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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kugelumlaufspindelvorrichtung,
bei der eine Schraubenspindel und ein Mutterelement zusammen über Kugeln
verschraubt sind, wobei die Kugelumlaufspindelvorrichtung z.B. eine
Drehbewegung der Schraubenspindel in eine Linearbewegung des Mutterelements
umwandelt. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf
eine Kugelumlaufspindelvorrichtung, die eine relative Bewegung zwischen der
Schraubenspindel und dem Mutterelement ausführt, ohne dass ein endloses
Umlaufen der Kugeln bewirkt wird.
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Im
allgemeinen enthält
eine Kugelumlaufspindelvorrichtung eine Schraubenspindel mit einer schraubenförmigen Kugelabwälznut, die
in einer Außenumfangsfläche der
Schraubenspindel ausgebildet ist, enthält ein Mutterelement, das in
einer zylindrischen Form ausgebildet ist und einen hohlen Bereich
aufweist, durch welchen die Schraubenspindel hindurchtritt, wobei
eine schraubenförmige
Lastabwälznut
auf einer Innenumfangsfläche
des Mutterelements ausgebildet ist, die der Kugelabwälznut der Schraubenspindel
gegenüberliegt,
und enthält
eine Vielzahl von Kugeln, die sich abwälzen, während ein Innenbereich eines
Lastdurchgangs belastet wird, wobei der Lastdurchgang von der Kugelabwälznut der
Schraubenspindel und der Last- und Abwälznut des Mutterelements umgeben
ist. Eine Drehbewegung der Schraubenspindel kann in eine Linearbewegung
des Mutterelements umgewandelt werden, oder eine Drehbewegung des
Mutterelements kann in eine Linearbewegung der Schraubenspindel
umgewandelt werden.
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Kugelumlaufspindelvorrichtungen,
die diesen Konfigurationstyp haben, bestehen als Arten mit unbegrenztem
Hub und Arten mit begrenztem Hub. Die Kugelumlaufspindelvorrichtungen
der Art mit unbegrenztem Hub weisen einen unbelasteten Durchgang
zum Umlaufen der Kugeln von einem Ende zum anderen Ende des Lastdurchgangs
auf. Es ist theoretisch möglich,
das Mutterelement bezüglich
der Schraubenspindel ohne Beschränkungen
durch endloses Umlaufen der Kugeln zu bewegen. Der unbelastete Durchgang
muss zu dem Mutterelement mit einem Rückführrohr oder einem Leitblech
ausgestattet sein. Die Struktur des Mutterelements wird komplex
verglichen mit der Kugelumlaufspindelvorrichtung des begrenzten
Hubs, und es besteht die Tendenz, dass die Herstellungskosten hoch
werden.
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Andererseits
werden beide Enden des Lastdurchgangs bei der Kugelumlaufspindelvorrichtung des
begrenzten Hubs versperrt. Es ist somit möglich, das Mutterelement auf
der Schraubenspindel nur innerhalb eines Bereichs zu bewegen, wo
sich die Kugeln in dem Innenbereich des Lastdurchgangs hin- und
herbewegen. Die Kugelumlaufspindelvorrichtung des begrenzten Hubs
hat eine einfachere Struktur und ist weniger kostenaufwendig, als
die Kugelumlaufspindelvorrichtung der Art des unbegrenzten Hubs.
Entsprechenderweise wird die Kugelumlaufspindelvorrichtung der Art
des begrenzten Hubs oft bei Einsatzgebieten verwendet, wo das Mutterelement
einer wiederholten Hin- und Herbewegung mit einer kurzen Hubgröße unterworfen
wird.
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Vorrichtungen,
die in der JP 2002-161961 A, JP 2002-188703 A und JP 2003-028261
A offenbart sind, sind als herkömmliche
Beispiele dieses Typs einer Kugelumlaufspindelvorrichtung der Art
mit begrenztem Hub bekannt. Ein Kugelkäfig ist in einem Zwischenraum
zwischen einem Mutterelement und einer Schraubenspindel in jeder
der Kugelumlaufspindelvorrichtungen vorgesehen. Die Kugeln, die sich
innerhalb eines Lastdurchgangs bewegen, sind innerhalb des Lastdurchgangs
so angeordnet, dass sie einen vorbestimmten Zwischenraum zwischen benachbarten
Kugeln ohne gegenseitigen Kontakt haben. Die Länge des Kugelkäfigs in
der Längsrichtung
ist so festgesetzt, dass sie kürzer
ist als die Länge
des Mutterelements in einer Längsrichtung.
Wenn sich die Kugelumlaufspindel in bezug zu dem Mutterelement dreht,
bewegt sich der Kugelkäfig
in dem inneren Bereich des Mutterelements in der Längsrichtung
zusammen mit den Kugeln, während
er sich schraubenförmig
am Umfang der Schraubenspindel dreht. Anschläge, die den Kugelkäfig abfangen,
sind an beiden Enden in Längsrichtung
des Mutterelements vorgesehen. Wenn der Kugelkäfig, der in dem Innenbereich
des Mutterelements in der Längsrichtung
fortschreitet, an das Anschlagelement anstößt und anhält, werden die Kugeln innerhalb
des unbelasteten Durchgangs durch den Kugelkäfig behindert und können sich
nicht weiter bewegen. Entsprechenderweise ist dieses eine Konfiguration,
bei der die Hubgröße des Mutterelements
in der Längsrichtung in
bezug zu der Schraubenspindel begrenzt ist.
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Der
Kugelkäfig
kann sich jedoch in dem Innenbereich des Mutterelements verlagern,
oder ein Bereich, in welchem sich das Mutterelement vor und zurück auf der
Schraubenspindel bewegt, kann sich in bezug zu dem ursprünglichen
Bereich bei der Kugelumlaufspindelvorrichtung derart mit begrenztem Hub
aufgrund einer Ursache verschieben, wie z.B., dass die Kugeln in
bezug zu dem Mutterelement oder der Schraubenspindel rutschen, während das
Mutterelement wiederholt vor und zurück auf der Schraubenspindel bewegt
wird. Insbesondere für
Fälle,
wo die Vorrichtung mit der Schraubenspindel geneigt in bezug zu
einer horizontalen Ebene und dergleichen verwendet wird, bestehen
Bedenken dahingehend, dass der Kugelkäfig allmählich abwärts in den Innenbereich des
Mutterelements aufgrund des Gewichts des Kugelkäfigs fällt. Obwohl die Schraubenspindel dann
in eine Richtung gedreht werden kann, solcherart, dass sich das
Mutterelement abwärts
bewegt, kann die Schraubenspindel in einer Richtung gedreht werden,
solcherart, dass sich das Mutterelement aufwärts bewegt.
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Außerdem,
wird, wenn der Kugelkäfig
verwendet wird, jede der Kugeln in den Kugelkäfig solcherart aufgenommen,
dass sich benachbarte Kugeln nicht einander berühren. Entsprechenderweise ist
es schwierig, die Anzahl der Kugeln in bezug zur Länge des
Lastdurchgangs zu erhöhen.
Außerdem ist
es auch schwierig, mehrere Gewindegänge, wie z.B. acht Gewindegänge und
zwölf Gewindegänge zu handhaben,
wobei mehrere Kugelrotationsnuten in der Schraubenspindel und mehrere
Lastrotationsnuten in dem Mutterelement vorhanden sind. Daher besteht,
obwohl die herkömmliche
Kugelumlaufspindelvorrichtung der Art mit begrenztem Hub, die mit dem
Kugelkäfig
versehen ist, kompakt ist und niedrige Kosten hat verglichen mit
den Kugelumlaufspindelvorrichtungen der Art mit unbegrenztem Hub,
eine geringe Belastbarkeit, und es ist schwierig, die Vorrichtung
zu verwenden, wenn ein hohes Drehmoment an die Schraubenspindel
oder das Mutterelement weitergegeben wird. Zusätzlich ist der Kugelkäfig in dem
Zwischenraum zwischen dem Mutterelement und der Schraubenspindel
aufgenommen. Demzufolge kann die Lastrotationsnut des Mutterelements
und die Kugelrotationsnut der Schraubenspindel, entlang welcher
sich die Kugeln abwälzen,
nicht tief ausgebildet werden. Dieses ist auch ein Faktor bei der
Herabsenkung der Belastbarkeit.
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Andererseits
offenbart die japanische Gebrauchsmusteranmeldung Offenlegungsnummer Sho.
63-150151 eine Kugelumlaufspindelvorrichtung der Art mit begrenztem
Hub, die nicht mit einem Kugelkäfig
ausgestattet ist. Der Kugelkäfig
wird bei dieser Kugelumlaufspindelvorrichtung weggelassen, und ein
Paar Kugelanschläge,
die beide Enden eines Lastdurchgangs versperren, sind an beiden
Enden eines Mutterelements vorgesehen. Die Kugeln sind innerhalb
des Lastdurchgangs, der durch die Kugelanschläge versperrt wird, aufgenommen.
Die Kugeln bewegen sich innerhalb des Lastdurchgangs im Ansprechen
auf eine relative Drehung zwischen der Schraubenspindel und dem
Mutterelement vor und zurück.
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Der
Kugelkäfig
ist bei dieser Kugelumlaufspindelvorrichtung weggelassen, und daher
können seine
sehr große
Anzahl von Kugeln in dem Lastdurchgang aufgenommen werden. Außerdem können eine
Lastrotationsnut des Mutterelements und eine Kugelrotationsnut der
Schraubenspindel beide tief ausgebildet werden, bis zu einer Tiefe
hin, die nahe an den Radius der Kugeln reicht, und die Belastbarkeit
kann entsprechenderweise erhöht
werden. Außerdem
kann ein Problem, wobei das Mutterelement aufgrund der Kugelkäfigverschiebung
die Fähigkeit
verliert, sich in bezug zu dem Mutterelement zu drehen, bestmöglich vermieden
werden.
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Für Fälle, wo
die Schraubenspindel und das Mutterelement sich relativ zueinander
durch Verwendung dieser Art der Kugelrotation bewegen, sind die Bewegungsgröße der Kugeln
in bezug zu der Schraubenspindel und die Bewegungsgröße des Mutterelements
in bezug zu den Kugeln gleich, vorausgesetzt, dass die Kugeln sich
ohne Rutschen in bezug zu der Schraubenspindel und dem Mutterelement
bewegen. Entsprechenderweise kann man erwarten, dass die Bewegungsgröße des Mutterelements
in bezug zu der Schraubenspindel doppelt so groß wie die Bewegungsgröße der Kugeln
ist. Daher ist nur eine Hubgröße gleich
1/2 M in Längsrichtung des
Kugelkäfigs
innerhalb des Mutterelements erforderlich, wenn es erforderlich
ist, das Mutterelement um eine Hubgröße M in Längsrichtung mit den Kugelumlaufspindelvorrichtungen
der Art mit begrenztem Hub zu bewegen, die den Kugelkäfig verwenden (JP
2002-161961 A, JP 2002-188703 A, JP 2003-028261 A u. dgl.). Die
Stelle, an der die Anschlagelemente befestigt sind, und die Länge in Längsrichtung
des Kugelkäfigs
in bezug zur Länge
in Längsrichtung
des Mutterelements sind entsprechenderweise festgelegt.
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Außerdem ist
die herkömmliche
Kugelumlaufspindelvorrichtung der Art mit begrenztem Hub, die nicht
mit einem Kugelkäfig
ausgerüstet
ist (japanische Gebrauchsmusteranmeldung Offenlegungsnummer Sho.
63-150151), einfach aufgebaut. Ein Aufnahmebereich für die Kugeln
ist in bezug zur gesamten Länge
des Lastdurchgangs so festgesetzt, dass der Abstand, bei dem die
Kugeln, die innerhalb des Lastdurchgangs aufgenommen sind, sich
in der Längsrichtung
bewegen können,
eine Hälfte
der Hubgröße des Mutterelements
in der Längsrichtung beträgt. Mit
anderen Worten, bestimmt man den Maximalabstand, bei dem die Kugeln,
die innerhalb des Lastdurchgangs aufgenommen sind, sich in der Längsrichtung
des Mutterelements bewegen können, als
d, und bestimmt man die Hubgröße des Mutterelements
in der Längsrichtung
der Schraubenspindel als D, ist der maximale Abstand d wie folgt
festgesetzt: d = 1/2 D.
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Wenn
jedoch ein Prototyp einer Kugelumlaufspindelvorrichtung, der keinen
Kugelkäfig
aufweist, basierend auf diesem Prinzip hergestellt wurde, erreichte
die effektive Hubgröße des Mutterelements
in bezug zu der Schraubenspindel, d.h. die Hubgröße, bei der das Mutterelement
sehr leicht in Längsrichtung
der Schraubenspindel bewegt werden kann, nicht die gestaltete Größe. Spezifischerweise wurde
die Bewegung des Mutterelements in bezug zu der Schraubenspindel
in einer Phase, bevor das Mutterelement um die vohergesagte Hubgröße bewegt
wurde, schwergängig.
Die effektive Hubgröße des Mutterelements
erreichte nicht die Hubgröße, die bei
der Gestaltung vorhergesagt wurde.
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Die
vorliegende Erfindung wurde hinsichtlich der Probleme, wie der oben
beschriebenen, ausgeführt.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kugelumlaufspindelvorrichtung
der Art mit begrenztem Hub zu schaffen, bei der ein Mutterelement gleichförmig in
bezug zu einer Schraubenspindel bei einem extrem geringen Rotationswiderstand
gedreht werden kann, und wobei darüber hinaus eine genügend große effektive
Hubgröße für das Mutterelement
in bezug zu der Schraubenspindel erzielt werden kann, auch wenn
ein Kugelkäfig
weggelassen wurde.
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Um
das obige Ziel zu erreichen, wurde gemäß der vorliegenden Erfindung
eine Kugelumlaufspindelvorrichtung geschaffen, die enthält: eine Schraubenspindel,
die eine schraubenförmige
Kugelabwälznut
aufweist, die in einer Außenumfangsfläche der
Schraubenspindel ausgebildet ist; ein Mutterelement, das ein Durchgangsloch
aufweist, durch welches die Schraubenspindel hindurchtritt, wobei das
Durchgangsloch eine schraubenförmige
Lastabwälznut
aufweist, die in einer Innenumfangsfläche des Durchgangsloch ausgebildet
ist; eine Vielzahl von Kugeln, die, während sie belastet sind, sich
in einem Innenbereich eines Lastdurchgangs abwälzen, der von der Kugelabwälznut der
Schraubenspindel und der Lastabwälznut
des Mutterelements umgeben ist; und Anschlagelemente, die an beiden
Enden des Mutterelements in einer Längsrichtung montiert sind, wobei
die Anschlagelemente beide Enden des Lastdurchgangs versperren.
Bei der Kugelumlaufspindelvorrichtung kann sich jede Kugel der Vielzahl
von Kugeln unabhängig
innerhalb des Lastdurchgangs ohne Bewegungsbeschränkung durch
die anderen Kugeln abwälzen,
und eine Beziehung d > (1/2)
D wird erfüllt, wobei
d ein maximaler Abstand ist, entlang dessen die Kugeln, die innerhalb
des Lastdurchgangs aufgenommen sind, sich in der Längsrichtung
des Mutterelements abwälzen
können,
und wobei D eine effektive Hubgröße des Mutterelements
in einer Längsrichtung
der Schraubenspindel ist.
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Für Fälle, wo
kein Kugelkäfig
zwischen dem Mutterelement und der Schraubenspindel vorhanden ist,
ist es möglich,
dass jede der Kugeln, die sich innerhalb des Lastdurchgangs befindet,
sich unabhängig
innerhalb des Lastdurchgangs dreht, ohne durch die Bewegung der
anderen Kugel behindert zu werden. Wenn die Schraubenspindel so
ausgeführt
ist, dass sie sich bezüglich
zu dem Mutterelement dreht, wird bewirkt, dass alle der Kugeln an
einem Ende des Lastdurchgangs, welche in einem Zustand des gegenseitigen
Kontakts miteinander stehen, sich zu dem anderen Ende des Lastdurchgangs
hin abwälzen,
wobei sich die Kugeln hintereinander innerhalb des Lastdurchgangs
abwälzen,
ohne dass sich die Zwischenräume
zwischen den Kugeln öffnen.
Die Kugeln wälzen
sich nicht innerhalb des Lastdurchgangs ab, während sie den Zustand beibehalten,
wo die Kugeln in einem gegenseitigen Kontakt befindlich sind. Der
Grund dafür
liegt darin, dass eine Reibkraft solcherart ausgeübt wird,
dass die einander benachbarten Kugeln ein Abwälzen gegenseitig verhindern. Diese
Art der Reibkraft wirkt am schwächsten
in bezug zu der Kugel, die an einem Anführende in der Wälzrichtung
angeordnet ist. Entsprechenderweise wird zuerst ein Zwischenraum
zwischen der Anführende-Kugel
und einer zweiten Kugel gebildet. Als nächstes wird ein Zwischenraum
zwischen der zweiten Kugel und einer dritten Kugel gebildet, und
Zwischenräume
werden nacheinander zwischen den benachbarten Kugeln in Reihenfolge
gebildet. Sind einmal Zwischenräume
somit zwischen allen Kugeln ausgebildet, wälzen sich alle Kugeln, die
innerhalb des Lastdurchgangs aufgenommen sind, ohne dass ein Rutschen
auftritt, ab. Eine extrem leichte Drehung des Mutterelements in
bezug zu der Schraubenwelle wird somit möglich.
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Bis
Zwischenräume
zwischen allen Kugeln gebildet sind, die innerhalb des Lastdurchgangs
bestehen, wälzen
sich andererseits verschiedene der Kugeln innerhalb des Lastdurchgangs
zusammen mit einem geringen Anteil des Rutschens ab. Die Drehung
des Mutterelements in bezug zu der Schraubenspindel wird schwergängig, und
die ursprünglichen
Qualitäten
der Kugelumlaufspindel, durch welche eine Linearbewegung in bezug
zu einem beweglichen Element, wie z.B. ein Tisch, mit einem kleinen Drehmoment übermittelt
werden kann, wird somit nicht entwickelt. Das heißt, für Fälle, wo
kein Kugelkäfig
vorhanden ist, wird der Abstand, bei dem sich die Kugeln in Richtung
des Mutterelements ohne begleitendes Rutschen bewegen können, kürzer als
d, wobei d als der maximale Abstand bestimmt ist, bei dem die Kugeln,
die innerhalb des Lastdurchgangs aufgenommen sind, sich in der Längsrichtung
des Mutterelements bewegen können.
Die effektive Hubgröße des Mutterelements
in der Längsrichtung
der Schrauben spindel erreicht somit nicht das Zweifache des Abstands
d. Stattdessen wird der Abstand geringer als 2d.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist der Abstand d so festgesetzt, dass d > (1/2) D ist. Es wird daher
möglich,
den Abstand, über
welchen sich die Kugeln vollständig
abwälzen
können
ohne begleitendes Rutschen der Kugeln, gleich 1/2 D festzusetzen. Es
wird auch möglich,
die wirksame Hubgröße des Mutterelements
in Längsrichtung
der Schraubenspindel bis zu der Größe hin auszudehnen, die während der
Gestaltung erwartet wurde.
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Wenn
die vorliegende Erfindung ausgeführt wird,
sind die Beziehungen zwischen der Länge des Lastdurchgangs, der
Kugeldurchmesser und die Anzahl der Kugeln, die innerhalb des Lastdurchgangs wälzen, von
Bedeutung. Auch mit identischen Lastdurchgangslängen wird die Länge, bei
der die Kugeln in der Lage sind, sich abzuwälzen, länger, wenn die Anzahl der Kugeln,
die sich innerhalb des Lastdurchgangs abwälzen, verringert wird. Es wird
somit möglich,
einen längeren
effektiven Hub des Mutterelementes festzusetzen. Wenn andererseits
die Anzahl der Kugeln, die sich innerhalb des Lastdurchgangs abwälzen, verringert
wird, entwickelt sich ein Problem, bei dem die Last auf das Mutterelement
verringert wird.
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Daher
wird vom Blickwinkel der Verringerung der Anzahl der Kugeln innerhalb
des Lastdurchgangs ohne Verringerung der Belastbarkeit des Mutterelements
bevorzugt, mehrere Kugelabwälznuten
in der Schraubenspindel auszubilden, und es wird auch bevorzugt,
eine Vielzahl von Lastabwälznuten
in dem Mutterelement gegenüberliegend
zu den Kugelabwälznuten
in der Schraubenspindel auszubilden, um somit eine Vielzahl von
Lastdurchgängen,
die die Kugeln aufnehmen, zu bilden. Die Anzahl der Kugeln, die
jede der Lastdurchgänge
ausfüllt,
kann durch Verwendung dieser Art der Konfiguration verringert werden.
Zusätzlich
kann der Abstand, über
welchen sich das Mutterelement in Längsrichtung bewegt, währenddessen
alle Kugeln sich abwälzen,
d.h. der effektive Hub des Mutterelements in bezug zu der Schraubenspindel
ausreichend lang festgesetzt werden.
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Außerdem wird
vom Blickwinkel der Beibehaltung der Länge des Mutterelements, so,
dass sie kürzer
ist in bezug zur Gesamtlänge
der Schraubenspindel, bevorzugt, dass die Anschlagelemente, die beide
Enden des Lastweges absperren, die folgende Konfiguration aufweisen.
Ein scheibenförmiger
Basisbereich, der mit beiden Enden des Mutterelements in der Längsrichtung
befestigt ist, ein Haltebereich in Form einer dünnen Platte, der in den Lastdurchgang eingesetzt
ist und der von dem Basisbereich ansteigt, und ein Kugelaufnahmebereich,
der die Kugeln abfängt,
die sich über
den Lastdurchgang wälzen
und der von einem vorderen Ende des Haltebereichs ansteigt, sind
vorgesehen. Entsprechend dieser Art einer Struktur ist nicht nur
der Haltebereich in Form einer dünnen
Platte an einer Endfläche
des Mutterelements in der Längsrichtung
befestigt, sondern es wird auch möglich, die Gesamtlänge des
Mutterelements in Bezug zu der Schraubenspindel kurz zu halten.
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Zusätzlich wird
es vom Blickpunkt der einfachen Herstellung der Anschlagelemente
bevorzugt, die Anschlagelemente aus einer dünnen Metallplatte auszubilden,
und es wird bevorzugt, den Haltebereich und den Kugelaufnahmebereich
durch Biegen eines Bereichs des scheibenförmigen Basisbereichs auszubilden.
Entsprechend dieser Konfiguration wird es somit möglich, auf
einfache Weise die Anschlagelemente an jedem der Endbereiche des
Lastdurchgangs vorzusehen, auch für die Fälle, wo eine Vielzahl von Lastdurchgängen ausgebildet
sind, wie oben beschrieben wurde.
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Wie
oben erläutert
wurde, wurde entsprechend der Kugelumlaufspindelvorrichtung mit
begrenztem Hub nach der vorliegenden Erfindung für die Fälle, wo der maximale Abstand,
bei dem die Kugeln innerhalb des Lastdurchgangs aufgenommen sind,
sich in Längsrichtung
des Mutterelements bewegen können,
als d bestimmt wurde, und die effektive Hubgröße des Mutterelements in der
Längsrichtung
der Schraubenspindel als D bestimmt wurde, der Abstand d so festgesetzt,
dass d > 1/2 D ist.
Entsprechenderweise kann das Mutterelement gleichförmig in
bezug zu der Schraubenspindel mit einem extrem geringen Rotationswiderstand
gedreht werden, und darüber
hinaus kann eine ausreichend wirksame Hubgröße für das Mutterelement in bezug
zu der Schraubenspindel erzielt werden.
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Die
Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:
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1 eine Querschnittsansicht,
die eine Ausführungsform
einer Kugelumlaufspindelvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
zeigt;
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2 eine Perspektivansicht,
die ein Anschlagelement gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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3 eine Perspektivansicht,
die ein Beispiel eines Anschlagelementes für einen Fall zeigt, wo eine
Kugelabwälznut
einer Schraubenspindel mit mehreren Gewindegängen versehen ist;
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4A bis 4D erläuternde Darstellungen, die
Kugelabwälzzustände innerhalb
eines Lastdurchgangs zeigen; und
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5A und 5B erläuternde Darstellungen, die
Kugelabwälzzustände innerhalb
des Lastdurchgangs in Fortführung
von 4D zeigen.
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Eine
Kugelumlaufspindelvorrichtung mit begrenztem Hub nach der vorliegenden
Erfindung wird nachstehend entsprechend der beigefügten Zeichnungen
erläutert.
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1 ist eine Querschnittsansicht,
die eine Ausführungsform
einer Kugelumlaufspindelvorrichtung entsprechend der vorliegenden
Erfindung zeigt. Die Kugelumlaufspindelvorrichtung enthält eine Schraubenspindel 1,
die eine schraubenförmige
Kugelabwälznut 10 aufweist,
die in einer Außenumfangsfläche der
Schraubenspindel 1 ausgebildet ist, und enthält ein Mutterelement 3,
das mit der Schraubenspindel 1 über eine Vielzahl von Kugeln 2 verschraubt
ist. Zum Beispiel bewegt sich durch Drehen der Schraubenspindel 1 das
Mutterement 3 in einer Längsrichtung am Umfang der Schraubenspindel 1.
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Das
Mutterelement 3 ist in einer im wesentlichen zylindrischen
Form ausgebildet, die mit einem hohlen Bereich versehen ist. Ein
Flanschbereich 30, der das Mutterelement an einem beweglichen
Element, wie z.B. einem Tisch befestigt, steht von einem Bereich
einer äußeren Umfangsfläche des
Mutterelements 3 hervor. Ein Schraubenloch 31,
durch welches eine Befestigungsschraube hindurchtreten kann, öffnet sich
in den Flanschbereich 30. Außerdem ist ein Bereich 32 mit
großem
Innendurchmesser an einer Innenumfangsfläche des Mutterelements 3 ausgebildet,
so dass es an beiden Enden in einer Spindelrichtung positioniert
werden kann, währenddessen
ein Bereich 33 mit kleinem Innendurchmesser so ausgebildet
ist, dass er zu den Bereichen 32 mit kleinem Durchmesser
zwischengesetzt ist. Eine schraubenförmige Lastabwälznut 34 ist
in dem Bereich 33 mit dem kleinen Innendurchmesser so ausgebildet,
dass sie der Kugelabwälznut 30 der Schraubenspindel 1 gegenüberliegt.
Die Kugeln 2 wälzen
sich zwischen der Lastabwälznut 34 des
Mutterelements 3 und der Kugelabwälznut 10 der Schraubenspindel 1,
währenddessen
sie belastet werden, ab. Das heißt, die Kugelabwälznut 10 der Schraubenspindel 1 und
die Lastabwälznut 34 des Mutterelements 3 liegen
einander gegenüber,
um somit einen schraubenförmigen
Lastdurchgang (load passage) 35 zu bilden, entlang dessen
sich die Vielzahl der Kugeln 2 abwälzen. Die Kugeln 2,
die innerhalb des Lastdurchgangs 35 aufgenommen sind, wälzen sich
daher ab, währenddessen
sie mit einer Last belastet werden, die zwischen dem Mutterelement 3 und
der Schraubenspindel 1 wirkt, wenn die Schraubenspindel 1 in
bezug zu dem Mutterelement 3 gedreht wird. Das Mutterelement 3 bewegt
sich linear zu einer Längsrichtung
hin, die der Richtung entspricht, zu der die Schraubenspindel 1 hin
gedreht wird.
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Andererseits
sind Anschlagelemente 4, die beide Enden des Lastdurchgangs 35 versperren
und Dichtungselemente 5, die in dichter Weise Zwischenräume zwischen
dem hohlen Bereich des Mutterelements 3 und der Schraubenspindel 1 abdichten,
an dem Bereich 32 mit großem Durchmesser montiert, der
an beiden Enden in Längsrichtung
des Mutterelements 3 positioniert ist. Unter Bezugnahme
auf 2 enthalten die
Anschlagelemente 4 einen ringförmigen befestigten Basisbereich 40,
der einen hohlen Bereich aufweist, durch welchen die Schraubenspindel 1 hindurchtritt,
und enthält
ein Kugelabfangstück (ball
catching piece) 41, das von dem befestigten Basisbereich 40 heraussteht.
Der befestigte Basisbereich 40 ist an dem Mutterelement 3 durch
Verbinden des befestigten Basisbereichs 40 mit dem Bereich 32 mit
dem großen
Innendurchmesser des Mutterelements 3 befestigt. Das Kugelabfangstück 41 ist
entlang einer Richtung gebogen, die tangential zu der Außenumfangsfläche der
Schraubenspindel 1 verläuft,
um somit eine Abfangsperre 42 zu bilden, die die Kugeln 2,
die innerhalb des Lastdurchgangs 35 abgewälzt sind,
in einem vorderen Ende des Kugelabfangstücks 41 aufnimmt. Das
Kugelabfangstück 41 wird
dann in den Lastdurchgang 35 von einem Endbereich des Lastdurchgangs 35,
der sich in einen Grenzbereich zwischen dem Bereich 32 mit
großem Innendurchmesser
und dem Bereich 33 mit kleinem Innendurchmesser des Mutterelements 3 öffnet, eingesetzt,
versperrt den Endbereich des Lastdurchgangs 35 und schränkt die
Länge des
Lastdurchgangs 35 ein, entlang welcher sich die Kugeln 2 abwälzen können.
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Die
Anschlagelemente 4 sind aus Metallplatten, wie z.B. Phosphor,
Bronze oder Federstahl ausgebildet. Die Metallplatte wird dann in
einer Donut-Form ausgestanzt, die den befestigten Basisbereich 40 bildet.
Ein Bereich des befestigten Basisbereichs 40 wird dann
hochgebogen und bildet das Kugelabfangstück 41 und die Abfangsperre 42.
Die Herstellung ist daher äußerst einfach,
und die Anschlagelemente 4 können mit äußerst geringen Kosten hergestellt
werden. Das Anschlagelement 4, das in 2 gezeigt ist, ist für eine Spindel mit einem Gewindegang
vorgesehen, d.h. für
einen Fall, wo eine Kugelabwälznut 10 an
der Schraubenspindel 1 ausgebildet ist. Das Anschlagelement 4,
das diese Struktur aufweist, kann auch einfach Fälle handhaben, wo mehrere Gewindegänge, wie
bei dem von 3, verwendet
werden, d.h., Fälle,
wo zwei oder mehr Kugelabwälznuten 2 in
der Außenumfangsfläche der Schraubenspindel 1 ausgebildet
sind.
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Die 4A bis 4D sind Darstellungen, die Wälzzustände der
Kugeln 2 innerhalb des Lastdurchgangs 35 zeigen.
Der Lastdurchgang 35 ist um den Umfang der Schraubenspindel 1 in
einer schraubenförmigen
Form gewunden, wobei aber zur Vereinfachung der Erläuterung
der Lastdurchgang 35 langgezogen in einer geraden Linie
gezeigt ist. Die Kugeln 2 sind in dem Lastdurchgang 35 ohne
Verwendung eines Kugelkäfigs
positioniert. Jede der Kugeln 2 kann sich innerhalb des
Lastdurchgangs 35 abwälzen,
ohne durch die Bewegung der anderen Kugeln behindert zu werden.
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Wenn
die Schraubenspindel 1 in bezug zu dem Mutterelement 3 gedreht
wird, und die Drehung der Schraubenspindel 1 auch dann
fortgeführt
wird, wenn die Drehung etwas schwergängig wird, nehmen alle Kugeln 2 einen
Zustand ein, wo sie sich einem Ende des Lastdurchgangs 35 annähern, wie
in 4A gezeigt ist. Dies
ist ein Zustand, wo eine Kugel 2a an einem am weitesten
am Ende befindlichen Bereich die Kugelabfangsperre 42 des
Anschlagelements 4 berührt,
und die einander benachbarten Kugeln 2 sind in Kontakt.
Die Schraubenspindel 1 wird in einer Rückwärtsrichtung aus diesem Zustand
gedreht. Es sollte angemerkt werden, dass eine relative Bewegung
des Mutterelements 3, die von einer Drehung der Schraubenspindel 1 begleitet
wird, entlang mit dem Verlauf der Zeit in den 4A bis 4D gezeigt ist.
Wenn sich das Mutterelement 3 in einer Richtung eines Pfeils
entlang der Drehung der Schraubenspindel 1 bewegt, bewegen
sich die Kugeln 2 in bezug zu der Schraubenspindel 1 in
einer Richtung, die identisch zu der des Mutterelements 3 ist,
wobei aber die Geschwindigkeit der Bewegung der Kugeln 2 langsamer
ist als die Bewegungsgeschwindigkeit des Mutterelements 3.
Entsprechenderweise bewegen sich die Kugeln 2 relativ innerhalb
des Lastdurchgangs 35 des Mutterelements 3 zu
dem anderen Ende des Lastdurchgangs 35 hin. An diesem Punkt
wälzen
sich die Kugeln 2b bis 2n, welche in einer zweiten
Position angeordnet sind und danach in einer Wälzrichtung geringfügig langsamer
als die Kugel 2a in der Anführposition aufgrund der Reibkräfte, wie
in 4B gezeigt ist. Die
Anführposition-Kugel 2a trennt
sich von der zweiten Kugel 2b. Das heißt, ein Zwischenraum wird zwischen
der Anführposition-Kugel 2a und
der Zweitposition-Kugel 2b gebildet.
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Ist
einmal ein Zwischenraum zwischen der Anführpositions-Kugel 2a und
der Zweitposition-Kugel 2b vorhanden,
wird dann ein Zwischenraum zwischen der Zweitposition-Kugel 2b und
einer Drittposition-Kugel 2c gebildet. Danach wird ein
Zwischenraum zwischen der Drittposition-Kugel 2c und einer Viertposition-Kugel 2d gebildet,
und ein Zwischenraum wird zwischen der Viertposition-Kugel 2d und einer
Fünftposition-Kugel 2e gebildet,
wie in 4C gezeigt ist.
Jede der Kugeln trennt sich nacheinander von der benachbarten Kugel.
Schließlich
wälzen
sich alle Kugeln 2 innerhalb des Lastdurchgangs 35 in
einem Zustand ab, wo benachbarte Kugeln voneinander getrennt sind,
wie in 4D gezeigt ist.
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Alle
Kugeln 2 wälzen
sich innerhalb des Lastdurchgangs 35 während einer Zeitdauer ab, wenn
sie sich von einem Zustand von 4A zu
dem Zustand von 4D bewegen.
Es wirkt jedoch eine Reibkraft, um das Abwälzen der Kugeln 2,
die einander in Kontakt sind, wie in den 4B und 4C gezeigt
ist, zu behindern. Entsprechenderweise wälzen sich die Kugeln 2 mit
einem begleitenden Rutschen ab, und eine Drehung der Schraubenspindel 1 in
bezug zu dem Mutterelement 3 muss schwergängig werden. Das
heißt,
in den Zuständen
der 4A bis 4C ist eine Drehung der Schraubenspindel 1 in
Bezug zu dem Mutterelement 3 schwergängig. Eine Drehung der Schraubenspindel 1 wird
nur leicht, wenn einmal der Zustand der Kugeln 2 innerhalb
des Lastdurchgangs 35 den Zustand von 4D erreicht hat.
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Wenn
die Drehung der Schraubenspindel 1 weiter fortgeführt wird,
bewegen sich die Kugeln, während
sie sich in dem Lastdurchgang 35 abwälzen, wie in 5A gezeigt ist. Schließlich läuft die Kugel 2n in
die am weitesten hinten befindliche Position in die Abfangsperre 42 des
Anschlagelements 4, das an der anderen Endseite des Lastdurchgangs 35 vorgesehen
ist, und die Kugel 2n stoppt das Abwälzen. Die Zwischenräume, die
zwischen einander benachbarten Kugeln 2 ausgebildet sind,
verengen sich daher, wenn die Schraubenspindel 1 weiter
gedreht wird. Schließlich
sind alle Kugeln in einem Zustand eines gegenseitigen Kontakts,
die durch das Anschlagelement 4 abgefangen sind. Das heißt, nach dem
Zustand, der in 5B gezeigt
ist, beginnen die Kugeln 2 entlang der Kugelabwälznut 10 der
Schraubenspindel 1 zu rutschen, und die Drehung der Schraubenspindel 1 in
Bezug zu dem Mutterelement 3 wird schwergängig.
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Das
heißt,
mit der Kugelumlaufspindelvorrichtung dieser Ausführungsform,
die keinen Kugelkäfig
zwischen der Schraubenspindel 1 und dem Mutterelement 3 enthält und mit
welchem jede der Kugeln 2 sich innerhalb des Lastdurchgangs 35 in
einem Zustand abwälzen
können,
wo die Kugeln 2 voneinander unabhängig sind, tritt eine Drehung
des Mutterelements 3 in bezug zu der Schraubenspindel 1 mit
einem äußerst leichten
Drehmoment nur zwischen dem Zustand von 4D und dem Zustand von 5B auf. In den Zuständen der 4A bis 4C ist
ein größeres Drehmoment
zum Drehen der Schraubenspindel 1 erforderlich Aus der
obigen Beschreibung muss der Abstand, durch welchen es möglich ist,
dass sich das Mutterelement 3 in bezug zu der Schraubenspindel 1 mit
einer äußerst geringen
Kraft bewegt, kleiner als 2 mal ein Abstand m (siehe 4A) sein, über welchen
sich die Kugeln 2 innerhalb des Lastdurchgangs 35 bewegen
können. Es
sollte angemerkt werden, dass der Abstand m die Länge des
Lastdurchgangs entlang einer Schraubenrichtung zeigt.
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Eine
Beziehung zwischen der Hubgröße des Mutterelements 3 in
der Längsrichtung
der Spindel 1 und der Abstand, entlang dessen sich die
Kugeln 2 innerhalb des Lastdurchgangs 35 bewegen,
werden berücksichtigt.
Die effektive Hubgröße des Mutterelements 3 in
der Längsrichtung
der Schraubenspindel 1, d.h. der Abstand entlang dessen
das Mutterelement 3 so ausgeführt werden kann, dass es sich
in der Längsrichtung
der Schraubenspindel 1 mit einem äußerst geringen Drehmoment bewegen
kann, wird als D bestimmt. Der maximale Abstand d, über welchen
sich die Kugeln 2 innerhalb des Lastdurchgangs 35 in
der Längsrichtung
des Mutterelements 3 (nicht der schraubenförmigen Richtung)
bewegen können, muss
größer als
1/2 des Abstands D (50% der Länge)
sein.
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Die
Anmelder der vorliegenden Anmeldung bestätigten, dass, wenn die Länge des
Lastdurchgangs entlang der Längsrichtung
des Mutterelements auf 30 mm festgesetzt war und die Länge, entlang
der die Kugeln nicht aufgenommen waren, d.h. der maximale Bewegungsabstand
d für die
Kugeln in der Längsrichtung
auf 15 mm festgesetzt wurde, bei einem aktuellen Prototyp einer
Kugelumlaufspindelvorrichtung, die Hubgröße D des Mutterelements in einer
Längsrichtung
der Schraubenspindel 23 mm war, wodurch eine Beziehung d > (1/2) D, nicht d = (1/2)
D erfüllt
wurde.