DE10148461B4

DE10148461B4 - Kugelspindel mit einem Kugelkäfig

Info

Publication number: DE10148461B4
Application number: DE10148461A
Authority: DE
Inventors: Slady Hsu
Original assignee: Hiwin Technologies Corp
Current assignee: Hiwin Technologies Corp
Priority date: 2000-10-13
Filing date: 2001-10-01
Publication date: 2006-01-26
Anticipated expiration: 2021-10-02
Also published as: DE10148461A1; JP3637443B2; US20020043122A1; TW496933B; US6668673B2; JP2002130416A

Abstract

Kugelspindel mit
einer Spindel (1), die an ihrem Außenumfang eine Gewinderille (11) aufweist;
einer Schraubenmutter (2), die als Hohlkörper ausgebildet und auf die Spindel (1) aufgebracht ist und an ihrem Innenumfang eine Gewinderille (21) aufweist, welche der Gewinderille (11) der Spindel (1) entspricht; und mit
einem hülsenförmigen Kugelkäfig (4), der zwischen der Spindel (1) und der Schraubenmutter (2) derart angeordnet ist, dass der Kugelkäfig (4) gemeinsam mit der Spindel (1) in der Schraubenmutter (2) wendelförmig rotieren kann, wobei der Kugelkäfig (4) eine größere axiale Länge als die Schraubenmutter (2) und mehrere Sperrnuten (41) aufweist, in welcher jeweils eine Kugel (3) aufgenommen ist, und die Sperrnuten (41) derart ausgebildet sind, dass sich die jeweils einander benachbarten Kugeln (3) nicht berühren, wobei am Außenumfang des Kugelkäfigs (4) Schwellungen (42) ausgebildet sind, die entlang der Gewinderille (21) der Schraubenmutter (2) und jeweils zwischen zwei in Längsrichtung der Gewinderille (21) der...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kugelspindel.
Die herkömmliche Kugelumlaufspindel weist hauptsächlich eine Spindel, eine Kugelumlaufmutter und mehrere zwischen der Spindel und der Schraubenmutter umlaufende Schwungkugeln auf. Die Spindel ist außen mit einer Gewinderille versehen, während die Kugelumlaufmutter aus einer hohlzylindrischen Schraubenmutter und zum Kugelumlauf dienenden Bauelementen besteht. Die Schraubenmutter ist als Hohlkörper ausgebildet, außen an der Spindel angebracht und weist innen mit einer Gewinderille versehen, die der Gewinderille der Spindel entspricht. Die meisten Schwungkugeln befinden sich zwischen den Gewinderillen der Spindel und der Schraubenmutter und rollen innerhalb der Bauelemente, die zum Kugelumlauf dienen. Durch das Rollen der Kugeln dreht sich die Spindel in der Kugelumlaufmutter. Egal wie lange die Gewinderille der Spindel ist, kann die Kugelumlaufmutter eine Spiralbewegung innerhalb der Gewinderille der Spindel machen. Bei dieser Gestaltung berühren sich die Kugeln miteinander, sodass der Reibungswiderstand größer ist. Außerdem stehen die Kugeln mit der Gewinderille in keinem Kontakt, wobei die Gewinderille keine Bewegungskraft für Kugeln innerhalb der Umlaufstruktur bietet. Daher ist die Fortbewegung der Kugeln erfolgt in der Weise, dass die Kugeln einer nach anderen geschoben sind. Da die Kugeln miteinander in Kontakt stehen und sich zueinander schieben, wird der Reibungswiderstand der Kugelumlaufspindel erhöht, sodass die Änderung der Torsion bei der momentanen Umdrehung der Spindel verursacht ist. Außerdem ist die Umlaufstruktur erheblich belastet, sodass die Umlaufstruktur leicht zerstört ist.

In 10 ist eine herkömmliche Kugelumlaufspindel nach der US 4,542,661 dargestellt. 11 stellt einen Teilschnitt längs der Linie A-A' der 10 dar. Die Spindel 1 und die Schraubenmutter 2 weisen jeweils eine Gewinderille 11, 12 auf, wobei die Schraubenmutter 2 einen Flansch 22 besitzt, der zur Verbindung der Schraubenmutter 2 mit einem externen Mechanismus dient. Zwischen der Spindel 1 und der Schraubenmutter 2 ist ein Kugelkäfig 4 vorhanden, der mehrere Sperrnuten 41 aufweist, in jeder von denen eine Kugel aufbewahrt ist. Da die Kugeln 3 vom Kugelkäfig 4 getrennt sind, wird die Reibung zwischen den Kugeln 3 ausgeschlossen. Und weil der Kugelkäfig 4 es nicht verhindert, dass die Kugeln 3 nach außen hinfallen, wenn sie die Oberfläche der Gewinderille 11 verlassen. In 10 ist eine Muffe 5 dargestellt, die an beiden Seiten der Schraubenmutter 2 angebracht ist, um die Kugeln 3 zu umgeben und somit das Hinfallen nach außen zu verhindern. Die Länge der Muffe 5 muss die Hälfte des Bewegungsbereichs betragen. Die Muffe 5 ist an der Schraubenmutter 2 befestigt. Außerdem wird die Muffe 5 mitbewegt, wenn sich die Schraubenmutter 2 bewegt. Wird die Schraubenmutter 2 bis zum Ende des Bewegungsbereichs bewegt, muss die Muffe 5 bestimmt darüber hinaus gehen, wobei eine Interferenz zwischen der Spindel 1 und dem Lagerbock verursacht ist. Um keine Interferenz zwischen dem Lagerbock und der Muffe 5 zu bilden, muss der Abstand zwischen dem Lagerbock und dem Ende des Bewegungsbereichs mindestens über die Länge der Muffe 5 betragen, wodurch der Spindelstock erheblich vergrößert werden muss und somit dessen Herstellungskosten dementsprechend erhöht sind.

Aus der EP 0 985 851 A1 ist eine Kugelspindel mit einer Spindel und einer Schraubenmutter bekannt, die jeweils eine einander entsprechende Gewinderille aufweisen, wobei an der Innenumfangsfläche der Schraubenmutter ein hohlzylindrischer Führungsteil angebracht ist. Die in dieser Anordnung umlaufenden Kugeln sind mittels eines elastischen Endlosbandes berührungslos nebeneinander aufgereiht, wobei die Kugeln innerhalb des Bandes jeweils in einem Loch mittels Halteabschnitten gegen Herausfallen aus dem Band geschützt sind Beidseitig der Gewinderille der Schraubenmutter sind Führungsnuten ausgebildet, in denen das die Kugeln tragende Endlosband eingreift und geführt ist.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Kugelspindel zu schaffen, bei der sich die benachbarten Kugeln aneinander nicht reiben, so dass der Reibungswiderstand verringert ist und die Gefahr der Schädigung der Umlaufstruktur ausgeschlossen ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Kugelspindel mit einer Spindel, die an ihrem Außenumfang eine Gewinderille aufweist, einer Schraubenmutter, die als Hohlkörper ausgebildet ist und auf die Spindel angebracht ist und an ihrem Innenumfang eine Gewinderille aufweist, welche der Gewinderille der Spindel entspricht, und mit einem hülsenförmigen Kugelkäfig, der zwischen der Spindel und der Schraubenmutter derart angeordnet ist, dass der Kugelkäfig gemeinsam mit der Spindel in der Schraubenmutter wendelförmig rotieren kann, wobei der Kugelkäfig eine größere axiale Länge als die Schraubenmutter und mehrere Sperrnuten aufweist, in welcher jeweils eine Kugel aufgenommen ist, und die Sperrnuten derart ausgebildet sind, dass sich die jeweils einander benachbarten Kugeln nicht berühren, wobei am Außenumfang des Kugelkäfigs Schwellungen vorgesehen sind, die entlang der Gewinderille der Schraubenmutter und jeweils zwischen zwei in Längsrichtung der Gewinderille der Schraubenmutter benachbarten Sperrnuten angeordnet sind und sich in die Gewinderille der Schraubenmutter hinein erstrecken, wobei die Schwellungen Fortsätze an ihrer der Schraubenmutter zugewandten Seite aufweisen, mittels denen die Kugeln innerhalb der Sperrnuten gegen Herausfallen aus dem Kugelkäfig gehalten sind.

Um die Anwendung der vorliegenden Erfindung zu vereinfachen, ist der ganze Kugelkäfig zusammen mit den Kugeln einstückig von der Spindel getrennt, wobei die Kugeln nicht aus dem Kugelkäfig Herausfallen. Vorzugsweise sind am Innenumfang des Kugelkäfigs innere Schwellungen ausgebildet, die entlang der Gewinderille der Spindel vorgesehen und den außen befindlichen Schwellungen ähnlich sind.

Da beim erfindungsgemäßen Kugelkäfig unterschiedliche Längen gefordert sind, ist ein Mechanismus vorgesehen, durch den der Kugelkäfig mit dem benachbarten Kugelkäfig zusammensetzbar ist, wobei zwei benachbarte Kugelkäfige mittels eines Verbindungsbands miteinander verbindbar sind, indem das Verbindungsband in jeweils zwei aneinander angrenzende Verbindungslöcher eingreift.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich beim Lesen der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, die auf die beigefügten Zeichnungen Bezug nehmen; es zeigen:
1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Kugelumlaufspindel mit einem Kugelkäfig;
2 einen Teilschnitt längs der Linie B-B' der 1;
3 einen Teilschnitt längs der Linie C-C' der 2;
4 eine schematische Darstellung eines weiteren Kugelkäfigs der vorliegenden Erfindung;
5 einen Teilschnitt längs der Linie C-C' der 1;
6 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kugelkäfigs;
7 eine schematische Darstellung der Zwischenverbindung der Kugelkäfige;
8 einen Teilschnitt längs der Linie D-D' der 7;
9 einen Teilschnitt einer weiteren Verbindung des erfindungsgemäßen Verbindungsbands;
10 eine schematische Darstellung der herkömmlichen Kugelumlaufspindel; und
11 einen Teilschnitt längs der Linie A-A' der 10;
In 1 ist eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Kugelumlaufspindel mit einem Kugelkäfig dargestellt. Die erfindungsgemäße Kugelumlaufspindel mit einem Kugelkäfig weist hauptsächlich eine Spindel 1 und eine Schraubenmutter 2 auf. Die Gewinderille 21 der Stahlband 2 ist gerade außen an der Gewinderille 11 der Spindel 1 angeordnet, wobei die Gewinderillen 11, 21 als Spiralbahn für Kugeln 3 dienen. Ein deutlicher Abstand ist zwischen der Spindel 1 und der Schraubenmutter 2 vorhanden, wobei ein Kugelkäfig 4 in diesem Abstand vorgesehen ist. Der Kugelkäfig 4 besitzt an der Spiralbahn der Kugeln 3 mehrere Sperrnuten 41, um die Kugeln 3 aufzubewahren. Jede Sperrnut 41 nimmt eine Kugel auf. Da die Kugeln 3 vom Kugelkäfig 4 getrennt werden, wird das Problem der Interferenz von Kugeln 3 ausgeschlossen. Beim Anbringen einer Muffe kommt eine Interferenz mit dem Lagerbock vor. Bei der vorliegenden Erfindung werden keine Muffen an beiden Seiten der Schraubenmutter 2 angebracht, um die Nachteile der Verlängerung des Spindelstocks und der Erhöhung der Herstellungskosten zu vermeiden. Dreht sich die Spindel 1 innerhalb der Schraubenmutter 2, beträgt die Drehgeschwindigkeit der Kugeln 3 etwa die Hälfte der Spindel 1. Damit die Schraubenmutter 2 im Bewegungsbereich mit ausreichenden Kugeln 3 in Kontakt steht, muss der Kugelkäfig 4 länger sein als die Schraubenmutter 2, wobei die Verlängerung etwa die Hälfte des Bewegungsbereichs zwischen der Spindel 1 und der Schraubenmutter 2 beträgt. Um es zu vermeiden, dass die nicht von der Schraubenmutter 2 umgebenen Kugeln 3 die Gewinderille 11 der Spindel 1 verlassen und somit zu Boden fallen, sind keine Muffen an beiden Seiten der Schraubenmutter 2 angebracht, wobei der Kugelkäfig 4 offensichtlich länger ist als die Schraubenmutter 2, sodass die Konfiguration des Kugelkäfigs 4 speziell gestaltet werden muss.
Um die Struktur des Kugelkäfigs 4 zu veranschaulichen, sind in den 2 und 3 ein Teilschnitt längs der Linie B-B' der 1 und ein Teilschnitt längs der Linie C-C' der 2 dargestellt. In 3 ist gezeigt, dass der Kugelkäfig 4 innerhalb der Gewinderille 21 der Schraubenmutter 2 mit Schwellungen 42 versehen ist. Da die Gewinderille 21 der Schraubenmutter 2 als vertiefte Spiralrille ausgebildet ist, hat die außen am Kugelkäfig 4 angeordnete und der Gewinderille 21 entsprechende Schwellung 42 während der Drehung zwischen der Spindel 1 und der Schraubenmutter 2 keine Interferenz mit der Schraubenmutter 2. Die in 2 dargestellte Schwellung 42 wird von den Sperrnuten 41 in kleine Abschnitte aufgeteilt, wobei die Kugeln 3 in einer zylindrischen Sperrnut 41 aufbewahrt sind. Ein Fortsatz 421 erstreckt sich jeweils rechts und links über die Außenseite der Sperrnuten 41, damit die Kugeln 3 von Fortsätzen 421 beschränkt sind und sich von den Sperrnuten 41 nicht ablösen.
Es gibt mehrere Methode zur Herstellung der mit Fortsätzen 421 versehenen Sperrnuten 41. Drei Möglichkeiten werden wie folgt beschrieben:

1. Eine Durchbohrung ist durch einen Bohrer zunächst gebildet, der kleiner ist als der Durchmesser der Sperrnuten 41 und die Fortsätze 421 nicht berührt, woraufhin die Innenseite der Durchbohrung mit einem abgefasten Fräser verarbeitet wird, bis die Sperrnut 41 von demselben Durchmesser gebildet ist. Dieses Verfahren hat niedrige Produktionseffizienz und eignet sich für die Produktion der geringen Menge.
2. Eine Sperrnut 41 wird zunächst am Kugelkäfig 4 verarbeitet, wobei eine Drucknut 422 (siehe 2) zwischen zwei benachbarten Sperrnuten 41 der Schwellung 42 in drückender und schlagender Weise hergestellt ist. Beim Herstellen der Drucknut 422 bewegt sich das an der Außenseite der Sperrnut 41 befindliche Material in Richtung der Sperrnut 41, werden die Fortsätze 421 gebildet. Bei diesem Verfahren muss jede Sperrnut 41 gebohrt werden, sodass es sich nur für Produktion kleiner Menge eignet. Die Herstellungskosten größer Menge sind immer noch hoch.
3. Die Sperrnuten 41 sind zusammen mit dem Kugelkäfig 4 in der gießenden Weise hergestellt. Um die Entformung zu erleichtern erstrecken sich die an beiden Seiten der Sperrnut 41 befindlichen Fortsätze 421 entlang der Wandung der Sperrnut 41 in Richtung nach außen, sodass eine Interferenz bei der nach außen durchgeführten Entformung ausgeschlossen ist. Nach der Entformung werden die sich entlang der Wandung der Sperrnut 41 in Richtung nach außen erstreckenden Fortsätze 421 in Richtung der Sperrnut 41 in rollender Weise gepreßt, um es zu verhindern, dass die Kugeln 3 von der Sperrnuten 41 nach außen fallen.

In 4 ist gezeigt, dass die Größe an der Stelle der Innenseite 451 der Sperrnuten 41 kleiner ist als der Durchmesser der Kugeln 3, sodass die Kugeln 3 von der Außenseite des Kugelkäfigs 4 durch die Sperrnuten 41 zu Innenseite des Kugelkäfigs 4 nicht fallen, wodurch die Kugeln 3 von dem Kugelkäfig 4 nicht fallen, wenn der Kugelkäfig 4 von der Spindel 1 und der Schraubenmutter 2 getrennt wird. Die erfindungsgemäße Kugelumlaufspindel ist bei Anwendung sehr praktisch und bietet dem Anwender die Möglichkeit zur Einstellung und Montage. Um es zu ermöglichen, dass die Größe an der Stelle der Innenseite 451 der Sperrnuten 41 kleiner ist als der Durchmesser der Kugeln 3, ist die Innenseite des Kugelkäfigs 4 entlang der Vertiefung der Gewinderille 11 der Spindel 1 mit inneren Schwellungen 45 versehen, wie in 5 gezeigt ist. Die Fortsätze 451 der inneren Schwellungen 45 ermöglichen, dass die Kugeln 3 von den Sperrnuten 41 in die Innenseite des Kugelkäfigs 4 nicht fallen. Bei dieser Ausführungsform gehen die Kugeln 3 durch die Außen- und Innenseite des Kugelkäfigs 4 nicht. Um die Kugeln 3 in den Sperrnuten 41 aufzubewahren, werden die Fortsätze 421 nicht zuerst geformt, wobei die Kugeln 3 von der Außenseite der Sperrnuten 41 in die Sperrnuten 41 gelegt werden, woraufhin die Fortsätze 421 an der Außenseite der Schwellungen 42 in der drückenden oder schlagenden Weise ausgeformt sind.
Da die geforderte Länge des Kugelkäfigs 4 im Zusammenhang mit der Länge und dem Drehbewegungsbereich der Schraubenmutter 2 steht, muss der Kugelkäfig 4 unter unterschiedlichen Anwendungsbedingungen unterschiedliche Längen haben. Wird die Kugelkäfig 4 in mechanischer Weise gefertigt, ist die übermäßige Länge für die Verarbeitung ungünstig. Wird der Kugelkäfig 4 in gießender Weise hergestellt, ist es unmöglich, dass eine Form für jedes Ausmaß herzustellen ist. Daher ist es nötig, dass der Kugelkäfig 4 zusammensetzbar gestaltet ist. 6 stellt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kugelkäfigs. Die Sperrnut 41 des Kugelkäfigs 4 und die Schwellung 42 sind in der Spiralweise miteinander verbunden, dass ein Verbindungsloch 43 an beiden Enden angeordnet ist und zwar gerade an der Spirale, um mit den benachbarten Kugelkäfigen 4 zu verbinden.
Aus den 7 und 8 ist ersichtlich, dass ein Verbindungsband 6 durch den linken Kugelkäfig 4 und den rechten Kugelkäfig 4' durchgeht, um die beiden Kugelkäfige 4,4' miteinander zu verbinden. Da sich das Verbindungsband 6 gerade an der Stelle der Gewinderille 21 der Schraubenmutter 2 der Spindel 1 befindet und sich der von der Außenseite des Kugelkäfigs 4 herausragende Teil des Verbindungsbands 6 gerade in der Gewinderille 21 der Schraubenmutter 2 befindet, entsteht beim Drehen keine Interferenz zwischen der Spindel 1 und der Schraubenmutter 2. Das Verbindungsband 6 ist normalerweise aus Metall hergestellt, um eine Flexibilität beim Biegen zu bieten. In 9 ist ein Teilschnitt einer weiteren Verbindung des erfindungsgemäßen Verbindungsbands dargestellt. Ein Ausschnitt 44 des Verbindungsbands 6 ist zwischen den Verbindungslöchern 43 beider Kugelkäfige 4, 4' vorgesehen, damit die beiden Enden des Verbindungsbands 6 in den Ausschnitt 44 eingerastet sind, um die Verbindung zu verstärken.
Durch die oben erwähnte Gestaltung werden die Kugeln 3 miteinander nicht berührt, wobei keine Struktur zum Kugelumlauf erforderlich ist. Außerdem wird keine Muffe an beiden Seiten der Schraubenmutter angeordnet, sodass die Reibung reduziert ist und keine Gefahr der Zerstörung der Umlaufstruktur vorhanden ist. Darüber hinaus wird die Verschwendung des Raums des Spindelstocks ausgeschlossen, sodass dessen Herstellungskosten gespart sind. Ein Fortsatz 421 ist jeweils an der Innen- und Außenseite der Sperrnuten 41 angeordnet, um es zu vermeiden, dass die Kugeln 3 von dem Kugelkäfig 4 fallen, wenn der Kugelkäfig 4 von der Spindel 1 und der Schraubenmutter 2 getrennt ist. Darüber hinaus ist der Kugelkäfig 4 standardisiert und zusammensetzbar gestaltet, sodass die Herstellung der erfindungsgemäßen Kugelumlaufspindel vereinfacht und in Massen durchführbar ist, wodurch die Herstellungskosten der erfindungsgemäßen Kugelumlaufspindel verringert sind und somit die erfindungsgemäße Kugelumlaufspindel auf Industrie anwendbar ist.

Claims

Kugelspindel mit einer Spindel (1), die an ihrem Außenumfang eine Gewinderille (11) aufweist; einer Schraubenmutter (2), die als Hohlkörper ausgebildet und auf die Spindel (1) aufgebracht ist und an ihrem Innenumfang eine Gewinderille (21) aufweist, welche der Gewinderille (11) der Spindel (1) entspricht; und mit einem hülsenförmigen Kugelkäfig (4), der zwischen der Spindel (1) und der Schraubenmutter (2) derart angeordnet ist, dass der Kugelkäfig (4) gemeinsam mit der Spindel (1) in der Schraubenmutter (2) wendelförmig rotieren kann, wobei der Kugelkäfig (4) eine größere axiale Länge als die Schraubenmutter (2) und mehrere Sperrnuten (41) aufweist, in welcher jeweils eine Kugel (3) aufgenommen ist, und die Sperrnuten (41) derart ausgebildet sind, dass sich die jeweils einander benachbarten Kugeln (3) nicht berühren, wobei am Außenumfang des Kugelkäfigs (4) Schwellungen (42) ausgebildet sind, die entlang der Gewinderille (21) der Schraubenmutter (2) und jeweils zwischen zwei in Längsrichtung der Gewinderille (21) der Schraubenmutter (2) benachbarten Sperrnuten (41) angeordnet sind und sich in die Gewinderille (21) der Schraubenmutter (2) hinein erstrecken, wobei die Schwellungen (42) Fortsätze (421) an ihrer der Schraubenmutter (2) zugewandten Seite aufweisen, mittels denen die Kugeln (3) innerhalb der Sperrnuten (41) gegen Herausfallen aus dem Kugelkäfig (4) gehalten sind.
Kugelspindel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der hülsenförmige Kugelkäfig (4) aus wenigstens zwei nebeneinander angeordneten Kugelkäfigen (4) gebildet ist, wobei jeder Kugelkäfig (4) an seinen beiden axialen Endabschnitten Verbindungslöcher (43) aufweist.
Kugelspindel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwei benachbarte Kugelkäfige (4) mittels eines Verbindungsbandes (6) miteinander verbindbar sind, indem das Verbindungsband in zwei jeweils aneinander angrenzende Verbindungslöcher (43) eingreift.
Kugelspindel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass am Innenumfang des Kugelkäfigs (4) Schwellungen (45) ausgebildet sind, die entlang der Gewinderille (11) der Spindel (1) und jeweils zwischen zwei in Längsrichtung der Gewinderille (11) der Spindel (1) benachbarten Sperrnuten (41) angeordnet sind und sich in die Gewinderille (11) der Spindel (1) hinein erstrecken, wobei die Schwellungen (45) an der der Spindel (1) zugewandten Seite Fortsätze (451) aufweisen, mittels welchen die Kugeln (3) in den Sperrnuten (41) gehalten sind.
Kugelspindel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwellungen (42) am Außenumfang des Kugelkäfigs (4) außen eine Drucknut (422) aufweisen.
Kugelspindel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kugelkäfig (4) aus Kupfer, Aluminium oder deren Legierung hergestellt ist.
Kugelspindel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kugelkäfig (4) mittels Gießverfahren und anschließendem Pressverfahren hergestellt ist.