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Die
Erfindung betrifft eine Lageranordnung, insbesondere für eine Gewindespindel
eines Kugelgewindetriebs einer Werkzeugmaschine.
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Gewindespindeln
in Werkzeugmaschinen dienen als Vorschubspindeln, um Schlitten axial
verschiebbar anzutreiben. Bei heutigen hoch dynamischen Antrieben
kommt es dabei bei längerem
Betrieb zur Erwärmung
der Gewindespindel und somit zu thermischen Ausdehnungen derselben.
Da die Gewindespindel an beiden Enden gelagert ist, wird daher häufig eines
der Lager als Festlager zur Aufnahme von Radial- und Axialkräften gestaltet,
wobei das andere der Lager als Loslager gestaltet ist, das lediglich
Radialkräfte
aufnimmt und axiale Dehnungen zulässt. Diese Art der Lagerungsanordnung
mindert jedoch die Gesamtsteifigkeit des Systems und gleichzeitig
die maximal erreichbaren Umdrehungszahlen der Gewindespindel.
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Eine
weitere bekannte Möglichkeit
des Ausgleichs von thermischen Dehnungen besteht darin, die Gewindespindel
vorzuspannen, so dass diese im kalten Zustand unter Zugspannung
steht. Dehnt sich die Gewindespindel nun aufgrund von steigenden Temperaturen
aus, vermindert sich zunächst
die Zugspannung, bis Druckspannungen erreicht werden. Hierbei liegen
jedoch fast stets Spannungen in der Gewindespindel vor. Zudem können die
Vorspannungen nicht immer ausreichen, um die Dehnungen auszugleichen,
so dass es durchaus zu überhöhten Druckspannungen
kommen kann, die eine geringere Genauigkeit und Lebensdauer zur
Folge haben.
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Ferner
gibt es Systeme mit einer gekühlten Gewindespindel,
bei der die Gewindespindel zentral angeordnete Kühlkanäle aufweist, die mit Kühlflüssigkeit
durchströmt sind.
Der bauliche Aufwand ist jedoch sehr hoch und führt zu hohen Kosten.
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Ferner
sind Lösungen
bekannt, bei denen die Gewindespindel am Loslager axial gegen eine
hydraulische Kolben-Zylinder-Einheit abgestützt ist, wobei Hydraulikflüssigkeit
von einem Zylinderraum in einen anderen Zylinderraum durch ein Loch
oder eine Hydraulikleitung mit geringem Durchmesser fließen kann.
Das Loch oder die Hydraulikleitung dient als Drossel, so dass bei
langsamen Ausdehnungen ein Ausgleich von Hydraulikflüssigkeit
zwischen den beiden Zylinderräumen
statt finden kann. Bei Kräften oder
Schwingungen, die jedoch mit hohen Geschwindigkeit angreifen, ist
aufgrund der Drosselwirkung kein entsprechend schneller Ausgleich
von Hydraulikflüssigkeit
möglich,
so dass eine steife Abstützung gewährleistet
ist.
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Die
DE 39 27 855 A1 beschreibt
eine Lageranordnung für
eine Welle mit zwei Festlagern, die sowohl Radialkräfte als
auch Axialkräfte
aufnehmen, bei dem die Lagerreihen eines der beiden Lager der Gewindespindel
in einem hülsenförmigen Lagerhalteteil
aufgenommen sind. Um das Lagerhalteteil ist eine Klemmbuchse angeordnet,
das zum Festklemmen auf dem Lagerhalteteil hydraulisch beaufschlagt werden
kann. Die Klemmbuchse ist zudem fest mit dem Werkzeugmaschinengestell
verbunden. Somit ist bei hydraulischer Beaufschlagung das Lagerhalteteil
fest mit dem Werkzeugmaschinengestell verbunden, so dass das Lager
als Festlager dient. Zeitweise wird die Klemmbuchse freigegeben,
so dass sich das Lagerhalteteil relativ zur Klemmbuchse axial verschieben
kann, um einen Ausgleich von Längendehnungen
zu erreichen. Der bauliche Aufwand ist jedoch sehr hoch, wobei zudem
eine Steuerung des hydraulischen Drucks vorgesehen werden muss,
die ein zeitweises Drucklosschalten der Klemmbuchse ermöglicht.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Lageranordnung zu schaffen,
die thermische Dehnungen der Welle ausgleicht und gleichzeitig eine
hohe axiale Steifigkeit bei Bearbeitungsbelastungen im Betrieb der
Welle ununterbrochen gewährleistet.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
Lageranordnung umfassend eine Welle, die mittels eines ersten Radiallagers
und eines zweiten Radiallagers um eine Längsachse rotierend gelagert
ist, wobei beide Radiallager als Festlager zum Aufnehmen von Radialkräften und
Axialkräften
gestaltet sind, eine Kupplung mit einem radial inneren Kupplungselement
und einem radial äußeren Kupplungselement,
wobei die Kupplung zwischen der Welle und dem ersten Radiallager
angeordnet ist und wobei das innere Kupplungselement mit der Welle
drehfest verbunden oder durch diese gebildet ist und relativ zum äußeren Kupplungselement
axial begrenzt bewegbar ist, mindestens einen Aufnahmeraum, der
durch die beiden Kupplungselemente gebildet ist und dessen Form
sich bei einer Axialbewegung der beiden Kupplungselemente zueinander
verändert,
sowie ein viskoelastisches Material, mit dem der Aufnahmeraum befüllt ist,
gelöst.
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Ferner
wird die Aufgabe durch eine Lageranordnung umfassend eine Welle,
die mittels eines ersten Radiallagers und eines zweiten Radiallagers
um eine Längsachse
rotierend gelagert ist, wobei beide Radiallager als Festlager zum
Aufnehmen von Radialkräften
und Axialkräften
gestaltet sind, eine Kupplung mit einem radial inneren Kupplungselement
und einem radial äußeren Kupplungselement,
wobei das erste Radiallager zwischen der Welle und der Kupplung
angeordnet ist und wobei das innere Kupplungselement mit dem ersten
Radiallager drehfest verbunden oder durch dieses gebildet ist und
relativ zum äußeren Kupplungselement
axial begrenzt bewegbar ist, mindestens einen Aufnahmeraum, der
durch die beiden Kupplungselemente gebildet ist und dessen Form
sich bei einer Axialbewegung der beiden Kupplungselemente zueinander
verändert,
sowie ein viskoelastisches Material, mit dem der Aufnahmeraum befüllt ist,
gelöst.
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Die
beiden Lösungen
unterscheiden sich lediglich dadurch, dass einerseits die Kupplung
zwischen der Welle und dem ersten Radiallager angeordnet ist und
andererseits das erste Radiallager zwischen der Welle und der Kupplung
angeordnet ist. Gemein sam ist den Lösungen, dass die Form des Aufnahmeraums
verändert
wird, wenn sich die Kupplungselemente zueinander axial verschieben.
Dadurch bewirken bei einer Schwingung in axialer Richtung die Axialkräfte, die
von einem der beiden Kupplungselemente auf das viskoelastische Material
eingeleitet werden, je nach physikalischen Parametern des viskoelastischen
Materials und nach Schwingung, entweder eine kriechende, langsame
Formänderung
des viskoelastischen Materials oder eine starre Abstützung über das
viskoelasische Material gegen das andere Kupplungselement.
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Viskoelastisches
Material verhält
sich je nach Krafteinwirkung viskos, plastisch, elastisch oder starr. Über längere Zeit
betrachtet verhält
sich das Material viskos und fließt. Bei langsamer Krafteinwirkung
ist das Material plastisch und verformbar. Bei schnellerer Krafteinwirkung
verhält
sich viskoelastisches Material zunehmend elastisch und bei sehr
hoher und schneller Krafteinwirkung starr bzw. steif. Das bedeutet,
dass bei einer Krafteinwirkung in Form einer Schwingung mit geringer
Frequenz ein plastisches bzw. viskoses Verhalten erzielt wird und
bei einer Krafteinwirkung in Form einer Schwingung mit hoher Frequenz
ein zunehmend elastisches Verhalten erreicht wird.
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Bei
den erfindungsgemäßen Lösungen bedeutet
dies, dass bei einer niedrigen Frequenz keine Abstützung des
inneren Kupplungselements gegen das äußere Kupplungselement gegeben
ist. Dies führt
bei entsprechend angepasstem Aufnahmeraum und Eigenschaften des
viskoelastischen Materials dazu, dass thermische Dehnungen, die
langsam vonstatten gehen, ausgeglichen werden, indem das innere
Kupplungselement relativ zum Kupplungselement axial verschoben wird.
Hingegen werden axiale Kräfte
hoher Frequenz, z.B. Schwingungen aufgrund des Betriebs einer Vorschubspindel
einer Werkzeugmaschine, abgestützt,
so dass das innere Kupplungselement gegen dass äußere Kupplungselement abgestützt ist.
Für thermische
Dehnungen wirkt die erfindungsgemäße Lageranordnung somit wie
eine Lageranordnung mit einem Festlager und einem Loslager. Für Kräfte hoher
Frequenz wirkt die Lageranordnung wie eine Lageranordnung mit zwei
Festlagern.
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Um
hohe Abstützkräfte realisieren
zu können und
die Abstützflächen möglichst
groß zu
gestalten, kann vorgesehen Sein dass das innere Kupplungselement
einen ersten Gewindegang in Form eines Außengewindes aufweist, dass
das äußere Kupplungselement
einen zweiten Gewindegang in Form eines Innengewindes aufweist, über den
das innere Kupplungselement in das äußere Kupplungselement einschraubbar
ist und dass die Gewindegänge
mit axialem und radialem Spiel zueinander ausgebildet sind und somit
den Aufnahmeraum bilden.
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Durch
das Gewinde wird erzielt, dass die Flächen, die axial beansprucht
werden, möglichst
groß sind.
Zudem kann durch. konstruktive Anpassung der Anzahl der Gewindegänge die
Abstützfläche den
Gegebenheiten angepasst werden.
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Sei
dieser Ausgestaltung ändert
sich jedoch nicht nur die Form, sondern auch das Volumen des Aufnahmeraums,
so dass ein Ausgleich für
die Volumenänderung
vorgesehen werden sollte. Dies kann dadurch geschehen, dass sich
axial an die Gewindegänge
ein Ausgleichsraum anschließt,
der mit einem komprimierbaren Material gefüllt ist.
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In
einer anderen Ausführungsform
des Aufnahmeraums ist dieser durch zwei Zylinderräume gebildet.
Das innere Kupplungselement weist hierbei einen Kolbenabschnitt
auf, der den Aufnahmeraum in die beiden Zylinderräume unterteilt,
die zum Austausch von viskoelastischem Material miteinander verbunden
sind. Wenn beide Zylinderräume
von einer Kolbenstange durchdrungen sind, besteht der Vorteil darin,
dass kein Ausgleichsraum erforderlich ist, da bei einer Verschiebung
des Kolbenabschnitts die Volumenänderung
in beiden Zylinderräumen gleich
groß ist.
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Um
ein Verdrehen der beiden Kupplungselemente zu verhindern, kann eine
Drehsicherung vorgesehen sein, die die beiden Kupplungselemente drehfest
zueinander hält.
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Ferner
können
Rückstellmittel
vorgesehen sein, die das innere Kupplungselement relativ zum äußeren Kupplungselement
zur Einnahme einer Ausgangsposition beaufschlagen. Somit nehmen
die Kupplungselemente im demontierten Zustand eine Ausgangsposition
zueinander ein, die genügend
axiale Verstellmöglichkeit
zulässt.
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Die
Rückstellmittel
können
durch Tellerfedern dargestellt sein, so dass eine platzsparende
und kompakte Bauform erzielt wird.
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Vorzugsweise
kommt als viskoelastisches Material ein Bor-Siloxan-Elastomer zum
Einsatz.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
werden im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutern. Hierin zeigt
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1 einen
Längsschnitt
einer ersten Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Lageranordnung,
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2 einen
Längsschnitt
durch das erste Lager mit einer Kupplung einer zweiten Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Lageranordnung,
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3 eine
Abwandlung der zweiten Ausführungsform
gemäß 2,
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4 eine
alternative Möglichkeit
der Abdichtung der Kupplung einer erfindungsgemäßen Lageranordnung und
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5 ein
weiteres Prinzip einer Kupplung einer erfindungsgemäßen Lageranordnung.
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1 zeigt
eine Lageranordnung, wie sie in einem Vorschubantrieb für Werkzeugmaschinen
eingesetzt wird, mit einer Welle in Form einer Kugelgewindespindel 1,
die an ihren beiden Enden 2, 3 über ein
erstes Radiallager 4 und ein zweites Radiallager 5 um
eine Längsachse
L wälzgelagert
ist. Die Radiallager 4, 5 sind als Kugellager
zur Aufnahme sowohl von Radialkräften
als auch Axialkräften
(Festlager) gestaltet. Es können
jedoch auch andere Lagertypen anstelle von Kugellagern eingesetzt
werden.
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Zwischen
dem ersten Radiallager 4 und der Kugelgewindespindel 1 ist
eine Kupplung 6 mit einem inneren Kupplungselement 7,
das durch einen Wellenabschnitt dar gestellt ist, der in die das
Ende 2 der Kugelgewindespindel 1 eingeschraubt
ist, und mit einem äußeren Kupplungselement 8 in
Form einer Hülse
angeordnet. Das innere Kupplungselement 7 kann auch durch
das Ende 2 der Kugelgewindespindel 1 selbst gebildet
sein. Auf dem äußeren Kupplungselement 8 ist
der Innenring 9 des ersten Radiallagers 4 angeordnet,
welches mit dem Außenring 10 in
einer Lagerbohrung z.B. eines Werkzeugmaschinengestells 28 angeordnet
ist.
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Das
innere Kupplungselement 7 weist ein Außengewinde 11 auf,
mit dem das innere Kupplungselement 7 in ein Innengewinde 12 des äußeren Kupplungselements 8 eingeschraubt
ist. Zwischen dem Innengewinde 12 und dem Außengewinde 11 ist sowohl
ein Radialspiel als auch ein Axialspiel vorgesehen.
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In
dem inneren Kupplungselement 7 sind Umfangsnuten 15, 16 vorgesehen,
in denen Dichtringe 13, 14 sitzen, die wiederum
in dichtender Anlage zu Dichtflächen 17, 18 des äußeren Kupplungselements 8 gehalten
sind. Das Innengewinde 12 und das Außengewinde 11 sind
innerhalb der beiden Dichtringe 13, 14 angeordnet,
so dass aufgrund des Radial- und Axialspiels ein Aufnahmeraum 19 zwischen
den beiden Dichtringen 13, 14 gebildet ist.
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Der
Aufnahmeraum 19 ist mit einem viskoelastischem Material,
vorzugsweise mit einem Bor-Siloxan-Elastomer gefüllt. Durch das Axialspiel ist
die Möglichkeit
gegeben, das innere Kupplungselement 7 axial gegenüber dem äußeren Kupplungselement 8 zu
verschieben. Das Radialspiel sorgt dafür, dass viskoelastisches Material
zwischen den Gewindegängen
der Gewinde 11, 12 hin und her fließen kann.
Somit wird bei langsamen Dehnungen aufgrund steigender Temperaturen
der Kugelgewindespindel 1 das viskoelastische Material
innerhalb des Aufnahmeraums 19 verformt. Bei Belastungen
mit hoher Frequenz verhält
sich das viskoelastische Material zunehmend elastisch bzw. steif,
so dass ein Durchleiten der Kraft vom inneren Kupplungselement 7 zum äußeren Kupplungselement 8 gewährleistet
ist und ein Verschieben des inneren Kupplungselements 7 gegenüber dem äußeren Kupplungselement 8 verhindert
wird. Somit bildet die Einheit aus Kupplung 6 und erstem
Radiallager 4 bei Belastungen geringer Frequenz ein Loslager,
das keine Axialkräfte abstützt, und
bei Belastungen hoher Frequenz ein Festlager, das Axialkräfte abstützt.
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Da
sich bei einer Axialverschiebung des inneren Kupplungselements 7 gegenüber dem äußeren Kupplungselement 8 das
Volumen des Aufnahmeraums 19 ändert, ist axial benachbart
zu den Gewinden 11, 12 ein Ausgleichsraum 20 vorgesehen, der
als Ringraum gestaltet ist und ein Ausgleichselement 21 aufnimmt.
Das Ausgleichselement 21 ist aus einem elastisch komprimierbaren
Material gefertigt. Das heißt,
das das Ausgleichselement 21 zum einen komprimiert werden
kann und wieder selbstständig expandieren
kann. Hier kann zum Beispiel ein Element aus einem geschlossenporigen
Schaumstoff zum Einsatz kommen.
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Zwischen
einer Stirnfläche 22 des äußeren Kupplungselements 8 und
einer Ringfläche 23 der Kugelgewindespindel 1 ist
eine Tellerfeder 24 als Rückstellmittel angeordnet. Die
Tellerfeder 24 beaufschlagt das äußre Kupplungselement 8 zur
Einnahme einer axialen Position, in der die Kugelgewindespindel 1 einen
maximalen Axialweg zurücklegen kann,
wenn diese sich thermisch dehnt. Somit ist im demontierten Zustand
eine Ausgangsposition definiert, die eine maximale Dehnung zulässt.
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Ferner
ist ausgehend von einer Stirnfläche der
Kupplung 6 ein parallel zur Längsachse L verlaufender Kanal 26 vorgesehen,
der durch beide Gewinde 11, 12 verläuft und
in dem ein Sicherungsstift 25 als Drehsperre sitzt.
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2 zeigt
eine zweite Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Lageranordnung.
Bauteile, die mit Bauteilen der ersten Ausführungsform der 1 übereinstimmen,
sind mit Bezugszeichen versehen, die um den Wert 100 erhöht sind.
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Die
zweite Ausführungsform
unterscheidet sind von der ersten Ausführungsform dadurch, dass das
erste Radiallager 104 zwischen der Kugelgewindespindel 101 und
der Kupplung 106 angeordnet ist. Das äußere Kupplungselement 108 ist über Befestigungsschrauben 129 mit
dem Werkzeugmaschinengestell 128 verbunden. Das innere
Kupplungsteil 107 weist die Lagerbohrung 127 auf,
in der das erste Radiallager 104 aufgenommen ist. Das erste
Radiallager 104 sitzt auf dem Ende 102 der Kugelgewindespindel 101.
Für die
Rückstellung
der Kupplung 106 in eine Ausgangsstellung stützt sich
die Tellerfeder 124 einerseits gegen eine Ringfläche des
inneren Kupplungselements 107 und der Stirnfläche 122 des äußeren Kupplungselements 108 ab.
Im übrigen
ist die Lageranordnung gemäß der zweiten
Ausführungsform
entsprechend der ersten Ausführungsform gestaltet.
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Eine
Abwandlung der zweiten Ausführungsform
zeigt 3, wobei Bauteilen, die mit Bauteilen der zweiten
Ausführungsform
gemäß 2 übereinstimmen,
mit Bezugszeichen versehen sind, die um den Wert 100 erhöht sind.
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Bei
der Abwandlung der zweiten Ausführungsform
ist der Außenring
des ersten Radiallagers 204 durch das innere Kupplungselement 207 gebildet.
Ferner ist das erste Radiallager 204 durch Dichtscheiben 230 abgedichtet
und über
einen Schmierkanal 231 von außen mit Schmiermittel zu versorgen. Zur
Verwirklichung einer Drehdurchführung
zwischen dem still stehenden äußeren Kupplungselement 208 und
dem rotierenden inneren Kupplungsteil 207 ist ein weiterer
Dichtring 232 vorgesehen, der in einer Umfangsnut 233,
die benachbart zur Umfangsnut 215 im inneren Kupplungselement 207 vorgesehen ist,
sitzt. Der Schmierkanal 231 verläuft durch das äußere Kupplungselement 208,
mündet
in einen Zwischenraum zwischen den beiden Dichtringen 213, 232 und
führt weiter
durch das innere Kupplungselement 207 zu den Wälzkörpern 234 des
ersten Radiallagers 204.
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4 zeigt
eine weitere Möglichkeit
der Abdichtung. Hierbei sind keine Dichtringe sondern Dichtmembranen 235, 236, 237 vorgesehen.
Zwei der Dichtmembranen 235, 236 sind direkt axial
benachbart zu den Gewinden 211, 212 angeordnet
und dichten somit den Aufnahmeraum 219 nach außen hin
ab. Die Dichtmembranen 235, 236 sind am jeweiligen
Außenumfang
fest mit dem äußeren Kupplungselement 208 und
am jeweiligen Innenumfang fest mit dem inneren Kupplungselement 207 verbunden,
so dass eine separate Drehsicherung entfallen kann. Aufgrund einer
gewissen Elastizität
erlauben sie eine axiale Verschiebung der beiden Kupplungselemente 207, 208 zueinander.
Ferner können
sie bei Belastungen in Umfangsrichtung steif ausgebildet sein, so
dass die Kupplungselemente 207, 208 während ihrer
Verschiebung richtungsstabil zueinander bleiben, ohne ihre Achsausrichtung
zueinander zu verändern.
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Axial
benachbart zu einer der beiden Dichtmembranen 235 ist eine
weitere Dichtmembran 237 angeordnet, die zusammen eine
Drehdurchführung für Schmiermittel
darstellen.
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5 zeigt
ein anderes Prinzip einer Kupplung, welche prinzipiell sowohl, wie
dargestellt, zwischen der Gewindespindel 301 und dem ersten
Radiallager 304 als auch zwischen dem ersten Radiallager 304 und
dem Werkzeugmaschinengestell 328 angeordnet werden kann.
Bauteile, die mit Bauteilen der ersten Ausführungsform der 1 übereinstimmen,
sind mit Bezugszeichen versehen, die um den Wert 300 erhöht sind.
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Der
Aufnahmeraum 319 ist durch zwei Zylinderräume 338, 339 gebildet.
Das äußere Kupplungselement
bildet einen Kolbenabschnitt 340 der den Aufnahmeraum 319 in
die beiden Zylinderräume 338, 339 unterteilt,
wobei ein radialer Abstand zwischen dem Kolbenabschnitt 340 und
dem inneren Kupplungselement 307 vorgesehen ist, so dass
viskoelastisches Material von einem Zylinderraum 338, 339 in den
anderen Zylinderraum 339, 338 fließen kann.
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- 1,
101, 201, 301
- Kugelgewindespindel
- 2,
102, 202, 302
- Ende
- 3
- Ende
- 4,
104, 204, 304
- erstes
Radiallager
- 5
- zweites
Radiallager
- 6,
106, 206, 306
- Kupplung
- 7,
107, 207, 307
- inneres
Kupplungselement
- 8,
108, 208, 308
- äußeres Kupplungselement
- 9,
209
- Innenring
- 10
- Außenring
- 11,
111, 211
- Außengewinde
- 12,
112, 212
- Innengewinde
- 13,
113, 213, 313
- Dichtring
- 14,
114, 214, 314
- Dichtring
- 15,
115, 215, 315
- Umfangsnut
- 16,
116, 216, 316
- Umfangsnut
- 17,
117, 217, 317
- Dichtfläche
- 18,
118, 218, 318
- Dichtfläche
- 19,
119, 219
- Aufnahmeraum
- 20,
120, 220
- Ausgleichsraum
- 21,
121, 221
- Ausgleichselement
- 22,
122, 222
- Stirnfläche
- 23,
123, 223
- Ringfläche
- 24,
124, 224
- Tellerfeder
- 25,
125, 225
- Sicherungsstift
- 26,
126, 226
- Kanal
- 27,
127, 327
- Lagerbohrung
- 28,
128, 228, 328
- Werkzeugmaschinengestell
- 129,
229
- Befestigungsschraube
- 230
- Dichtscheibe
- 231
- Schmierkanal
- 232
- Dichtring
- 233
- Umfangsnut
- 234
- Wälzkörper
- 235
- Dichtmembran
- 236
- Dichtmembran
- 237
- Dichtmembran
- 338
- Zylinderraum
- 339
- Zylinderraum
- 340
- Kolbenabschnitt
- L
- Längsachse