser Umlaufvorrichtung 400 sind denen der Umlaufvorrichtung 400 im ersten Ausführungsbeispiel gleich.
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9A und 9B zeigen ferner ein drittes bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei die Umlaufvorrichtung 400 in der Schraubenmutter 220 eines Kugelumlaufspindelmoduls, insbesondere in der Schraubenmutter 220 eines Kugelumlaufspindelmoduls mit innerem Umlauf, eingesetzt ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist an der inneren Oberfläche der Schraubenmutter 220 ferner ein erstes Durchgangsloch 226 vorgesehen, so dass die Umlaufvorrichtung 400 im ersten Durchgangsloch 226 angeordnet werden kann. Die Merkmale dieser Umlaufvorrichtung 400 sind denen der Umlaufvorrichtung 400 im ersten Ausführungsbeispiel gleich.
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10A und 10B zeigen ferner ein viertes bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei die Umlaufvorrichtung in der Schraubenmutter 220 eines Kugelumlaufspindelmoduls, insbesondere in der Schraubenmutter 220 eines Kugelumlaufspindelmoduls mit Endstöpseln, eingesetzt ist. Die Schraubenmutter 220 umfasst zwei Montageausnehmungen 227, 228 und ein zweites Durchgangsloch 229, das mit den beiden Montageausnehmungen 227, 228 kommunizieren. Die Umlaufvorrichtung weist zwei Endstöpseln 401, 402 auf, die in den beiden Montageausnehmungen 227, 228 angeordnet sind, wobei die erste U1 und die zweite Abbiegung U2 jeweils in den Endstöpseln 401, 402 angeordnet sind, und ein Teil der Umlaufbahn 410 im zweiten Durchgangsloch 229 angeordnet ist. Die Merkmale dieser
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Umlaufvorrichtung sind denen der Umlaufvorrichtung 400 im ersten Ausführungsbeispiel gleich.
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Die vorstehende Beschreibung stellt die bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung dar und soll nicht die Patentansprüche beschränken. Alle gleichwertigen Änderungen und Modifikationen, die die in diesem technischen Bereich Sachkundigen gemäß der Beschreibung und den Zeichnungen der Erfindung vornehmen, gehören zur vorliegenden Erfindung. Der Schutzbereich der Erfindung richtet sich auf die nachstehenden Patentansprüche.
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Bezugszeichenliste
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- 200
- Kugelumlaufspindelmodul
- 210
- Spindel
- 220
- Schraubenmutter
- 300
- Kugelhaltekette
- 400
- Umlaufvorrichtung
- 212
- erste Rollrille
- 214
- erste Zahnspitze
- 222
- erste Rollrille
- 224
- erste Zahnspitze
- 230
- erste Rollspur
- 310
- Kugel
- 320
- Abstandhalter
- 322
- Distanzstück
- 324
- erstes Verbindungselement
- 326
- zweites Verbindungselement
- W
- Abstand
- U1
- erste Abbiegung
- U2
- zweite Abbiegung
- 410
- Umlaufbahn
- 412
- erste Führungsrille
- 414
- zweite Führungsrille
- R
- Krümmungsradius der Umlaufbahn-Mittellinie
- R1
- erster Krümmungsradius
- R2
- zweiter Krümmungsradius
- 224
- Montageloch
- 226
- erstes Durchgangsloch
- 227, 228
- Montageausnehmung
- 229
- zweites Durchgangsloch
- 401, 402
- Endstöpsel
