Die Erfindung betrifft eine Linearstelleinrichtung, umfassend einen Außenring mit einer oder mehreren, nach radial innen geöffneten, rampenartigen Führungsbahnen sowie einen Innenring mit einer oder mehreren, nach radial außen offenen, rampenartigen Führungsbahnen.

Derartige Linearstelleinrichtungen finden im Stand der Technik in unterschiedlichen Bereichen, beispielsweise als Abkoppeleinheiten oder auch Disconnect Units (sogenannte DCUs), Verwendung. Sie umfassen zwei gegeneinander verdrehbare Ringe, wobei durch Drehung des einen Rings eine axiale Verschiebung des anderen Rings bewirkt werden kann. Die Drehung wird durch Rollelemente, die in den rampenartigen Führungsbahnen vorgesehen sind, in eine Linearverschiebung überführt. Diese Verschiebung kann dazu genutzt werden, ein Bauteil zu bewegen oder mehrere Bauteile miteinander zu verbinden.

Für eine einfache Montage einer derartigen Linearstelleinrichtung mit einem Außenring, einem Innenring und Rollelementen sind die rampenartigen Führungsbahnen beider Ringe jeweils auf einer Seite axial geöffnet. Dabei ähnelt der Querschnitt der Ringe dem Querschnitt eines Rings eines Schrägkugellagers. Durch die einseitig geöffneten Führungsbahnen kann eine Linearkraft nur in eine Richtung erzeugt werden. Die Rückstellung des in Linearrichtung verschiebbaren Rings erfolgt daher üblicherweise durch ein Federelement, welches den axial verschiebbaren Ring bei unterbrochener Krafteinleitung zurückschiebt, wobei der rotierende Ring ebenfalls in dessen Ausgangsposition zurückgedreht werden kann.

Aufgrund der einseitig geöffneten Führungsbahnen beider Ringe besteht jedoch die Möglichkeit, dass diese bei linearer Verstellung auseinanderfallen, beispielsweise dann, wenn bei der Rückstellung in die Ausgangsposition einer der beiden Ringe hängenbleibt und der andere Ring die Rollelemente durch lineares Verschieben aus den Führungsbahnen des zweiten Rings herausdrückt. Auf diese Weise kann ein Defekt des Mechanismus entstehen.

Der Erfindung liegt damit das Problem zu Grunde, eine Linearstelleinrichtung anzugeben, die demgegenüber verbessert ist.

Zur Lösung dieses Problems ist bei einer Linearstelleinrichtung eingangs genannter Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass sich die Führungsbahnen zu einem auf diesen laufende Rollelemente aufnehmenden Kanal ergänzen, wobei durch die Rotation des Außenrings eine axiale Verschiebung des Innenrings oder umgekehrt erwirkbar ist, wobei die Führungsbahnen beider Ringe als in beide Axialrichtungen über Flanken begrenzte Führungsnuten ausgebildet sind und eine oder mehrere Montageöffnungen vorgesehen sind und der oder jeder Kanal über wenigstens eine Montageöffnung zugänglich ist.

Die Erfindung schlägt vor, dass die rampenartigen Führungsbahnen beider Ringe entlang der Längsachse der Ringe auf beiden Seiten durch Flanken begrenzt sind.

Dadurch ist es möglich, einen der zwei Ringe in beide Richtungen zu rotieren und damit eine axiale Hin- und Rückbewegung des zweiten Rings zu erzielen. Es ist keine zusätzliche Rückstelleinrichtung mehr erforderlich, um an dem rotationsfesten Ring eine Axialverschiebung in beide Richtungen zu erwirken, da die Rollelemente entlang der Längsachse der Ringe an beiden Flanken und damit in beide Richtungen Kräfte übertragen können. Zudem kann durch die in beide Axialrichtungen über Flanken begrenzten Führungsbahnen sichergestellt werden, dass ein Auseinanderfallen der Linearstelleinrichtung während des Betriebs unmöglich ist. Allein in der Montageposition, respektive wenn sich die Rollelemente an den Montageöffnungen der Führungsbahnen befinden, ist ausreichend Platz verfügbar, um die Rollelemente aus den Führungsbahnen zu entnehmen und die Linearstelleinrichtung zu demontieren. Wird, beispielsweise durch Verdrehung der beiden Ringe, sichergestellt, dass diese Montageposition während des Betriebs nicht erreichbar ist, werden die Rollelemente in Axialrichtung der Linearstelleinheit stets von den beidseitig vorgesehenen Flanken in den Führungsbahnen der Ringe gehalten. Durch die Länge der Führungsbahnen wird zudem der Drehwinkel des rotierbaren Rings eingeschränkt, wobei die Enden jeder Führungsbahn als Anschlag dienen und ein Herausfallen der Rollelemente durch zu große Drehwinkel verhindern.

Üblicherweise ist der Außenring einer erfindungsgemäßen Linearstelleinrichtung in Axialrichtung positionsfest und drehbar, wohingegen der Innenring nicht drehbar aber axial verschiebbar ist. Demnach wird über den Außenring mit einer Drehbewegung eine Linearverschiebung des Innenrings erwirkt. In unterschiedlichen Ausführungsvari- anten kann die Drehbewegung auch über einen drehbaren sowie in Axialrichtung positionsfesten Innenring eingeleitet werden und eine Axialverschiebung eines drehfesten Außenrings erwirken. Zur Vereinfachung ist der Außenring in der folgenden Beschreibung in Axialrichtung positionsfest und um dessen Längsachse rotierbar, wohingegen der Innenring axial verschiebbar und um dessen Längsachse nicht drehbar ist. Die Eigenschaften beider Ringe können auch getauscht sein, wobei ein Ring immer drehbar und der zweite Ring immer axial verschiebbar sein muss.

Um einen Mechanismus mit gleichförmiger Kraftumleitung von der Rotation in eine Linearbewegung zu gewährleisten sind wenigstens zwei, vorzugsweise drei, rampenartige Führungsbahnen äquidistant um den Umfang des Außenrings und des Innenrings verteilt vorzusehen. Werden auf diese Weise zwei oder mehr Führungsbahnen vorgesehen, die jeweils durch wenigstens ein Rollelement mit einer Führungsbahn des anderen Rings in mechanischem Kontakt stehen, so sind diese Rollelemente gleichmäßig um die gemeinsame Längsachse beider Ringe verteilt. Da die Kraftumleitung von einer Rotationsbewegung des einen Ring in eine Linearverschiebung des zweiten an den Rollelementen und den durch Flanken begrenzten Führungsbahnen erflogt, hat die gleichmäßige Verteilung der Rollelemente um die gemeinsame Längsachse der Ringe auch eine gleichmäßige Verteilung der entstehenden Kräfte, insbesondere der Axialkräfte, auf beide Ringe zur Folge. Durch ein Vorsehen von drei oder mehr solcher Führungsbahnen können auch Verkippungen eines Rings vermieden werden.

Über die Anzahl und/oder die Länge der rampenartigen Führungsbahnen kann das Verhältnis zwischen dem Drehwinkel des einen Rings und der Linearverschiebung des zweiten Rings beeinflusst werden. Eine größere Steigung der rampenartigen Führungsbahnen in Axialrichtung der Ringe hat hierbei zur Folge, dass bei gleichem Drehwinkel eine größere Linearverschiebung erwirkt wird. Umgekehrt kann mit geringerer Steigung der Führungsbahnen bei gleichem Drehwinkel eine geringere Linearverschiebung erzielt werden, wobei eine präzisere Steuerung der Linearverschiebung erfolgen kann.

Um die Linearstelleinrichtung montieren zu können, werden eine oder mehrere Montageöffnungen vorgesehen, die das Einbringen von Rollelementen in die Führungsbahnen beider Ringe ermöglichen. Wie zuvor beschrieben sind die Führungsbahnen beider Ringe in Axialrichtung beidseitig durch Flanken begrenzt und erlauben auch an deren Enden kein Ein- oder Austreten der Rollelemente. Die Führungsbahnen sind also vollständig geschlossen. Alleinig die Montageöffnungen stellen Öffnungen in den Führungsbahnen dar, die für eine Montage einer beschriebenen Linearstelleinrichtung erforderlich sind.

Bevorzugterweise zeichnet sich eine erfindungsgemäße Linearstelleinrichtung dadurch aus, dass die oder jede Montageöffnung axial oder radial verläuft. Die Montageöffnungen, die ein Einführen der Rollelemente in die rampenartigen Führungsbahnen beider Ringe ermöglichen, können am Innen- und/oder am Außenring vorgesehen werden. Da es bei der Montage der Linearstelleinrichtung erforderlich ist, den Innenring in den Außenring einzubringen, sind Montageöffnungen, die in Axialrichtung verlaufen, besonders vorteilhaft. Sie verlaufen bereits in Montagerichtung und öffnen alle Führungsbahnen eines oder beider Ringe entlang der Achse, auf der beide Ringe zur Montage zusammengeführt werden. Dies erlaubt mittels simpler Linearbewegung ein Zusammenstecken beider Ringe und ein gleichzeitiges Einbringen der Rollelemente. Ist nur ein Ring mit axial verlaufenden Montageöffnungen versehen, so sind die Führungsbahnen des anderen Rings in Axialrichtung an keiner Stelle geöffnet. Die Montage erfolgt dann durch Einlegen der Rollelemente in die vollständig geschlossenen Führungsbahnen des Rings ohne Montageöffnungen, woraufhin dieser in Axialrichtung so auf oder in den zweiten Ring geschoben wird, dass die in Radialrichtung hervorstehenden Rollelemente in die axial verlaufenden Montageöffnungen des zweiten Rings hineingleiten. Beide Ringe befinden sich dann in der Montageposition.

Es ist allerdings auch möglich, beide Ringe zunächst ineinander zu positionieren und die Rollelemente erst im Anschluss in die Führungsbahnen beider Ringe zu füllen. Dabei verfügen beide Ringe über axial verlaufende Montageöffnungen, wobei die Ringe so zueinander orientiert sind, dass sich jeweils eine Montageöffnung des einen Rings und eine Montageöffnung des anderen Rings zu einer ausreichend großen, beispielsweise kreisförmigen, Montageöffnung ergänzen, die den gesamten Querschnitt eines Rollelements aufnehmen kann. In diesem Zustand befinden sich beide Ringe ebenfalls in der Montageposition.

Verlaufen die Montageöffnungen dagegen radial, so ist es ausreichend, diese in einem der beiden Ringe vorzusehen. Hierbei können erneut beide Ringe im Voraus in einander positioniert werden, woraufhin die Rollelemente über die Montageöffnungen in Radialrichtung in die Führungsbahnen gefüllt werden.

Um sicherzustellen, dass die Rollelemente nach dem Befüllen respektive der Montage nicht mehr aus den Ringen herausfallen können, ist die oder jede Montageöffnung vorzugsweise an einem Ende einer Führungsbahn angeordnet. Dadurch kann mit einer geeigneten Verdrehung der beiden Ringe zueinander sichergestellt werden, dass die Montageposition während des Betriebs der Linearstelleinrichtung nicht mehr eingenommen werden kann. Beispielsweise kann dies durch einen Anschlag eines Rings umgesetzt werden, der eine Verdrehung oder Verschiebung der Ringe zurück in die Montageposition verhindert. Oder es wird durch ein geeignetes Auslegen der Mechanik, in der die Linearstelleinrichtung eingebaut wird, sichergestellt, dass die Montageposition im Betrieb nicht mehr eingenommen werden kann. Beides ist besonders für axial verlaufende Montageöffnungen signifikant, da die Rollelemente hier in der Montageposition in Axialrichtung nicht sicher in den Führungsbahnen gehalten werden. Daneben können die axialen Montageöffnungen mit geeigneten Verschlusselemente, die am jeweiligen Ring, beispielsweise durch Verschrauben, befestigt werden, vollständig verschlossen werden, wodurch ein Herausfallen der Rollelemente in jedem Verdrehzustand verhindert werden kann. Gleichermaßen sind auch radial verlaufenden Montageöffnungen beispielsweise durch eine Schraube, insbesondere eine Madenschraube, vollständig verschließbar.

Durch Anordnung der Montageöffnungen an einem Ende einer Führungsbahn kann zudem die größtmögliche Länge der Führungsbahnen ausgenutzt werden, um eine eingeleitete Drehbewegung in eine Linearbewegung umzuwandeln. Die Montageposition nimmt so nämlich nur einen kleinen Bereich an einem Ende der Führungsbahn ein. Neben der Steigung der Führungsbahnen ist auch deren Länge entscheidend für die maximal erwirkbare Linearverschiebung, wobei durch einen Einsatz längerer Führungsbahnen tendenziell eine größere Linearverschiebung erreicht werden kann.

Um in einem der Ringe eine Rotationsbewegung einleiten zu können, ist es von Vorteil, wenn der rotierbare Ring eine Koppelstruktur, vorzugsweise eine Verzahnung, aufweist, über die eine Rotationsbewegung in den Ring einleitbar ist. So ist es möglich, auf einfache Weise und mit einer gängigen Antriebsmechanik Rotationsbewegungen in beide Richtungen einzuleiten. Hierbei eignet sich besonders eine Verzahnung, da diese eine robuste Übertragung einer Rotationsbewegung mit geringem Verdrehspiel ermöglicht. Gleichermaßen kann die Koppelstruktur auch einen Zahnriemen oder eine Kette aufnehmen, um eine Rotationsbewegung in den Ring einleiten zu können. Daneben ist auch der Einsatz einer nutförmigen Koppelstruktur möglich, wobei in der Nut des Rings ein gespannter Keilriemen verlaufen kann, mit dem der Ring gedreht wird. Auch der Einsatz eines Drehgelenks ist möglich, mit dem eine Linearbewegung eines Aktors in eine Drehbewegung des rotierbaren Rings umgewandelt wird. In jedem der genannten Beispiele kann der rotierbare Ring der Linearstelleinrichtung in beide Richtungen gedreht werden. Somit kann eine beidseitige Linearverschiebung des rotationsfesten Rings entlang dessen Längsachse erfolgen. Eine zusätzliche Rückstelleinrichtung ist nichtmehr erforderlich.

Damit ein Mitdrehen des axial verschiebbaren Rings unterbunden wird, ist vorzusehen, dass der rotationsfeste Ring eine Verbindungseinrichtung zum drehfesten Verbinden mit einem ebenfalls rotationsfesten Bauteil aufweist. Mit dieser Verbindungseinrichtung kann im Zuge eines Einbaus der Linearstelleinrichtung in eine Mechanik sichergestellt werden, dass der rotationsfeste Ring nur einen Freiheitsgrad besitzt, der dessen Bewegung entlang seiner Längsachse erlaubt. Die Drehung des Rings ist damit nach dem Einbau blockiert, wodurch eine Drehung des zweiten, rotierbaren Rings durch die rampenförmig verlaufenden Führungsbahnen in eine Axialbewegung des rotationsfesten Rings umgewandelt wird. Die Verbindungseinrichtung zum drehfesten Verbinden kann eine innenliegende oder außenliegende Verzahnung sein. Weitere Ausgestaltungsmöglichkeiten sind beispielsweise ein Anschlag, eine Nut-Feder-Verbindung, insbesondere eine Passfeder, oder eine Keilwellenverbindung.

Eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Linearstelleinrichtung sieht vor, dass die Rollelemente Kugeln sind. Der Einsatz kugelförmiger Rollelemente ermöglicht eine einfache Gestaltung des Querschnitts der rampenartigen Führungsbahnen. Dieser nimmt die Form eines Bogens an, wobei aufwändig herzustellende Formen vermieden werden können. Zudem hat die Kugelform zur Folge, dass die Rollelemente einen geringen Drehwiderstand aufweisen, was den Betrieb vereinfacht und den Verschleiß reduziert.

Ein verschleißarmer Betrieb einer erfindungsgemäßen Linearstelleinrichtung kann dadurch begünstigt werden, dass die Rollelemente und/oder die beiden Ringe aus verschleißfestem Material wie Metall, insbesondere Stahl, und hierunter insbesondere Chromstahl oder hochlegiertem Stahl, bestehen. Es empfiehlt sich hier der Einsatz von Materialien, die üblicherweise in Wälzlagern oder Kugellagern zum Einsatz kommen. Diese zeichnen sich besonders durch ihre hohe mechanische Härte aus.

Neben der eingangs beschriebenen Linearstelleinrichtung betrifft die Erfindung auch eine Stelleinheit, umfassend einen Aktor und eine vorstehend beschriebene Linearstelleinrichtung, wobei der rotierbare Ring der Linearstelleinrichtung mechanisch mit dem Aktor gekoppelt ist. In der Stelleinheit kann der rotierbare Ring der Linearstelleinrichtung, aufgrund der mechanischen Kopplung mit dem Aktor, durch dessen Betätigung gedreht werden. Bevorzugterweise ist hierbei eine gezielte Drehung des rotierbaren Rings in beide Richtungen möglich. Gleichzeitig ist es von Vorteil, wenn der Aktor beispielsweise durch eine räumlich entfernte Steuereinheit steuerbar ist. Somit ist die Möglichkeit einer Betätigung des Mechanismus aus der Distanz gegeben.

Sämtliche Ausführungen zu der erfindungsgemäßen Linearstelleinrichtung lassen sich analog auf die Linearstelleinrichtung der erfindungsgemäße Stelleinheit übertragen, so dass sich die entsprechenden Vorteile auch für die Stelleinheit ergeben.

Eine besonders günstige Einleitung einer Drehbewegung in den rotierbaren Ring der Linearstelleinrichtung einer erfindungsgemäßen Stelleinheit ist dann möglich, wenn der Aktor ein Elektromotor oder ein hydraulischer Aktor ist. In beiden Fällen ist es von Vorteil, wenn der Aktor beidseitig wirken kann, sodass eine gezielte Hin- und Rückbewegung möglich ist. Wie bereits für die Linearstelleinrichtung beschrieben, kann mit einem Elektromotor durch Rotation des Rotors eine Drehung auf den rotierbaren Ring der Linearstelleinrichtung übertragen werden. Dagegen ermöglicht ein hydraulischer oder auch pneumatischer Aktor lediglich eine Linearbewegung, die am rotierbaren Ring der Linearstelleinrichtung, beispielsweise mit Hilfe eines Drehgelenks, eine Rotation hervorrufen kann. Mit einem Elektromotor als Aktor sind tendenziell größere Drehwinkel erzielbar als mit einem linear wirkenden, hydraulischen oder pneumatischen Aktor. Dafür kann mit Letzterem tendenziell mehr Kraft in den rotierbaren Ring eingeleitet werden. Je nach Anwendungsfall ist demnach ein geeigneter Aktor zu wählen.

Zur Ermöglichung der Anwendung einer erfindungsgemäßen Stelleinheit in verschieden großen Bauräumen sind unterschiedliche Kopplungsmöglichkeiten des Aktors mit dem rotierbaren Ring denkbar. So kann der Aktor direkt oder über ein zwischengeschaltetes Koppelmittel mit der Koppelstruktur des rotierbaren Rings gekoppelt oder koppelbar sein. Steht demnach nur ein sehr kleiner Bauraum für die Stelleinheit zur Verfügung, so kann der Aktor, beispielsweise ein Elektromotor mit einer Verzahnung am Rotor, direkt mit der Koppelstruktur des rotierbaren Rings gekoppelt oder koppelbar sein. Reicht der verfügbare Bauraum dagegen nicht aus, um den Aktor unmittelbar neben der Linearstelleinrichtung zu positionieren, so kann dieser mit einem zwischengeschalteten Koppelmittel mit der Koppelstruktur des rotierbaren Rings gekoppelt oder koppelbar sein. Durch das Koppelmittel können räumliche Distanzen überbrückt werden. Hierfür kann beispielsweise ein Zahnrad oder ein Getriebe vorgesehen werden. Als Alternative dazu ist auch der Einsatz eines Zahnriemens, eines Keilriemens oder einer Kette denkbar. Auch ein linear wirkender hydraulischer oder pneumatischer Aktor kann durch einen Stab oder ein zusätzliches Gelenk mit der Koppelstruktur des rotierbaren Rings gekoppelt oder koppelbar sein. Die optimierte Bauraumnutzung, die dadurch ermöglicht wird, erhöht die Einsatzmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Stelleinheit.

Für einen gängigen Anwendungsfall, nämlich der reversiblen mechanischen Kopplung zweier Wellenenden, ist eine erfindungsgemäße Stelleinheit vorteilhafterweise dadurch gekennzeichnet, dass eine mit dem rotationsfesten Ring über ein Axiallager gekoppelte Schiebemuffe vorgesehen ist, die durch eine axiale Verschiebung des rotationsfesten Rings der Linearstelleinrichtung axial verschiebbar ist und über die zwei Wellenenden reversibel mechanisch koppelbar sind. Wird der rotationsfeste Ring durch eine Drehung des zweiten Rings axial verschoben, wird simultan eine an den rotationsfesten Ring gekoppelte Schiebemuffe über ein Axiallager entlang dieser Achse mitbewegt. Die Schiebemuffe ist damit axial in beide Richtungen verschiebbar. Durch das Ineinandergreifen einer innenliegenden Längsverzahnung der Schiebemuffe in außen liegende Längsverzahnungen an den zu koppelnden Wellenenden ist eine formschlüssige, mechanische Kopplung beider Wellenenden durch die Schiebemuffe möglich, wobei mit der erzeugten mechanischen Kopplung Drehmomente übertragbar sind. Wird im gekoppelten Zustand beider Wellenenden der rotierbare Ring der Linearstelleinrichtung in die entgegengesetzte Richtung gedreht, so wird der rotationsfeste Ring der Linearstelleinrichtung zurückverschoben. Durch diesen wird auch die Schiebemuffe, beispielsweise durch einen innenliegenden Sprengring, der für diese einen Anschlag darstellt, zurückverschoben und beide Wellenenden werden wieder mechanisch entkoppelt. Die Verschiebung der Schiebemuffe durch den rotationsfesten Ring der Linearstelleinrichtung kann in beide Richtungen mit Hilfe eines mechanischen Anschlags erfolgen, wobei dieser beispielsweise durch einen externen Absatz oder einen Absatz im Inneren des rotationsfesten Rings, einen Sprengring oder eine Verschraubung gebildet werden kann. Mit einer derartigen Ausgestaltungsform der Stelleinheit sind insbesondere eine rotierende Antriebswelle und eine Abtriebswelle koppelbar, sodass die Stelleinheit als Koppeleinheit verwendbar ist.

Um bei diesem oder einem ähnlichen Einsatz einer erfindungsgemäßen Stelleinheit eine höhere Lebensdauer zu ermöglichen und Axialkräfte abzufangen, ist die Stelleinheit bevorzugterweise dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem rotationsfesten Ring und der Schiebemuffe eine Dämpfungseinrichtung, insbesondere ein Federdämpfer, zur Dämpfung axialer Kräfte vorgesehen ist. Bei der Kopplung zweier Wellenenden, insbesondere rotierender Wellenenden, können in Axialrichtung anliegende Kräfte auf die Schiebemuffe und die Stelleinheit wirken. Auch wenn die Schiebemuffe und/oder die Stelleinheit nicht koaxial, sondern in Radialrichtung geringfügig versetzt zu den zu koppelnden Wellenenden positioniert sind, kann deren Kopplung zu einer Schrägstellung führen. Dadurch entstehen Axialkräfte, die auf die Schiebemuffe und/oder die Stelleinheit wirken. Diese Axialkräfte können durch eine zwischengeschaltete Dämpfungseinrichtung zwischen dem rotationsfesten Ring der Linearstelleinrichtung und der Schiebemuffe aufgenommen werden. Hierzu ist vorzugsweise ein Federdämpfer vorzusehen, beispielsweise in Form einer oder mehrerer hintereinander geschalteter Wellenfedern oder einer oder mehrerer hintereinander geschalteter Tellerfedern.

Da sich die Schiebemuffe mit einer oder mehreren mechanisch gekoppelten Wellen mit dreht, kann zwischen der Dämpfungseinrichtung, respektive der Feder, und der Schiebemuffe ein permanenter Reibkontakt entstehen. Dieser würde unvermeidlich zu einer Beschädigung der Stelleinheit führen. Durch zusätzliches Vorsehen eines Axiallagers zwischen der Dämpfungseinrichtung und dem rotationsfesten Ring der Linearstelleinrichtung können die Reibung und der Verschleiß reduziert werden.

Alternativ zu einem Axialwälzlager kann auch eine Scheibe eingesetzt werden, die als Axialgleitlager wirkt. Die Scheibe kann beispielsweise aus Kunststoff oder Metall hergestellt werden. Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen sind schematische Darstellungen und zeigen:

Figur 1 eine Linearstelleinrichtung mit einem Innen- und einem Außenring sowie drei kugelförmigen Rollelementen,

Figur 2 den Außenring der in Figur 1 dargestellten Linearstelleinrichtung mit drei rampenartigen Führungsbahnen,

Figur 3 den Innenring der in Figur 1 dargestellten Linearstelleinrichtung mit drei Führungsbahnen,

Figur 4 eine Linearstelleinrichtung in Montageposition,

Figur 5 eine Schnittansicht durch die Linearstelleinrichtung der Figur 4 in Montageposition,

Figur 6 eine Linearstelleinrichtung in Betriebsposition und bei minimaler linearer Verschiebung,

Figur 7 eine Schnittansicht durch die Linearstelleinrichtung der Figur 6,

Figur 8 eine Linearstelleinrichtung in Betriebsposition und bei maximaler linearer Verschiebung,

Figur 9 eine Schnittansicht durch die Linearstelleinrichtung der Figur 8,

Figur 10 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Stelleinheit mit einem Elektromotor und einer Schiebemuffe, und

Figur 11 eine Detailansicht der Figur 10. In der Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Linearstelleinrichtung 1 in montiertem Zustand dargestellt. Diese umfasst einen Innenring 3, der in einem Außenring 2 positioniert ist sowie drei kugelförmige Rollelemente 4. Der Außenring 2, der in Axialrichtung positionsfest und um eine Längsachse 5 drehbar ist, ist als alleinstehendes Bauteil in der Figur 2 dargestellt. Daneben zeigt Figur 3 den Innenring 3, der entlang der Längsachse 5 linear verschiebbar ist, ebenfalls als alleinstehendes Bauteil.

Der Außenring 2 und der Innenring 3 sind in Figur 1 koaxial auf derselbe Längsachse 5 angeordnet und weisen jeweils drei rampenartige Führungsbahnen 6 und 7 auf, in denen die Rollelemente 4 positioniert sind und beide Ringe mechanisch miteinander verbinden. Zur Montage der Linearstelleinrichtung 1 sind in dem Außenring 2 jeweils am Ende der Führungsbahnen 6 in Axialrichtung verlaufende Montageöffnungen 8 angebracht. Bei der Montage wird jedes der drei Rollelemente 4 zunächst in eine der in Axialrichtung beidseitig geschlossenen Führungsbahnen 7 des Innenrings 3 eingelegt. Anschließend wird der Innenring 3 zusammen mit den Rollelementen 4, die jeweils an einem Ende der Führungsbahnen 7 positioniert werden, entlang der Längsachse 5 in den Außenring 2 eingesetzt, wobei jedes der drei Rollelemente 4 durch eine axiale Montageöffnung 8 in eine Führungsbahn 6 des Außenrings 2 gleitet. Die Linearstelleinrichtung 1 befindet sich dann in der Montageposition. Dargestellt ist eine dazu leicht verdrehte Position beider Ringe.

Die Umleitung einer Drehbewegung des Außenrings 2 in eine Linearbewegung des Innenrings 3 erfolgt durch die drei Führungsbahnen 6 des Außenrings 2 und die drei Führungsbahnen 7 des Innenrings 3, sowie den darin vorgesehenen Rollelementen 4. Die Führungsbahnen 6 des Außenrings 2 sind in der Figur 2 dargestellt und verlaufen rampenartig von einer Stirnseite 9 zur gegenüberliegenden Stirnseite 9. Dabei sind die Führungsbahnen 6 in Axialrichtung beidseitig durch Flanken 10 begrenzt und um die Längsachse 5 gleichmäßig an einer nach innen orientierten Mantelfläche 11 verteilt. Die Rollelemente 4, die von den Führungsbahnen 6 aufgenommen werden, können daher schräge Kräfte und Kräfte in beide Axialrichtungen übertragen. Alle drei Führungsbahnen 6 sind alleine am oberen Ende mit einer Montageöffnung 8 versehen, die die Führungsbahn 6 verlängert und in Axialrichtung öffnet. Daneben zeigt die Figur 3 die Führungsbahnen 7 des Innenrings 3, die ähnlich den Führungsbahnen 6 des Außenrings 2 verlaufen, wobei sie keine Montageöffnungen 8 aufweisen und rundum geschlossen sind. Die Führungsbahnen 7 sind ebenfalls gleichmäßig um die Längsachse 5 und an einer nach außen orientierten Mantelfläche 12 des Innenrings 3 verteilt. In Axialrichtung erfolgt die beidseitige Begrenzung der Führungsbahnen 7 durch zwei Flanken 13, durch die ebenfalls eine axiale oder schräge Kraft von den Rollelementen 4 auf den Innenring 3 übertragbar ist.

An beiden Enden besitzen die Führungsbahnen 6 des Außenrings 2 zudem eben Absätze 14 und 15, an denen die Bahnen nicht schräg verlaufen. Am Innenring 3 sind entsprechende Absätze 16 und 17 nicht eben, sondern weniger schräg, als die restlichen Führungsbahnen 7. Diese Absätze 16 und 17 ermöglichen ein Festsetzen der Linearstelleinrichtung 1 und setzen eine Mindestverdrehung des Außenrings 2 voraus, um eine Linearverschiebung des Innenrings 3 zu erwirken. Umgekehrt kann eine Axialkraft auf den Innenring 3 in diesen Positionen am Außenring 2 keine Rotationskraft hervorrufen. Befinden sich die Rollelemente 4 der dargestellten Linearstelleinrichtung 1 am oberen ebenen Absatz 14 des Außenrings 2 und dem Absatz 16 des Innenrings 3, so ist die Linearstelleinrichtung 1 in Einbaulage, wenn die Rollelemente 4 nicht direkt unter den Montageöffnungen 8 des Außenrings 2 liegen. Der Außenring 2 und der Innenring 3 sind im Gegensatz zur Montagelage, in der sich die Rollelemente 4 direkt an den Montageöffnungen 8 befinden, leicht zueinander verdreht. Dadurch kann ein sicherer Zusammenhalt der Linearstelleinrichtung 1 gewährleistet werden. Alle Führungsbahnen 6 und 7 sind nämlich, außer an den Montageöffnungen 8 des Außenrings 2, vollständig umschlossen. Ein Abziehen oder Herunterdrücken eines der beiden Ringe ist nicht möglich, da der Außenring 2 und der Innenring 3 an deren Führungsbahnen 6 und 7 durch die Rollelementen 4 in Axialrichtung formschlüssig gehaltert werden. Die Flanken 10 und 13 verhindern ein Herausfallen oder Herausdrücken der Rollelemente 4 in Axialrichtung. Auch an den Enden sind die Führungsbahnen 6 und 7 begrenzt, sodass die Rollelemente 4 diese durch Drehung nicht herausfallen können. Die Linearstelleinrichtung 1 kann so in eine Mechanik eingebaut werden, dass die Montageposition nach dem Einbau nichtmehr einnehmbar ist. Dabei werden die Ringe der Linearstelleinrichtung 1 vor dem Einbau in die Mechanik so verdreht, dass die Rollelemente 4 nichtmehr unter den Montageöffnungen 8 liegen. Durch einen Anschlag oder eine geeignete Kopplung eines oder beider Ringe wird im eingebauten Zustand ein Rückverdrehen in die Montageposition verhindert, wodurch die Rollelemente 4 nichtmehr in die Montageöffnungen 8 des Außenrings 2 gelangen können.

Ausgehend von der Einbaulage hat ein weiteres Verdrehen des Außenrings 2 durch den schrägen Verlauf der Führungsbahnen 6 und 7 eine Krafteinleitung über die Rollelemente 4 in den Innenring 3 zur Folge. Durch eine drehfeste Lagerung des Innenrings 3 an drei Nuten 18 kann dieser nicht mit dem Außenring 2 rotieren und wird axial entlang der Längsachse 5 verschoben. Die Kraftübertragung erfolgt zwischen den Rollelementen 4 und den Flanken 10 und 13, die die Führungsbahnen 6 und 7 in Axialrichtung beidseitig begrenzen. Dadurch ist eine Kraftübertragung und eine Linearverschiebung des Innenrings 3 in beide Richtungen möglich.

Ist der Außenring 2 maximal zum Innenring 3 verdreht, befinden sich die Rollelemente 4 in der Endposition und an den Absätzen 15 und 17 der Führungsbahnen 6 und 7. Diese erlaubt ein Festsetzen der Linearstelleinrichtung 1 . Durch den ebenen Verlauf des Absatzes 15 muss erst eine Rückdrehung des Außenrings 2 erfolgen, um eine Rückverschiebung des Innenrings 3 in entgegengesetzte Richtung zu ermöglichen.

Um eine Drehbewegung im Betrieb der Linearstelleinrichtung 1 einfach in den Außenring 2 einleiten zu können, ist dieser, wie in Figur 1 und Figur 2 gezeigt, an seiner nach außen orientierten Mantelfläche 19 mit einer Koppelstruktur 24 versehen. Diese kann vorzugsweise eine Verzahnung zur Aufnahme eines Zahnrads, einer Kette oder eines Zahnriemens, aber auch eine Nut zur Aufnahme eines Keilriemens sein. Die drehfeste Lagerung des Innenrings 3 sowie dessen Linearverschiebung wird durch drei in Fig 1. und Fig 3 dargestellten Nuten 18 ermöglicht, die um dessen Längsachse gleichmäßig an einer nach innen orientierten Mantelfläche 20 verteilt sind und in Axialrichtung verlaufen. Die Lagerung erfolgt an einem rotationsfesten externen Bauteil, beispielsweise einer Keilwelle. Alternativ kann eine derartige drehfeste Lagerung auch durch eine Verzahnung, eine Nut-Feder-Verbindung, insbesondere eine Passfeder, oder einen externen Anschlag umgesetzt werden.

Des Weiteren können die Anzahl, die Form und die Lage der Führungsbahnen 6 und 7 sowie der Montageöffnungen 8 und der Rollelemente 4, je nach Ausführung der Linearstelleinrichtung 1 variieren. Es sollten jedoch wenigstens drei Führungsbahnen 6 und 7 vorgesehen werden, die gleichmäßig um den Umfang beider Ringe verteilt sind, sodass eine Kraft entlang der Längsachse 5, die bei einer Verdrehung des Außenrings 2 zwischen den Ringen und den Rollelementen 4 erwirkt wird, gleichmäßig verteilt werden kann. Zudem können die axialen Montageöffnungen 8 auch in dem Innenring 3 und dem Außenring 2 vorgesehen werden. In diesem Fall können Außenring 2 und Innenring 3 bei der Montage zuerst ineinander positioniert und anschließend durch sich zu kreisförmigen Querschnitten ergänzende Montageöffnungen 8 mit kugelförmigen Rollelementen 4 befüllt werden. Weiter können die Montageöffnungen 8 auch in Radialrichtung in einem der beiden Ringe vorgesehen werden, wobei die Ringe auch hier erst ineinander positioniert und anschließend mit Rollelementen 4 befüllt werden können.

Die Figur 4 zeigt eine Draufsicht der in Figur 1 beschriebenen Linearstelleinrichtung 1 mit dem Außenring 2 sowie dem Innenring 3 und drei kugelförmigen Rollelementen 4 in Montageposition. Die Rollelemente 4 befinden sich jeweils an den Montageöffnungen 8 des Außenrings 2.

Der Querschnitt durch die Linearstelleinrichtung 1 der Figur 4 an der Position eines der drei kugelförmigen Rollelemente 4 wird in der Figur 5 gezeigt. Diese stellt die Anordnung des kugelförmigen Rollelements 4 zwischen dem Außenring 2 und dem Innenring 3 in der Montageposition dar. Das Rollelement 4 wird am Innenring 3 in Axialrichtung auf beiden Seiten von den Flanken 13 geführt. Am Außenring 2 erfolgt die Führung des Rollelements 4 in Axialrichtung nur einseitig durch eine Flanke 10, da die andere Seite in Axialrichtung durch die Montageöffnung 8 offen ist. In der gezeigten Position ist es dadurch möglich, den Außenring 2 entgegengesetzt zur Montageöffnung 8 axial von dem Innenring 3 und dem Rollelement 4 abzuziehen. Auf diese Weise kann die Linearstelleinrichtung 1 demontiert werden. Gleichermaßen kann im demontierten Zustand durch Aufstecken des Außenrings 2 auf den Innenring 3 mit den Rollelementen 4 eine Montage der Linearstelleinrichtung 1 erfolgen. Dies ist nur in der gezeigten Montageposition möglich, da die Führungsbahnen 6 des Außenrings 2 hier durch die Montageöffnungen 8 in Axialrichtung einseitig geöffnet sind und eine Aufnahme der Rollelemente 4 erlauben.

Die Figur 6 zeigt eine Draufsicht auf eine Linearstelleinrichtung 1 , wie sie bereits in Figur 1 gezeigt wurde. In der Draufsicht sind die Ringe der Linearstelleinrichtung 1 leicht zu der in Figur 4 und Figur 5 gezeigten Montageposition verdreht und die Linearstelleinrichtung 1 ist betriebsbereit. Die kugelförmigen Rollelemente 4 befinden sich nicht mehr an den Positionen der Montageöffnungen 8 des Außenrings 2, sondern sind leicht dazu versetzt. Sie liegen an den Positionen, an denen die Führungsbahnen 6 von den Montageöffnungen 8 aus beginnen, rampenartig zu verlaufen. Von dieser Position aus ist es möglich, durch eine Verdrehung des Außenrings 2 eine Linearbewegung des Innenrings 3 zu erwirken.

Eine Schnittansicht durch die in Figur 6 gezeigte Linearstelleinrichtung 1 in der Betriebsposition und bei minimaler Linearverschiebung des Innenrings 3 wird in der Figur 7 dargestellt. Der Schnitt verläuft erneut durch eines der drei kugelförmigen Rollelemente 4. In der Schnittdarstellung wird deutlich, wie das Rollelement 4 in Axialrichtung sowohl am Innenring 3 durch beidseitige Flanken 13, als auch am Außenring 2 durch beidseitige Flanken 10 geführt wird. Keiner der beiden Ringe ist am Rollelement 4 in Axialrichtung geöffnet, sodass in dieser Position ein fester Zusammenhalt der Linearstelleinrichtung 1 sichergestellt ist. Eine Montage oder Demontage der Linearstelleinrichtung 1 ist in diesem Zustand nicht möglich. Ebenfalls kann die Linearstelleinrichtung 1 in diesem Zustand bei Einwirken axialer Kräfte nicht auseinanderfallen.

Figur 8 zeigt ergänzend eine Draufsicht auf die in Figur 1 beschriebene Linearstelleinrichtung 1 , wobei der Außenring 2 und der Innenring 3 so zueinander verdreht sind, dass der Innenring 3 in Axialrichtung maximal ausgefahren, respektive verschoben, ist. Die kugelförmigen Rollelemente 4 befinden sich an den Enden der Führungsbahnen beider Ringe, an denen keine Montageöffnungen 8 vorgesehen sind.

Eine Schnittansicht durch die Linearstelleinrichtung 1 der Figur 8 wird in der Figur 9 dargestellt. Diese verläuft durch eines der drei kugelförmigen Rollelemente 4 und zeigt die Linearstelleinrichtung 1 in der Position, in der der Innenring 3 durch Verdrehung des Außenrings 2 in Axialrichtung maximal ausgefahren ist. In der Darstellung entspricht dies einer maximalen Verschiebung nach rechts. In dieser Endposition werden die Rollelemente 4 weiterhin in Axialrichtung sowohl am Innenring 3 als auch am Außenring 2 beidseitig durch die Flanken 13 und 10 geführt. Der feste Zusammenhalt der Linearstelleinrichtung 1 ist weiterhin gegeben.

Die Figur 10 zeigt in Form einer Schnittansicht ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Stelleinheit 34 mit der erfindungsgemäßen Linearstelleinrichtung 1 , wobei eine mechanische Kopplung des Außenrings 2 der Linearstelleinrichtung 1 mit einem rotierenden Ritzel 21 eines Aktors 22, hier eines Elektromotors, über ein Koppelmittel 23, hier ein Zahnrad, erfolgt. Das Ritzel 21 und der Außenring 2 verfügen über eine Koppelstruktur 24, respektive eine Verzahnung, die mechanisch mit einer Verzahnung des Koppelmittels 23 gekoppelt wird. Durch die mechanische Kopplung kann eine Drehbewegung des Ritzels 21 , angedeutet durch Pfeil 25, eine Drehbewegung des Außenrings 2, angedeutet durch Pfeil 26, erwirken. Der Außenring 2 kann also mit dem Aktor 22 gedreht werden. Anstelle des Elektromotors können auch andere Aktoren 22 zur Einleitung einer Drehbewegung eingesetzt werden, beispielsweise ein Hydraulik- oder Pneumatikzylinder, wobei anstelle des Zahnrads auf alternative Koppelmittel 23, wie Drehgelenke, Keilriemen oder Seilzüge zurückzugreifen ist.

In der Figur 11 wird eine vergrößerte Detailansicht der Figur 10 dargestellt. Gezeigt wird ein Außenring 2, an dessen äußerer Mantelfläche 19 die Koppelstruktur 24 vorgesehen ist, die mit einem Koppelmittel 23 mechanisch gekoppelt ist. Demnach wird der Außenring 2 bei einer Drehung des Koppelmittels 23 mitgedreht, was mit dem Pfeil 26 angedeutet wird. Durch die kugelförmige Rollelemente 4 ist der Außenring 2 mit dem Innenring 3 mechanisch gekoppelt. Die Rollelemente 4 werden an beiden Ringen durch die rampenartige Führungsbahnen gehaltert, wodurch eine Drehung des Außenrings 2 eine Axialverschiebung des Innenrings 3 erwirkt. Letztere ist durch den Pfeil 27 angedeutet. Dadurch, dass die Führungsbahnen beider Ringe, in beide Axialrichtungen durch Flanken begrenzt sind, ist eine Drehung des Außenrings und folglich eine Axialverschiebung des Innenrings 3 in beide Richtungen möglich, ohne einen Defekt der Stelleinheit 34 und der Linearstelleinrichtung 1 durch herausfallende Rollelemente 4 zu riskieren.

Im Falle einer axialen Verschiebung, angedeutet durch den Pfeil 27, des Innenrings 3 wird eine Schiebemuffe 28 von diesem mitverschoben. Wird der Innenring 3 im dargestellten Zustand nach rechts verschoben, übt dieser über eine Dämpfungseinrichtung 29 und ein Axiallager 30 eine nach rechts gerichtete Kraft auf die Schiebemuffe 28 aus. Soll die Schiebemuffe 28 dagegen wieder nach links zurückverschoben werden, so wird durch eine Rückverschiebung des Innenrings 3 eine nach links wirkende Axialkraft erzeugt, die mit einem Sprengring 31 auf die Schiebemuffe 28 übertragen wird. Auf diese Weise ist eine beidseitige axiale Verschiebung der Schiebemuffe 28 möglich, wodurch diese als Koppelelement genutzt werden kann. Wird die Schiebemuffe 28 durch Axialverschiebung über deren Innenverzahnung 32 mit einer oder mehreren rotierenden Wellen mechanisch gekoppelt, so dreht sich die Schiebemuffe 28 simultan mit der oder allen gekoppelten Wellen. Diese Drehung wird durch den Pfeil 33 angedeutet. Um den Verschleiß zwischen dem rotationsfesten Innenring 3 und einer rotierenden Schiebemuffe 28 zu verringern, wird das Axiallager 30, z.B. ein Wälzlager wie ein Nadellager, zwischen dem Innenring 3 und der Schiebemuffe 28 angeordnet. Dieses kann beispielsweise ein Axialnadellager, aber auch ein Axialwälzlager oder Axialkugellager sein.

Daneben ist es auch möglich, dass bei einer mechanischen Kopplung zweier Wellenenden mit der Schiebemuffe 28 Axialkräfte entstehen, die entgegen der Bewegungsrichtung der Schiebemuffe 28 auf diese wirken. Auch wenn die Schiebemuffe 28 nicht koaxial, sondern geringfügig radial versetzt zu den zu koppelnden Wellenenden positioniert ist, können bei der Kopplung Axialkräfte entstehen. Um diese ungewollten Kräfte abzufangen und eine mögliche Beschädigung der Stelleinheit 34 zu vermeiden, wird die Dämpfungseinrichtung 29 zwischen dem Axiallager 30 und dem Innenring 3 vorgesehen. Als Dämpfungseinrichtung 29 können beispielsweise eine oder mehrere hintereinandergeschaltete Wellen- oder Tellerfedern Verwendung finden. Als Alterna- tive dazu kann auch ein Ring aus einem Material, etwa Gummi, mit ausreichenden Dämpfungseigenschaften eingesetzt werden. Auch der Anschlag für die Schiebemuffe 28 muss nicht durch in Form des Sprengrings 31 entstehen, sondern kann beispielsweise auch durch einen verschraubten Innenring erzeugt werden.

Bezugszeichenliste

Linearstelleinrichtung

Außenring

Innenring

Rollelement

Längsachse

Führungsbahnen

Führungsbahnen

Montageöffnungen

Stirnseiten

Flanken

Mantelfläche

Mantelfläche

Flanken

Absatz

Absatz

Absatz

Absatz

Nuten

Mantelfläche

Mantelfläche

Ritzel

Aktor

Koppelmittel

Koppelstruktur

Drehbewegung des Ritzels Drehbewegung des Außenrings Axialverschiebung des Innenrings

Schiebemuffe

Dämpfungseinrichtung Axiallager Sprengring Innenverzahnung Drehbewegung der Schiebemuffe Stelleinheit