CZ304404B6 - Kuličkový šroub - Google Patents

Abstract

Kuličkový šroub je tvořený závitovým hřídelem (1) a maticí (3) s vnitřním závitem, mezi nimiž je uložena klec (4) s kuličkami (5). Klec (4) má tvar trubice, v níž jsou vytvořeny průchozí radiální otvory, ve kterých jsou vzájemně odděleně s konstantní roztečí umístěny kuličky (5), kde šířka otvorů při vnějším povrchu klece (4) je menší než průměr kuliček (5), zatímco při vnitřním povrchu klece (4) je větší než jejich průměr. Klec (4) s kuličkami (5) uloženými na závitovém hřídeli (1) tvoří zásobník kuliček (5) pro jejich odvalování v závitové drážce, tvořené vnějším závitem (2) závitového hřídele (1) a vnitřním závitem matice (3). Vnější povrch klece (4) v části mezi otvory je hladký bez jakýchkoliv výstupků či usměrňovacích prvků, které by zasahovaly do závitové drážky v matici (3). Otvory v kleci (4) mají kruhový průřez a jsou uspořádány ve šroubovici, nebo mají tvar drážek souběžných s osou závitového hřídele (1) nebo uspořádaných ve šroubovici. Klec (4) je opatřena zarážkou (6) její krajní polohy vůči matici (3).

Description

Kuličkový šroub

Oblast techniky

Vynález se týká kuličkového šroubu, tvořeného závitovým hřídelem a maticí s vnitřním závitem, mezi nimiž je uložena klec s kuličkami.

Dosavadní stav techniky

Kuličkový šroub je přesný pohybový šroub, který sestává ze závitového hřídele, na jehož vnějším povrchu je vytvořena závitová drážka, a z matice, která má závitovou drážku vytvořenu na vnitřním povrchu. V závitové drážce mezi hřídelem kuličkového šroubu a maticí jsou vloženy oběžné kuličky, pomocí kterých se matice odvaluje po hřídeli nebo naopak, podle toho, zda se otáčí hřídel nebo matice. Při tomto odvalování dochází k tomu, že středy kuliček se otáčejí kolem osy kuličkového šroubu jinou frekvencí než matice, resp. hřídel. Důsledkem je to, že kuličky se zpožďují oproti matici a na jedné straně z matice vypadávají a na druhé straně by bylo třeba kuličky do matice dodávat. To se řeší tak, že kuličky se převádějí nazpět buď přes jeden závit, nebo přes více závitů, případně přes celou délku matice, a vzniká tak jeden nebo několik uzavřených okruhů obíhajících kuliček. Existuje mnoho způsobů převodu kuliček, ale všechny mají několik nevýhod plynoucích z podstaty jejich řešení. Hlavní nevýhoda je ta, že kulička musí, podle druhu převaděče, více či méně prudce změnit směr pohybu, a to nárazem do deflektoru nebo jiné části převaděče, případně je převaděčem natlačena na bok závitu, který musí překonat. Kulička musí při převedení zpět do pracovního závitu změnit směr pohybu minimálně dvakrát. Další nevýhodou je to, že kuličky, které v předváděcím kanálku běží s vůlí, musí naběhnout zpět do pracovního závitu do předepnutí, což samo o sobě způsobuje odpor proti pohybu kuliček. Navíc za kuličkou, která je zbržděna při vstupu do předepnutí, se mohou hromadit kuličky, které jsou v kanálku uloženy s vůlí, a mohou se tak v kanálku naskládat střídavě a zaklínovat se. To vše má za následek zadrhávání kuličkového šroubu vlivem převodu kuliček a tím zhoršení kvality jeho chodu.

Při odvalování kuliček v závitu také dochází k tomu, že kuličky, které jsou v dotyku, se v místě dotyku otáčejí protiběžně, čímž dochází ke zvětšení tření a tím ke zvětšení pasivních odporů a zhoršení chodu kuličkového šroubu. Dále dochází k tomu, že kuličky při změně smyslu pohybu se seběhnou ve směru jejich pohybu a po jejich seřazení dojde ke zvětšení pasivních odporů. Při další reverzaci dojde k uvolnění, než se kuličky znovu seřadí v novém směru pohybu.

Je známo řešení kuličkového šroubu, který má mezi hřídelem a maticí umístěnu klec s kuličkami. Kuličky jsou umístěny v otvorech, kolem nichž jsou vytvořeny výstupky, které zabraňují vypadnutí kuliček jak směrem ven z klece, tak směrem dovnitř klece při jejím vyšroubování z kuličkového šroubu. Toto řešení je výrobně náročné, zejména pro malosériovou a kusovou výrobu, z důvodu výroby výstupků. Navíc malé výstupky, které drží kuličky, přesahují vnější průměr klece a mohou být náchylné k ulomení. Další nevýhodou tohoto řešení je to, že vlivem prokluzů, a u předepnutých matic vlivem rozdílných dosedů, a tím i rozdílných délek oběžných drah kuliček, dochází k postupnému vysunování klece z matice na jednu nebo druhou stranu a může tak dojít ke kolizi klece s konstrukcí stroje. Další nevýhodou tohoto řešení je to, že kuličky jsou v kleci uzavřeny již při výrobě kuličkového šroubu a nelze je měnit při montáži.

Dále jsou známa řešení kuličkových šroubů, která zabraňují vzájemnému dotyku kuliček tak, že jednotlivé kuličky jsou vzájemně odděleny různými vložkami, nebo kuličky jsou uspořádány v ohebných, např. plastových řetězech, nebo se mezi kuličky v záběru vkládají kuličky menšího průměru, které nejsou nosné, ale mají pouze funkci oddělovat nosné kuličky, takže v místě dotyku kuliček už nedochází k jejich protiběžnému otáčení. Všechna tato řešení však používají uzavřený oběh kuliček pomocí převaděčů, a tedy neodstraňují problémy se zadrháváním kuliček v převaděčích, ale řeší pouze problémy plynoucí ze vzájemného kontaktu kuliček.

- 1 CZ 304404 B6

Podstata vynálezu

Výše uvedené nedostatky do značné míry odstraňuje kuličkový šroub, tvořený závitovým hřídelem a maticí s vnitřním závitem, mezi nimiž je uložena klec s kuličkami, v provedení podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že klec má tvar trubice, v níž jsou vytvořeny průchozí radiální otvory, ve kterých jsou vzájemně odděleně s konstantní roztečí umístěny kuličky, kde šířka otvorů při vnějším povrchu klece je menší než průměr kuliček, zatímco při vnitřním povrchu klece je větší než jejich průměr, přičemž klec s kuličkami uloženými na závitovém hřídeli tvoří zásobník kuliček pro jejich odvalování v závitové drážce, tvořené vnějším závitem závitového hřídele a vnitřním závitem matice, a její vnější povrch v části mezi otvory je hladký bez jakýchkoliv výstupků či usměrňovačích prvků, které by zasahovaly do závitové drážky v matici.

Otvory v kleci pro kuličky mají kruhový průřez a jsou uspořádány ve šroubovici.

V jiném provedení mohou mít otvory v kleci pro kuličky tvar drážek souběžných s osou závitového hřídele nebo uspořádaných ve šroubovici.

Z důvodu zabránění vysunutí klece z matice je klec opatřena zarážkou krajní polohy klece vůči matici.

Matice může být opatřena narážecí plochou orientovanou proti zarážce.

Klec je vytvořena z kovového materiálu nebo keramiky nebo plastu nebo kompozitních materiálů nebo jejich kombinací.

Klec je vytvořena jako masivní nebo tenkostěnná, z jednoho kusu nebo smontovaná.

Výhodou kuličkového šroubu podle vynálezu je zejména to, že neobsahuje převáděcí elementy kuliček, ve kterých dochází k zadrhávání kuliček. Další výhodou je to, že klec zabraňuje vzájemnému kontaktu jednotlivých kuliček při odvalování a tím zmenšuje nežádoucí tření v kuličkovém šroubu a tedy jeho pasivní odpory. Klec udržuje kuličky na stejné rozteči a zabraňuje jejich nahromadění ve směru otáčení projevující se zasekáváním kuličkového šroubu a proměnlivým odporem při reverzaci otáčení. Kuličkový šroub podle vynálezu má tedy oproti dosud známým řešením významně lepší plynulost chodu, zvláště při nízkých otáčkách.

Přehled obrázků na výkresech

Příklady provedení kuličkového šroubu podle vynálezu jsou schematicky znázorněny na připojených výkresech. Na obr. 1 je zobrazen kuličkový šroub s maticí, klecí a kuličkami, kde kuličky jsou v kleci uloženy v otvorech kruhového průřezu, v axonometrickém pohledu, obr. 2 a 3 znázorňují příklady otvorů v kleci pro uložení kuliček, v částečném příčném řezu, na obr. 4 až 8 jsou znázorněny příklady klecí v axonometrických pohledech, kde na obr. 4 je klec s kruhovými otvory a zarážkou ve tvaru čepu, na obr. 5 je klec s otvory ve tvaru krátkých drážek a zarážkou ve tvaru narážecího výstupku, na obr. 6 je klec s dlouhými drážkami souběžnými s osou závitového hřídele a se zarážkou tvořenou axiálním prodloužením části klece, na obr. 7 je klec s dlouhými drážkami uspořádanými do šroubovice a na obr. 8 je montovaná klec s dlouhými drážkami. Na obr. 9 a 10 je částečný příčný řez kuličkovým šroubem. Na obr. 9 je použita masivní klec a na obr. 10 je použita montovaná klec. Obr. 11 znázorňuje kuličkový šroub s maticí v krajní poloze, v okamžiku těsně před kontaktem zarážky s maticí, v axonometrickém pohledu.

-2CZ 304404 B6

Příklady provedení vynálezu

Kuličkový šroub sestává ze závitového hřídele 1 s vnějším závitem 2, z matice 3 s vnitřním závitem a z klece 4 s kuličkami 5, která je umístěna mezi hřídelem I a maticí 3. Klec 4 s kuličkami 5 uloženými na závitovém hřídeli 1 tvoří zásobník kuliček 5 pro jejich odvalování v závitové drážce tvořené vnějším závitem 2 závitového hřídele I a vnitřním závitem matice 3. Klec 4 má tvar trubice, jejíž délka je větší než délka matice 3, a jsou v ní vytvořeny průchozí radiální otvory pro kuličky 5. Otvory pro kuličky 5 jsou vytvořeny přímo v tělese klece 4 a mohou mít kruhový průřez a být uspořádány ve šroubovici, nebo mohou mít tvar krátké drážky nebo dlouhé drážky téměř přes celou délku klece 4, přičemž drážky mohou být souosé s podélnou osou závitového hřídele 1 nebo mohou být uspořádány do šroubovice s malým či velkým stoupáním. Šířka otvorů při vnějším povrchu klece 4 je vždy menší než je průměr kuliček 5, což zabraňuje jejich vypadnutí z klece 4, avšak je taková, aby se kuličky 5 mohly odvalovat ve vnitřním závitu matice 3. Šířka otvorů při vnitřním povrchu klece 4 je naopak větší, než je průměr kuliček 5, aby se kuličky 5 mohly odvalovat ve vnějším závitu 2 závitového hřídele i. Vnější povrch klece 4 je v části mezi otvory hladký bez jakýchkoliv výstupků, jazýčků či jiných prvků, které by vystupovaly nad kuličky 5 a zasahovaly do závitové drážky v matici 3.

Pro zabránění vysouvání klece 4 z matice 3 je na kleci 4 vytvořena zarážka 6, která v krajní poloze klece 4 vůči matici 3 zabraňuje dalšímu pohybu klece 4, případně způsobí, že klec 4 bude ustavena o případnou diferenci zpět do správné polohy. Zarážka 6 může mít tvar čepu nebo radiálního výstupku vytvořeného při koncích klece 4, proti kterému je pak na matici 3 vytvořena narážecí plocha 7. Funkci zarážky 6 může také mít např. výstupek vytvořený axiálním prodloužením části klece 4. V takovém případě by k zastavení klece 4 docházelo dotykem zarážky 6 o přizpůsobenou část konstrukce stroje, ve kterém je kuličkový šroub použit.

Klec 4 může být vytvořena z kovového materiálu, keramiky, plastu nebo kompozitních materiálů, případně může být zhotovena z kombinace těchto materiálů. Klec 4 může být vytvořena jako masivní nebo tenkostěnná, z jednoho kusu nebo smontovaná z více dílů.

Ve výchozí poloze jsou matice 3 a klec 4 uspořádány na závitovém hřídeli 1 tak, že matice 3 je umístěna symetricky vůči kleci 4 a klec 4 je umístěna symetricky vůči závitové délce závitového hřídele I. Při otáčení matice 3 nebo závitového hřídele I je klec 4 unášena kuličkami 5 odvalujícími se v závitové drážce mezi maticí 3 a závitovým hřídelem I tak, že na konci závitové dráhy dojde k zarovnání čela matice 3 s okrajem klece 4 a hranou konce závitové dráhy. V této poloze dojde také k opření zarážky 6 o narážecí plochu 7 matice 3, případně o narážecí plochu 7 vytvořenou na stroji, ve kterém je kuličkový šroub použit.

Průmyslová využitelnost

Kuličkový šroub podle vynálezu je určen zejména pro pohybové mechanismy obráběcích strojů, robotů, manipulátorů apod., které vyžadují vysokou účinnost převodu, rotačního pohybu na přímočarý a naopak, vysokou přesnost polohování a kvalitu chodu při definované tuhosti a únosnosti převodu. Zvláště vhodný je pro využití v mechanismech, kde záleží zejména na kvalitě chodu, tedy tam, kde je třeba polohovat ve velmi malých rychlostech a/nebo s velmi malými přírůstky, např. u brusek.

Claims (7)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Kuličkový šroub tvořený závitovým hřídelem a maticí s vnitřním závitem, mezi nimiž je uložena klec s kuličkami, vyznačující se tím, že klec (4) má tvar trubice, v níž jsou vytvořeny průchozí radiální otvory, ve kterých jsou vzájemně odděleně s konstantní roztečí umístěny kuličky (5), kde šířka otvorů při vnějším povrchu klece (4) je menší než průměr kuliček (5), zatímco při vnitřním povrchu klece (4) je větší než jejich průměr, přičemž klec (4) s kuličkami (5) uloženými na závitovém hřídeli (1) tvoří zásobník kuliček (5) pro jejich odvalování v závitové drážce, tvořené vnějším závitem (2) závitového hřídele (1) a vnitřním závitem matice (3), a její vnější povrch v části mezi otvory je hladký bez jakýchkoliv výstupků či usměrňovačích prvků, které by zasahovaly do závitové drážky v matici (3).
2. 2. Kuličkový šroub podle nároku 1, vyznačující se tím, že otvory v kleci (4) pro kuličky (5) mají kruhový průřez a jsou uspořádány ve šroubovici.
3. 3. Kuličkový šroub podle nároku 1, vyznačující se tím, že otvory v kleci (4) pro kuličky (5) mají tvar drážek souběžných sosou závitového hřídele (1) nebo uspořádaných ve šroubovici.
4. 4. Kuličkový šroub podle nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že klec (4) je opatřena zarážkou (6) krajní polohy klece (4) vůči matici (3).
5. 5. Kuličkový šroub podle nároku 4, vyznačující se tím, že matice (3)je opatřena narážecí plochou (7) orientovanou proti zarážce (6).
6. 6. Kuličkový šroub podle kteréhokoliv z nároků laž4, vyznačující se tím, že klec (4) je vytvořena z kovového materiálu nebo keramiky nebo plastu nebo kompozitních materiálů nebo jejich kombinací.
7. 7. Kuličkový šroub podle kteréhokoliv z nároků 1 až 4 nebo nároku 6, vyznačující se tím, že klec (4) je vytvořena jako masivní nebo tenkostěnná, z jednoho kusu nebo smontovaná.

   4 výkresy

   Seznam použitých vztahových značek:

   1 závitový hřídel

   2 vnější závit hřídele

   3 matice

   4 klec

   5 kulička

   6 zarážka

   7 narážecí plocha matice.