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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Linearaktuator mit einer drehbaren Spindel und einer drehfesten Spindelmutter und ein Verfahren zum Betreiben eines Linearaktuators.
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Linearaktuatoren mit Spindel benötigen bei längeren Hüben und höherer Drehzahl oder Verfahrgeschwindigkeiten eine Abstützung des auskragenden Spindelendes, um einen unrunden Lauf zu verhindern, da sich ansonsten das Laufverhalten und die Lebensdauer des Linearaktuators verschlechtern.
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Für die Abstützung der drehbaren Spindel werden derzeit Gleitelemente an der drehbaren Spindel befestigt. Nach entsprechender Bearbeitung der Spindelenden werden die Gleitelemente auf die Spindel montiert und stützen diese an der umliegenden Geometrie ab. Dies erhöht die Nullhublänge des Linearaktuators.
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Die Druckschrift
US 6,053,065 A beschreibt einen Spindelantrieb mit einer Spindel und einer Spindelmutter, die sich auf der Spindel bewegt und für einen Präzisionsantrieb für ein linear bewegliches Gerät verwendet wird.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Bauraum eines Linearaktuators zu reduzieren und die Nullhublänge zu verringern.
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Diese Aufgabe wird durch Gegenstände nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der Beschreibung und der Figuren.
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Gemäß einem ersten Aspekt wird diese Aufgabe durch einen Linearaktuator gelöst, mit einer drehbaren Spindel; einer drehfesten Spindelmutter zum Erzeugen einer Linearbewegung bei einem Drehen der Spindel; einem Schubrohr zum Übertragen der Linearbewegung der Spindelmutter; und einem Gleitelement zum Führen der Spindel in dem Schubrohr, das an dem Schubrohr befestigt ist. Das Gleitelement ist innerhalb des Schubrohrs angeordnet. Durch das Gleitelement wird der technische Vorteil erreicht, dass eine seitliche Spindelabstützung für beliebig lange Hübe des Schubrohrs erhalten wird, der Bauraum des Linearaktuators verringert wird und sich eine Nullhublänge reduziert. Daneben wird ein einfacherer Aufbau der Spindel erreicht.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform des Linearaktuators weist das Gleitelement eine Ringform oder eine Zylinderform auf. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass die Spindel vollumfänglich abgestützt wird.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform des Linearaktuators weist das Gleitelement eine C-Form oder eine Halbringform auf oder ist durch ein Ringsegment gebildet. Das Ringsegment kann beispielsweise einen Mittelpunktswinkel von 180° aufweisen. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass das Gleitelement mit einem geringen Materialeinsatz hergestellt werden kann. Das Gleitelement kann an der Stelle des Schubrohrs angeordnet sein, an der Querkräfte, wie beispielsweise aufgrund einer Gewichtskraft, abgestützt werden sollen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Linearaktuators ist das Gleitelement innerhalb des Schubrohrs verklebt. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass das Gleitelement auf einfache Weise innerhalb des Schubrohrs befestigt werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Linearaktuators ist das Gleitelement mittels einer Umformung des Schubrohrs fixiert.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Linearaktuators weist das Gleitelement eine abgefaste Kante gegenüber der Spindel auf. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass ein Verschleiß des Gleitelements verringert wird oder ein Einfädeln der Spindel in das Gleitelement erleichtert wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Linearaktuators ist das Gleitelement aus einem Gleitkunststoff hergestellt. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass die Reibung zwischen dem Gleitelement und der Spindel verringert wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Linearaktuators erstreckt sich das Gleitelement über die gesamte Länge des Schubrohrs. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass die Spindel entlang der gesamten Länge innerhalb des Schubrohrs abstützt wird. Gegenüber der teilweisen Abstützung entfällt das Einfädeln der Spindel während der Hubbewegung.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Linearaktuators ist das Gleitelement in der Mitte des Schubrohrs angeordnet. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass die Abstützung an einer zentralen Position erfolgt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Linearaktuators ist zwischen dem Gleitelement und der Spindel ein Luftspalt bereitgestellt. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass kein Verklemmen zwischen dem Gleitelement und der Spindel auftritt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Linearaktuators berührt das Gleitelement die Spindel. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass die Spindel ohne Spiel an dem Gleitelement abgestützt wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Linearaktuators erstreckt sich die Spindel in das Innere des Schubrohrs. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass die Spindel von dem Schubrohr geschützt und umgeben ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Linearaktuators umfasst der Linearaktuator ein Magnetelement zur magnetischen Erfassung einer Position, das innerhalb des Schubrohrs angeordnet ist. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass das Magnetelement durch das Schubrohr geschützt wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Linearaktuators ist das Magnetelement ein Ringmagnet. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass eine Erfassung der Position an jeder Stelle des Umfangs des Schubrohrs erfolgen kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Linearaktuators ist das Magnetelement seitlich in Kontakt mit dem Gleitelement. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass die Position des Magnetelements durch das Gleitelement fixiert wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Linearaktuators ist die Spindelmutter eine Kugelumlaufspindelmutter, ein Rollengewindetrieb oder eine Gleitspindelmutter. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass der Linearaktuator das Schubrohr mit geringem Widerstand verschieben kann.
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Gemäß einem zweiten Aspekt wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Betreiben eines Linearaktuators gelöst, der eine drehbare Spindel, eine drehfeste Spindelmutter zum Erzeugen einer Linearbewegung bei einem Drehen der Spindel und ein Schubrohr zum Übertragen der Linearbewegung der Spindelmutter umfasst, mit dem Schritt eines Führens der Spindel in dem Schubrohr durch ein Gleitelement, das an dem Schubrohr befestigt ist. Durch das Verfahren werden die gleichen technischen Vorteile wie durch den Linearaktuator nach dem ersten Aspekt erreicht.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Ansicht eines Linearaktuators im eingefahrenen Zustand;
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2 eine schematische Ansicht des Linearaktuators im ausgefahrenen Zustand;
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3 eine schematische Ansicht eines weiteren Linearaktuators im ausgefahrenen Zustand;
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4 eine Querschnittsansicht in Längsrichtung durch einen Linearaktuator;
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5 eine Querschnittsansicht in Querrichtung durch einen Linearaktuator; und
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6 ein Blockdiagramm eines Verfahrens.
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1 zeigt eine schematische Ansicht eines Linearaktuators 100 als Linearantrieb im eingefahrenen Zustand. Der Linearaktuator 100 umfasst eine drehbare Spindel 101, die mit einem Gewinde 123 versehen ist und mit einer drehfesten Spindelmutter 103 gekoppelt ist. Die Verdrehsicherung der Spindelmutter 103 wird durch ein nach außen ragendes Verdrehsicherungselement 125 erreicht, das linear im Inneren des Linearaktuators 100 geführt wird.
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Die drehbare Lagerung der Spindel 101 wird durch ein Kugellager 117 erreicht. Durch ein Drehen der Spindel 101 wird die Spindelmutter 103 durch das Gewinde 123 entlang der Spindel 101 linear verschoben, so dass ein rotierender Gewindetrieb realisiert wird. Durch die Spindel 101 und die Spindelmutter 103 kann daher eine Linearbewegung eines Schubrohrs 105 aus einer Drehbewegung der Spindel 101 erzeugt werden. Die Länge des Schubrohrs 105 kann im Allgemeinen Beliebig gewählt werden. Die Spindelmutter 103 kann eine Kugelumlaufspindelmutter, eine Gleitspindelmutter oder ein Rollengewindetrieb sein.
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Weiter umfasst der Linearaktuator 100 das zylinderförmige Schubrohr 105 zum Übertragen der Linearbewegung der Spindelmutter 103 an eine Außenseite des Linearaktuators 100. Auf der einen Seite ist das Schubrohr 105 an der Spindelmutter 103 befestigt. Auf der anderen Seite ist das Schubrohr 105 durch das Aktuatorgehäuse 109 abgestützt. Bei einem Drehen der Spindelmutter 103 wird daher das Schubrohr 105 in dem Linearaktuator 100 linear verschiebbar geführt. Das Schubrohr 105 führt eine translatorische Bewegung relativ zur rotatorisch bewegten Spindel 101 während der Hubbewegung aus. Die Spindel 101 erstreckt sich in das Innere des Schubrohrs 105.
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Ein Gleitelement 107 dient zum radialen oder seitlichen Abstützen der Spindel 101 an dem Schubrohr 105. Dadurch kann ein Taumeln der Spindel bei hohen Drehzahlen verhindert werden. Die Abstützung erfolgt, indem der Außendurchmesser der Spindel 101 in Kontakt mit dem Innendurchmesser des Gleitelements 107 gelangt. Durch das Gleitelement 107 kann eine Gleitfläche an der Spindel 101 realisiert werden.
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Das Gleitelement 107 ist an der Innenseite 115 des Schubrohrs 105 befestigt und weist eine abgefaste, abgeschrägte oder abgerundete Kante 111 gegenüber der Spindel 101 auf. Die Befestigung des Gleitelements 107 kann mittels eines Einpressens, Einklebens, Rollierens oder Einclipsens in das Schubrohr 105 erfolgen. Das Gleitelement 107 kann durch ein Keramik- oder einen Kunststoffformteil gebildet sein, aus beispielsweise einem Gleitkunststoff, wie Polyoxymethylen oder Polyethylen. Das Gleitelement 107 kann auch durch mit einem Schmiermittel getränkte Kunststoffe gebildet sein. Das ringförmige Gleitelement 107 kann aber auch einen Stahlring mit einer außen umlaufenden Nut zur Befestigung aufweisen. Das Gleitelement 107 kann mit permanentmagnetischen Materialien kombiniert werden, um eine magnetische Positionserfassung des Schubrohrs 105 durchführen zu können.
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Die Spindel 101 ragt durch das ringförmige Gleitelement 107 hindurch, so dass ein radiales Ausbrechen der Spindel 101 bei hohen Drehzahlen verhindert wird. Durch das ringförmige Gleitelement 107 wird eine nullhubunabhängige Spindelabstützung an dem Schubrohr 105 erreicht. Bei größeren Hüben können beliebig viele, weitere Gleitelemente 107 im Inneren des Schubrohrs 105 verwendet werden die über die Länge des Schubrohrs 105 verteilt sind.
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Auf eine an einem Ende der Spindel 101 befestigte Abstützung kann verzichtet werden. Daher ist keine Bearbeitung des Endes der Spindel 101 für einen Gleitringsitz erforderlich. Durch das Gleitelement 107 kann die Nullhublänge des Linearaktuators 100 verringert werden.
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2 zeigt eine schematische Ansicht des Linearaktuators 100 als Linearantrieb im ausgefahrenen Zustand. Der ausgefahrene Zustand wird durch Drehen der Spindel 101 erreicht, dabei verschiebt sich die Spindelmutter 103 zusammen mit dem Schubrohr 105 in Pfeilrichtung. Das Gleitelement 107 im Inneren des Schubrohrs 105 bewegt sich zusammen mit dem Schubrohr 105.
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Die Spindel 101 wird bei dieser Bewegung aus dem ringförmigen Gleitelement 107 herausbewegt. Im Allgemeinen ist das Gleitelement 107 nicht auf eine Ringform beschränkt, sondern es können alle Formen verwendet werden, die geeignet sind, die Spindel 101 radial an dem Schubrohr 105 abzustützen.
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3 zeigt eine schematische Ansicht eines weiteren Linearaktuators 100 im ausgefahrenen Zustand. Der Linearaktuator umfasst in Inneren des Schubrohrs 105 ein langgestrecktes Gleitelement in Zylinderform. Dadurch wird ein Gleitrohr oder Gleitprofil realisiert. Das Gleitelement erstreckt sich über nahezu die gesamte Länge des Schubrohrs 105, so dass eine Abstützung der Spindel 101 über einen großen Hub hinweg erreicht wird.
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Zusätzlich kann das Schubrohr 105 ein Magnetelement 113 umfassen, das zur magnetischen Erfassung einer Position des Schubrohrs 105 und der Spindelmutter 103 über einen Magnetsensor dient. Das Magnetelement 113 kann ebenfalls eine Ringform aufweisen. Das Magnetelement 113 kann seitlich in Kontakt mit dem Gleitelement 107 sein, so dass ein axiales Verrutschen des Magnetelements 113 durch das Gleitelement 107 verhindert wird. Das Magnetelement 113 umfasst ein permanentmagnetisches Material, das ein dauerhaftes statisches Magnetfeld erzeugt, wie beispielsweise Neodym-Eisen-Bor. Dieses Magnetfeld kann von dem Magnetsensor erfasst werden, um so die Position des Schubrohres 105 zu bestimmen.
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Das Magnetelement 113 wird durch das Schubrohr 105 vor äußeren Einflüssen, wie beispielsweise einer Korrosion oder Oxidation, geschützt. Durch die Anordnung im Schubrohr 105 sind keine zusätzlichen äußeren Magnethalter erforderlich. Durch die Ringform wird eine mehrseitige Sensorabfrage ermöglicht. Das Magnetelement 113 nutzt den zur Verfügung stehenden Bauraum innerhalb des Schubrohrs 105, so dass keine Nullhubverlängerung auftritt. Außerdem ist die Montage beispielsweise durch Einkleben oder Laserschweißen des Magnetelements 113 in das Schubrohr 105 einfach.
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4 zeigt eine Querschnittsansicht in Längsrichtung durch den Linearaktuator 100. Die Spindel 101 ist im Inneren des Schubrohrs 105 angeordnet. Das Aktuatorgehäuse 109 umfasst eine Dichtung 121, die um das Schubrohr 105 herum angeordnet ist und ein Eindringen von Schmutz in das Aktuatorgehäuse 109 verhindert. Das Gleitelement 107 ist in der Mitte des Hubes angeordnet.
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5 zeigt eine Querschnittsansicht in Querrichtung durch den Linearaktuator 100. Das Gleitelement 107 füllt den Zwischenraum zwischen der Innenseite des Schubrohrs 105 und der Außenseite der Spindel aus. Der Innendurchmesser des Gleitelements ist an den Außendurchmesser der Spindel 101 angepasst.
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Das Gleitelement 107 kann dabei derart ausgebildet sein, dass zwischen dem Gleitelement 107 und der Spindel 101 ein minimaler ringförmiger Luftspalt 119 erzeugt wird. Dadurch finden keine Reibungsverluste durch ein Gleiten der Spindel 101 auf dem Gleitelement 107 statt. Das Gleitelement 107 kann jedoch auch derart ausgebildet sein, dass dieses die Spindel 101 berührt und die Spindel 101 in Gleitkontakt mit dem Gleitelement 107 steht. Dadurch wird ein spielfreies Abstützen der Spindel 101 ermöglicht.
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6 zeigt ein Blockdiagramm eines Verfahrens. Das Verfahren dient zum Betreiben des Linearaktuators 100, der die drehbare Spindel 101, die drehfeste Spindelmutter 103 zum Erzeugen einer Linearbewegung bei einem Drehen der Spindel 101 und das Schubrohr 105 zum Übertragen der Linearbewegung der Spindelmutter 103 umfasst. Das Verfahren umfasst den Schritt S101 eines seitlichen Führens oder Abstützens der Spindel 101 in dem Schubrohr 105 durch das Gleitelement 107, das an dem Schubrohr 105 befestigt ist.
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Alle in Verbindung mit einzelnen Ausführungsformen der Erfindung erläuterten und gezeigten Merkmale können in unterschiedlicher Kombination in dem erfindungsgemäßen Gegenstand vorgesehen sein, um gleichzeitig deren vorteilhafte Wirkungen zu realisieren.
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Alle Verfahrensschritte können durch Vorrichtungen implementiert werden, die zum Ausführen des jeweiligen Verfahrensschrittes geeignet sind. Alle Funktionen, die von gegenständlichen Merkmalen ausgeführt werden, können ein Verfahrensschritt eines Verfahrens sein.
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Der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung ist durch die Ansprüche gegeben und wird durch die in der Beschreibung erläuterten oder den Figuren gezeigten Merkmale nicht beschränkt.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Linearaktuator
- 101
- Spindel
- 103
- Spindelmutter
- 105
- Schubrohr
- 107
- Gleitelement
- 109
- Aktuatorgehäuse
- 111
- Kante
- 113
- Magnetelement
- 115
- Innenseite
- 117
- Kugellager
- 119
- Luftspalt
- 121
- Dichtung
- 123
- Gewinde
- 125
- Verdrehsicherungselement
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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