DE3937448A1 - Spanneinrichtung fuer werkzeugmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Spanneinrichtungen an Arbeits­ spindeln von Werkzeugmaschinen zur Erzeugung von Spann­ bewegungen bzw. Spannkräften für die Betätigung von Spannmitteln, z. B. für das Spannen von Werkstücken und Halbzeugstangen.

Zur Überwindung der bekannten Schwierigkeiten, die sich aus Drehdurchführungen für mit fluidischen Medien be­ triebene mitumlaufende Spanneinrichtungen insbesondere an mit hohen Drehgeschwindigkeiten betriebenen Hohl­ spindeln ergeben, sind neue Konstruktionsprinzipien für Spanneinrichtungen entwickelt und bekannt geworden.

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit einer durch die DE-PS 37 27 445 und DE-OS 39 01 179 bekannt gewor­ denen neueren Gattung von Spanneinrichtngen, deren Wir­ kungsweise sich abstützt auf die Berücksichtigung des Sachverhalts, daß ein Spannvorgang allgemeinster Art in drei deutlich unterscheidbaren Phasen abläuft.

Der Vorgang beim Spannen eines Werkstücks (oder eines Halbzeugabschnittes) mit einem durch eine Spanneinrich­ tung angetriebenen (kraftbetätigten) Spannmittel umfaßt demnach:
Spannphase (a) (Leerhub);
die Spanneinrichtung vollführt einen wenig Kraft erfor­ derlichen Leerhub, um im Spannmittel die Spannflächen (z. B. Spannbacken) an den Durchmesser des Werkstückes heranzuführen.
Spannphase (b) (Spannhub);
wenn sich die Spannflächen an das Werkstück angelegt haben, erfolgt unter elastischer Deformation aller im Kraftfluß liegenden Teile ein Spannhub, an dessen Ende die ge­ wünschte Spannkraft erreicht ist.
Spannphase (c) (Nachspannhub);
während des Spindelumlaufs kann ein "Nachfassen" der Spanneinrichtung (z. B. wegen Materialkaltfluß an Werk­ stück) erforderlich sein.

Für universell einsetzbare Spanneinrichtungen wird da­ bei verlangt, daß alle Spannphasen auch während der Spindeldrehung durchführbar sind.

Nach der technischen Lehre der DE-PS 37 27 445 wäre die vorgenannte Forderung beispielsweise mit einer Spann­ einrichtung gemäß Fig. 4 dann zu erfüllen, wenn die Übertragung der Axialkraft zwischen dem "Treibglied" 53 und der "Ringbaugruppe" 24 über ein Axialwälzlager (An­ spruch 24) vorgenommen würde. Nachteilig wirkt sich bei dieser Anordnung aus, daß die Axialwälzlager - wenn auch nur kurzzeitig - sehr hohe Axialkräfte zu übertra­ gen hätten.

Spanneinrichtungen gemäß den Vorschlägen nach der DE-OS 39 01 179 können Axialkräfte für einen Spannvorgang ebenfalls über Axialwälzlager übertragen und weisen da­ bei u. a. den Vorteil auf, daß die über die Axialwälzla­ ger zu übertragenden Axialkräfte nur einen Bruchteil der von der Spanneinrichtung abgegebenen maximalen Spannkraft ausmachen, wodurch bedingt diese kleineren Axialkräfte von den Axialwälzlagern dauerhaft bei der Spindeldrehung übertragen werden können. Die Verringe­ rung der über die Axialwälzlager zu übertragenden Axi­ alkräfte wird erreicht durch den Einsatz eines mitum­ laufenden Weguntersetzers/Kraftübersetzers (nachfolgend kurz Umsetzer genannt).

In der DE-OS 39 01 179 sind ein hydraulisch arbeitender und ein mechanisch arbeitender Umsetzer erläutert. In Fig. 1 ist eine Spanneinrichtung mit hydraulisch be­ triebenem Umsetzer dargestellt. Die Bewegungseinführung in den Umsetzer erfolgt dort über ein Übertragungsorgan 170, welches mit dem mitumlaufenden Teil 172/172′ des axialverschieblichen Axialwälzlagers verbunden ist. Die Ausgangsbewegung des Umsetzers wird am Kolben 126 er­ zeugt, welcher mit dem zum Spannmittel führenden Zug- Druckrohr 128 verbunden ist. Mit der Spanneinrichtung der Fig. 1 können bei einem Spannvorgang, bei welchem sich das Zug-Druckrohr 128 nach links bewegt, alle drei Spannphasen (a) + (b) + (c) durchlaufen werden. Bemer­ kenswert ist, daß die Spannbewegungen der Spannphasen (a), (b) und (c) alle von der Axialbewegung des Über­ tragungsorgans 170 abgeleitet werden, wobei die von dem Übertragungsorgan übertragenen Kräfte, bzw. Energiemen­ gen sich letztlich wieder als gewandelte Kräfte bzw. Energiemengen am Zug-Druckrohr wirkend wiederfinden (von Reibungsverlusten einmal abgesehen). Dabei gilt für die Bewegung des Zug-Druckrohres nach links, wobei Leerhub und Spannhub direkt hintereinander folgen, daß bei der Erzeugung des Leerhubes die gleichen Kraft­ flußwege bzw. Energieflußwege mit genutzt werden, wie sie auch für den Spannhub benötigt werden. Da demzu­ folge auch der Leerhub der Spannphase (a) der Wegunter­ setzung der vom Übertragungsorgan 170 abgegebenen Bewe­ gung unterliegt, ist offensichtlich, daß der Leerhub nur über eine sehr begrenzte Wegstrecke ausgeführt wer­ den kann. Andernfalls müßte der Bewegungshub des Über­ tragungsorgans 170 über eine praktisch nicht zulässige Hubgröße verfügen. Für die Aufgabe der Spannens von Stangen (wie bei Fig. 1 vorgesehen) ist ein kleiner Leerhub ausreichend. Der kleine zulässige Leerhub ver­ hindert jedoch den Einsatz des an sich vorteilhaften Konstruktionsprinzips gemäß der Fig. 1 der DE-OS 39 01 179 für universelle Spannaufgaben.

Für den Einsatz des gleichen Konstruktionsprinzips ohne jegliche Funktionseinschränkungen wäre außerdem noch wünschenswert, alle 3 Spannphasen in beiden Spannrich­ tungen durchführen zu können.

In Fig. 6 der DE-OS 39 01 179 wird ein mechanisch wir­ kender Umsetzer gezeigt und im Beschreibungstext näher erläutert. Für die Durchführung eines Leerhubes sind zwei Möglichkeiten beschrieben bzw. dargestellt. Die eine Möglichkeit, einen Leerhub durchzuführen, ist durch die als Gleitschraubtrieb zusammenwirkenden Teile 610 und 606 gegeben, wobei die notwendige Relativdre­ hung beider Teile im Spindelstillstand durch das ein­ schwenkbare Zahnrad 620 bewirkt wird. Eine Relativdre­ hung beider Teile wäre aber auch bei Spindeldrehung möglich, wenn ein elektromotorischer Leerhubantrieb ähnlich wie in Fig. 4 der DE-PS 37 27 445 mit mitumlau­ fendem Rotor 27 und stationär angeordnetem Stator 41 vorgesehen würde, wobei dann in Fig. 6 der DE-OS 39 01 179 der mitumlaufende Rotor mit der Stellhülse 610 (z. B. an Stelle des Zahnkranzes 618) verbunden sein müßte.

Die andere Möglichkeit der Durchführung eines Leerhubes mit einer Anordnung gemäß der Fig. 6 der DE-OS 39 01 179 wird in der Beschreibung aufgezeigt. Danach können die Steilgewindenuten 642 mit veränderlicher Steigung versehen werden, wobei man für den nur ein geringes Drehmoment an der Mutter 632 erfordernden Leerhub eine niedrige Gewindesteigung der Nut 642 vorgesehen hat. Abgesehen von der Tatsache, daß bei dieser Art der Er­ zeugung eines Leerhubes der Spannvorgang nur in einer Richtung durchgeführt werden kann, ist die insgesamt realisierbare Leerhub-Größe ebenfalls beschränkt durch den zulässigen axialen Bewegungshub der Muffe 650.

Auch für den Wandler gemäß der Fig. 6 kann man fest­ stellen - ähnlich, wie dies für den hydraulisch betrie­ benen Wandler der Fig. 1 geschah - daß die Spannbewe­ gungen der nacheinander durchführbaren Spannphasen (a), (b) und (c) alle von der Axialbewegung der Muffe 650 abgeleitet werden, wobei die von der Muffe übertragenen Kräfte bzw. Energiemengen, welche sich letzlich wieder als Kräfte bzw. Energiemengen, am Zug-Druckrohr 128 wirkend wiederfinden, für alle Spannphasen auf densel­ ben Kraftflußwegen bzw. Energieflußwegen übertragen werden.

Was die in Fig. 6 dargestellte Spanneinrichtung (mit der Leerhub-Erzeugung, unter Beteiligung des Axial-Hu­ bes der Muffe 650) anbetrifft, so wäre auch hier eine Verbesserung hinsichtlich einer unbeschränkten Verwen­ dungsfähigkeit wünschenswert.

Aufgabe der Erfindung ist es, die an sich fortschritt­ lichen Lösungen für Spanneinrichtungen gemäß den Fig. 1 und 6 der DE-OS 39 01 179 dahingehend zu verbes­ sern, daß sie - gemessen an den Möglichkeiten konven­ tioneller Spanneinrichtungen - universell, d. h., für unterschiedliche Aufgaben geeignet, und in ihrem Lei­ stungsvermögen uneingeschränkt eingesetzt werden kön­ nen. Dies erfordert vor allem eine Vergrößerung des Leerhubes.

Nach Möglichkeit sollte die verbesserte Lösung es zu­ sätzlich auch noch zulassen, daß von Werkstück zu Werkstück unterschiedlich große Leerhübe gefahren wer­ den, um so eine Anpaß-Spannbewegung auch für Werkstücke mit von mal zu mal vorhandenen beträchtlichen Spann­ durchmesser-Differenzen durchführen zu können. Ebenfalls wäre es wünschenswert, die zu erzeugenden Leerhub- und Spannhubbewegungen in beiden Axialrichtungen ausführen zu können. Schließlich sollten die Neuerungen auch un­ ter Beibehaltung einer einfachen Bauweise realisierbar sein.

Die erfindungsgemäß vorgesehenen Lösungen sind in den unabhängigen Ansprüchen definiert. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Bei dem erläuterten Stand der Technik sind zwischen das vom axialverschieblichen Axialwälzlager angetriebene mitumlaufende Übertragungsorgan und das der Spannkraft­ übertragung auf das Spannmittel dienende Zug-Druckrohr als Weguntersetzer/Kraftübersetzer fungierende Wand­ ler gesetzt. Dies bedingt zwangsläufig, daß der ge­ wünschte große Leerhub von einer bereits in′s Kleine untersetzten Verschiebebewegung des Übertragungsorgans abgeleitet werden muß. Dieser widersprüchliche Effekt kann dann bei den bekannten Lösungen trotz eingesetzter Kompensationsmaßnahmen (zeitweilige Differentialkolben- Wirkung, unterschiedliche Steilgewindenut-Steigungen) nur sehr unvollständig korrigiert werden.

Durch die erfinderische Lösung wird der Wandler nur für die Erzeugung der hohen Spannkräfte eingesetzt und bleibt bei der Erzeugung des Leerhubes durch Sperrung seines Bewegungseinganges bzw. Energieeinganges ausge­ schaltet. Dafür wird zwischen Übertragungsorgan und dem zentralen Betätigungsorgan zur Bewegungs-Betätigung der Kraftspanneinrichtung ein gänzlich anderer Übertra­ gungsweg für die Übertragung der Leerhub-Verschiebbe­ wegung geschaltet. Das Ein- und Ausschalten der Wand­ ler-Funktion bzw. des anderen Übertragungsweges ge­ schieht automatisch, und die Schaltbewegungen können an den umlaufenden Teile erzeugt, oder auch von statio­ nären Organen ausgehend in die umlaufenden Teile einge­ leitet werden. Durch die Auslösung der Schaltbewegungen zum Einschalten der Wandler-Funktion exakt nach Ablauf der Spannphase (a) können von Werkstück zu Werkstück unterschiedliche, an den jeweiligen Spanndurchmesser angepaßte Leerhubwege gefahren werden, ohne, daß der von dem Übertragungsorgan auf den Bewegungs-/Energie­ eingang des Wandlers zu übertragende Bewegungshub für die Erzeugung der eigentlichen Spannkraft verändert (gekürzt) wird.

Gleichzeitig sieht die erfinderische Lösung im Inter­ esse einer realisierbaren kompakten Bauweise der ge­ samten Spanneinrichtung vor, daß die zu erzeugenden Leerhub- und Spannhubbewegungen gemeinsam von der Axi­ albewegung eines einzigen axialverschieblichen Wälzla­ ger-Übertragers (154) abgeleitet werden können.

Die voranstehenden Bemerkungen gelten für hydraulisch wirkende und mechanisch wirkende Wandler in erfindungs­ gemäßen Spanneinrichtungen gleichermaßen.

An den in den Zeichnungen dargestellten hydraulisch be­ triebenen Wandlern sind Wandlereingangs-Kolben unter­ schiedlicher Bauart jeweils für die Bewegungübertragung bzw. Energieübertragung in der einen oder anderen Rich­ tung mit gleich groß ausgebildeten wirksamen Kolbenflä­ chen vorgesehen. Die gleichgroße Ausbildung der wirksa­ men Kolbenfläche für beide Bewegungsrichtungen der Wandlereingangs-Kolben stellt ein wichtiges Erfindungs­ merkmal dar, welches die Durchführung von Spannvorgän­ gen in beiden Spannrichtungen ermöglicht.

Die Erfindung sieht weiterhin die Anschaltung eines Fe­ der-Spannkraftspeichers vor. Bei einem hydraulisch be­ triebenen Feder-Spannkraftspeicher vermag dieser als Teil der Spanneinrichtung mehrere Funktionen zu erfül­ len. Neben der Funktion als Druckfluidreservoir zum Ersatz von durch Leckage verlorengegangenem Druckfluid ist vor allem die Funktion als Energiespeicher interes­ sant, womit durch den Einsatz von Rückschlagventilen in den Verbindungskanälen zwischen dem als eigentlicher Spannkolben dienenden Wandlerausgangskolben und den Wandlereingangskolben eine Entlastung des axialver­ schieblichen Axialwälzlagers erfolgen kann.

Eine zusätzliche erfinderische Bedeutung kommt dem an­ geschalteten Feder-Spannkraftspeicher insofern zu, als daß mittels einer besonderen in Fig. 2 gezeigten Schaltung beide Seiten des Spannkolbens mit Druck aus dem Feder-Spannkraftspeicher versorgt werden können, was während der gleichzeitig mit der besagten Schaltung ermöglichten Spannkraftregelung eine hohe Steifigkeit des Spannkraftantriebes ergibt.

Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung mit hydraulisch betriebenem Wandler werden nachstehend un­ ter Bezugnahme auf die Zeichnungen im einzelnen erläu­ tert.

Fig. 1 ist ein Axialschnitt durch den Spindelkasten ei­ ner Drehmaschine und zeigt eine erste Ausführungsform.

Fig. 2 zeigt im Axialschnitt eines Drehmaschinenspindel­ kastens eine zweite Ausführungsform.

In den Figuren sind nur die erfindungswesentlichen De­ tails dargestellt, während unwesentliche Dinge, etwa Schraubenverbindungen und dergleichen, allenfalls ange­ deutet wurden. In beiden Figuren sind in besonderen Teilausschnitten Funktionskomplexe der hydraulischen Schaltungen schematisch durch international bekannte Schaltzeichen dargestellt, deren gerätetechnische Aus­ gestaltungsmöglichkeiten jedem Fachmann bekannt sind. Bezüglich der Organe für die Erzeugung der hydrauli­ schen Funktionen sei bereits an dieser Stelle erwähnt, daß auch die gezeigten Wegeventile bevorzugt durch den Einsatz von Sitzventilen realisiert werden sollen, wo­ bei diese Ventile vorteilhafterweise als Einbauventile (z. B. Einschraubpatronen) ausgeführt sind.

Einander entsprechende Bauteile beider Ausführungsfor­ men sind mit gleichen Bezugszeichen markiert.

In Fig. 1 erkennt man eine in zwei Lagern 106/106′ in dem Spindelkastengehäuse 112 gelagerte Hohlspindel 104, welche über eine Riemenscheibe 108 mittels zweier Keil­ riemen 110 durch einen (nicht dargestellten) Antriebs­ motor zum Umlauf antreibbar und bei Spindelstillstand in einer vorgegebene Winkelstellung indexierbar ist.

Die Kraftbetätigung der in bekannter Weise an der Spindelnase 114 zu befestigenden Spannmittel (nicht dargestellt) erfolgt über dessen zentrales Betätigungs­ organ 116, welches unmittelbar an den hohlen Spannkol­ ben 102 angeschlossen ist. Der Spannkolben 102 ist sei­ nerseits (in nicht dargestellter Weise) fest mit der Wandlerbuchse 116 verbunden. Der Spannkolben 102 bildet mit dem aufgebohrten hinteren Spindelteil und dem Zy­ linderdeckel 122 zwei Zylinderräume 118/120, welche wechselseitig mit dem Druck eines Druckfluides beauf­ schlagt werden können, wodurch der Spannkolben in die eine oder andere Richtung bewegt wird, bzw., eine Spannkraft erzeugt. Um die Spannbewegung des Spannkol­ bens mitvollziehen zu können, ist die Wandlerbuchse 116 auf dem Außenzylinder der Spindel 104 axialverschieb­ bar.

Der gestufte äußere Zylindermantel 132 der Wandler­ buchse bildet mit zwei relativ zur Wandlerbuchse 116 verschiebbaren Ringkolben 128 bzw. 130 zwei kleine Zy­ linderräume 124 bzw. 126, welche über Kanäle 134 bzw. 136 mit dem Schaltventil 138 verbunden sind. Eine Relativverschiebung beider Ringkolben kann durch eine Axialbewegung des mit der Spindel mitumlaufenden Über­ tragungsorgans 100 in beiden Axialrichtungen vorgenom­ men werden. Über ein Axialwälzlager 140 ist das Über­ tragungsorgan mit einer stationär und in der Bohrung 142 axialverschieblich angeordneten Führungsbuchse 138 derart verbunden, daß das Übertragungsorgan auch bei Drehung der Spindel jede Axialbewegung der Führungs­ buchse exakt mitvollzieht. Die gesamte, verschiebliche Baugruppe, bestehend aus den Teilen 100, 140 und 138 wird nachfolgend kurz Wälzlager-Übertrager 154 genannt.

Über zwei durch Schlitze 146 in dem Zylinderfortsatz 144 des Spindelkastengehäuses geführte Bolzen ist die Führungsbuchse 138 mit dem Antriebsring 150 verbunden, der seinerseits axial auf dem Außenzylinder des Zylin­ derfortsatzes 144 verschoben werden kann. Die entspre­ chende Antriebsbewegung - symbolisiert durch den Dop­ pelpfeil 152 - wird dem Antriebsring durch eine (nicht dargestellte) Antriebseinheit mitgeteilt, von welcher angenommen wird, daß sie diese Antriebsbewegung nach durch eine Steuerung vorgegebenen Größen für Kraft, Ge­ schwindigkeit und Position erzeugen kann.

Auf die beschriebene Weise kann also die gesteuerte An­ triebsbewegung (152) vom Antriebsring 150 über den Wälzlager-Übertrager 154 und das Übertragungsorgan 100 schließlich - unabhängig von der Spindeldrehung - auf die Ringkolben 128 bzw. 130 übertragen werden.

Die Zylinderräume 118 bzw. 120 sind über Kanäle 160 bzw. 162 mit durch entsperrbare Rückschlagventile 164/166 abgeschlossene Druckfluid-Ankoppelöffnungen verbunden. Bei Spindelstillstand können diese Ankoppel­ stellen bei einer entsprechenden Winkelpositionierung der Spindel 104 mit den radial bezüglich der Spindel­ achse verschieblichen Kopplungskolben 168/170 ausge­ fluchtet und durch Verschiebung der Kupplungskolben über Leitungen 170/172 vorübergehend an ein stationäres Hydrauliknetz angekoppelt werden. Diese Ankoppelungs­ technik kann z.B. wie in Fig. 2 der DE-OS 39 01 179 nä­ her erläutert , praktiziert werden, weshalb in Fig. 1 der Einfachheit halber auf die Darstellung weiterer Details verzichtet wurde. Nach der Ankoppelung an das stationäre Hydrauliknetz kann eine Verschiebung des Spannkolben 102 in die linke oder rechte Endlage erfol­ gen.

Das Wegeventil 138 verbindet in der gezeigten Grund­ stellung die Zylinderräume 118 und 120, so daß bei Ein­ leitung einer Bewegung vom Antriebsring 150 über den Wälzlager-Übertrager 154 und über die Ringkolben 128/130 auf die Wandlerbuchse 116 eine Verschiebung des Spannkolbens und des zentralen Betätigungsorgans 116 zum Zwecke der Durchführung eines Leerhubes erfolgen kann.

Eine Umschaltung des Ventils in die zweite mögliche Ventilstellung erfolgt druckabhängig gegen den durch eine Feder 176 aufgebrachten Kraftwiderstand mit einer definierten Kraftschwelle durch den hydraulischen Druck in dem Zylinderraum 124 bzw. in dem Kanal 134 oder durch den hydraulischen Druck in dem Zylinderraum 126 bzw. in dem Kanal 136. Durch die definierte Kraft­ schwelle bzw. Druckschwelle wird bewirkt, daß bei Ein­ leitung einer Antriebsbewegung von Antriebsring 150 auf die Ringkolben 128/130 zunächst keine Relativbewegung zwischen den Ringkolben und der Wandlerbuchse 116 er­ folgt, da wegen der Sperrstellung des Ventils kein Druckfluid-Volumenaustausch mit den Zylinderräumen 118/120 erfolgen kann. Vielmehr wird die Antriebsbewe­ gung voll auf das zentrale Betätigungsorgan 116 als Leerhubbewegung übertragen. Sobald nach der Beendigung des Leerhubes sich eine größere Kraft am zentralen Be­ tätigungsorgan 116 aufbaut, erhöht sich auch der Druck in den Zylinderräumen 124 bzw. 126, und nach Über­ schreiten der definierten Druckschwelle schaltet das Ventil 138 in Durchgangsstellung, wodurch gleichzeitig die Wandler-Funktion des hydraulischen Wegwand­ lers/Kraftwandlers eingeschaltet ist und eine Kraftver­ stärkung am Spannkolben bewirkt.

Der in der Anordnung nach Fig. 1 enthaltene hydrauli­ sche Wegwandler/Kraftwandler arbeitet in zwei Bewe­ gungsrichtungen. Die Ringkolben 128 bzw. 130 stellen den Bewegungs-/Energieeingang des Wandlers dar, da über sie die Bewegung bzw. Antriebsenergie eingeleitet wird. Das Ventil 138 stellt ein Schaltorgan dar und der hydraulische Ventilantrieb 174 stellt zusammen mit der Rückstellfeder 176 ein Auslöseorgan dar. Der Spannkol­ ben 102 ist der Bewegungs-/Energieausgang des Wandlers. Die Wandlerfunktion besteht darin, daß - abgesehen von Reibungsverlusten - eine am Wandlereingang in Form ei­ nes großen Arbeitsweges, verbunden mit einer geringen Arbeitskraft eingegebene Energie am Wandlerausgang als gleichgroße Energie, jedoch in Form eines kleinen Ar­ beitsweges, verbunden mit einer großen Arbeitskraft, wieder abgegeben wird. Das Verhältnis der Kräfte steht dabei im gleichen Verhältnis wie die eingangsseitigen und ausgangsseitigen wirksamen Kolbenflächen.

Die Durchführung eines Spannvorganges mit 3 unter­ scheidbaren Spannphasen in Richtung des Pfeiles 178 ge­ schieht wie folgt:
Die in Fig. 1 dargestellte linke Endstellung des zen­ tralen Betätigungsorgans 116 wurde durch eine mit wenig Kraft durchführbare Leerhub-Bewegung dadurch erreicht, daß der Antriebsring 150 in Richtung des Pfeiles 180 bis zum Endanschlag bewegt wurde. Der Spannvorgang be­ ginnt mit der in Fig. 1 dargestellten Situation durch eine Antriebsbewegung am Antriebsring in Richtung des Pfeiles 178 mit einem Leerhub mit der gezeigten Ventil­ grundstellung. Bei diesem Leerhub bleibt der Druck­ fluiddruck im Zylinderraum 124 unter dem durch die Kraft der Feder 176 definierten Schwelldruck, wodurch die Wandler-Funktion noch ausgeschaltet bleibt. Während des Leerhubes erfolgt über den durch das Ventil ge­ schalteten Kurzschlußweg ein Volumenaustausch der Zy­ linderräume 118 und 120. Nach dem Auftreffen der Spann­ flächen des Spannmittels auf den Spanndurchmesser des zu spannenden Werkstückes erhöht sich der Druck im Zy­ linderraum 124, überschreitet schließlich den Schwell­ druck, schaltet damit das Ventil 138 in seine zweite Schaltstellung und gleichzeitig die Wandler-Funktion ein. Dabei strömt ein Druckfluid-Volumenstrom vom Kanal 134 in den Kanal 156 so lange, bis nach erfolgter ela­ stischer Dehnung aller im Spannkraft-Kraftfluß liegen­ den Teile bei laufend steigendem Kraftanstieg bis zu der (durch die Maximalkraft am Antriebsring unter Be­ rücksichtigung der Kraftverstärkung bestimmten) am Spannkolben erreichbaren Maximalkraft ein Kräftegleich­ gewicht erreicht ist. Während der nachfolgenden Ar­ beitsoperation am Werkstück wird die Antriebskraft am Antriebsring 150 konstant aufrechterhalten, um ein "Nachfassen" des Spannmittels am Werkstück bei konstant gehaltener Spannkraft jederzeit gewährleisten zu kön­ nen.

Die Erzeugung der Spannkraft wird natürlich erst da­ durch ermöglicht, daß der aus dem Zylinderraum 120 zu verdrängende Volumenstrom über den Kanal 136 in den im quasi drucklosen Zustand befindlichen Zylinderraum 126 strömen kann. Für die Vermeidung einer formschlüssigen Zwangsführung des Ringkolbens 130 durch das Übertra­ gungsorgan 100 (was zu einem unbeabsichtigten Druckan­ stieg führen könnte) ist ein Sicherheitsabstand 182 vor­ gesehen.

Man erkennt, daß die Durchführung eines großen Leerhu­ bes mit zu Beginn des Hubes noch unbekannter Hublänge erreicht wurde durch die Ausschaltung der Wandlerfunk­ tion durch Sperrung der Energieeingabe in den Wandler und durch die gleichzeitige Direktübertragung der am Antriebsring angreifenden Antriebsbewegung auf den Spannkolben, was gleichzeitig mit einem andersartigen, zu benutzenden Weg für den Kraftfluß der die Bewegung des Spannkolbens bewirkenden Triebkraft erreicht wird.

Fig. 2 zeigt einen ähnlichen Spindelkasten wie Fig. 1 mit ebenfalls ähnlicher Spindel 104 mit am Spindelende integriertem Spannkolben 102 für die Betätigung eines ähnlichen (nicht dargestellten) Spannmittels wie es für die Anordnung nach Fig. 1 vorgesehen ist. Die mit glei­ chen Bezugszeichen (mit einer 1 in der Ziffernreihen­ folge beginnend) wie in Fig. 1 versehenen Organe sind auch mit den gleichen Funktionen wie in Fig. 1 belegt, weshalb eine erneute Erläuterung nicht zu erfolgen braucht.

Die Unterschiede der Anordnung nach Fig. 2 im Vergleich zu der Anordnung gemäß der Fig. 1 liegen einmal in ei­ nem andersartig aufgebauten und andersartig betriebenen Wegwandler/Kraftwandler, und zum anderenmale in dem Umstand, daß der auch hier als Wandlerausgang anzuse­ hende Spannkolben bei der Erzeugung der Spannkraft durch einen Druckfluid-Druck beaufschlagt wird, der zu­ sätzlich zu der Beeinflussung durch den Wandler noch von der gespeicherten Energie des Spannkraftspeichers 218 beeinflußt wird.

Im Prinzip kommen als Spannkraftspeicher für die Funk­ tionserfüllung die unterschiedlichsten Bauarten in Frage. Als besonders vorteilhaft für den Einsatz als Spannkraftspeicher an hochtourig umlaufenden Arbeits­ spindeln wird ein mit einem Federelement aus Faserver­ bundwerkstoff ausgestatteter Speicher angesehen (und im Rahmen der Erfindung auch bevorzugt eingesetzt), wie er in der DE-Patentanmeldung P 39 29 901 beschrieben ist. Ein derartiger Spannkraftspeicher zeichnet sich aus durch ein auf kleinstem Bauraum mit geringen beteilig­ ten Massen realisierbares Energiereservoir. In Fig. 2 ist die hydraulische Bauart eines derartigen Energie­ speichers zum Einsatz gebracht. Es ist im einzelnen das durch Dichtelemente 220 abgedichtete ringförmige Feder­ element 222 und der Druckraum 224 zur Aufnahme des un­ ter Druck zu haltenden Druckfluid gezeigt. Der Druck­ raum 224 ist über einen Kanal 226 mit dem spindelinter­ nen Hydrauliknetz 228 verbunden, welches durch ein um­ schaltbares Wegeventil 230 wahlweise auf die Zylinder­ räume 118 (wie im Beispiel der Fig. 2 gezeichnet) oder 120 geschaltet werden kann.

Die Umschaltung des in seinen Endstellungen mechanisch arretierbaren Wegeventils 230 erfolgt hydraulisch, ab­ hängig von dem in den Ankoppelkanälen 232 bzw. 234 herrschenden Druckverhältnissen. Beide Ankoppelkanäle können im Spindelstillstand über eine entsprechende Winkelpositionierung der Spindel mit dem Kupplungskol­ ben 168 ausgefluchtet, durch eine Verschiebebewegung des Kupplungskolbens mit einem (nicht dargestellten) externen Hydrauliknetz verbunden und mit einem Druck­ fluidmedium mit beliebigem Druck beaufschlagt werden. Dabei ist es auch möglich, durch nicht in Fig. 1 dar­ gestellte Mittel im Hydrauliknetz 228 eine Druckabsen­ kung vorzunehmen, was einer Abgabe eines bestimmten Druckfluidvolumens in das stationäre Hydrauliknetz hin­ ein entspricht.

Man erkennt, daß durch die Wahl des anzukoppelnden An­ koppelkanals 232 oder 234 bestimmt werden kann, in wel­ cher Richtung der Spannkolben seine Spannkraft entwic­ keln soll. Die Größe der dabei maximal erzielbaren Spannkraft wird durch die Höhe des Druckes bestimmt, mit welchem der Spannkraftspeicher bei der Ankoppelung des Hydrauliknetzes 228 beim Anschluß an das statio­ näre Hydrauliknetz von stationärer Seite aus geladen wird.

Der Aufbau des Wandlers 236 unterscheidet sich von dem gemäß der Fig. 1 dadurch, daß die Ringkolben 128 bzw. 130 in Fig. 1 durch hohle Plungerkolben 240 bzw. Stu­ fenkolben 238 ersetzt sind, welche nur über die Zylin­ derräume 242 bzw. 244, und zwar mit bei beiden Kolben­ arten identischer, wirksamer Kolbenfläche, mit dem Wandler zusammenarbeiten. Bohrung 246 stellt nur eine Entlüftungsbohrung dar. In welcher Weise und unter wel­ chen Bedingungen Kanal 248 mit Kanal 158 bzw. mit Zylin­ derraum 120 und Kanal 250 mit Kanal 156 bzw. mit Zylin­ derraum 118 kommunizieren kann, geht für den Fachmann aus dem hydraulischen Schaltschema hervor. 252 bzw. 254 repräsentieren entsperrbare Rückschlagventile. Das Ven­ til 256 wird durch die Kraft einer Feder 258 in die ge­ zeigte Grundstellung geschoben, sofern das zur Wandler­ buchse 216 relativverschiebliche Übertragungsorgan 200 eine derartige Relativstellung eingenommen hat, daß die Keilgetriebeausnehmung 262 den Weg für das Ausfahren des Rückstellstößels 260 freigibt. In der dann er­ reichten Grundstellung ist die Wandler-Funktion ausge­ schaltet und die Zylinderräume 118 und 120 sind mitein­ ander verbunden, so daß bei einer auf die Wandlerbuchse 216 einwirkenden Axialkraft der Spannkolben 102 leicht verschoben werden kann (Leerhub). Die dafür bei einer Verschiebung in Richtung des Pfeiles 178 benötigte Ver­ schiebekraft kann vom Antriebsring 150 aufgebracht und über das Übertragungsorgang 200 und von da über die Keilfläche der Keilgetriebeausnehmung 262, bzw. als Querkraft über den Rückstellstößel 260 auf die Wandler­ buchse 216 weitergeleitet werden. Nach Beendigung des Leerhubes, d. h., mit dem Auftreffen der Spannflächen des betätigten Spannmittels auf das Werkstück, baut sich am zentralen Betätigungsorgan 116 eine größere Kraft auf, welche am Rückstellstößel 260 eine radial zur Spindelachse gerichtete Stößelkraft erzeugt, welche größer ist als die durch die Feder 258 erzeugbare Rück­ stellkraft. Als Folge des Überschreitens der Schwellen­ kraft der Feder erfolgt eine Verschiebung des Ventils 256 in seine zweite Schaltstellung, womit der Rück­ stellstößel 260 gleichzeitig den Weg für eine Relativ­ verschiebung des Übertragungsorgans 200 relativ zur Wandlerbuchse 216 freigibt. Durch die Einnahme der zweiten Schaltstellung des Ventils 256 wird gleichzei­ tig die Wandler-Funktion eingeschaltet. Dies bedeutet, daß bei der weiteren Verschiebung des Übertragungsor­ gans 200 das aus dem Zylinderraum 242 verdrängte Druck­ fluid-Volumen teilweise über den Zylinderraum 118 in den Druckraum 224 des Spannkraftspeichers 218 strömt und teilweise den Zylinderraum 118 bei durch elastische Verformungen (infolge der Spannkraft) bedingter Ver­ schiebung des Spannkolbens nachfüllt. Der Aufbau eines Druckes im Zylinderraum 242 führt gleichzeitig zur Ent­ sperrung des Rückschlagventils 252, wodurch der Zylin­ derraum 120 des Spannkolbens drucklos geschaltet wird und wodurch bedingt das aus dem Zylinderraum 120 zu verdrängende Druckfluid-Volumen in den Zylinderraum 244 strömen und dort den Stufenkolben 238 nach rechts verdrängen kann.

Man erkennt bei der Durchführung des soeben beschriebe­ nen Spannhubes am Spannkolben im Gegensatz zur Durch­ führung des Spannhubes bei der Spanneinrichtung gemäß Fig. 1 einen markanten Unterschied, der darin besteht, daß bei der Durchführung des Spannhubes mit der Vor­ richtung nach Fig. 2 die Erzeugung der Spannkraft im Prinzip dadurch geschieht, daß die über den Wälzlager- Übertrager 154 zugeführte Spannenergie dazu benötigt wird, den Zylinderraum 118 fortlaufend drucklos zu hal­ ten. Dazu ist es notwendig, dem Sicherheitsabstand 182 stets einen Wert größer als Null zu verleihen, was eine entsprechende Verschiebung des Übertragungsorganes 200 nach rechts erfordert. Nach dem Erreichen der im we­ sentlichen durch den Fluiddruck im Spannkraftspeicher 218 vorbestimmten Spannkraft am Spannkolben, bzw. nach der Einstellung eines vorgeschriebenen Sicherheitsab­ standes 182, kann die zur Verschiebung des Antriebsrin­ ges 150 aufgebaute Antriebskraft bis auf den Wert Null abgebaut werden, ohne, daß gleichzeitig auch die Spann­ kraft verringert würde. Diese zulässige Maßnahme, die der Minderung der Belastung des Wälzlagers 140 dient, wird durch die Funktion des Rückschlagventils 254 er­ möglicht.

Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes mit me­ chanisch betriebenen Wandlern werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 3a, 3b und 4a, 4b im einzelnen erläutert.

Die Fig. 3a und 4a stellen jeweils einen Axial­ schnitt durch den Spindelkasten einer Drehmaschine dar. Die Fig. 3b bzw. 4b zeigen Teilansichten gemäß der Schnittführung A-B in Fig. 3a bzw. gemäß der Schnittführung C-D in Fig. 4a.

Die gesamte Anordnung in den Fig. 3a bzw. 4a ist ähnlich der Anordnung nach Fig. 6 der DE-OS 39 01 179 und die Arbeitsweise der unterschiedlichen Spannein­ richtungen der Fig. 3a und 4a ist ebenfalls ver­ gleichbar mit derjenigen der erwähnten Fig. 6.

Die Spanneinrichtungen der beiden Fig. 3a bzw. 4a erhalten ihre Antriebsbewegung über einen Wälzlager­ übertrager 354/454 mit einem nicht mitumlaufenden Bau­ teil 366/466, einem Axialwälzlager 340/440 und einem mit der Spindel 304/404 mitumlaufenden Übertragungsor­ gan 300/400. Die durch die Pfeile 318/418 und 320/420 symbolisierte mögliche Antriebsbewegung in beiden Axi­ alrichtungen soll dem Bauteil 366/466 von einer sta­ tionären Antriebseinheit mitgeteilt werden. Diese An­ triebseinheit ist zwecks Vereinfachung der Zeichnungen nicht dargestellt. Die Übertragung der Antriebsbewegung von der Antriebseinheit auf das Bauteil 366/466 könnte beispielsweise in ähnlicher Weise geschehen wie in Fig. 6 der DE-OS 39 01 179, wo das Bauteil 666 von ei­ nem Kolben 180 angetrieben wird und wobei das Bauteil 666 eine ähnliche Funktion ausübt wie die Bauteile 366/466 in den hier zu beschreibenden Fig. 3a/4a.

Von der nicht dargestellten Antriebseinheit wird ange­ nommen, daß sie die Antriebsbewegungen nach mittels ei­ ner Steuerung vorgebbaren Größen für Kraft, Geschwin­ digkeit und Position ausführen kann.

Die in den Fig. 3a und 4a gezeigten Anordnungen weisen eine Reihe von Organen mit identischen Funktio­ nen auf. Diese Organe sind mit Bezugszeichen mit iden­ tischen Ziffernkombinationen in den beiden letzten Zah­ lenstellen gekennzeichnet, so daß diese Organe der Ein­ fachheit halber nur einmal beschrieben werden.

In den Fig. 3a/4a ist eine hohle Arbeitsspindel 304/404 über zwei Lager 306/406 bzw. 306′/406′ in ei­ nem Spindelkastengehäuse 312/412 gelagert und wird über eine Riemenscheibe 308/408 von einem nicht dargestell­ ten Motor zum Umlauf angetrieben. Das Übertragungsorgan 300/400 ist mit seiner Bohrung 328/428 längsverschieb­ lich, jedoch gleichzeitig verdrehfest auf der Spindel angeordnet. Die Verdrehsicherheit wird durch eine Paß­ feder 336/436 und eine sie umschließende Nut 334/434 im Übertragungsorgan gewährleistet. Bedingt durch die axiale Verschiebbarkeit kann das Übertragungsorgan die ihr vom Wälzlagerübertrager 354/454 aufgezwungene An­ triebsbewegung relativ zur Spindel 304/404 ausführen und somit die Antriebsbewegung dem Bewegungs- /Energieeingang des Wegwandlers/Kraftwandlers zufüh­ ren. An seiner rechten Seite ist das Übertragungsorgan 300/400 glockenförmig erweitert gestaltet und in dem Glockenmantel 326/426 sind auf dem Umfang mehrere, in Wälzlagern rotierbare Nutrollen 322/422 untergebracht.

Die Übertragung der Spannbewegung, symbolisiert durch die Doppelpfeile 330/430, von den Bewegungsausgangs-Or­ ganen 328/442 des mechanischen Wandlers 350/450 auf das mit dem (nicht dargestellten) Spannmittel verbundenen zentrale Betätigungsorgan 316/416 erfolgt über mehrere (z. B. 3) Keile 352/452, welche durch achsparallele Schlitze 348/448 im Zylindermantel der Spindel hin­ durchgeführt sind und mit ihren Nasen 346/446 in Aus­ nehmungen 344/444 des zentralen Betätigungsorgans ein­ greifen. Außerhalb der Spindel sind die Keile auf eine durch die Linie 320/420 symbolisierte Weise in den Be­ wegungsausgangs-Organen befestigt.

Der unterschiedliche Aufbau und die unterschiedliche Arbeitsweise der mechanischen Wegwandler/Kraftwandler wird anschließend für jede der Fig. 3a/4a getrennt beschrieben.

In Fig. 3a ist die Spanneinrichtung oberhalb und un­ terhalb der Spindelmitte in zwei unterschiedlichen Be­ triebsstellungen dargestellt. In der oberen Darstellung befindet sich die Spanneinrichtung in einer Stellung, die dem Übergang von einem Leerhub in einen Spannhub (und umgekehrt) entspricht. Die Stellung der Nutrollen 322 relativ zu der um die Spindelachse 310 rotierbaren Nutmutter 302 ist aus Fig. 3b besser zu entnehmen, wo­ bei Fig. 3b eine Teilansicht auf die Nutmutter 302 (gemäß Schnitt A-B) darstellt, während die Schnittdar­ stellung im oberen Teil von Fig. 3a der Schnittführung E-F in Fig. 3b folgt. In der Nutmutter sind auf dem Umfang mehrere für den Eingriff mit den Nutrollen be­ stimmte Steilgewindenuten 314 vorgesehen, welche an ih­ ren seitlichen Enden in einseitig vorhandenen, achspar­ allel ausgerichteten Nutwänden 314′/314′′ münden, wobei den Nutwänden 314′/314′′ in Umfangsrichtung verlau­ fende Ausnehmungen 318/318′ gegenüberliegen.

Die Nutmutter 302 ist während ihrer möglichen Rotation über ein durch Kugeln 356 und einen Innenring 358 (letzterer fest mit der Spindel verbunden) gebildetes Festlager in Axialrichtung festgelegt. Der rechte Teil der Nutmutter bildet mit Kugeln 360 und dem linken Spindelteil 362 des Schubringes 328 einen Kugelgewinde­ trieb 364.

Am Schubring 328 sind zwei je wenigstens zweifach vor­ handene unterschiedliche Schubstangen 368/370 achspar­ allel angeordnet, welche in achsparallelen Bohrungen 372/374 des Glockenmantels 326 geführt sind. Die Schub­ stange 368 weist zwei Rastnuten 376/376′ auf, in welche am Glockenmantel vorhandene und dort in einer Ausneh­ mung radial geführte und durch eine Ringfeder 380 vor­ gespannte Raststücke 378 einrasten können. Die beiden Raststellungen entsprechen zwei Übergangsstellungen zwischen Leerhub und Spannhub, von denen eine Über­ gangsstellung im oberen Bildteil dargestellt ist. Die Ringfeder 380 besteht aus einem durch Anwendung der Wickeltechnik hergestellten Faserverbundwerkstoff.

Die Schubstangen 370 weisen Rastrillen 382 auf, in wel­ che durch die Ringfeder 380 vorgespannte, im Glocken­ mantel 326 radialbeweglich untergebrachte Raststücke 384 mit ihren Rastnasen einrasten können. Der somit er­ reichbare Rasteffekt tritt in einer Betriebsstellung der Spanneinrichtung in Kraft, bei welcher - wie in der unteren Bildhälfte gezeigt - die Spanneinrichtung einen Spannhub durchführt. Unter Ausnutzung des Rasteffektes kann nach der Vollendung des Spannhubes die über das Axiallager 340 zu übertragende Axialkraft wieder redu­ ziert werden, ohne, daß man einen merklichen Spann­ kraftverlust in Kauf nehmen müßte. Einen völligen Abbau der über das Axiallager aufzubringenden Axialkraft kann man in jedem Falle dann vorsehen, wenn der Spann­ durchmesser des Spanngutes nur innerhalb geringer Tole­ ranzen schwankt, wie dies z. B. beim Spannen von Werk­ zeugschäften oder beim Spannen von Halbzeugstangen bei Stangendrehmaschinen der Fall ist. Bei derartigen An­ wendungsfällen kann man sogar noch eine Verbesserung dadurch schaffen, daß man in jenem Bereich, in dem sich die Nutrolle 322 am Ende eines Spannhubes in der Ge­ windenut der Nutmutter 302 befindet, die Steigung der Gewindenut reduziert. Bei einer Steigungsreduzierung bis zu einer im Vergleich zur ursprünglichen Steigung negativen Steigung kann man natürlich auf die Rastein­ richtung 370/382/384 völlig verzichten.

Nachfolgend wird die Wirkungsweise der bisher beschrie­ benen Spanneinrichtung bei der Erzeugung eines Spann­ hubes und eines Leerhubes aus der in der oberen Bild­ hälfte dargestellten Stellung heraus geschildert:
Bei der Erzeugung einer über den Wälzlagerübertrager 354 zu übertragenden Stellbewegung in Richtung des Pfeiles 320 wird diese Stellbewegung infolge der Rast­ wirkung des Raststückes 378 zunächst noch ohne Schlupf über die Schubstange 368 auf den Schubring 328 bzw. den Spindelteil 362 übertragen, was an der Nutmutter eine Drehung in Richtung des Pfeiles 384 bewirkt, und zwar solange, bis die Nutrolle 322 fest an der Nutwand 314′ zur Anlage gekommen ist. Mit der Anlage der Nutrolle an der Nutwand wird der (in diesem Falle dadurch defi­ nierte) Soll-Leerhub beendet und es wird vorausgesetzt, daß die Spanneinrichtung derart eingestellt ist, daß frühestens ab diesem Vorgang der eigentliche Spannhub (Spannphase b) beginnen darf. Eine Weiterführung der Stellbewegung in Richtung des Pfeiles 320 erfordert nun die Aufbringung einer Stellkraft, welche größer ist als die zum Ausheben des Raststückes 378 benötigte Kraftschwelle. Nach Überschreitung der Kraftschwelle durch die aufgebrachte Stellkraft erfolgt zunächst bei verminderter Stellkraft eine achsparallele Verlagerung der Nutrolle 322 in Richtung der Nut 314 solange, bis die Nutrolle in Richtung des Pfeiles 384 an der ent­ sprechenden Nutwand zum Anliegen kommt. Bei einer wei­ teren Fortführung der Stellbewegung in der gleichen Richtung erfolgt wegen der Drehfestigkeit des Übertra­ gungsorgans 300 relativ zur Spindel 304 eine Zwangsro­ tation der Nutmutter 302, woraus sich eine Axialverla­ gerung des Spindelteils 362 bzw. des Schubringes 328 bzw. des zentralen Betätigungsorgans 316 ergibt, welche den eigentlichen Spannhub darstellt.

Die Endlage des Spannhubes ist erreicht (z. B. in der in der unteren Bildhälfte gezeigten Stellung), sobald die über den Wälzlagerübertrager 354 übertragene Stell­ kraft einen vorgeschriebenen Wert erreicht, welcher un­ ter Berücksichtigung der Gesamtübersetzung des Wandlers 350 damit indirekt die am zentralen Betätigungsorgan 316 gewünschte Spannkraft repräsentiert.

Das Lösen der Spannkraft geschieht durch Einleitung ei­ ner Stellkraft am Wälzlagerübertrager in Richtung des Pfeiles 318 in Verbindung mit einer Rotation der Nut­ mutter in Richtung des Pfeiles 386. Die mit einer axia­ len Relativbewegung zwischen Schubring 328 und Glocken­ mantel 326 einhergehende Stellbewegung ist beendet, so­ bald die in der oberen Bildhälfte gezeigte Stellung mit vollzogener Einrastung erreicht wurde.

Bei der anschließenden Stellbewegung in Richtung des Pfeiles 318 zum Zwecke der Durchführung eines großen Leerhubes (zum Öffnen) tritt keine Relativbewegung mehr zwischen Glockenmantel und Schubring auf. Vielmehr wird durch die Rastwirkung des Raststückes 378 bedingt der Schubring schlupflos mitgenommen, wobei sich die Nut­ mutter ohne Eingriff der Nutrolle in Richtung des Pfei­ les 386 solange weiterdreht, bis der gewünschte (große) Leerhub durchgeführt ist.

Bei Umkehrung des Leerhubes (zum Schließen) sorgt die Rastwirkung des Raststückes 378 bei Durchführung der Stellbewegung in Richtung des Pfeiles 320 zunächst wie­ der für eine schlupffreie Übertragung der Stellbewegung auf den Schubring - bei gleichzeitiger Rotation der Nutmutter - bis daß die freie Rotation der Nutmutter durch Anliegen der Nutrolle 322 an der Nutflanke ge­ stoppt wird (Ende des Soll-Leerhubes) und mit Über­ schreiten der Kraftschwelle die Nutrolle wieder in die Nut 314 eingeführt wird. Der Fachmann erkennt, daß die Leerhub-Spannhub-Folge auch in umgekehrter Richtung ab­ laufen kann (Mit Benutzung der Rastnut 376′).

In Fig. 4a wird in Verbindung mit Fig. 4b eine etwas andersartige Variante einer Spanneinrichtung im Ver­ gleich zu derjenigen der Fig. 3a vorgestellt. Der Ein­ fachheit halber und wegen der ähnlichen Arbeitsweise wird nachfolgend nur auf besondere Unterschiede hinge­ wiesen.

Die um die Spindelachse 410 rotierbare Nutmutter 402 weist für die Zusammenarbeit mit der Nutrolle 422 zwei Steilgewindenuten 403 auf, welche an ihrem linken Ende in eine Umfangs-Nut 405 mit Steigung Null münden (Siehe Fig. 4b).

Die zeichnerische Darstellung zeigt die Spanneinrich­ tung im oberen und unteren Bildteil in zwei unter­ schiedlichen Betriebsstellungen. In der oberen Bild­ hälfte, deren Darstellung dem Schnitt G-H in Fig. 4b folgt, ist die Spanneinrichtung in einer Übergangsstel­ lung zwischen Leerhub und Spannhub.

Anders als in Fig. 3a ist in Fig. 4a die Nutmutter 402 nicht über ein Axiallager relativ zur Spindel axial fixiert.

Im vorliegenden Falle ist die Nutmutter in ihrem rech­ ten Teil als Kugelgewindetrieb-Mutter 413 ausgebildet und arbeitet über Kugeln 409 zusammen mit der Kugelge­ windetrieb-Spindel 411, welche (symbolisiert durch Li­ nie 415) fest mit der Hohlspindel 404 verbunden ist, und somit die Spannkräfte und das Wandler-Drehmoment gegen die Hohlspindel abstützt.

Die durch eine Rotation der Nutmutter bewirkte Axial­ verstellung derselben stellt die eigentliche Spannbewe­ gung dar und wird über ein Axialwälzlager auf den axi­ alverschieblichen Schubring 442 übertragen, wobei der Schubring gleichzeitig den Innenring dieses Axialwälz­ lagers darstellt, welches mit zwei Kugelreihen 307 mit der Nutmutter als (Wälzlageraußenring) zusammenarbei­ tet.

Es wird vorausgesetzt, daß die Spanneinrichtung mit den (nicht dargestellten) Spannmitteln derart abgestimmt ist, daß mit einer durch den Wälzlagerübertrager 454 in Richtung des Pfeiles 420 auf den Wandler 450 über­ tragenen Stellbewegung aus der gezeigten Stellung her­ aus der Spannhub am Spannmittel eingeleitet werden kann. Dabei dringt die Nutrolle 422 in Richtung des Pfeiles 420 in die Steilgewindenut 403 ein und bewirkt durch die Zwangsrotation der Nutmutter den Spannhub am Schubring. Nach Durchführung der Spannhubbewegung ist in etwa die im unteren Bildteil gezeigte Konstellation erreicht. Die Umkehrung des Spannhubes führt wieder zu der im oberen Bildteil gezeigten Stellung, aus der her­ aus durch Einleitung einer Stellbewegung in Richtung des Pfeiles 418 ein großer Leerhub erzeugt werden kann. Bei der Erzeugung des Leerhubes (zunächst zum weiteren Öffnen des Spannmittels) wird die Stellkraft über die Nutrolle 422 in Richtung des Pfeiles 418 auf die Wan­ dung der Umfangs-Nut 405 und damit auch auf die Kugeln 409 übertragen. Die Kugelgewindetriebmutter 413 rea­ giert auf diese Axialbelastung mit einem Reaktionsdreh­ moment, rotiert in Richtung des Pfeiles 417 und über­ trägt gleichzeitig (als Folge der Steigung des Kugelge­ windetriebes) einen größeren Hub auf den Schubring 442. Bei der dargestellten Ausführung mit einer Umfangsnut mit Steigung Null muß der so erzeugte Leerhub zwangs­ läufig ein wenig kleiner als die Hälfte der Kugelge­ windetrieb-Steigung sein. Dies ist aber für Stangen­ drehmaschinen bereits ausreichend. Bei gewünschtem größeren Leerhub kann die Umfangsnut 405 auch mit einer geringen Steigung versehen werden, wodurch Leerhub- Umdrehungen der Nutmutter über 360° hinaus erzeugt wer­ den können. Eine Leerhuberzeugung zum Zwecke des Schließens des Spannmittels erfolgt analog durch Um­ kehr der Stellbewegung.

Den Spanneinrichtungen gemäß Fig. 3a und 4a ist of­ fensichtlich gemeinsam, daß bei ihnen durch einen Schaltvorgang, der durch einen Anschlagvorgang oder einen Vorgang zur Überwindung einer Kraftschwelle (Mo­ mentenschwelle) bedingt sein kann, eine Umschaltung von einem Leerhub zu einem Spannhub (und umgekehrt) erfol­ gen kann, wobei gleichzeitig bei den in den Wegwand­ lern/Kraftwandlern genutzten Wälzgewindetrieben eine Prinzipumkehrung stattfindet. Es werden also beide mög­ lichen Wirkprinzipien eines Wälzgewindetriebes genutzt:
Umwandlung eines eingeprägten Drehmomentes in eine Axialkraft und Umwandlung einer eingeprägten Axialkraft in ein Drehmoment. Diese Prinzipumkehrung (die bei­ spielsweise in einer Spanneinrichtung gemäß Fig. 6 der DE-OS 39 01 179 nicht enthalten ist) ermöglicht auch gleichzeitig die notwendige Entkoppelung von Nutrolle und Steilgewindenut. Hiermit läßt sich auch erklären, daß erst nach der Umschaltung von Leerhub auf Spannhub und zwar nach der Kontaktaufnahme zwischen Nutrolle 322 /422 und einer Wandung der Steilgewindenut 314/403 ein Bewegungseingang/Energieeingang des Wegwand­ lers/Kraftwandlers (mit Nutrolle 322/422 als Teil des Eingangs bzw. auch als Schaltorgan) hergestellt ist. Durch die Umkehr des Wirkprinzips bedingt, kommt es auch dazu, daß während der Spannphasen "Leerhub" und "Spannhub" in der Kraftflußkette aller beteiligten Kraftübertragungsorgane zwischen Übertragungsorgan 300/400 und zentralem Betätigungsorgan 316/416 unter­ schiedliche Kraftflußwege geschaltet sind.

Claims (40)

1. Vorrichtung zum Erzeugen einer Spannkraft für die Betätigung eines Spannmittels an einer zum Umlauf antreibbaren Arbeitsspindel, umfassend

• - einen axialverschieblichen Wälzlager-Übertrager (154) zur Übertragung einer Stell- oder Spannenergie mit einem nicht mitumlaufenden Lagerteil (138) und mit einem mitumlaufenden Lagerteil mit daran angeschlossenem Übertragungsorgan (100, 200),
• - eine stationär angeordnete Antriebseinheit zum Verschiebeantrieb (152) des nichtmitumlaufenden Teils des Wälzlager-Übertragers,
• - ein zentrales Betätigungsorgan (116) zur Bewegungsbetätigung des Spannmittels,
• - einen mitumlaufenden, zwischen dem Übertragungsorgan (100, 200) und dem zentralen Betätigungsorgan (116) angeordneten Wegwandler/Kraftwandler mit einem Bewegungs-/Energieeingang (128, 130, 238, 240) und mit einem Bewegungs-/Energieausgang (102),

dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens in einer Spannrichtung für die nacheinander durchführbaren Spannphasen "Leerhub" und "Spannhub" zwischen Übertragungsorgan (100, 200) und zentralem Betätigungsorgan (116) zwei unterschiedliche Kraftflußwege bzw. Energieflußwege schaltbar sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die geschaltete Wegeverzweigung für die Kraft bzw. Energie der Kraftfluß bzw. der Energiefluß bereits in den Bewegungs- /Energieeingängen bezüglich des Fluß-Weges abgewandelt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß während der Durchführung der Spannphase "Leerhub" die Funktion des Wegwandlers/Kraftwandlers wenigstens durch die Sperrung des Bewegungs-/Energieeingangs (128/124/134/138) des Wandlers aufgehoben ist, wobei am Ende der Spannphase "Leerhub" durch einen Schaltvorgang (138/174/176; 200/262/260/256/258) die Wandlerfunktion wieder eingeschaltet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mit einem Schaltvorgang gleichzeitig eine Einschaltung des besonderen Kraftflußweges/Energieflußweges für die Spannphase "Spannhub" und eine Ausschaltung des besonderen Kraftflußweges /Energieflußweges für die Spannphase "Leerhub" bewirkt ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltvorgang durch Überschreitung einer Kraftschwelle (176, 258) der einer Verschiebung des Übertragungsorgans (100, 200) entgegenwirkenden Kraft ausgelöst ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraft der Kraftschwelle die gleiche Größe aufweist wie die gleichzeitig an dem zentralen Betätigungsorgan (116, 316, 416) wirkende Spannkraft, abzüglich eventuell wirksamer Reibungsverluste an den in den Kraftfluß miteinbezogenen Organen.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltvorgang durch das formschlüssige Anlegen an einen Anschlag oder durch eine formschlußbedingte Richtungsänderung eines in den Kraftfluß einbezogenen Organs ausgelöst ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Schaltorgane (138, 256) für die Durchführung der Einschaltung bzw. Ausschaltung der Kraftflußwege /Energieflußwege vorgesehen sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Auslöseorgan (260, 174) für einen Schaltvorgang vorgesehen ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Kraftschwelle am Auslöseorgan als ein hydraulischer Druck, oder als ein Drehmoment oder als eine Keilkraft äußert.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß durch einen nach Durchführung der Spannphase "Leerhub" erfolgenden Spannvorgang die Kraftübersetzungsfunktion des Wegwandlers/Kraftwandlers eingeschaltet ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Wegwandler/Kraftwandler hydraulisch betrieben ist und daß die Bewegungs/Energieeingabe in den Wandler über Wandlereingangs-Kolben (128, 130; 238, 240) und die Bewegungs-/Energieabgabe über ein oder mehrere Wandlerausgangs-Kolben (102) erfolgt ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein einziger Wandlerausgangs-Kolben (102) vorgesehen ist, welcher die Spannkraft erzeugt und welcher mit dem zentralen Betätigungsorgan (116) form- oder kraftschlüssig verbunden ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlerausgangs-Kolben (102) zweiseitig mit gleich großer wirksamer Kolbenfläche beaufschlagbar sind.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlereingangs-Kolben (128/130; 238/240) für die in beiden Axialrichtungen mögliche Druckfluid-Volumenverdrängung gleich große wirksame Kolbenflächen aufweisen.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausschaltung der Wandlerfunktion durch ein hydraulisches Schaltorgan (138) erfolgt, durch welches nach erfolgtem Ausschalt-Schaltvorgang ein Verbindungskanal zwischen beiden Kolbenseiten (118, 120) des Wandlerausgangs-Kolbens geschaltet ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß Verbindungskanäle (136/158, 134/156) zwischen den Bewegungs-/Energieeingängen und den Bewegungs- /Energieausgängen vorgesehen sind.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß für die Durchführung der Spannphase "Leerhub" ein Kraftflußweg zwischen Übertragungsorgan (100, 200) und zentralem Betätigungsorgan (116) in Form einer mechanischen Ankoppelung geschaltet ist.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß ein mitumlaufender Spannkraftspeicher (218) in Form einer deformierbaren Feder (222) vorgesehen ist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingabe bzw. Ausgabe der Speicherenergie in den Speicher hinein bzw. aus dem Speicher heraus auf hydraulischem Wege (226) vorgesehen ist.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der hydraulisch betriebene Spannkraftspeicher auch als Druckfluid-Reservoir zum Ausgleich von Leckage-Volumina vorgesehen ist.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß eine mitumlaufende wiederaufhebbare Rückwirkungssperre vorgesehen ist, zur Verhinderung einer Umkehrwirkung der Wandlerfunktion.

23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückwirkungssperre durch ein entriegelbares Rückschlagventil (254) bewirkt ist.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler zur Einstellung unterschiedlicher Spannkräfte am zentralen Betätigungsorgang (116), und zwar auch zur Spannkraftreduzierung eingesetzt ist.

25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß hydraulische Schaltorgane (256, 138) als Sitzventile ausgebildet sind.

26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionsgruppen

• - Bewegungs-/Energieeingang des Wandlers
• - Bewegungs-/Energieausgang des Wandlers
• - Wälzlager-Übertrager (154)
• - Kupplungskolben (168)
• - Spannkraftspeicher (218)

in beliebigen Kombinationen am Ende der Arbeitsspindel (104) und/oder zwischen zwei Lagerstellen (106/106′) der Arbeitsspindel angeordnet sind.

27. Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß Leerhübe und Spannhübe des zentralen Betätigungsorgans von der Axialverschiebung des Wälzlager-Übertragers abgeleitet sind und daß wenigstens in einer Spannrichtung für die nacheinander durchführbaren Spannphasen "Leerhub" und "Spannhub" zwischen Übertragungsorgan (100, 200) und zentralem Betätigungsorgan (116) zwei unterschiedliche Kraftflußwege bzw. Energieflußwege schaltbar sind.

28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 oder nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß der Wegwandler/Kraftwandler mechanisch betrieben ist, daß der Wegwandler/Kraftwandler einen Wälzschraubtrieb (302/360/362; 402/409/411) umfaßt, welcher in der Wirkrichtung umschaltbar mit einer ersten Wirkrichtung Drehmoment in Axialkraft wandelnd und mit einer zweiten Wirkrichtung Axialkraft in Drehmoment wandelnd betrieben ist, und daß durch die Umschaltung der Wirkrichtung für die Spannphasen "Leerhub" und "Spannhub" eine Änderung des Übersetzungsverhältnisses der Axialwege von Übertragungsorgan (300/400) und zentralem Betätigungsorgan (316/416) bewirkt ist.

29. Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannphase "Leerhub" das Übersetzungsverhältnis 1 : 1 zugeordnet ist.

30. Vorrichtung nach Anspruch 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Umschaltung der Wirkrichtung unterschiedliche Kraftflußwege geschaltet sind.

31. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 28 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß der Wegwandler/Kraftwandler einen Bewegungs-/Energieeingang zur Umformung der Axialbewegung des Wälzlager-Übertragers in eine Rotationsbewegung der Wälzschraubtrieb-Mutter aufweist, wobei ein Umformer-Kurvengetriebe mit Nutrolle (322, 422) und Nut (314/403) vorgesehen ist.

32. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 28 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der Auslösung des Schaltvorganges zu überwindende Kraftschwelle durch eine Feder (380) bestimmt ist.

33. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 28 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß eine mitumlaufende Rückwirkungssperre vorgesehen ist, zur Verhinderung einer selbsttätigen Umkehrwirkung der Wandlerfunktion.

34. Vorrichtung nach Anspruch 31 und 33, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückwirkungssperre durch eine Raststellung des Umformer- Kurvengetriebes gebildet ist.

35. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 26 oder nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement (222, 380) aus einem Faserverbundwerkstoff gefertigt ist.

36. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Leerhubbewegungen und Spannhubbewegungen in zwei Richtungen (178, 180) erzeugbar sind.

37. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsspindel, der Spannkolben und der Wandler hohl ausgebildet sind.

38. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spindelantriebsmotor in koaxialer Ausfluchtung mit der Arbeitsspindel vorgesehen ist.