**ATTENTION** debut du champ DESC peut contenir fin de CLMS **.
REVENDICATIONS
1. Elément de guidage axial et rotatif par contact à billes sur un arbre composé d'un manchon extérieur tubulaire, des butées annulaires étant disposées aux extrémités du manchon, ces butées permettant un déplacement axial limité d'une cage tubulaire intérieure garnie de billes positionnant le manchon par rapport à l'arbre, caractérisé en ce que les billes sont positionnées dans la cage dans des rainures longitudinales, chaque rainure étant d'une longueur d'au moins 1/2 de la distance séparant les deux butées annulaires du manchon.
2. Elément selon la revendication 1, caractérisé en ce que les rainures des billes de la cage sont parallèles à la génératrice de la cage.
3. Elément selon la revendication 1, caractérisé en ce que les rainures des billes de la cage forment un angle d'au plus 40i avec la génératrice de la cage.
4. Elément selon la revendication 1, caractérisé en ce que la distance séparant les deux butées annulaires du manchon est plus grande que le diamètre extérieur du manchon.
5. Elément selon la revendication 1, caractérisé en ce que les butées annulaires d'extrémité sont amovibles et fixées au manchon par un fil d'acier à ressort semi-circulaire.
6. Elément selon la revendication 1, caractérisé en ce que les butées annulaires d'extrémité sont en matière plastique autolubrifiante.
7. Elément selon la revendication 1, caractérisé en ce que les butées annulaires d'extrémité sont en un métal autolubrifiant.
8. Elément selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cage à billes a sa longueur totale comprise entre 55 et 70% de la distance séparant les deux butées d'extrémité.
9. Elément selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cage à billes est en acier.
10. Elément selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cage à billes est en un métal non ferreux.
Il. Elément selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cage à billes est en matière plastique.
12. Elément selon la revendication 1, caractérisé en ce que le manchon est en acier trempé.
13. Elément selon la revendication 1, caractérisé en ce que le manchon extérieur comporte, à au moins une de ses extrémités, une rainure circulaire située dans l'alésage de contact à billes du manchon.
14. Elément selon les revendications 1 et 13, caractérisé en ce que la rainure circulaire a une profondeur de 1/3 du diamètre d'une bille.
La présente invention a pour objet un élément de guidage axial et rotatif par contact à billes sur un arbre permettant une rotation quelconque et un déplacement linéaire réglable.
On connaît plusieurs systèmes d'élément à contact à billes qui permettent une rotation et une translation: 1. Principe à deux roulements.
On monte un roulement à aiguilles ou à billes radial sur
l'extérieur d'un roulement linéaire à circulation de billes.
Cependant, bien que bénéficiant d'une course illimitée et d'une
grande vitesse de rotation, ce système a comme principal
défaut son encombrement extérieur beaucoup trop important.
2. Principe à alternance de contact par circulation de billes dans
une cage tournante.
Cet élément est composé d'un manchon cylindrique extérieur
comportant, dans son alésage, des secteurs de dégagements et
des secteurs de travail, ces derniers assurant le contact de
l'arbre sur lequel fonctionne l'élément par l'intermédiaire de
billes disposées dans des chemins de circulation fermés, prati
qués dans une cage tubulaire située dans le manchon et posi
tionnée axialement par des butées dans le manchon. La rota
tion est possible par alternance de contact des secteurs de
travail sur les billes des deux parties rectilignes des chemins de
circulation, si le nombre des secteurs de travail est différent du
nombre des chemins et si les valeurs angulaires réciproques
sont conformes à une loi utilisant une fenêtre géométrique
existant dans ce genre de roulement.
Bien que donnant une
course linéaire illimitée et une très bonne précision de guidage,
ce système a comme handicap une vitesse de rotation limitée.
Cet inconvénient est dû au démarrage simultané des billes
dans des directions opposées lors d'une alternance sur un
circuit dans le cas d'un mouvement combiné.
3. Principe à cage libre.
Cet élément est composé d'un manchon cylindrique extérieur,
mis au contact de l'arbre sur lequel il fonctionne par des billes
disposées dans des logements pratiqués dans une cage tubu
laire intérieure, retenue dans le manchon par deux fermetures
d'extrémité. Le défaut de ce système est en fait la course fixée
linéaire maximale qui est le double du jeu axial de la cage
entre les fermetures d'extrémité. Si l'élément est construit pour
une course maximale suffisante, la longueur de la cage doit
être faible par rapport à l'élément et, de ce fait, le guidage
porte sur une trop courte partie, même si l'élément est utilisé
avec une source qui permettrait une cage plus longue.
Si, à
l'opposé, on construit un élément avec une cage plus longue,
correspondant à une course linéaire faible, le système ne peut
être utilisé dans suffisamment d'applications, inconvénient
limitant son impact commercial.
En résumé, les systèmes de roulements axiaux et rotatifs pêchent par: ou un trop grand encombrement, ou une vitesse de rotation limitée, ou une capacité de charge insuffisante, ou une course non adaptée à un emploi spécifique.
Le but de l'invention est de pallier ces inconvénients et de proposer un élément axial et rotatif permettant un déplacement linéaire choisi par l'utilisateur.
L'élément de guidage selon l'invention comprenant un manchon extérieur tubulaire, des butées annulaires étant disposées aux extrémités du manchon, ces butées permettant un déplacement axial limité d'une cage tubulaire intérieure garnie de billes positionnant le manchon par rapport à l'arbre, est caractérisé en ce que les billes sont positionnées dans la cage dans des rainures longitudinales, chaque rainure étant d'une longueur d'au moins 1/2 de la distance séparant les deux butées annulaires du manchon.
L'élément présente: 1. un encombrement réduit sur le diamètre extérieur; 2. une bonne capacité de charge; 3. une vitesse de rotation élevée; 4. une bonne précision de guidage; 5. une course linéaire adaptable spécialement pour chaque
application; 6. un coût de fabrication favorable.
Selon le nombre de billes placées dans chacune des rainures longitudinales de la cage, on choisira le déplacement linéaire de l'élément entre les deux butées.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, un mode de réalisation d'un élément de guidage par contact à billes sur un arbre selon l'invention, ainsi que deux variantes de cet élément.
Dans le dessin:
La fig. 1 est une coupe axiale partielle d'un élément à cage à chemins parallèles à l'axe de l'élément, une partie des billes ayant été enlevées pour un fonctionnement en course primaire et secondaire;
la fig. 2 est une coupe radiale partielle de l'élément représenté dans la fig. 1;
la fig. 3 est une vue d'une cage à billes d'une variante de l'élément présentant des chemins inclinés par rapport à l'axe de l'élément, et
la fig. 4 est une coupe axiale d'une extrémité d'une variante d'un élément à butée d'amortissement centrifuge.
L'élément de guidage pour mouvements axial et rotatif par contact à billes sur un arbre représenté dans les fig. 1 et 2 comprend un manchon tubulaire extérieur en acier trempé 1, des billes 2 étant disposées dans des chemins 3, pratiqués dans une cage tubulaire 4 située à l'intérieur du manchon 1. Le manchon 1 comporte un alésage intérieur lisse et cylindrique d'une précision de l'ordre d'au moins 1/100 mm. Cet alésage du manchon 1 forme une première piste de contact des billes 2, la seconde piste de contact des billes 2 étant formée par l'arbre 5. La cage 4 cylindrique est tubulaire et a son épaisseur de paroi légèrement inférieure au diamètre d'une bille. Sa longueur est plus courte que celle du manchon extérieur et lui permet, par conséquent, un certain déplacement axial entre deux butées de fermeture 6 situées aux extrémités du manchon 1.
La cage est garnie de plusieurs chemins 3, où sont disposées les billes 2. Ces chemins ont la forme d'une rainure rectiligne s'ils sont parallèles à l'axe de l'élément (fig. 1 et 2) ou la forme d'une rainure hélicoïdale, s'ils forment un angle avec l'axe de l'élément (fig. 3). Ces chemins sont parallèles entre eux et crèvent des deux côtés la paroi de la cage 4. Toutefois, ils épousent partiellement la forme des billes du côté de l'arbre et, de ce fait, empêchent ces dernières de s'échapper dans l'intérieur de l'élément en l'absence de l'arbre 5. La longueur de ces chemins correspond environ à un multiple de diamètre de billes et leurs extrémités s'arrêtent à une distance d'environ 1/3 d'un diamètre de bille des extrémités de la cage; leur largeur est d'environ 1,1 fois le diamètre de bille. Ces chemins sont disposés sur tout le pourtour de la cage.
Leur nombre est défini par la résistance à la torsion et au flambage des sections restantes entre ces chemins; une cage trop ajourée risque de devenir délicate. La matière utilisée pour la cage peut être de l'acier, du laiton ou une matière plastique telle que polyamide ou polycarbonate, tel que du Macrolon. La cage est positionnée radialement avec un certain jeu par l'alésage intérieur du manchon ou par l'arbre. La longueur de la cage est d'environ % de la distance comprise entre les deux butées annulaires d'extrémité 6 du manchon 1. Ces butées sont en matière autolubrifiante telle que bronze ou polyamide graphité et sont maintenues en place par un fil d'acier 7 à ressort recourbé dans un logement 8 pratiqué dans la butée.
Dans une variante, non représentée, les butées d'extrémité peuvent comporter une lèvre souple restant au contact de l'arbre et faisant office de joint d'étanchéité.
L'élément décrit plus haut est simple et peu onéreux et permet de réaliser les fonctions escomptées et décrites plus haut.
En effet, si l'on garnit complètement les chemins de billes, on se trouve en présence d'un élément à cage libre comme décrit plus haut, mais bénéficiant d'une plus grande longueur de portée de billes; donc, d'un excellent roulement axial et rotatif pour petites courses de translation. C'est en principe de cette façon que l'élément est livré sur le marché. Nous appellerons son utilisation dans ce cas: fonctionnement en course primaire.
Si, par contre, l'on désire une course linéaire plus grande, il suffira d'enlever des billes aux chemins. On bénéficie dans ce cas d'une circulation partielle des billes dans les chemins augmentant la course totale de l'élément. Nous appellerons cette augmentation de course: course secondaire et l'utilisation de l'élément dans ce cas: fonctionnement en course primaire secondaire.
Chaque bille enlevée crée une course supplémentaire d'une valeur égale à deux fois le diamètre d'une bille pour la variante à chemins parallèles à l'axe de l'élément; pour la variante à chemins inclinés, le calcul de la course secondaire se fait selon la formule:
EMI2.1
<tb> sin <SEP> <SEP> secondaire=2b <SEP> fin <SEP> a <SEP>
<tb> course <SEP> secondaire=2b
<tb> <SEP> tan <SEP> a <SEP>
<tb> où b = diamètre d'une bille
angle d'inclinaison des chemins par rapport à l'axe de
l'élément
X = nombre de billes absentes par chemin.
Il faut enlever le même nombre de billes à chaque chemin, la limite de ce procédé se situant au moment où il reste une bille par chemin.
On remarque que l'on peut choisir la course secondaire en fonction de l'utilisation et d'avoir, de ce fait, un roulement axial et rotatif adapté exactement à son utilisation. L'enlèvement des billes dans les chemins peut s'effectuer facilement par l'utilisateur: il suffit de sortir la cage à une extrémité du manchon 1, après avoir enlevé le fil d'acier circlips 7 et la butée d'extrémité 6. On choisira également une course un peu supérieure à l'utilisation pour ne pas créer de frottement excessif sur les butées d'extrémité.
La variante à chemins hélicoïdaux représentée dans la fig. 3 donne un fonctionnement plus souple en course double (primaire et secondaire), le déplacement des billes dans les chemins inclinés occasionnant des variations de vitesses de rotation de la cage, ce qui, par l'inertie de cette dernière, engendre une certaine souplesse dans les inversions de course linéaire. L'inclinaison des chemins peut être d'une valeur allant jusqu'à 40 par rapport à l'axe de l'élément.
Pour de hautes vitesses de rotation, il est prévu, dans une autre variante représentée dans la fig. 4, des rainures circulaires 9 aux extrémités de l'alésage du manchon. La profondeur de ces rainures 9 est d'environ le 1/3 du diamètre d'une bille et, par leur forme adéquate, font office de butée aux billes arrivant en fin de course. Cette butée devra opérer un peu avant la butée d'extrémité, soulageant cette dernière. Les billes se positionnant au fond de la rainure par la force centrifuge, l'effet d'amortissement est d'autant plus grand que la vitesse de rotation est élevée.
Toutefois, avec ce type de butée d'amortissement de la fig. 4, la course maximale secondaire possible est obtenue avec un minimum de deux billes par chemin, une bille 2a étant hors charge. D'autre part, avec seulement un système d'amortissement à une extrémité, on remarque aussi que l'élément fonctionne dans la fin de course opposée avec le maximum de longueur de portée des billes, longueur identique à celle existant lorsque l'élément est utilisé avec le maximum de billes par chemin; l'on a, dans ce cas, une course primaire et secondaire avec une longueur de portée en fin de course très favorable.
A l'exception de ce cas particulier, on utilisera généralement deux roulements en ligne pour les emplois en course primaire et secondaire.
La longueur totale de l'élément est de 1,5 à 2 fois son diamètre extérieur, ce dernier est d'environ 1,5 fois le diamètre de l'arbre.
Le diamètre des billes est compris entre 0,2 et 0,1 fois le diamètre de l'arbre.
L'élément est prévu depuis le diamètre d'arbre de 6 mm jusqu'au diamètre d'arbre de 80 mm, ces limites n'étant toutefois que commerciales.
** ATTENTION ** start of the DESC field may contain end of CLMS **.
CLAIMS
1. Axial and rotary guide element by ball contact on a shaft composed of an outer tubular sleeve, annular stops being arranged at the ends of the sleeve, these stops allowing a limited axial movement of an inner tubular cage furnished with positioning balls the sleeve relative to the shaft, characterized in that the balls are positioned in the cage in longitudinal grooves, each groove being at least 1/2 of the length of the distance separating the two annular stops from the sleeve.
2. Element according to claim 1, characterized in that the grooves of the balls of the cage are parallel to the generatrix of the cage.
3. Element according to claim 1, characterized in that the grooves of the balls of the cage form an angle of at most 40i with the generator of the cage.
4. Element according to claim 1, characterized in that the distance separating the two annular stops of the sleeve is greater than the outside diameter of the sleeve.
5. Element according to claim 1, characterized in that the annular end stops are removable and fixed to the sleeve by a semi-circular spring steel wire.
6. Element according to claim 1, characterized in that the annular end stops are made of self-lubricating plastic.
7. Element according to claim 1, characterized in that the annular end stops are made of a self-lubricating metal.
8. Element according to claim 1, characterized in that the ball cage has its total length between 55 and 70% of the distance separating the two end stops.
9. Element according to claim 1, characterized in that the ball cage is made of steel.
10. Element according to claim 1, characterized in that the ball cage is made of a non-ferrous metal.
He. Element according to claim 1, characterized in that the ball cage is made of plastic.
12. Element according to claim 1, characterized in that the sleeve is made of hardened steel.
13. Element according to claim 1, characterized in that the outer sleeve has, at at least one of its ends, a circular groove located in the ball contact bore of the sleeve.
14. Element according to claims 1 and 13, characterized in that the circular groove has a depth of 1/3 of the diameter of a ball.
The present invention relates to an axial and rotary guide element by ball contact on a shaft allowing any rotation and an adjustable linear movement.
Several ball contact element systems are known which allow rotation and translation: 1. Principle with two bearings.
A needle or radial ball bearing is mounted on
the exterior of a linear ball bearing.
However, although enjoying unlimited travel and
high rotation speed, this system has as main
lacking its far too large external dimensions.
2. Principle of alternating contact by circulation of balls in
a rotating cage.
This element is composed of an external cylindrical sleeve
including, in its bore, clearance areas and
work areas, the latter ensuring contact with
the tree on which the element operates through
balls arranged in closed circulation paths, practi
ques in a tubular cage located in the sleeve and posi
axially actuated by stops in the sleeve. La rota
tion is possible by alternating contact of the sectors of
work on the balls of the two straight parts of the
traffic, if the number of work sectors is different from the
number of paths and if the reciprocal angular values
conform to a law using a geometric window
existing in this kind of bearing.
Although giving a
unlimited linear travel and very good guidance accuracy,
this system has as a handicap a limited rotation speed.
This drawback is due to the simultaneous start of the balls
in opposite directions when alternating on a
circuit in the case of a combined movement.
3. Free cage principle.
This element is composed of an external cylindrical sleeve,
brought into contact with the tree on which it operates by balls
arranged in housings made in a tubu cage
inner space, retained in the sleeve by two closures
end. The fault with this system is in fact the fixed stroke
maximum linear which is twice the axial clearance of the cage
between the end closures. If the element is constructed for
a sufficient maximum stroke, the length of the cage must
be weak in relation to the element and, as a result, the guidance
is too short, even if the element is used
with a source that would allow a longer cage.
If, at
the opposite, we build an element with a longer cage,
corresponding to a short linear stroke, the system cannot
be used in enough applications, disadvantage
limiting its commercial impact.
In summary, axial and rotary bearing systems are fishing by: either too large a space, or a limited rotation speed, or an insufficient load capacity, or a race not adapted to a specific use.
The object of the invention is to overcome these drawbacks and to propose an axial and rotary element allowing linear movement chosen by the user.
The guide element according to the invention comprising an outer tubular sleeve, annular stops being arranged at the ends of the sleeve, these stops allowing a limited axial movement of an inner tubular cage provided with balls positioning the sleeve relative to the shaft , is characterized in that the balls are positioned in the cage in longitudinal grooves, each groove being of a length of at least 1/2 of the distance separating the two annular stops from the sleeve.
The element has: 1. reduced dimensions on the outside diameter; 2. good load capacity; 3. a high speed of rotation; 4. good guiding precision; 5. a linear stroke specially adaptable for each
application; 6. favorable manufacturing cost.
Depending on the number of balls placed in each of the longitudinal grooves of the cage, the linear displacement of the element between the two stops will be chosen.
The accompanying drawing shows, by way of example, an embodiment of a guide element by ball contact on a shaft according to the invention, as well as two variants of this element.
In the drawing:
Fig. 1 is a partial axial section of a cage element with paths parallel to the axis of the element, part of the balls having been removed for operation in primary and secondary stroke;
fig. 2 is a partial radial section of the element shown in FIG. 1;
fig. 3 is a view of a ball cage of a variant of the element having paths inclined relative to the axis of the element, and
fig. 4 is an axial section of one end of a variant of an element with centrifugal damping stop.
The guide element for axial and rotary movements by ball contact on a shaft shown in Figs. 1 and 2 comprises an outer tubular sleeve made of hardened steel 1, balls 2 being arranged in paths 3, formed in a tubular cage 4 located inside the sleeve 1. The sleeve 1 has a smooth and cylindrical inner bore of an accuracy of the order of at least 1/100 mm. This bore of the sleeve 1 forms a first contact track for the balls 2, the second contact track for the balls 2 being formed by the shaft 5. The cylindrical cage 4 is tubular and has a wall thickness slightly less than the diameter of a ball. Its length is shorter than that of the outer sleeve and therefore allows it to move axially between two closing stops 6 located at the ends of the sleeve 1.
The cage is furnished with several paths 3, where the balls 2 are arranged. These paths have the shape of a rectilinear groove if they are parallel to the axis of the element (fig. 1 and 2) or the shape d 'a helical groove, if they form an angle with the axis of the element (fig. 3). These paths are parallel to each other and burst on both sides the wall of the cage 4. However, they partially match the shape of the balls on the side of the tree and, therefore, prevent them from escaping into the interior of the element in the absence of the shaft 5. The length of these paths corresponds approximately to a multiple of diameter of balls and their ends stop at a distance of approximately 1/3 of a diameter of ball of ends of the cage; their width is approximately 1.1 times the diameter of the ball. These paths are arranged around the entire periphery of the cage.
Their number is defined by the resistance to torsion and to buckling of the remaining sections between these paths; an overly open cage risks becoming delicate. The material used for the cage can be steel, brass or a plastic material such as polyamide or polycarbonate, such as Macrolon. The cage is positioned radially with a certain play by the internal bore of the sleeve or by the shaft. The length of the cage is approximately% of the distance between the two annular end stops 6 of the sleeve 1. These stops are made of self-lubricating material such as bronze or graphite polyamide and are held in place by a steel wire. 7 with curved spring in a housing 8 formed in the stop.
In a variant, not shown, the end stops may include a flexible lip remaining in contact with the shaft and acting as a seal.
The element described above is simple and inexpensive and makes it possible to carry out the functions expected and described above.
In fact, if the tracks of balls are completely lined, we are in the presence of a free cage element as described above, but benefiting from a greater length of ball bearing; therefore, an excellent axial and rotary bearing for small travel of translation. This is in principle how the item is delivered to the market. We will call its use in this case: operation in primary race.
If, on the other hand, you want a greater linear stroke, it will suffice to remove balls from the paths. In this case, there is a partial circulation of the balls in the paths increasing the total stroke of the element. We will call this stroke increase: secondary stroke and the use of the element in this case: operation in secondary primary stroke.
Each ball removed creates an additional stroke of a value equal to twice the diameter of a ball for the variant with paths parallel to the axis of the element; for the variant with inclined paths, the calculation of the secondary travel is done according to the formula:
EMI2.1
<tb> sin <SEP> <SEP> secondary = 2b <SEP> end <SEP> a <SEP>
<tb> race <SEP> secondary = 2b
<tb> <SEP> tan <SEP> a <SEP>
<tb> where b = diameter of a ball
angle of inclination of the paths relative to the axis of
the element
X = number of missing balls per path.
The same number of balls must be removed from each path, the limit of this process being when there is one ball per path.
It is noted that one can choose the secondary race according to the use and to have, therefore, an axial and rotary bearing adapted exactly to its use. The removal of the balls in the tracks can be carried out easily by the user: it suffices to remove the cage at one end of the sleeve 1, after removing the steel wire circlips 7 and the end stop 6. On will also choose a stroke a little greater than the use so as not to create excessive friction on the end stops.
The variant with helical paths shown in FIG. 3 gives a more flexible operation in double stroke (primary and secondary), the movement of the balls in the inclined paths causing variations in the rotation speed of the cage, which, by the inertia of the latter, generates a certain flexibility in linear stroke inversions. The inclination of the paths can be up to 40 relative to the axis of the element.
For high rotational speeds, there is provision, in another variant shown in FIG. 4, circular grooves 9 at the ends of the bore of the sleeve. The depth of these grooves 9 is approximately 1/3 of the diameter of a ball and, by their suitable shape, act as a stop for the balls arriving at the end of the race. This stop must operate a little before the end stop, relieving the latter. As the balls are positioned at the bottom of the groove by centrifugal force, the damping effect is all the greater the higher the speed of rotation.
However, with this type of damping stop of FIG. 4, the maximum possible secondary stroke is obtained with a minimum of two balls per path, a ball 2a being unloaded. On the other hand, with only one damping system at one end, we also notice that the element works in the opposite end of travel with the maximum range of ball length, length identical to that existing when the element is used with the maximum of balls per path; in this case, there is a primary and secondary stroke with a very favorable range length at the end of the stroke.
With the exception of this particular case, two in-line bearings will generally be used for jobs in primary and secondary racing.
The total length of the element is 1.5 to 2 times its outside diameter, the latter is about 1.5 times the diameter of the tree.
The diameter of the balls is between 0.2 and 0.1 times the diameter of the shaft.
The element is provided from the shaft diameter of 6 mm to the shaft diameter of 80 mm, these limits being however only commercial.