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Die Erfindung betrifft eine für einen Kugelgewindetrieb geeignete Gewindespindel sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Gewindespindel.
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Gewindetriebe, insbesondere Kugelgewindetriebe, sind zur Umwandlung rotativer Bewegungen in lineare Bewegungen oder umgekehrt vorgesehen, wobei entweder die Gewindespindel oder die zugehörige Spindelmutter des Gewindetriebs als rotierendes Bauteil fungieren kann, während das jeweils andere Bauteil in einer Umgebungskonstruktion in verdrehgesicherter Weise verschiebbar ist.
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Aus der
DE 10 2014 219 256 B4 ist ein Kugelgewindetrieb bekannt, dessen Spindelmutter eine integrierte Verdrehsicherungskontur aufweist. Weiter weist diese Spindelmutter einen in Umfangsrichtung wirksamen Anschlag auf, welcher mit einer Anschlagkontur einer Scheibe zusammenwirkt, die drehfest mit der Gewindespindel des Kugelgewindetriebs verbunden ist.
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Die
DE 10 2008 062 180 A1 offenbart eine mit einem Kugelgewindetrieb arbeitende Fahrzeugbremse mit elektromechanisch betätigbarer Feststellbremse. Auch in diesem Fall ist eine Scheibe, welche eine Verdrehsicherungskontur aufweist, drehfest mit einer Gewindespindel verbunden, während ein weiterer Umfangsanschlag durch die Spindelmutter des Kugelgewindetriebs gebildet ist.
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Eine weitere Bauform einer elektronischen Parkbremse ist in der
EP 2 718 583 B1 offenbart. Auch in diesem Fall kommt ein Kugelgewindetrieb zum Einsatz.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen unter anderem für Fahrzeugbremsen geeigneten Gewindetrieb gegenüber dem genannten Stand der Technik insbesondere unter fertigungstechnischen Aspekten weiterzuentwickeln.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Gewindespindel mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zur Herstellung einer Gewindespindel gemäß Anspruch 10. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Herstellungsverfahren erläuterte Merkmale und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für die Vorrichtung, das heißt die Gewindespindel, und umgekehrt.
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Bei der Gewindespindel handelt es sich um ein einstückiges Bauteil, welches eine Gewindestange mit mindestens einem als Wälzkörperlaufbahn ausgebildeten Gewindegang umfasst. Das Gewinde der Gewindestange kann als ein- oder mehrgängiges Gewinde ausgeführt sein. In jedem Fall ist mit der Gewindestange ein Funktionsbereich einstückig verbunden, welcher sowohl als Verdrehsicherungskontur als auch als Umfangsanschlag fungiert, wobei die Verdrehsicherungskontur zur Verdrehsicherung der Gewindespindel in einer Umgebungskonstruktion und der Umfangsanschlag zur Zusammenwirkung mit einem weiteren, durch eine Spindelmutter bereitgestellten Umfangsanschlag vorgesehen ist.
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Bei der Herstellung der Gewindespindel wird von einem Spindelrohling ausgegangen, welcher bereits den kompletten Funktionsbereich, das heißt die Verdrehsicherungskontur und den Umfangsanschlag, aufweist. Dieser Spindelrohling wird zur Gewindespindel weiterverarbeitet, indem der Gewindegang geformt wird. Die Formung des Gewindegangs kann hierbei durch spanlose Verfahren, spanabhebende Verfahren oder eine Kombination spanloser und spanabhebender Verfahren erfolgen.
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Durch die integrierte Verdrehsicherungskontur ist die Gewindespindel prädestiniert für Anwendungen, in denen sie durch eine rotierende Spindelmutter linear verschoben wird. Als Anwendungsgebiete der Gewindespindel sind beispielhaft Parkbremsen, Arbeitsbremsen und Bremsbooster-Anwendungen, jeweils in Kraftfahrzeugen, zu nennen. Die Verdrehsicherungskontur der Gewindespindel wirkt mit einer weiteren, durch eine Umgebungskonstruktion bereitgestellte Verdrehsicherungskontur zusammen, womit, optional in Zusammenwirkung mit weiteren Führungselementen, eine Linearführung der Gewindespindel in der Umgebungskonstruktion gegeben ist.
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Der in Umfangsrichtung wirkende, durch den Funktionsbereich der Gewindespindel bereitgestellte Anschlag, an welchen die Spindelmutter des Kugelgewindetriebs anlaufen kann, hat in Vergleich zu einem in Axialrichtung wirksamen Anschlag die Vorteile, dass wesentlich geringere Kräfte aufzunehmen sind und kein Risiko eines Verklemmens gegeben ist. Hinsichtlich der Kontur des Umfangsanschlags existieren vielfältige Gestaltungsmöglichkeiten. Hierbei kann eine Anschlagfläche des Funktionsbereichs exakt in radialer Richtung ausgerichtet sein. Mit einer an die Gewindespindel angelegten Tangente schließt eine an den Umfangsanschlag gelegte Tangente damit einen Winkel von 90 Grad ein.
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Ebenso sind Bauformen der Gewindespindel realisierbar, in welchen eine Anschlagfläche, die in Zusammenwirkung mit einer Spindelmutter als Umfangsanschlag wirkt, mit einer an die Gewindestange gelegten Tangente einen von 90 Grad abweichenden Winkel einschließt, das heißt schräg gestellt ist.
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Der Umfangsanschlag schließt vorzugsweise stirnseitig an denjenigen Abschnitt des Funktionsbereichs an, durch den die Verdrehsicherungskontur ausgebildet ist. Die in Axialrichtung gemessene Breite des Umfangsanschlags ist bei diversen, sich sowohl hinsichtlich der Geometrie der Verdrehsicherungskontur als auch hinsichtlich der Gestaltung des Umfangsanschlags voneinander unterscheidenden Bauformen der Gewindespindel geringer als die in derselben Richtung gemessene Breite der Verdrehsicherungskontur.
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Die Verdrehsicherungskontur ist beispielsweise durch eine Polygonkontur des Funktionsbereichs ausgebildet. Ebenso kann die Verdrehsicherungskontur zum Beispiel durch eine Aussparung in einer ansonsten zylindrischen Mantelfläche des Funktionsbereichs realisiert sein. An Stelle einer Aussparung kann auch ein Vorsprung die Funktion einer Verdrehsicherung erfüllen. In besonders einfacher Ausgestaltung ist die Verdrehsicherungskontur in Form einer Abflachung einer ansonsten zylindrischen Mantelfläche des Funktionsbereichs gegeben. Auch Schwalbenschwanzführungen oder sonstige, komplexere Konturen sind als Verdrehsicherungskonturen geeignet. Prinzipiell sind auch Verdrehsicherungsmechanismen realisierbar, bei denen zwischen einer Verdrehsicherungskontur der Gewindespindel und einer zugehörigen Verdrehsicherungskontur einer Umgebungskonstruktion Wälzkörper, beispielsweise Rollen oder Nadeln, abrollen.
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In allen genannten Ausgestaltungen der Verdrehsicherungskontur hat der Funktionsbereich insgesamt vorzugsweise die Grundform einer zur Gewindestange konzentrischen Scheibe.
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Gemäß einer möglichen Weiterbildung weist der Kugelgewindetrieb eine Gewindespindel auf, welche drehfest mit einer Zusatzscheibe verbunden ist, die einen weiteren zur Zusammenwirkung mit der Kugelgewindemutter vorgesehenen Umfangsanschlag aufweist. Die Zusatzscheibe kann hierbei die Grundform des Funktionsbereichs, jedoch ohne Verdrehsicherungskontur, aufweisen. Die drehfeste Verbindung zwischen der Gewindespindel und der Zusatzscheibe ist beispielsweise durch eine Pressverbindung herstellbar. Die Kugelgewindemutter ist - ebenso wie die Gewindestange - vorzugsweise axial zwischen dem Funktionsbereich und der Zusatzscheibe angeordnet, wobei die Form des durch den Funktionsbereich bereitgestellten Umfangsanschlags mit der Form des Umfangsanschlags der Zusatzscheibe übereinstimmen kann. Entsprechendes gilt für die mit den Umfangsanschlägen zusammenwirkenden Anschlagkonturen der Kugelgewindemutter.
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Gegenüber mehrteiligen Anordnungen, die eine Gewindespindel und fest mit dieser verbundene Funktionselemente wie Anschlag- oder Führungselemente umfassen, hat die - mit Ausnahme der optionalen Zusatzscheibe - einteilige Gewindespindel mit integriertem Funktionsbereich erhebliche Vorteile, unter anderem durch den Wegfall von Fügegeometrien, die sich sowohl hinsichtlich des Montageaufwandes als auch hinsichtlich des Bauraumbedarfs, der mechanischen Präzision, der Robustheit und der Lebensdauer manifestieren.
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Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
- 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Gewindespindel in perspektivischer Ansicht,
- 2 die Gewindespindel nach 1 in Seitenansicht,
- 3 und 4 die Gewindespindel nach 1 in stirnseitigen Ansichten,
- 5 und 6 einen Kugelgewindetrieb mit der Gewindespindel nach 1 in verschiedenen Betriebszuständen,
- 7 einen zur Herstellung der Gewindespindel nach 1 geeigneten Spindelrohling,
- 8 bis 11 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Gewindespindel in Darstellungen analog 1 bis 4,
- 12 bis 15 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Gewindespindel,
- 16 bis 19 ein viertes Ausführungsbeispiel einer Gewindespindel,
- 20 bis 23 ein fünftes Ausführungsbeispiel einer Gewindespindel,
- 24 ein sechstes Ausführungsbeispiel einer Gewindespindel.
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Die folgenden Erläuterungen beziehen sich, soweit nicht anders angegeben, auf sämtliche Ausführungsbeispiele. Einander entsprechende oder prinzipiell gleichwirkende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichneter Kugelgewindetrieb ist aus einer Gewindespindel 2 und einer Kugelgewindemutter 3 aufgebaut, wobei zwischen der Gewindespindel 2 und der Kugelgewindemutter 3 in den Figuren nicht sichtbare Wälzkörper, nämlich Kugeln, abrollen. Bei der Kugelgewindemutter 3 handelt es sich um eine Spindelmutter mit Kugelrückführung. In den Ausführungsbeispielen ist die Kugelgewindemutter 3 rotierbar, jedoch nicht verschiebbar in einer Umgebungskonstruktion gelagert. Ein mit 10 bezeichneter Flansch der Kugelgewindemutter 3 hat somit eine in Axialrichtung des Kugelgewindetriebs 1 unveränderbare Position. Die Kugelgewindemutter 3 ist beispielsweise durch einen elektrischen Direktantrieb, über einen Riementrieb oder über Zahnräder antreibbar.
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Die Gewindespindel 2 weist mehrere Abschnitte, nämlich eine mit der Kugelgewindemutter 3, allgemein auch als Spindelmutter bezeichnet, zusammenwirkende Gewindestange 4, eine Anschlussstange 5 mit glatter, zylindrischer Mantelfläche, sowie einen in den Ausführungsbeispielen axial zwischen der Gewindestange 4 und der Anschlussstange 5 angeordneten Funktionsbereich 6, auf. Der Funktionsbereich 6 hat die Grundform einer die übrige Gewindespindel 2 konzentrisch umschließenden Scheibe und vereint zwei Funktionen, nämlich die Funktion einer Verdrehsicherungskontur 7 und die Funktion eines Umfangsanschlags 8. Die Verdrehsicherungskontur 7 ist hierbei zur Zusammenwirkung mit einem mit 11 bezeichneten Umgebungsbauteil, das heißt einer Umgebungskonstruktion, vorgesehen, in welchem die Gewindespindel 2 in ihrer Axialrichtung verschiebbar ist. Der Umfangsanschlag 8 der Gewindespindel 2 ist dagegen zur Zusammenwirkung mit einer Anschlagnase 9, allgemein als Anschlagkontur bezeichnet, der Kugelgewindemutter 3 vorgesehen. Durch den Umfangsanschlag 8 und die Anschlagnase 9 wird ein Anschlagen der Kugelgewindemutter 3 an der Gewindespindel 2 in axialer Richtung verhindert.
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Bei der Gewindespindel 2 einschließlich des Funktionsbereichs 6 handelt es sich um ein einstückiges Metallteil. Ausgangsprodukt zur Herstellung der Gewindespindel 2 ist ein in 7 dargestellter Spindelrohling 12. Dieser Spindelrohling 12 weist bereits den kompletten Funktionsbereich 6 einschließlich der Verdrehsicherungskontur 7 und des Umfangsanschlags 8 auf. Ebenso ist im dargestellten Beispiel die Anschlussstange 5 in ihrer endgültigen Form bereits beim Spindelrohling 12 vorhanden. Anstelle der Gewindestange 4 weist der Spindelrohling 12 jedoch lediglich einen bolzenförmigen Abschnitt 13 mit zylindrischer Mantelfläche auf. Aus diesem bolzenförmigen Abschnitt 13 wird durch an sich bekannte Verfahren wie Rollieren oder Gewindefurchen die Gewindestange 4 erzeugt. Abweichend von den dargestellten Ausführungsbeispielen kann es sich bei der Gewindestange 4 auch um eine Komponente eines einfachen Bewegungsgewindes, das heißt eines Gewindetriebs ohne Wälzkörper, handeln.
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Im Ausführungsbeispiel nach den 1 und 4 hat die Verdrehsicherungskontur 7 die Grundform eines Polygons. In stirnseitiger Ansicht (3,4) beschreibt die Verdrehsicherungskontur 7 ein Rechteck mit abgeschrägten Ecken, das heißt eine achteckige Kontur. Der Umfangsanschlag 8 liegt, ebenfalls in stirnseitiger Ansicht, vollständig innerhalb dieser achteckigen Kontur. Wie insbesondere aus 3 ersichtlich ist, beschreibt der Umfangsanschlag 8 eine Nasenkontur. Eine an den Umfangsanschlag 8 gelegte Tangente schließt hierbei mit einer an die Anschlagnase 9 der Kugelgewindemutter 3 gelegten Tangente einen rechten Winkel ein. Abweichend hiervon sind auch sonstige zwischen der Gewindespindel 2 und der Kugelgewindemutter 3 wirksame Anschlagkonturen realisierbar, mit welchen eine Drehmomentabstützung zwischen den genannten Teilen 2,3 ohne axiale Verspannung gegeben ist.
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In Seitenansicht (2) ist der Umfangsanschlag 8 zwischen der Verdrehsicherungskontur 7 und der Gewindestange 4 angeordnet. Die in Axialrichtung der Gewindespindel 2 gemessene Breite des Umfangsanschlags 8 beträgt im vorliegenden Fall weniger als die Hälfte der in derselben Richtung gemessenen Breite der Verdrehsicherungskontur 7. Allgemein ist Breite des Umfangsanschlags 8 etwas größer als die Gewindesteigung des Kugelgewindetriebs 1, um ausreichend große Kontaktflächen zwischen der Gewindespindel 2 und der Kugelgewindemutter 3 bereitzustellen und eine Sicherheit bezüglich axialem Anschlag zu bieten. Die Breite der Verdrehsicherungskontur 7 ist dagegen in Abhängigkeit von der Materialpaarung Funktionsbereich 6 / Umgebungsbauteil 11 ausgelegt.
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Die Fertigung des Gewindes der Gewindestange 4 erst im Anschluss an die Formgebung des Funktionsbereichs 6 einschließlich der Verdrehsicherungskontur 7 und des Umfangsanschlags 8 erfolgt unabhängig davon, in welcher Form die Verdrehsicherungskontur 7 sowie der Umfangsanschlag 8 vorliegen.
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Die 5 und 6 veranschaulichen, wie die Gewindespindel 2 durch eine entsprechend der Form der Verdrehsicherungskontur 7 konturierte Öffnung des Umgebungsbauteils 11 hindurch verschiebbar ist. Die 5 zeigt die am Umfangsanschlag 8 anschlagende Kugelgewindemutter 3. Eine weitere Verschiebung der Gewindespindel 2 nach rechts, bezogen auf die Anordnung nach 5, ist damit verhindert.
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Im Ausführungsbeispiel nach den 8 bis 11 ist die Verdrehsicherungskontur 7 durch eine Aussparung in einer ansonsten zylindrischen Mantelfläche des Funktionsbereichs 6 gegeben. Die Gestaltung des Umfangsanschlags 8 weicht von der bei der Gewindespindel 2 nach 1 gegebenen Gestaltung insofern ab, als die durch den Umfangsanschlag 8 gegebene, zur Kontaktierung der Kugelgewindemutter 3 vorgesehene Anschlagfläche nicht in Radialrichtung der Gewindespindel 2 ausgerichtet, sondern signifikant schräg gestellt ist.
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Bei der Bauform der Gewindespindel 2 nach den 12 bis 15 ist ein Umfangsanschlag 8 gegeben, dessen Geometrie unter anderem dem Ausführungsbeispiel nach den 1 bis 6 entspricht. Dies bedeutet, dass durch den Umfangsanschlag 8 sowie die damit zusammenwirkende Anschlagnase 9 der Kugelgewindemutter 3 Anschlagflächen gegeben sind, welche in einer Ebene liegen, die Rotationsachse des Kugelgewindetriebs 1 schneidet. Der Umfangsanschlag 8 ist damit radial ausgerichtet. Die Verdrehsicherungskontur 7 ist im Ausführungsbeispiel den 12 bis 15 als Vorsprung ausgeführt, welcher aus einer ansonsten zylindrischen Mantelfläche des Funktionsbereichs 6 herausragt.
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Im Ausführungsbeispiel nach den 16 bis 19 ist die Verdrehsicherungskontur 7 in Form einer Abflachung der ansonsten zylindrischen Mantelfläche des Funktionsbereichs 6 realisiert. Hinsichtlich der Gestaltung des Umfangsanschlags 8 gleicht die Gewindespindel 2 nach 16 dem zuvor erläuterten Ausführungsbeispiel.
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In den 20 bis 23 ist ein Umfangsanschlag 8 lediglich symbolisiert dargestellt. Tatsächlich handelt es sich bei dem Umfangsanschlag 8 um eine unmittelbar durch den Funktionsbereich 6 gebildete Kontur, welche umformtechnisch, beispielsweise durch Fließpressen oder Schmieden, erzeugt wird. Von daher wird eine Formgebung ohne scharfe Kanten oder kleine, schlanke Materialanhäufungen gewählt, wobei auf die Entformbarkeit im Herstellungsprozess Rücksicht genommen wird. Die der Kugelgewindemutter 3 zugewandte Stirnseite des Funktionsbereichs 6 ist hierbei derart gestaltet, dass die Kugelgewindemutter 3, sofern sie nicht den Umfangsanschlag 8 kontaktiert, kollisionsfrei bewegbar ist. Die ebenfalls unmittelbar durch den Funktionsbereich 6 bereitgestellte Verdrehsicherungskontur 7 entspricht in der Bauform nach 20 der Gestaltung gemäß 8.
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Hinsichtlich der Gestaltung des Umfangsanschlags 8 gelten für das Ausführungsbeispiel nach 24 die obigen Ausführungen zu 20 ohne Einschränkungen. Insbesondere kann der Kugelgewindetrieb nach 24 eine dem Ausführungsbeispiel nach 1 entsprechende Geometrie des Umfangsanschlags 8 aufweisen. Analoges gilt hinsichtlich der Gestaltung der Verdrehsicherungskontur 7: Die Verdrehsicherungskontur 7 des Ausführungsbeispiels nach 24 kann entsprechend einem jeden der vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiele gestaltet sein.
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Von diesen Ausführungsbeispielen unterscheidet sich die Bauform nach 24 dadurch, dass zusätzlich zum Umfangsanschlag 8 ein weiterer Umfangsanschlag 18 vorhanden ist, welcher Teil einer Zusatzscheibe 17 ist, die fest mit der Gewindespindel 2 verbunden, beispielsweise auf diese aufgepresst oder mit dieser verschweißt, ist. Die Zusatzscheibe 17 umgibt hierbei eine Anschlussstange 16, welche an die Gewindestange 4 anschließt und - ebenso wie die Anschlussstange 5 - integraler Bestandteil der Gewindespindel 2 ist.
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Die Gewindestange 4 ist axial zwischen dem Funktionsbereich 6 und der Zusatzscheibe 17 und damit zwischen den beiden Umfangsanschlägen 8,18 angeordnet. Auf ihrer der Zusatzscheibe 17 zugewandten Stirnseite weist die Kugelgewindemutter 3 eine Anschlagnase 14 auf, welche entsprechend der dem Funktionsbereich 6 zugewandten Anschlagnase 9 gestaltet ist.
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Die Kugelgewindemutter 3, welche die Gewindestange 4 umgibt, ist im Ausführungsbeispiel nach 24 ebenso wie im Ausführungsbeispiel nach den 1 bis 6 axial unverschieblich gelagert. Zu diesem Zweck ist ein Wälzlager 15, nämlich Kugellager, vorgesehen, welches unmittelbar an den Flansch 10 grenzt und in die nicht dargestellte Umgebungskonstruktion eingebaut ist, in welcher auch die Gewindespindel 2 mittels der Verdrehsicherungskontur 7 verschiebbar, jedoch nicht drehbar, geführt ist. Dank der unmittelbar durch die Gewindespindel 2 bereitgestellten beziehungsweise fest mit dieser verbundenen Umfangsanschläge 8,18 ist in beiden Endpositionen der Gewindespindel 2 ein definierter Anschlag an der Kugelgewindemutter 3 unter Vermeidung axialer Verspannungen gegeben.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kugelgewindetrieb
- 2
- Gewindespindel
- 3
- Kugelgewindemutter
- 4
- Gewindestange
- 5
- Anschlussstange
- 6
- Funktionsbereich
- 7
- Verdrehsicherungskontur
- 8
- Umfangsanschlag
- 9
- Anschlagnase
- 10
- Flansch
- 11
- Umgebungsbauteil
- 12
- Spindelrohling
- 13
- bolzenförmiger Abschnitt
- 14
- Anschlagnase
- 15
- Wälzlager
- 16
- Anschlussstange
- 17
- Zusatzscheibe
- 18
- Umfangsanschlag
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014219256 B4 [0003]
- DE 102008062180 A1 [0004]
- EP 2718583 B1 [0005]
