DE102011115636A1

DE102011115636A1 - Klemmvorrichtung

Info

Publication number: DE102011115636A1
Application number: DE201110115636
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Preiseler & Co KG GmbH
Current assignee: Preiseler & Co KG GmbH
Priority date: 2011-06-21
Filing date: 2011-06-21
Publication date: 2012-12-27

Abstract

Dargestellt und beschrieben ist eine Klemmvorrichtung mit einem ortsfesten Gehäuse (2), mit einer im Gehäuse (2) drehbar gelagerten Spindel (3), mit einem innerhalb des Gehäuses (2) in Axialrichtung des Gehäuses (2) verschiebbar angeordneten Bauteil (4) und mit mehreren in Umfangsrichtung angeordneten Kugehl (5), die mit der Außenfläche (6) eines Abschnitts (7) des Bauteils (4) in Berührung stehen. Mit der erfindungsgemäßen Klemmvorrichtung können bei einfacher konstruktiver Gestaltung dadurch hohe Klemmkräfte bzw. Haltemomente erzielt werden, dass ein ringförmiger Bund (9) vorgesehen ist, der entweder mit dem Gehäuse (2) oder mit der Spindel (3) verbunden oder an dem Gehäuse (2) oder der Spindel (3) ausgebildet ist, dass der ringförmige Bund (9) eine Innenfläche (10) aufweist, die der Außenfläche (6) des Abschnitts (7) des Bauteils (4) derart gegenüberliegt, dass zwischen der Außenfläche (6) des Bauteils (4) und der Innenfläche (10) des ringförmigen Bundes (9) ein Zwischenraum (11) gebildet ist, in dem die Kugeln (5) angeordnet sind, und dass der Neigungswinkel (α) der Außenfläche (6) und der Neigungswinkel (β) der Innenfläche (10) derart ausgebildet sind, dass sich die Höhe des Zwischenraums (11) bei einer Verschiebung des Bauteils (4) in Axialrichtung des Gehäuses (2) derart verringert, dass der ringförmige Bund (9) durch eine vom dem Bauteil (4) über die Kugeln (5) übertragene radiale Kraft (FR) nach außen ausgelenkt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Klemmvorrichtung mit einem ortsfesten Gehäuse, mit einer im Gehäuse drehbar gelagerten Spindel, mit einem innerhalb des Gehäuses in Axialrichtung des Gehäuses verschiebbar angeordneten Bauteil und mit mehreren in Umfangsrichtung angeordneten Kugeln, die mit der Außenfläche eines Abschnitts des Bauteils in Berührung stehen.
Im Werkzeugmaschinenbau, insbesondere bei Rundschalttischen oder Teilgeräten, werden neben linearen Achsen in zunehmendem Maße auch rotierende Achsen eingesetzt, um ein eingespanntes Werkstück von unterschiedlichen Seiten bearbeiten zu können. Dabei werden Klemmvorrichtungen eingesetzt, um das Werkstück in einer gewünschten Winkelstellung positionieren und dann bearbeiten zu können. Das Werkstück kann dabei je nach Ausführung der Werkzeugmaschine horizontal oder vertikal angeordnet werden. Damit sich die vorgegebene Position eines eingespannten Werkstücks bei dessen Bearbeitung mit einer entsprechenden Bearbeitungsmaschine, beispielsweise einer Fräs-, Bohr- oder Schleifmaschine nicht ungewollt verändert, muss von der Klemmvorrichtung eine ausreichend hohe Klemmkraft auf die Spindel aufgebracht werden. Gleichzeitig kann dabei der Antriebsmotor während der Bearbeitung durch die Klemmvorrichtung entlastet werden.
Die Klemmung kann entweder formschlüssig, beispielsweise durch eine Planverzahnung, die eingekoppelt wird oder reibschlüssig durch das Andrücken einer Bremsscheibe an die drehbar gelagerte Spindel erfolgen. Die Ausgestaltung einer formschlüssigen Positionierung der Spindel bzw. eines Werkstücks hat dabei den Nachteil, dass die Anzahl der möglichen Teilschritte und somit die Anzahl der möglichen Positionen durch die Anzahl der Zähne der Planverzahnung vorgegeben ist, so dass unter Umständen eine bestimmte Position eines Werkstücks nicht realisierbar ist. Aus diesem Grunde wird insbesondere bei Teilgeräten, die eine hohe Positioniergenauigkeit aufweisen sollen, vorzugsweise eine reibschlüssige Klemmung der Spindel gegenüber dem feststehenden Gehäuse realisiert.
Aus der DE 103 32 424 B4 ist ein Rundschalttisch mit einer Klemmvorrichtung bekannt, bei dem die Klemmvorrichtung eine mit der Spindel verbundene Bremsscheibe, mehrere sich im Gehäuse abstützende Federelemente und einen hydraulisch oder pneumatisch betätigbaren, den Federelementen entgegenwirkenden Kolben aufweist. Im drucklosen Zustand des Kolbens erfolgt die Klemmung der Spindel dadurch, dass ein dünner Klemmkörper durch die Federelemente gegen die Bremsscheibe gedrückt wird. Wird der Kolben dagegen mit einem Druckmedium beaufschlagt, so wirkt der Kolben der Federkraft des Federelements entgegen, so dass der Klemmkörper nicht gegen die Bremsscheibe gedrückt wird und sich somit die Bremsscheibe ungehindert mit der Spindel mitdrehen kann.
Zur Erzeugung einer hohen Klemmkraft und damit auch eines hohen Klemm- und Haltemoments ist die Federkraft herkömmlicher Federelemente jedoch häufig nicht ausreichend, so dass in der Praxis häufig pneumatisch und insbesondere hydraulische Systeme zur Erzeugung der Klemmkraft verwendet werden. Die Verwendung eines hydraulischen Systems hat jedoch den Nachteil, dass aufgrund des relativ hohen Betriebsdrucks die Anforderungen an die Zuleitungen und die Dichtungen und damit an das hydraulische System insgesamt relativ hoch sind. Dieses Problem besteht zwar bei pneumatischen Systemen nicht, hier ist jedoch aufgrund des relativ geringen Betriebsdrucks in der Regel auch nur eine relativ geringe Klemmkraft erreichbar.
Aus der Praxis ist eine eingangs beschriebene Klemmvorrichtung bekannt, bei der eine Verstärkung der Klemmkraft über eine Keilwirkung erreicht wird. Hierzu weist das als Kolben ausgebildete axial verschiebbare Bauteil eine konisch zulaufende Außenfläche auf, die zusammen mit einer konisch sich erweiternden Innenfläche am Gehäuse eine sich in Axialrichtung öffnende trichterförmige Nut bildet, in der eine Mehrzahl von Kugeln ringförmig hintereinander angeordnet sind. Die Spindel ist mit einer Bremsscheibe verbunden, die einen Abschnitt aufweist, der der offenen Stirnseite der trichterförmigen Nut mit den Kugeln gegenüberliegt.
Wird das Bauteil mit einer Klemmkraft, beispielsweise mit Druckluft, beaufschlagt, so wird das Bauteil axial in Richtung der Bremsscheibe verschoben. Dabei werden die Kugeln durch die konisch zulaufende Außenfläche des Bauteils und die sich konisch erweiternde Innenfläche im Gehäuse in axialer Richtung gegen die Bremsscheibe gedrückt, wodurch diese gegen einen entsprechend angeordneten und ausgebildeten Anschlagbereich im Gehäuse gedrückt wird. Entsprechend der so erzeugten Klemmkraft zwischen der Bremsscheibe und dem Gehäuse wird in Abhängigkeit vom Reibungskoeffizienten und vom Abstand des Kraftangriffspunktes von der Drehachse ein entsprechendes Klemmmoment erzeugt. Zum Lösen der so erzeugten Klemmung wird die Klemmkraft auf das Bauteil reduziert und dieses mittels einer Rückstellkraft, die beispielsweise von einer Tellerfeder aufgebracht werden kann, in seine Ausgangsposition zurückgeführt.
Die Kraft, mit der die Kugeln gegen die Bremsscheibe gedrückt werden, ist dabei vom Neigungswinkel der Außenfläche des Bauteils und vom Öffnungswinkel der konischen Innenfläche des Gehäuses abhängig. Je flacher der Neigungswinkel α der Außenfläche und je steiler der Öffnungswinkel γ der konischen Innenfläche des Bauteils ist, desto größer ist die kraftverstärkende Wirkung des Keileffekts. Die Größe der Winkel und damit auch die kraftverstärkende Wirkung ist jedoch dadurch begrenzt, dass eine Selbsthemmung der Kugeln vermieden werden muss. Ein Festsetzen der Kugeln aufgrund der Drei-Punkt-Klemmung der Kugeln zwischen der Außenfläche des axial verschiebbaren Bauteils, der konisch sich erweiternden Innenfläche am Gehäuse und der Bremsscheibe muss vermieden werden, da ansonsten ein sicheres Lösen der Klemmung nicht gewährleistet werden kann. Je nach Größe des Reibungskoeffizienten zwischen den Kugeln und der Außenfläche, der Innenfläche und der Bremsscheibe beträgt die untere Grenze für den Neigungswinkel α dabei zwischen 6 und 8 Grad.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Klemmvorrichtung zur Verfügung zu stellen, mit der bei möglichst einfacher konstruktiver Gestaltung hohe Klemmkräfte bzw. Haltemomente erzielt werden können, wobei ein sicheres Lösen der Klemmung gewährleistet sein soll.
Diese Aufgabe ist bei der eingangs beschriebenen Klemmvorrichtung dadurch gelöst, dass ein ringförmiger Bund vorgesehen ist, der entweder mit dem Gehäuse oder mit der Spindel verbunden oder an dem Gehäuse oder der Spindel ausgebildet ist, wobei der ringförmige Bund eine Innenfläche aufweist, die der Außenfläche des Abschnitts des Bauteils derart gegenüberliegt, dass zwischen der Außenfläche des Bauteils und der Innenfläche des ringförmigen Bundes ein Zwischenraum gebildet ist, in dem die Kugeln angeordnet sind. Der Neigungswinkel α der Außenfläche und der Neigungswinkel β der Innenfläche sind erfindungsgemäß derart ausgebildet bzw. aufeinander abgestimmt, dass sich die Höhe des Zwischenraums bei einer Verschiebung des Bauteils in Axialrichtung des Gehäuses verringert, so dass der ringförmige Bund durch eine vom Bauteil über die Kugeln übertragene radiale Kraft nach außen ausgelenkt bzw. aufgeweitet wird.
Wird bei der erfindungsgemäßen Klemmvorrichtung das Bauteil in Axialrichtung des Gehäuses verschoben, so werden die mit der Außenfläche des Bauteils in Berührung stehenden Kugeln aufgrund der Reibung mitgenommen, wobei der Verschiebeweg der Kugeln halb so groß ist wie die Axialverschiebung des Bauteils. Da sich aufgrund der Ausgestaltung des Neigungswinkels α der Außenfläche und des Neigungswinkels β der Innenfläche die Höhe des Zwischenraums bei einer Verschiebung des Bauteils in Axialrichtung verringert, drücken die Kugeln gegen den ringförmigen Bund, wodurch auf diesen eine radiale Kraft F_R wirkt, so dass der Bund aufgeweitet wird. Da bei der erfindungsgemäßen Klemmvorrichtung die Kugeln nur zwischen der Außenfläche des axial verschiebbaren Bauteils und der Innenfläche des ringförmigen Bundes geklemmt werden, besteht nicht die Gefahr eines Festsetzens der Kugeln, so dass ein sicheres Lösen der Klemmung gewährleistet ist, auch wenn sehr kleine Neigungswinkel gewählt werden.
Zuvor ist ausgeführt worden, dass der ringförmige Bund entweder mit dem Gehäuse oder der Spindel verbunden bzw. an dem Gehäuse oder der Spindel ausgebildet ist. Hierdurch soll zum Ausdruck gebracht werden, dass der ringförmige Bund entweder mit dem Gehäuse oder der Spindel einstückig ausgebildet oder mit dem Gehäuse oder der Spindel fest verbunden, beispielsweise verschraubt oder verschweißt, sein kann. Ist der ringförmige Bund mit dem Gehäuse verbunden oder an dem Gehäuse ausgebildet, so wird er gegen die Spindel oder eine mit der Spindel verbundene Bremsscheibe gedrückt. Ist der ringförmige Bund dagegen an der Spindel ausgebildet oder mit der Spindel verbunden, so wird er beim Aufweiten gegen das Gehäuse gedrückt.
Gemäß einer ersten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind der Neigungswinkel α der Außenfläche des Bauteils und der Neigungswinkel β der Innenfläche des ringförmigen Bundes größer Null, so dass die Außenfläche des Abschnitts des Bauteils und die Innenfläche des ringförmigen Bundes konisch zulaufend ausgebildet sind. Vorzugsweise sind dabei die beiden Neigungswinkel α, β in etwa gleich groß, was jedoch nicht zwingend ist. Beispielsweise kann die Außenfläche des Abschnitts des Bauteils auch parallel zur Achse des Gehäuses bzw. der Spindel verlaufen, so dass der Neigungswinkel null Grad beträgt. Die beiden Neigungswinkel müssen lediglich derart aufeinander abgestimmt sein, dass sich bei einer Verschiebung des Bauteils in Axialrichtung die für die Kugeln zur Verfügung stehende Höhe des Zwischenraums verringert, so dass die Kugeln zwischen der Außenfläche und der Innenfläche geklemmt werden und dadurch auf den ringförmigen Bund eine von dem Bauteil über die Kugeln übertragene radiale Kraft F_R wirkt.
Die Erzeugung der auf das Bauteil wirkenden axialen Klemmkraft F_A, mit der das Bauteil verschoben wird, kann auf unterschiedliche Arten erfolgen. Grundsätzlich kann das Bauteil dabei auch durch eine manuell aufzubringende Kraft axial verschoben werden. Ebenso kann die Klemmkraft von einer Feder oder elektromagnetisch erzeugt werden. Vorzugsweise ist jedoch vorgesehen, dass die Klemmkraft hydraulisch und insbesondere pneumatisch erzeugt wird. Die Verwendung eines pneumatischen Systems anstelle eines hydraulischen Systems hat dabei den Vorteil, dass mit wesentlich niedrigerem Betriebsdruck gearbeitet werden kann, so dass auch die Zuleitungen wesentlich weniger störanfällig und damit weniger wartungsintensiv sind bzw. einfacher ausgebildet sein können. Bei der erfindungsgemäßen Klemmvorrichtung hat sich dabei herausgestellt, dass bereits mit Betriebsdrücken von wenigen bar, beispielsweise von 6 bar, sehr hohe Klemmkräfte und Haltemomente erreicht werden können.
Damit das Bauteil zum Lösen der Klemmung an seine ursprüngliche Position zurück verfahren wird, wird das Bauteil mit einer Rückstellkraft beaufschlagt, die entgegengesetzt zur Klemmkraft gerichtet ist. Zur Erzeugung der Rückstellkraft kann beispielsweise eine Feder oder mehrere Federn eingesetzt werden. Bei nicht aktivierter Klemmkraft wird das Bauteil dann in seine Ausgangslage zurückgeschoben.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der ringförmige Bund mit dem Gehäuse verbunden bzw. an dem Gehäuse ausgebildet. Der Bund kann dann derart mit geringem Abstand zur Spindel angeordnet sein, so dass dann, wenn eine Klemmkraft anliegt, durch die der Bund aufgeweitet wird, dieser direkt mit seiner Außenfläche an der Spindel anliegt bzw. gegen die Spindel drückt, wodurch diese geklemmt wird.
Gemäß einer bevorzugten Variante wird der Bund zur Klemmung jedoch nicht unmittelbar gegen die Spindel sondern gegen ein mit der Spindel verbundene Bremsscheide gedrückt. Die Spindel ist dazu mit einer radial verlaufenden Bremsscheibe verbunden, die einen in Axialrichtung verlaufenden Klemmabschnitt aufweist, der derart dem ringförmigen Bund gegenüberliegend angeordnet ist, dass der ringförmige Bund von der Innenfläche des Klemmabschnitts der Bremsscheibe beabstandet ist, wenn der ringförmige Bund nicht aufgrund einer Klemmkraft nach außen ausgelenkt bzw. aufgeweitet ist. Der Spalt zwischen der Innenfläche des Klemmabschnitts der Bremsscheibe und der Außenfläche des ringförmigen Bundes ist dabei so gering, dass der ringförmige Bund gegen die Innenfläche des Klemmabschnitts drückt, wenn der Bund aufgrund einer Verschiebung des Bauteils und einer dann auf ihn wirkenden radialen Kraft F_R aufgeweitet wird. Der Vorteil einer derartigen Ausgestaltung besteht darin, dass im Vergleich zur direkten Klemmung an der Spindel ein größerer Abstand zwischen dem Kraftangriffspunkt und der Drehachse der Spindel besteht, was zu einem entsprechend höheren Klemmmoment führt.
Das erreichbare Klemmmoment kann gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung dadurch weiter erhöht werden, dass das Gehäuse einen Klemmabschnitt aufweist, der derart der Außenfläche des Klemmabschnitts der Bremsscheibe gegenüberliegend angeordnet ist, dass der Klemmabschnitt der Bremsscheibe mit seiner Außenfläche gegen die Innenfläche des Klemmabschnitts des Gehäuses gedrückt wird, wenn der Klemmabschnitt der Bremsscheibe aufgrund einer Verschiebung des Bauteils durch den aufgeweiteten ringförmigen Bund nach außen ausgelenkt bzw. aufgeweitet wird. In der Position der Klemmung liegt dann sowohl der ringförmige Bund am Klemmabschnitt der Bremsscheibe als auch der Klemmabschnitt der Bremsscheibe am Klemmabschnitt des Gehäuses an. Der Klemmabschnitt der Bremsscheibe ist somit zwischen dem ringförmigen Bund einerseits und dem Klemmabschnitt des Gehäuses andererseits eingeklemmt, was zu einer Erhöhung des Klemmmoments führt.
Neben den zuvor beschriebenen Ausführungsvarianten, bei denen eine Klemmung der Spindel nur bei Anliegen einer Klemmkraft gegeben ist, ist auch eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Klemmvorrichtung möglich, bei der die Klemmung aktiv ist, wenn keine Klemmkraft auf das axial verschiebliche Bauteil wirkt. Bei dieser Ausführungsvariante ist die Bremsscheibe mit dem Klemmabschnitt derart ausgebildet, dass der ringförmige Bund gegen die Außenfläche des Klemmabschnitts drückt, wenn der Bund nicht aufgeweitet ist. Damit die Spindel frei drehbar ist, muss bei dieser Ausführungsvariante das Bauteil durch eine Kraft verschoben werden, damit der ringförmige Bund aufgeweitet wird und sich dadurch die Innenfläche des Bundes von der Außenfläche des Klemmabschnitts der Bremsscheibe abhebt.
Gemäß einer letzten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, die hier noch kurz erläutert werden soll, sind zwei, in Axialrichtung voneinander beabstandete elastische Elemente vorgesehen, zwischen denen die Kugeln im Zwischenraum angeordnet sind. Die elastischen Elemente sind dabei derart innerhalb des Zwischenraums angeordnet bzw. ragen in den Zwischenraum hinein, dass die Kugeln bei nicht geklemmter Spindel, d. h. bei nicht aktiver Klemmung, durch die elastischen Elemente in einem vorgegebenen axialen Abstand vom freien Ende des ringförmigen Bundes positioniert sind. Durch die elastischen Elemente wird sichergestellt, dass nach dem Lösen der Klemmung ein erneuter Klemmvorgang mit den gleichen Ausgangsbedingungen erfolgen kann. Die elastischen Elemente sorgen somit dafür, dass die Kugeln stets an der im Wesentlichen gleich bleibenden axialen Position innerhalb des Zwischenraums zwischen der Außenfläche des axial verschiebbaren Bauteils und der Innenfläche des ringförmigen Bundes geklemmt werden. Darüber hinaus wird durch die elastischen Elemente sichergestellt, dass die Kugeln weder an der Klemmscheibe noch am vom Gehäuse gebildeten Grund des Zwischenraums zur Anlage kommen, so dass es auch nicht zu einer Drei-Punkt-Klemmung kommen kann. Dadurch, dass die Elemente elastisch sind, behindern sie jedoch nicht die gewollte Verschiebung der Kugeln, wenn das Bauteil aufgrund einer Klemmkraft in axialer Richtung verschoben wird.
Dabei sind die elastischen Elemente vorzugsweise so angeordnet bzw. dimensioniert, dass der Klemmbereich der Kugeln möglichst nahe am freien Ende des ringförmigen Bundes liegt, um eine möglichst große Ausweitung des Bundes zu ermöglichen. Aus dem gleichen Grund ist der Bund auch möglichst dünn ausgebildet, wobei jedoch sicher gestellt sein muss, dass der Bund auch bei Anliegen einer maximalen Klemmkraft nicht beschädigt wird.
Im Einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, die erfindungsgemäße Klemmvorrichtung auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen sowohl auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche als auch auf die Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen
1 eine aus dem Stand der Technik bekannte Klemmvorrichtung als Teil eines Teilgeräts, im Schnitt,
2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Klemmvorrichtung als Teil eines Teilgeräts, im Schnitt,
3 eine vergrößerte Darstellung eines Teils eines weiteren Ausführungsbeispiels der Klemmvorrichtung, im Schnitt,
4 eine vergrößerte Darstellung eines Teils einer alternativen Ausführungsform der Klemmvorrichtung, im Schnitt,
5 eine vergrößerte Darstellung eines Teils einer weiteren alternativen Ausführungsform einer Klemmvorrichtung,
6 eine vergrößerte Darstellung eines Details einer erfindungsgemäßen Klemmvorrichtung,
7 eine weitere Ausführungsform eines Teils einer Klemmvorrichtung, im Schnitt,
8 eine Variante der Ausführungsform gemäß 7,
9 ein anderes Ausführungsbeispiel einer Klemmvorrichtung, im Schnitt und
10 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Klemmvorrichtung, im Schnitt.
Die 2 bis 10 zeigen verschiedene Ausführungsvarianten bzw. Details unterschiedlicher Ausführungsvarianten einer erfindungsgemäßen Klemmvorrichtung 1 als Teil einer Werkzeugmaschine, insbesondere eines Teilgeräts oder eines Rundschalttischs. Im Unterschied dazu ist in 1 eine aus dem Stand der Technik bekannte Klemmvorrichtung 1 als Teil eines Teilgeräts dargestellt.
Sowohl die aus dem Stand der Technik bekannte Klemmvorrichtung 1 als auch die erfindungsgemäße Klemmvorrichtung 1 weisen jeweils ein Gehäuse 2 und eine drehbar in dem Gehäuse 2 angeordnete Spindel 3 auf. Das funktional zur Klemmvorrichtung 1 gehörende Gehäuse 2 stellt gleichzeitig das Gehäuse 2 der Werkzeugmaschine dar, wobei das Gehäuse 2 selber auch aus mehreren Gehäuseteilen bestehen kann, die miteinander verbunden, insbesondere verschraubt oder verschweißt sind. Die in den Figuren dargestellte Klemmvorrichtung 1 dient dazu, ein einmal aufgespanntes Werkstück in einer ausgewählten Winkelstellung der Spindel 3 zu positionieren, so dass das Werkstück anschließend in der gewünschten Position mittels einer Bearbeitungsmaschine bearbeitet werden kann. Zur Positionierung des Werkstücks weist die Werkzeugmaschine eine hier nicht dargestellte Antriebsvorrichtung auf, die mit der Spindel 3 in Verbindung steht, wobei zur Befestigung eines zu bearbeitenden Werkstücks an einer Stirnseite der Spindel 3 beispielsweise eine Planscheibe befestigt sein kann.
Zur Erzeugung der gewünschten Klemmung der Spindel 3 ist bei der aus dem Stand der Technik bekannten Klemmvorrichtung 1 gemäß 1 innerhalb des Gehäuses 2 ein Bauteil 4 angeordnet, das in Axialrichtung des Gehäuses 2 verschoben werden kann. Darüber hinaus sind innerhalb des Gehäuses 2 mehrere in Umfangsrichtung nebeneinander angeordnete Kugeln 5 vorgesehen, die an der konisch zulaufenden Außenfläche 6 eines Abschnitts 7 des Bauteils 4 anliegen. Die Kugeln 5 liegen außerdem auch an einer im Gehäuse 2 ausgebildeten, konisch sich erweiternden Innenfläche 8 an, die zusammen mit der Außenfläche 6 des Bauteils 4 eine sich in Axialrichtung des Gehäuses 2 öffnende trichterförmige Nut für die Kugeln 5 bildet.
Wird auf das als Kolben ausgebildete Bauteil 4 eine Klemmkraft F_A aufgebracht, so wird das Bauteil 4 in Axialrichtung verschoben, wodurch die an der Außenfläche 6 in Umfangsrichtung verteilt angeordneten Kugeln 5 nach vorne und durch die konisch sich erweiternde Innenfläche 8 nach oben gedrückt werden. Dadurch werde die Kugeln 5 gegen die mit der Spindel 3 verbundene Bremsscheibe 12 gedrückt, deren freies Ende der trichterförmigen Nut und damit den Kugeln 5 gegenüberliegend angeordnet ist. Die Bremsscheibe 12 wird dadurch ausgelenkt und gegen einen gegenüberliegenden Abschnitt 2' des Gehäuses 2 gedrückt, wodurch die Spindel 3 festgeklemmt wird.
Bei der in 1 dargestellten Ausführung der Klemmvorrichtung 1 ist die Größe der Kraft, mit der die Kugeln 5 gegen die Bremsscheibe 12 gedrückt werden, außer von der Klemmkraft F_A vom Neigungswinkel α der Außenfläche 6 und vom Öffnungswinkel γ der konischen Innenfläche 8 abhängig. Je flacher der Neigungswinkel α der Außenfläche 6 ist und je steiler, d. h. kleiner, der Öffnungswinkel γ der Innenfläche 8 ist, desto größer ist die kraftverstärkende Wirkung aufgrund des Keileffekts. Die Größe der Winkel α, γ ist jedoch dadurch begrenzt, dass eine Selbsthemmung der Kugeln 5 zwischen der Außenfläche 6, der Innenfläche 8 und der Bremsscheibe 12 vermieden werden muss, damit ein sicheres Lösen der Klemmung gewährleistet werden kann. Je nach Reibungskoeffizient zwischen den Kugeln 5 und der Außenfläche 6 des Bauteils 4, der Innenfläche 8 und der Bremsscheibe 12 beträgt die untere Grenze für den Neigungswinkel α dabei zwischen 6 und 10 Grad.
Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Klemmvorrichtung 1 weist das verschiebbar im Gehäuse 2 angeordnete Bauteil 4 ebenfalls einen Abschnitt 7 mit einer konisch zulaufenden Außenfläche 6 auf, die mit den Kugeln 5 in Berührung steht, so dass die Kugeln 5 auf der Außenfläche 6 abrollen können. Dem Abschnitt 7 des Bauteils 4 ist ein ringförmiger Bund 9 gegenüberliegend angeordnet, der im dargestellten Ausführungsbeispiel einstückig mit dem Gehäuse 2 ausgebildet ist. Der ringförmige Bund 9 weist eine Innenfläche 10 auf, die der Außenfläche 6 des Abschnitts 7 des Bauteils 4 derart gegenüber liegt, dass zwischen der Außenfläche 6 und der Innenfläche 10 ein Zwischenraum 11 gebildet ist, in dem die Kugeln 5 angeordnet sind. Der Neigungswinkel α der Außenfläche 6 des Bauteils 4 und der Neigungswinkel β der Innenfläche 10 des Bundes 9 sind dabei derart ausgebildet bzw. gewählt, dass sich die Höhe des Zwischenraums 11 für die Kugeln 5 bei einer Axialverschiebung des Bauteils 4 derart verringert, dass die Kugeln 5 zwischen der Außenflächen 6 und der Innenfläche 10 geklemmt werden. So wird der ringförmige Bund 9 durch eine vom Bauteil 4 über die Kugeln 5 übertragene radiale Kraft F_R nach außen ausgelenkt bzw. aufgeweitet.
Wie aus 2 und insbesondere aus der vergrößerten Darstellung der Ausführungsvariante gemäß 3 ersichtlich ist, ist die Spindel 3 mit einer Bremsscheibe 12 verbunden, wobei die Bremsscheibe 12 einen in Axialrichtung der Spindel 3 bzw. des Gehäuses 2 verlaufenden Klemmabschnitt 13 aufweist, der dem ringförmigen Bund 9 gegenüberliegend angeordnet ist. Zwischen der Innenfläche 14 des Klemmabschnitts 13 und der Außenfläche 15 des ringförmigen Bundes 9 ist dabei ein geringer Spalt ausgebildet, so dass die Bremsscheibe 12 bzw. der Klemmabschnitt 13 in der in 3 dargestellten Situation nicht geklemmten ist, so dass die Spindel 3 frei drehbar ist. Wird das Bauteil 4 in Axialrichtung verschoben, so dass der ringförmige Bund 9 durch eine vom Bauteil 4 über die Kugeln 5 übertragende radiale Kraft F_R nach außen aufgeweitet wird, so drückt die Außenfläche 15 des Bundes 9 gegen die gegenüberliegende Innenfläche 14 des Klemmabschnitts 13 der Bremsscheibe 12, wodurch die Spindel 3 festgeklemmt wird.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Klemmvorrichtung 1 gemäß 3 weist das Gehäuse 2 neben dem ringförmigen Bund 9 zusätzlich noch einen, den Bund 9 mit radialem Abstand umgebenden Klemmabschnitt 16 auf, wobei zwischen dem ringförmigen Bund 9 und dem Klemmabschnitt 16 eine Nut ausgebildet ist, in die der Klemmabschnitt 13 der Bremsscheibe 12 hineinragt. Der radiale Abstand des Klemmabschnitts 16 von dem ringförmigen Bund 9, d. h. die Breite der Nut, ist dabei so gewählt, dass im nicht geklemmten Zustand der Spindel 3 sowohl zwischen dem Klemmabschnitt 13 der Bremsscheibe 12 und dem ringförmigen Bund 9 als auch zwischen dem Klemmabschnitt 13 der Bremsscheibe 12 und dem Klemmabschnitt 16 des Gehäuses 2 ein geringer Spalt besteht.
Wird das Bauteil 4 durch eine auf ihn wirkende Klemmkraft F_A in Richtung auf die Bremsscheibe 12 axial verschoben, so dass der ringförmige Bund 9 aufgrund der radialen Kraft F_R aufgeweitet wird, so führt dies zunächst dazu, dass die Außenfläche 15 des ringförmigen Bundes 9 an der Innenfläche 14 des Klemmabschnitts 13 der Bremsscheibe 12 anliegt. Wird die Klemmkraft F_A weiter erhöht, so dass auch der ringförmige Bund 9 weiter aufgeweitet wird, so führt dies zu einer Auslenkung bzw. Aufweitung des Klemmabschnitts 13 der Bremsscheibe 12, bis deren Außenfläche 17 an der Innenfläche 18 des Klemmabschnitts 16 des Gehäuses 2 anliegt. Dadurch, dass bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 im geklemmten Zustand nicht nur der ringförmige Bund 9 gegen den Klemmabschnitt 13 der Bremsscheibe 12 sondern zusätzlich auch noch der Klemmabschnitt 13 der Bremsscheibe 12 gegen den gegenüberliegenden Klemmabschnitt 16 des Gehäuses 2 gedrückt wird, ist bei gleich bleibender Klemmkraft F_A ein höheres Klemmmoment erreichbar.
Die auf das Bauteil 4 wirkende Klemmkraft F_A kann pneumatisch oder hydraulisch erzeugt werden, wobei der Vorteil eines pneumatischen Systems darin besteht, dass mit wesentlich niedrigeren Betriebsdrücken gearbeitet werden kann. Aufgrund der mit der erfindungsgemäßen Klemmvorrichtung 1 erzielbaren hohen Klemmkraftverstärkung sind dabei bereits Betriebsdrücke von wenigen bar, beispielsweise von 6 bar ausreichend, um sehr hohe Klemmmomente zu erreichen. Alternativ dazu kann die Klemmkraft F_A auch durch eine Feder 19 erzeugt werden, wie dies in 4 dargestellt ist.
Während bei den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen eine Klemmung der Spindel 3 nur bei Anliegen einer Klemmkraft F_A erreicht wird, ist in 5 ein Ausführungsbeispiel einer Klemmvorrichtung 1 dargestellt, bei der die Klemmung aktiv ist, wenn keine Klemmkraft F_A auf das Bauteil 4 wirkt, d. h. es muss eine Kraft aufgebracht werden, um die Spindel 3 zu lösen. Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäß den 2 und 3 ist dazu die Bremsscheibe 12 mit dem Klemmabschnitt 13 derart ausgebildet, dass der ringförmige Bund 9 (gemäß der Darstellung in 5) gegen die Außenfläche 17 des Klemmabschnitts 13 drückt, wenn der Bund 9 nicht nach außen ausgelenkt ist. Wird bei diesem Ausführungsbeispiel das Bauteil 4 in Axialrichtung verschoben, so führt dies wiederum zu einem Aufweiten des ringförmigen Bundes 9, wodurch dann der Klemmabschnitt 13 der Bremsscheibe 12 frei gegeben wird, so dass die Spindel 3 nicht mehr geklemmt ist.
6 zeigt einen Teil des Bauteils 4 und des dem Bauteil 4 gegenüberliegenden, mit dem Gehäuse 2 einstückig ausgebildeten ringförmigen Bundes 9 sowie mehrere in dem Zwischenraum 11 zwischen der Außenfläche 6 des Bauteils 4 und der Innenfläche 10 des Bundes 9 angeordnete Kugel 5. Während in axialer Richtung jeweils nur eine Kugel 5 im Zwischenraum 11 angeordnet ist, sind in radialer Richtung so viele Kugeln 5 vorgesehen, dass die einzelnen Kugeln 5 mit geringem Spiel aneinander angrenzen; im Zwischenraum 11 ist somit eine Kugelreihe angeordnet, deren einzelne sich einander berühren. Denkbar ist jedoch auch eine Ausführungsvariante, bei der zwei oder mehr Kugelreihen in axialer Richtung hintereinander angeordnet sind. Die einzelnen Kugelreihen können dann durch Abstandselemente voneinander getrennt sein.
Der 6 ist darüber hinaus zu entnehmen, dass der ringförmige Bund 9 mehrere, in Umfangsrichtung voneinander beabstandete Schlitze 20 aufweist, die jeweils in Axialrichtung verlaufen und an der Stirnseite des Bundes 9 offen sind. Hierdurch kann die erforderliche Klemmkraft F_A zum Aufweiten des Bundes 9 verringert werden.
Wie zuvor bereits ausgeführt worden ist, erfolgt die axiale Verschiebung des als Kolben ausgebildeten Bauteils 4 vorzugsweise dadurch, dass eine pneumatische Kraft auf die der Bremsscheibe 12 abgewandte Stirnseite des Bauteils 4 wirkt. Hierzu ist zwischen dem Bauteil 4 und dem Gehäuse 2 ein Druckraum 21 ausgebildet, der mit Druckluft beaufschlagt werden kann. Damit der Kolben bzw. das Bauteil 4 zum Lösen der Spindel 3 wieder in seine Ausgangsposition zurück gelangt, ist eine Feder 22 als Rückstellelement zwischen der der Bremsscheibe 12 zugewandten Stirnseite des Bauteils 4 und einem am Gehäuse 2 ausgebildeten Halteabschnitt 23 angeordnet. Alternativ zur Verwendung einer Feder 22 können auch hydraulische, pneumatische oder elektromagnetische Kräfte zur Erzeugung der Rückstellkraft vorgesehen sein.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 4, bei dem die Klemmkraft F_A durch eine Feder 19 oder mehrere Federn 19 erzeugt wird, ist der Raum zwischen der der Bremsscheibe 12 zugewandten Stirnseite des Bauteils 4 und dem Abschnitt 23 des Gehäuses 2 als Druckraum 24 ausgebildet, so dass bei diesem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Klemmvorrichtung 1 das Bauteil 4 beispielsweise mit Druckluft beaufschlagt werden kann, um das Bauteil 4 in die Ausgangsposition zu schieben, in der die Spindel 3 nicht geklemmt ist.
Damit beim Zurückschieben des Bauteils 4 in seine, die Spindel 3 nicht klemmende Ausgangsposition, d. h. beim Lösen der Klemmung, sicherzustellen, dass die Kugeln 5 wieder in einem vorgegebenen axialen Abstand vom freien Ende des ringförmigen Bundes 9 angeordnet sind, sind zwei elastische Elemente 25, 26 vorgesehen. Die elastischen Elemente 25, 26 können dabei gemäß 7 als dünne, elastische Ringe ausgebildet sein, die innerhalb des Zwischenraums 11 angeordnet und gehalten sind. Bei dem in 8 dargestellte Ausführungsbeispiel wird das erste elastische Element von einem am Grund 27 des Zwischenraums 11 angeordneten O-Ring 25 gebildet, während als zweites elastisches Element eine dünne Scheibe 26 vorgesehen ist, die an der Stirnseite des Bauteils 4 befestigt ist. Die Scheibe 26 kann beispielsweise aus Metall, insbesondere aus Stahl oder Bronze, ausgebildet sein.
In 9 ist eine Variante einer Klemmvorrichtung 1 dargestellt, bei der die Klemmung unmittelbar innen an der Spindel 3 erfolgt. Im Vergleich zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist dabei der ringförmige Bund 9 derart am Gehäuse 2 ausgebildet, dass zwischen der Außenfläche 15 des Bundes 9 und der Spindel 3 nur ein geringer Spalt besteht. Wird das Bauteil 4 aufgrund einer Klemmkraft F_A in axialer Richtung verschoben, so werden die Kugeln 5 gegen die konisch zulaufende Innenfläche 10 des Bundes 9 gedrückt, wodurch dieser soweit aufgeweitet wird, bis die Außenfläche 15 des Bundes 9 gegen die Spindel 3 drückt, was zu einer Klemmung der Spindel 3 führt. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 9 kann somit auf die Ausbildung einer Bremsscheibe, die mit der Spindel 3 verbunden ist, verzichtet werden.
Schließlich zeigt 10 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Klemmvorrichtung 1, bei der der ringförmige Bund 9 nicht mit dem Gehäuse 2 sondern mit der Spindel 3 verbunden ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das in Axialrichtung verschiebbare Bauteil 4 nicht nur innerhalb des Gehäuses 2 angeordnet, sondern das Bauteil 4 ist zwischen der eigentlichen Spindel 3 und einem mit der Spindel 3 verbundenen Abschnitt 28 geführt, wobei am stirnseitigen Ende des Abschnitts 28 der ringförmige Bund 9 ausgebildet ist. Wird bei diesem Ausführungsbeispiel das Bauteil 4 durch eine Klemmkraft F_A in Axialrichtung verschoben, so wird auch hierbei der ringförmige Bund 9 durch die vom Bauteil 4 über die Kugeln 5 übertragene radiale Kraft F_R aufgeweitet. Im Unterschied zu den übrigen Ausführungsbeispielen drückt dabei jedoch die Außenfläche 15 des Bundes 9 nicht direkt gegen die Spindel 3 oder die mit der Spindel verbundene Bremsscheibe 12, sondern direkt gegen das Gehäuse 2.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10332424 B4 [0004]

Claims

Klemmvorrichtung mit einem ortsfesten Gehäuse (2), mit einer im Gehäuse (2) drehbar gelagerten Spindel (3), mit einem innerhalb des Gehäuses (2) in Axialrichtung des Gehäuses (2) verschiebbar angeordneten Bauteil (4) und mit mehreren in Umfangsrichtung angeordneten Kugeln (5), die mit der Außenfläche (6) eines Abschnitts (7) des Bauteils (4) in Berührung stehen, dadurch gekennzeichnet, dass ein ringförmiger Bund (9) vorgesehen ist, der entweder mit dem Gehäuse (2) oder mit der Spindel (3) verbunden oder an dem Gehäuse (2) oder der Spindel (3) ausgebildet ist, dass der ringförmige Bund (9) eine Innenfläche (10) aufweist, die der Außenfläche (6) des Abschnitts (7) des Bauteils (4) derart gegenüberliegt, dass zwischen der Außenfläche (6) des Bauteils (4) und der Innenfläche (10) des ringförmigen Bundes (9) ein Zwischenraum (11) gebildet ist, in dem die Kugeln (5) angeordnet sind, und dass der Neigungswinkel (α) der Außenfläche (6) und der Neigungswinkel (β) der Innenfläche (10) derart ausgebildet sind, dass sich die Höhe des Zwischenraums (11) bei einer Verschiebung des Bauteils (4) in Axialrichtung des Gehäuses (2) derart verringert, dass der ringförmige Bund (9) durch eine vom dem Bauteil (4) über die Kugeln (5) übertragene radiale Kraft (F_R) nach außen ausgelenkt wird.
Klemmvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungswinkel (α) der Außenfläche (6) und/oder der Neigungswinkel (β) der Innenfläche (10) größer Null ist, so dass die Außenfläche (6) des Abschnitts (7) des Bauteils (4) und/oder die Innenfläche (10) des ringförmigen Bundes (9) konisch zulaufenden ausbildet ist.
Klemmvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (4) Teil eines Kolbens ist, der mit einer den Kolben in Axialrichtung des Gehäuses (2) gerichteten Klemmkraft, insbesondere einer hydraulischen oder pneumatischen Klemmkraft beaufschlagbar ist.
Klemmvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben mit einer Rückstellkraft beaufschlagbar ist, die entgegengesetzt zur Klemmkraft gerichtet ist, so dass der Kolben bei nicht aktivierter Klemmkraft in seine Ausgangslage zurückgeschoben wird.
Klemmvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der ringförmige Bund (9) mit dem Gehäuse (2) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Spindel (3) mit einer Bremsscheibe (12) verbunden ist, wobei die Bremsscheibe (12) einen Klemmabschnitt (13) aufweist, der derart dem ringförmigen Bund (9) gegenüberliegend angeordnet ist, dass der ringförmige Bund (9) von der Innenfläche (14) des Klemmabschnitts (13) der Bremsscheibe (12) beabstandet ist, wenn der ringförmige Bund (9) nicht nach außen ausgelenkt wird, und dass der ringförmige Bund (9) gegen die Innenfläche (14) des Klemmabschnitts (13) der Bremsscheibe (12) drückt, wenn der ringförmige Bund (9) aufgrund einer Verschiebung des Bauteils (4) nach außen ausgelenkt ist, so dass die Spindel (3) geklemmt ist.
Klemmvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) einen Klemmabschnitt (16) aufweist, der derart der Außenfläche (17) des Klemmabschnitts (13) der Bremsscheibe (12) gegenüberliegend angeordnet ist, dass der Klemmabschnitt (13) der Bremsscheibe (12) mit seiner Außenfläche (17) gegen die Innenfläche (18) des Klemmabschnitts (16) des Gehäuses (2) drückt, wenn der Klemmabschnitt (13) der Bremsscheibe (12) aufgrund einer Verschiebung des Bauteils (4) durch den ausgelenkten ringförmigen Bund (9) nach außen ausgelenkt ist.
Klemmvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der ringförmige Bund (9) mit dem Gehäuse (2) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Spindel (3) mit einer Bremsscheibe (12) verbunden ist, wobei die Bremsscheibe (12) einen Klemmabschnitt (13) aufweist, der derart dem ringförmigen Bund (9) gegenüberliegend angeordnet ist, dass der ringförmige Bund (9) gegen die Außenfläche (17) des Klemmabschnitts (13) der Bremsscheibe (12) drückt, wenn der ringförmige Bund (9) nicht nach außen ausgelenkt ist, so dass die Spindel (3) geklemmt ist, und dass der ringförmige Bund (9) von der Außenfläche (17) des Klemmabschnitts (13) der Bremsscheibe (12) beabstandet ist, wenn der ringförmige Bund (9) aufgrund einer Verschiebung des Bauteils (4) nach außen ausgelenkt ist.
Klemmvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremsscheibe (12) einstückig mit der Spindel (3) verbunden ist.
Klemmvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmige Bund (9) mehrere in Umfangsrichtung voneinander beabstandete und in Axialrichtung verlaufende, stirnseitig offene Schlitze (20) aufweist.
Klemmvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwei elastische Elemente (25, 26) derart innerhalb des Zwischenraums (11) angeordnet sind oder in den Zwischenraum (11) hineinragen, wobei die Kugeln (5) zwischen den beiden elastischen Elementen () angeordnet sind, dass die Kugeln (5) bei nicht geklemmter Spindel (3) durch die elastischen Elemente (25, 26) in einem vorgegebenen axialen Abstand vom freien Ende des ringförmigen Bundes (9) positioniert sind.
Klemmvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein elastisches Element (25) als O-Ring und das andere elastische Element (26) als dünne Scheibe ausgebildet ist, die an der Stirnseite des Bauteils (4) befestigt ist.