DE10035515A1

DE10035515A1 - Kugelgewindetrieb

Info

Publication number: DE10035515A1
Application number: DE10035515A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Grospietsch; Angelika Ebert; Markus Heiartz; Wolfgang Reiser; Andreas Dau; Thomas John; Paul Kraus
Original assignee: Mannesmann Sachs AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2000-07-21
Filing date: 2000-07-21
Publication date: 2002-02-07
Also published as: FR2812057A1; US20020040614A1; US6584869B2

Abstract

Ein Kugelgewindetrieb umfasst ein Spindelelement (12), das an einer Außenumfangsfläche (14) eine erste Nutenanordnung (16) aufweist, ein das Spindelelement (12) umgebendes Mutternelement (20), das an einer Innenumfangsfläche eine zweite Nutenanordnung (24) aufweist, eine Mehrzahl von Kugeln (28), von welchen wenigstens ein Teil in die erste Nutenanordnung (16) und die zweite Nutenanordnung (24) eingreift, wobei das Mutternelement (20) bezüglich des Spindelelementes (12) um eine Drehachse (A) drehbar ist und bei Drehung des Mutternelementes (20) bezüglich des Spindelelementes (12) um die Drehachse (A) die in die erste Nutenanordnung (16) und die zweite Nutenanordnung (24) eingreifenden Kugeln (28) unter Drehung um jeweilige Kugeldrehachsen (D) in der ersten und der zweiten Nutenanordnung (16, 24) abrollen. Dabei ist vorgesehen, dass, bezogen auf die Kugeldrehachse (D), ein effektiver Kugel-Abrollradius (r), mit welchem die Kugeln (28) in der ersten Nutenanordnung (16) abrollen, kleiner ist als ein effektiver Kugel-Abrollradius (r¶a¶), mit welchem die Kugeln (28) in der zweiten Nutenanordnung (24) abrollen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kugelgewindetrieb, umfassend ein Spindelelement, das an einer Außenumfangsfläche eine erste Nutenanord nung aufweist, ein das Spindelelement umgebendes Mutternelement, das an einer Innenumfangsfläche eine zweite Nutenanordnung aufweist, eine Mehrzahl von Kugeln, von welchen wenigstens ein Teil in die erste Nutenanordnung und die zweite Nutenanordnung eingreift, wobei das Mutternelement bezüglich des Spindelelementes um eine Drehachse drehbar ist und bei Drehung des Mutternelementes bezüglich des Spindelelementes um die Drehachse die in die erste Nutenanordnung und die zweite Nutenanordnung eingreifenden Kugeln unter Drehung um jeweilige Kugeldrehachsen in der ersten und der zweiten Nutenanordnung abrollen.

Derartige Kugelgewindetriebe werden in vielen Einsatzbereichen eingesetzt, in welchen eine Drehbewegung in eine geradlinige Verschiebebewegung umgesetzt werden soll. Beispielsweise finden in automatisch gesteuerten Werkzeugmaschinen derartige Bewegungsumsetzanordnungen Einsatz, ebenso ist ein Einsatz als Kupplungsausrücker denkbar.

Eine grundsätzliche Anforderung an derartige Kugelgewindetriebe, welche letztendlich zur Umsetzung einer Drehbewegung in eine Verschiebebewe gung dienen, ist, dass bei der Bewegungsumsetzung so wenig Energie als möglich als Reibungsenergie oder dergleichen abgeführt wird und somit nach der Umsetzung an der Abtriebsseite nicht mehr zur Verfügung steht. Hier besteht ein Problem darin, dass die verschiedenen Kugelelemente an Bereichen des Spindelelementes und des Mutternelementes anliegen beziehungsweise abrollen, die einen unterschiedlichen Radius bezüglich der Drehachse aufweisen. Beispielsweise bezogen auf eine einzige Umdrehung einer jeweiligen Kugel um die Kugeldrehachse bedeutet dies, dass dabei die Kugel entlang des Anlagebreichs an der zweiten Nutenanordnung einen größeren Weg zurücklegen müsste, als an der entsprechenden Oberfläche der ersten Nutenanordnung. Dies erzwingt eine teilweise schlupfende Bewegung der Kugeln im Anlagebereich in wenigstens einer der Nuten anordnungen und somit die Einführung einer Gleitbewegung mit ent sprechendem Gleitreibungsverlust.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kugelgewindetrieb vorzusehen, bei welchem die Bewegungsumsetzung zwischen Drehbewe gung und Verschiebebewegung mit verringertem Energieverlust stattfindet.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch einen Kugelgewindetrieb, umfassend ein Spindelelement, das an einer Außenumfangsfläche eine erste Nutenanordnung aufweist, ein das Spindelelement umgebendes Mutternelement, das an einer Innenumfangsfläche eine zweite Nutenanordnung aufweist, eine Mehrzahl von Kugeln, von welchen wenigstens ein Teil in die erste Nutenanordnung und die zweite Nutenanordnung eingreift, wobei das Mutternelement bezüglich des Spindelelementes um eine Drehachse drehbar ist und bei Drehung des Mutternelementes bezüglich des Spindelelementes um die Drehachse die in die erste Nutenanordnung und die zweite Nutenanordnung eingreifenden Kugeln unter Drehung um jeweilige Kugeldrehachsen in der ersten und der zweiten Nutenanordnung abrollen.

Dabei ist weiter vorgesehen, dass bezogen auf die Kugeldrehachse, ein effektiver Kugel-Abrollradius, mit welchem die Kugeln in der ersten Nutenanordnung abrollen, kleiner ist als ein effektiver Kugel-Abrollradius, mit welchem die Kugeln in der zweiten Nutenanordnung abrollen.

Durch das Vorsehen verschiedener effektiver Kugerabrollradien im Zusammenwirkungsbereich mit den verschiedenen Nutenanordnungen wird gewährleistet, dass an derjenigen Nutenanordnung, an welcher auf Grund ihres größeren Radialabstandes zur Drehachse ein Kugelelement bei der Abrollbewegung einen größeren Weg zurücklegen muss, ein größerer effektiver Kugelabrollradius bereitgestellt wird, so dass, beispielsweise wieder bezogen auf eine einzige Kugelumdrehung um die jeweilige Kugeldrehachse, hier die Tatsache kompensiert wird, dass an dem radial weiter außen liegenden Mutternelement ein längerer Abrollweg zurückzule gen ist. Trotz gleicher Drehzahl der Kugeln um die jeweiligen Kugeldreh achsen kann also an den verschiedenen Anlagebereichen bei einer Umdrehung der Kugeln ein verschiedener Abrollweg bereitgestellt werden.

Beispielsweise kann die Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kugelgewindetriebs derart sein, dass die Kugeln an einem ersten Abrollflächenbereich der ersten Nutenanordnung und einem zweiten Abrollflächenbereich der zweiten Nutenanordnung unter Drehung um die jeweilige Kugeldrehachse abrollen können, und dass zumindest bei Abrollbewegung die Kugeln an dem ersten Abrollflächenbereich mit einem ersten Kugeloberflächenbereich in Kontakt sind, welcher zur Kugeldrehachse einen geringeren Abstand aufweist, als ein zweiter Kugeloberflächenbereich, mit welchem die Kugeln zumindest bei Abrollbewegung mit dem zweiten Abrollflächenbereich in Kontakt sind. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die erste Nutenanordnung ein Nutenquerschnittsprofil mit einem ersten Oberflächenkrümmungsradius im Bereich des ersten Abrollflächenbereichs aufweist, dass die zweite Nutenanordnung ein Nutenquerschnittsprofil mit einem zweiten Oberflächenkrümmungsradius im Bereich des zweiten Abrollflächenbereichs aufweist, und dass der erste Oberflächenkrümmungs radius kleiner ist als der zweite Oberflächenkrümmungsradius. Um eine definierte Zusammenwirkung zwischen den Kugeln und den Nutenanord nungen zu erhalten und insbesondere auch das leichte Einsetzen der Kugel in die Nutenanordnungen zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, dass die erste Nutenanordnung und die zweite Nutenanordnung ein jeweiliges Nutenquerschnittsprofil mit von einem Nutöffnungsbereich zu einem Nutgrund hin abnehmendem Oberflächenkrümmungsradius aufweisen.

Wenn vorgesehen ist, dass der Oberflächenkümmungradius der ersten Nutenanordnung oder/und der zweiten Nutenanordnung im Bereich des Nutgrundes kleiner ist als der Radius der Kugeln, dann ist sichergestellt, dass die Kugeln mit dem Nutgrund nicht in Kontakt treten können. Es wird also zwischen den weitesten in den Nutenanordnungen liegenden Bereichen der Kugeln und dem Nutgrund ein Zwischenraum geschaffen, in welchem ein Anlagekontakt nicht entstehen kann und welcher somit insbesondere auch zur Aufnahme von Verunreinigungen dienen kann.

Der erfindungsgemäße Kugelgewindetrieb kann beispielsweise derart ausgebildet sein, dass die erste Nutenanordnung wenigstens einen Gewindegang, vorzugsweise mit einer Mehrzahl von Windungen aufweist, dass die zweite Nutenanordnung jedem Gewindegang der ersten Nuten anordnung zugeordnet wenigstens einen zweiten Gewindegang aufweist, wobei der wenigstens eine zweite Gewindegang vorzugsweise wenigstens eine Windung aufweist, deren Windungsendbereiche über einen Kugelrück führabschnitt miteinander verbunden sind.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die beiligenden Figuren detailliert beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 eine Teil-Längsschnittansicht eines erfindungsgemäßen Kugelgewindetriebes;

Fig. 2 das in Fig. 1 mit II bezeichnete Detail vergrößert;

Fig. 3 einen vergrößerten Ausschnitt der Fig. 2, in welcher die Ausgestaltung der verschiedenen Nutquerschnittsprofile erkennbar ist.

In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßer Kugelgewindetrieb allgemein mit 10 bezeichnet. Der Kugelgewindetrieb 10 umfasst ein Spindelelement 12, das zur Drehung um eine Drehachse A angeordnet oder positionierbar ist und beispielsweise entlang der Drehachse A nicht verlagerbar ist. Das hülsen artige Spindelelement 12 umfasst an seinem Außenumfangsbereich beziehungsweise an seiner Außenumfangsfläche 14 eine erste Nutenanord nung 16, die beispielsweise einen Gewindegang mit einer Mehrzahl von Windungen umfassen kann, wobei dieser Gewindegang 18 eine vor gegebene Ganghöhe, also Gewindesteigung aufweist.

Ein Mutternelement 20 umgibt das Spindelelement 12 radial außen mit geringem radialen Zwischenraum. Das Mutternelement 20 umfasst an seiner Innenseite beziehungsweise Innenumfangsfläche 22 eine zweite Nutenanordnung 24, die beispielsweise wiederum einen Gewindegang 26 mit einer Ganghöhe oder Steigung aufweisen kann, der der Ganghöhe des Gewindegangs 18 der ersten Nutenanordnung 16 entspricht. An einem in der Fig. 1 nicht erkennbaren Umfangsbereich kann eine Kugelrückführ anordnung vorgesehen sein, die die beiden Endabschnitte des Gewinde gangs 26 miteinander derart verbindet, so dass die im Gewindegang 26 aufeinander folgend angeordneten Kugeln 28 letztendlich nach einer Art Endlos-Kugelabfolge in der zweiten Nutenanordnung 24 abrollen können.

Es sei darauf hingewiesen, dass die dargestellte Ausgestaltung lediglich ein mögliches Beispiel für einen Kugelgewindetrieb ist. Hier könnten ver schiedenste Ausgestaltungsformen vorgesehen sein, beispielsweise Ausgestaltungsformen mit mehreren Gewindegängen an der ersten und der zweiten Nutenanordnung 16, 24. Des Weiteren wäre es möglich, beispiels weise am Mutternelement 20 Abstreifer vorzusehen, die in die erste Nutenanordnung 16 eingreifen und bei der Relativbewegung zwischen Spindelelement 12 und Mutternelement 20 letztendlich für eine Reinigung der ersten Nutenanordnung 16 sorgen. Auch an dem Spindelelement 12 könnte eine derartige Abstreiferanordnung vorgesehen sein. Des Weiteren wäre es möglich, zwischen den einzelnen in Umfangsrichtung beziehungs weise in der Längsrichtung der Nutenanordnungen 16, 24 aufeinander folgend angeordneten Kugeln Abstandselemente vorzusehen, die ein gegenseitiges Reiben der Kugeln 28 aneinander verhindern. Diese Abstandselemente können beispielsweise durch Kugeln mit z. B. kleinerem Durchmesser gebildet sein, die aus Material mit hoher Gleitfähigkeit gebildet sind, so dass die der Lastübertragung und beispielsweise aus Metall gebildeten Kugeln 28 nicht unmittelbar in Kontakt miteinander treten können.

In den Fig. 2 und 3 ist das Querschnittsprofil - bezogen auf eine Längsrichtung der jeweiligen Gewindegänge 18 beziehungsweise 26 oder Nutanordnung 16, 24 - erkennbar. Man erkennt, dass sowohl bei der ersten Nutenanordnung 16 als auch der zweiten Nutenanordnung 24 ein Quer schnittsprofil mit näherungsweise ovaler oder eliptischer Form vorgesehen ist, bei welchem der Krümmungsradius R am Öffnungsbereich der jeweiligen Nutenanordnungen 16, 24 größer ist, als der Krümmungsradius r im Bereich des Nutgrundes 30. Insbesondere ist dieser Krümmumgsradius r auch kleiner als der Radius r_K der Kugeln 28. Daraus resultiert, dass die Kugeln 28 mit dem Nutgrund 30 nicht in Kontakt treten können und somit ein Kammerbereich gebildet ist, in welchem sich Schmutz ablagern kann, ohne dass dieser zu einem erhöhten Abrollwiderstand führt.

In Fig. 2 sind diejenigen Oberflächenbereiche der ersten Nutenanordnung 16 beziehungsweise der zweiten Nutenanordnung 24, an welchen die Kugeln 28 bei Durchführung einer Bewegungsumsetzung und somit auch Last- oder Krafteinwirkung in Richtung der Drehachse A in Kontakt treten, mit 32 beziehungsweise 34 bezeichnet. Man erkennt, dass der Abroll flächenbereich 32 am Spindelelement 12 einen geringeren Abstand D_i zur Drehachse A aufweist, als der Abrolloberflächenbereich 34, mit welchem die Kugeln 28 am Mutternelement 20 in Kontakt sind. Dreht sich das Mutternelement 20 bezüglich des Spindelelementes 12 um die Drehachse A, so werden bedingt durch diesen Anlagekontakt in den Abrollflächenbereichen 32, 34 die axial eingespannten Kugeln 28 sich um jeweilige Kugeldrehachsen D drehen, die zur Drehachse A näherungsweise orthogonal stehen beziehungsweise in der Darstellung der Fig. 3 entgegen dem Uhrzeigersinn um den Kugelmittelpunkt K_M geringfügig verkippt sind.

Man erkennt in der Fig. 3, dass die beiden Nutenanordnungen 16 beziehungsweise 24 mit einem derartigen Querschnittsprofil ausgebildet sind, dass der Krümmungsradius R_i des Querschnittsprofils der ersten Nutenanordnung 16 im zugeordneten Abrollflächenbereich 32 kleiner ist, als der entsprechende Krümmungsradius R_a des Mutternelementes 20 im Abrollflächenbereich 34. Daraus resultiert, dass derjenige Bereich, mit welchem die Kugeln 28 mit dem Abrollflächenbereich 32 des Spindel elementes 12 in Kontakt stehen, einen geringeren Abstand r_i zur Kugel drehachse D aufweisen wird, als dies im weiter außen liegenden Bereich der Fall ist, wo der Abstand r_a zwischen der Kugeldrehachse D und dem den Abrollflächenbereich 34 kontaktierenden Oberflächenbereich der Kugel 28 vorhanden ist. Folge davon ist auch, dass die Abrollbewegung in der ersten Nutenanordnung 16 etwas weiter nach innen zum Nutgrund hin verlagert ist, als dies bei der zweiten Nutenanordnung 24 der Fall sein wird.

Dreht sich nun die Kugel 28 der Fig. 3 um ihre zugeordnete Kugel drehachse D, so wird beispielsweise bei einer einzigen Umdrehung der Kugel 28 um diese Kugeldrehachse D die Kugel 28 mit ihrem radial weiter innen liegenden Abschnitt einen geringeren Abrollbeweg durchgeführt haben, nämlich einen im Verhältnis zu dem effektiven Abrollradius r_i stehenden Abrollweg, als dies im radial äußeren Bereich der Fall ist, wo die Kugel mit dem größeren effektiven Abrollradius r_a an der zweiten Nutenanordnung 24 abrollen wird. Es kann auf diese Art und Weise kompensiert werden, dass bei Relativdrehung zwischen dem Mutternelement 20 und dem Spindelelement 12 um einen vorgegebenen Drehwinkel, der beispielsweise wieder einer einzigen Kugelumdrehung um die Kugeldrehachse D entsprechen könnte, die Kugel 28 sich etwas weiter an der radial - bezogen auf die Drehachse A - werter außen liegenden Nutenanordnung 24 bewegen muss, als dies im radial weiter innen liegenden Spindelelement 12 der Fall sein wird. Auf diese Art und Weise kann die Kugel 28 eine sowohl bezüglich des Mutternelementes 20 als auch bezüglich des Spindelelementes 12 im Wesentlichen gleitfreie Abrollbewegung durchführen.

Bei dem erfindungsgemäßen Kugelgewindetrieb 10 wird also durch entsprechende Abstimmung der Querschnittsprofile der beiden Nutenanord nungen 16, 24 erreicht, dass durch die verschiedenen Krümmungsradien R_i beziehungsweise R_a hier verschiedene effektive Abrollradien r_i und r_a vorhanden sind, die zueinander etwa im gleichen Verhältnis stehen, wie die radialen Abstände D_i und D_a der Abrollflächenbereiche 32 und 34 zur Drehachse. Erhalten werden können derartige Querschnittsprofile beispiels weise dadurch, dass beginnend vom nach radial außen beziehungsweise radial innen hin offenen Endbereich die Querschnittsprofile mit einem sich zum Nutgrund hin verringernden Krümmungsradius ausgestaltet werden, wobei beim radial innen liegenden Querschnittsprofil, d. h. beim Quer schnittsprofil der ersten Nutenanordnung 16, entweder bereits ein geringerer Anfangswert für den Krümmungsradius eingesetzt wird, oder die Änderungsrate des Krümmungsradius größer ist, als die bei der radial außen liegenden zweiten Nutenanordnung 24.

Claims

1. Kugelgewindetrieb, umfassend:
ein Spindelelement (12), das an einer Außenumfangsfläche (14) eine erste Nutenanordnung (16) aufweist,
ein das Spindelelement (12) umgebendes Mutternelement (20), das an einer Innenumfangsfläche eine zweite Nutenanordnung (24) aufweist,
eine Mehrzahl von Kugeln (28), von welchen wenigstens ein Teil in die erste Nutenanordnung (16) und die zweite Nuten anordnung (24) eingreift,
wobei das Mutternelement (20) bezüglich des Spindelelementes (12) um eine Drehachse (A) drehbar ist und bei Drehung des Muttern elementes (20) bezüglich des Spindelelementes (12) um die Dreh achse (A) die in die erste Nutenanordnung (16) und die zweite Nutenanordnung (24) eingreifenden Kugeln (28) unter Drehung um jeweilige Kugeldrehachsen (D) in der ersten und der zweiten Nuten anordnung (16, 24) abrollen,
dadurch gekennzeichnet, dass, bezogen auf die Kugeldrehachse (D), ein effektiver Kugel-Abrollradius (r_i), mit welchem die Kugeln (28) in der ersten Nutenanordnung (16) abrollen, kleiner ist als ein effektiver Kugel-Abrollradius (r_a), mit welchem die Kugeln (28) in der zweiten Nutenanordnung (24) abrollen.

2. Kugelgewindetrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugeln (28) an einem ersten Abrollflächenbereich (32) der ersten Nutenanordnung (16) und einem zweiten Abrollflächenbereich (34) der zweiten Nutenanordnung (24) unter Drehung um die jeweilige Kugeldrehachse (D) abrollen können, und dass zumindest bei Abrollbewegung die Kugeln (28) an dem ersten Abrollflächenbereich (32) mit einem ersten Kugeloberflächen bereich in Kontakt sind, welcher zur Kugeldrehachse (D) einen geringeren Abstand aufweist, als ein zweiter Kugeloberflächenbe reich, mit welchem die Kugeln (28) zumindest bei Abrollbewegung mit dem zweiten Abrollflächenbereich (34) in Kontakt sind.

3. Kugelgewindetrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Nutenanordnung (16) ein Nutenquerschnittsprofil mit einem ersten Oberflächenkrümmungs radius (R_i) im Bereich des ersten Abrollflächenbereichs (32) aufweist, dass die zweite Nutenanordnung (24) ein Nutenquerschnittsprofil mit einem zweiten Oberflächenkrümmungsradius (R_a) im Bereich des zweiten Abrollflächenbereichs (34) aufweist, und dass der erste Oberflächenkrümmungsradius (R_i) kleiner ist als der zweite Ober flächenkrümmungsradius (R_a).

4. Kugelgewindetrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Nutenanordnung (16) und die zweite Nutenanordnung (24) ein jeweiliges Nutenquerschnittsprofil mit von einem Nutöffnungsbereich zu einem Nutgrund (30) hin abnehmendem Oberflächenkrümmungsradius (R, r) aufweisen.

5. Kugelgewindetreib nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Oberflächenkrümmungradius (r) der ersten Nutenanordnung (16) oder/und der zweiten Nutenanord nung (24) im Bereich des Nutgrundes (30) kleiner ist als der Radius (r_K) der Kugeln (28).

6. Kugelgewindetreib nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Nutenanordnung (16) wenigstens einen Gewindegang (18), vorzugsweise mit einer Mehrzahl von Windungen, aufweist, dass die zweite Nutenanordnung (24) jedem Gewindegang (18) der ersten Nutenanordnung (16) zugeordnet wenigstens einen zweiten Gewindegang (26) aufweist, wobei der wenigstens eine zweite Gewindegang (26) vorzugsweise wenigstens eine Windung aufweist, deren Windungsendbereiche über einen Kugelrückführabschnitt miteinander verbunden sind.