DE102005028679A1

DE102005028679A1 - Kugelspindelvorrichtung

Info

Publication number: DE102005028679A1
Application number: DE102005028679A
Authority: DE
Inventors: Masato Maebashi Kato
Original assignee: NSK Ltd; NSK Precision Co Ltd
Current assignee: NSK Ltd; NSK Precision Co Ltd
Priority date: 2004-06-22
Filing date: 2005-06-21
Publication date: 2006-02-16
Also published as: US20060016284A1; CN1712755A; CN100427802C; JP2006009836A

Abstract

Eine Kugelspindelvorrichtung umfaßt eine Spindelwelle, welche eine erste Kugelspindelnut aufweist; einen Gewindering, welcher eine zweite Kugelspindelnut gegenüber der ersten Kugelspindelnut, ein Kugelrückführungs-Durchgangsloch für das Umlaufen der Bälle und Kugelumlenkelemente, welche einen Kugelumlenkgang aufweisen, welcher sowohl mit dem Kugellastrollgang als auch dem Kugelrückführungs-Durchgangsloch verbunden ist und jeweils an gegenüberliegenden Endabschnitten des Gewinderings vorgesehen ist, umfaßt; und eine Anzahl von Kugeln, welche in einem Kugellastrollgang, welcher zwischen der ersten und der zweiten Kugelspindelnut ausgebildet ist, entsprechend einer Drehung der Spindelwelle bzw. des Gewinderings rollen, wobei, wenn ein Durchmesser der Kugeln durch D¶1¶ dargestellt wird, D¶1¶ - Dw 3% oder mehr und 10% von Dw oder weniger beträgt.

Description

Die vorliegende Erfindung beansprucht Auslandspriorität hinsichtlich der japanischen Patentanmeldung Nr. 2004-184191, eingereicht am 22. 6. 2004, deren Inhalt durch Verweis in der vorliegenden Schrift aufgenommen ist.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine verbesserte Kugelspindelvorrichtung zum Umwandeln einer Drehbewegung in eine lineare Bewegung.

Eine Kugelspindelvorrichtung, welche in einer Zustellvorrichtung eines Maschinenwerkzeugs oder ähnlichem verwendet wird, weist eine Spindelwelle, einen Gewindering, welcher eine Kugelspindelnut aufweist, welche in einer inneren Umfangsfläche davon ausgebildet und gegenüber einer Kugelspindelnut, welche in einer äußeren Umfangsfläche der Spindelwelle ausgebildet ist, angeordnet ist, und eine Anzahl von Kugeln, welche in einem Kugellastrollgang, welcher zwischen den Kugelspindelnuten des Gewinderings und der Spindelwelle ausgebildet ist, entsprechend der Drehung der Spindelwelle bzw. des Gewinderings rollen, auf.

Bei einer derartigen Kugelspindelvorrichtung führt, wenn beispielsweise durch die Drehung der Spindelwelle bewirkt wird, daß die Kugeln entlang des Kugellastrollgangs rollen, der Gewindering eine lineare Bewegung gegen die Spindelwelle in Axialrichtung davon aus. Um die lineare Relativbewegung des Gewinderings fortzusetzen, ist es notwendig, die Kugeln, wel che entlang des Kugellastrollgangs rollen, derart umlaufen zu lassen, daß die Kugeln wiederholt entlang des Kugellastrollgangs rollen können. Bei dem Kugelspindelvorrichtungstyp, welcher ein Kugelumlaufrohr als Abschnitt für das Umlaufen der Kugeln verwendet, entstand jedoch ein Problem im Hinblick darauf, daß sich gerne Geräusche, Schwingungen und andere Erscheinungen entwickeln, wenn die Umlaufgeschwindigkeit der Kugeln ansteigt.

Daher wurde eine Konstruktion vorgeschlagen, wobei ein Kugelrückführungs-Durchgangsloch für das Umlaufen der Kugeln in dem Gewindering ausgebildet ist und in Axialrichtung der Spindelwelle verläuft; und Kugelumlenkelemente, welche jeweils einen Kugelumlenkgang aufweisen, welcher sowohl mit einem Kugellastrollgang als auch dem Kugelrückführungs-Durchgangsloch verbunden ist, jeweils an gegenüberliegenden Endabschnitten des Gewinderings vorgesehen sind (siehe die japanische geprüfte Gebrauchsmusterveröffentlichung JP-UM-B-3034052).

Bei einer derartigen Kugelspindelvorrichtung kann die Entwicklung von Geräuschen, Schwingungen und anderen Erscheinungen unterdrückt werden, verglichen mit dem Kugelspindelvorrichtungstyp, welcher das Kugelumlaufrohr verwendet. Wenn der Durchmesser des Kugelrückführungs-Durchgangslochs relativ zu dem Durchmesser der Kugeln zu groß ist, ist jedoch das Spiel der Kugeln in dem Kugelrückführungs-Durchgangsloch (das bedeutet, ein Spalt zwischen dem Kugelrückführungs-Durchgangsloch und den Kugeln) groß. Infolgedessen werden die Kugeln gerne in einer versetzten Weise in dem Kugelrückführungs-Durchgangsloch angeordnet. In diesem Fall rücken, wenn die Spindelwelle bzw. der Gewindering mit hoher Drehzahl gedreht wird, die Kugeln in dem Kugelrückführungs-Durchgangsloch entlang desselben vor, wobei diese gegen die innere Oberfläche des Kugelrückführungs-Durchgangslochs stoßen. Demgemäß besteht ein Problem im Hin blick darauf, daß akustische Betriebseigenschaften verschlechtert werden.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung erfolgte im Hinblick auf dieses Problem, und es ist eine der Aufgaben der vorliegenden Erfindung, eine Kugelspindelvorrichtung zu schaffen, wobei gute akustische Betriebseigenschaften selbst dann erreicht werden können, wenn die Spindelwelle bzw. der Gewindering mit hoher Drehzahl gedreht wird.

Um die oben erwähnte Aufgabe zu lösen, wird gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Kugelspindelvorrichtung geschaffen, umfassend:
eine Spindelwelle, welche eine erste Kugelspindelnut aufweist, welche an einer äußeren Umfangsfläche davon ausgebildet ist;
einen Gewindering, umfassend:
eine zweite Kugelspindelnut, welche an einer inneren Umfangsfläche davon derart ausgebildet ist, daß sich diese gegenüber der ersten Kugelspindelnut befindet;
ein Kugelrückführungs-Durchgangsloch für das Umlaufen der Kugeln, welches in Axialrichtung der Spindelwelle verläuft; und
Kugelumlenkelemente, umfassend:
einen Kugelumlenkgang, welcher sowohl mit dem Kugellastrollgang als auch dem Kugelrückführungs- Durchgangsloch verbunden und jeweils an gegenüberliegenden Endabschnitten des Gewinderings vorgesehen ist; und
eine Anzahl von Kugeln, welche in einem Kugellastrollgang, welcher zwischen der ersten und der zweiten Kugelspindelnut ausgebildet ist, entsprechend einer Drehung der Spindelwelle bzw. des Gewinderings rollen,
wobei,
wenn ein Durchmesser der Kugeln durch Dw dargestellt wird und ein Durchmesser des Kugelrückführungs-Durchgangslochs durch D₁ dargestellt wird, D₁ – Dw 3 % von Dw oder mehr und 10 von Dw oder weniger beträgt.

Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung gemäß Darlegung bei dem ersten Aspekt der Erfindung ist es günstiger, wenn bei der Kugelspindelvorrichtung nach Anspruch 1, wenn ein Durchmesser des Kugelumlenkgangs durch D₂ dargestellt wird, D₂ – Dw 10% von Dw oder weniger beträgt.

Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung gemäß Darlegung bei dem ersten bzw. zweiten Aspekt der Erfindung ist es günstiger, wenn ein Abstandhalter, welcher aus einem Material hergestellt ist, welches weicher als das der Kugeln ist, jeweils zwischen zwei benachbarten Kugeln vorgesehen ist.

Gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung gemäß Darlegung bei dem dritten Aspekt der Erfindung ist es günstiger, wenn jeder der Abstandhalter in einer scheibenförmigen Gestalt ausgebildet ist und einen kleineren Durchmesser als die Kugeln aufweist.

Gemäß einem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung gemäß Darlegung bei dem dritten Aspekt der Erfindung ist es günstiger, wenn jeder der Abstandhalter in einer sphärischen Gestalt ausgebildet ist und einen kleineren Durchmesser als die Kugeln aufweist.

Bei der Kugelspindelvorrichtung der vorliegenden Erfindung ist, wenn der Durchmesser der Kugeln durch Dw dargestellt wird und der Durchmesser des Kugelrückführungs-Durchgangslochs durch D₁ dargestellt wird, D₁ – Dw nicht kleiner als 3% von Dw und nicht größer als 10% von Dw. Bei dieser Konstruktion wird die Möglichkeit, daß die Kugeln in einer versetzten Weise in dem Kugelrückführungs-Durchgangsloch angeordnet werden, stark vermindert, daher werden selbst dann gute akustische Betriebseigenschaften erreicht, wenn die Spindelwelle bzw. der Gewindering mit hoher Drehzahl gedreht wird. Und außerdem wird die Konkurrenz der Kugeln untereinander in dem Kugelrückführungs-Durchgangsloch unterdrückt, daher wird die Funktionstüchtigkeit der Kugelspindelvorrichtung verbessert.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 ist eine Querschnittsansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer Kugelspindelvorrichtung der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine perspektivische Ansicht, welche ein Kugelumlenkelement darstellt, welches in 1 dargestellt ist;
3 ist eine Querschnittsansicht, welche einen Abstandshalter darstellt, welcher in 1 dargestellt ist;
4 ist ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen der Spaltgröße (definiert zwischen Kugeln und einem Kugelrückführungs-Durchgangsloch) und einem akustischen Lautstärkepegel der Kugelspindel darstellt; und
5 ist eine Querschnittsansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Kugelspindelvorrichtung der Erfindung.
GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Verweis auf die Zeichnung beschrieben.
1 ist eine Querschnittsansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer Kugelspindelvorrichtung der Erfindung. In dieser Figur bezeichnet die Bezugsziffer 11 eine Spindelwelle der Kugelspindelvorrichtung des ersten Ausführungsbeispiels, und eine Kugelspindelnut 12 ist in einer äußeren Umfangsfläche der Spindelwelle 11 ausgebildet. Die Bezugsziffer 13 bezeichnet einen Gewindering, welcher eine Kugelspindelnut 14 aufweist, welche in einer inneren Umfangsfläche davon ausgebildet ist und sich gegenüber der Kugelspindelnut 12 der Spindelwelle 11 befindet. Ein Kugellastrollgang 15 mit helixförmiger Gestaltung ist zwischen der Kugelspindelnut 14 des Gewinderings 13 und der Kugelspindelnut 12 der Spindelwelle 11 ausgebildet. Es ist eine Anzahl von Kugeln 16 vorgesehen, welche entsprechend der Drehung der Spindelwelle 11 bzw. des Gewinderings 13 in dem Kugellastrollgang 15 und entlang desselben rollen.
Ein Kugelrückführungs-Durchgangsloch 17 für das Umlaufen der Kugeln 16, welche sich rollend durch den Kugellastrollgang 15 bewegen, ist in dem Gewindering 13 ausgebildet und verläuft in Axialrichtung der Spindelwelle 11. Kugelumlenkelemente 18 sind jeweils in gegenüberliegenden Endabschnitten des Gewinderings 13 aufgenommen. Jedes der Kugelumlenkelemente 18 ist aus einem Kunstharz hergestellt, und ein Kugelumlenkgang 19 (siehe 2), welcher sowohl mit dem Kugellastrollgang 15 als auch dem Kugelrückführungs-Durchgangsloch 17 verbunden ist, ist in jedem Kugelumlenkelement 18 ausgebildet.
Die Kugeln 16 sind beispielsweise aus Stahl hergestellt, und ein Abstandshalter 20 ist jeweils zwischen zwei benachbarten Kugeln 16 vorgesehen. Der Abstandshalter ist aus einem Material (beispielsweise einem Kunstharz) hergestellt, welches weicher als das Material der Kugeln 16 ist. Jeder Abstandshalter 20 ist in einer scheibenförmigen Gestalt ausgebildet und weist einen kleineren Durchmesser als die Kugel 16 auf. Konkave sphärische Oberflächen 21 (siehe 3) sind jeweils in gegenüberliegenden Seiten jedes Abstandshalters 20 ausgebildet, und jede konkave sphärische Oberfläche 21 weist eine Krümmung auf, welche größer als der Durchmesser der Kugel 16 ist. Der Abstandshalter 20 weist ein Durchgangsloch 22 auf, welches durch mittlere Abschnitte der zwei konkaven sphärischen Oberflächen 21 davon verläuft.
Das Kugelrückführungs-Durchgangsloch 17 ist in dem Gewindering 13 derart ausgebildet, daß die folgende Formel (1) erfüllt ist: (D1 – Dw) ≤ 0,1Dw ...(1)wobei Dw den Durchmesser der Kugel 16 darstellt und D₁ den Durchmesser des Kugelrückführungs-Durchgangslochs 17 darstellt.
Der Kugelumlenkgang 19 ist in dem Kugelumlenkelement 18 derart ausgebildet, daß die folgende Formel (2) erfüllt ist: (D2 – Dw) ≤ 0,1Dw ...(2)wobei Dw den Durchmesser der Kugel 16 darstellt und D₂ den Durchmesser des Kugelumlenkgangs 19 darstellt.
Wie oben beschrieben, ist, wenn der Durchmesser der Kugel 16 durch Dw dargestellt wird und der Durchmesser des Kugelrückführungs-Durchgangslochs 17 durch D₁ dargestellt wird, D₁ – Dw nicht größer als 10% von Dw. Bei dieser Konstruktion wird das Spiel jeder Kugel 16 in dem Kugelrückführungs-Durchgangsloch 17 vermindert. Infolgedessen wird die Möglichkeit, daß die Kugeln 16 in einer versetzten Weise in dem Kugelrückführungs-Durchgangsloch 17 angeordnet werden, stark vermindert. Daher werden selbst dann gute akustische Betriebseigenschaften erreicht, wenn die Spindelwelle 11 bzw. der Gewindering 13 mit hoher Drehzahl gedreht wird. Außerdem wird die Konkurrenz der Kugeln 16 untereinander in dem Kugelrückführungs-Durchgangsloch 17 unterdrückt, und daher wird die Funktionstüchtigkeit der Kugelspindelvorrichtung verbessert.
Ferner ist bei dem oben erwähnten Ausführungsbeispiel, wenn der Durchmesser der Kugel 16 durch Dw dargestellt wird und der Durchmesser des Kugelumlenkgangs 19 durch D₂ dargestellt wird, D₂ – Dw nicht größer als 10% von Dw. Bei dieser Konstruktion wird das Spiel jeder Kugel 16 in dem Kugelumlenkgang 19 vermindert. Infolgedessen wird die Möglichkeit, daß die Kugeln 16 in einer versetzten Weise in dem Kugelrückführungs-Durchgangsloch 17 angeordnet werden, stark vermindert, und daher werden die guten akustischen Betriebseigenschaften selbst dann erreicht, wenn die Spindelwelle 11 bzw. der Gewindering 13 mit hoher Drehzahl gedreht wird. Außerdem wird die Konkurrenz der Kugeln 16 untereinander in dem Kugelumlenkgang 19 unterdrückt, und daher wird die Funktionstüchtigkeit der Kugelspindelvorrichtung verbessert.
Ferner ist bei dem oben erwähnten Ausführungsbeispiel der Abstandshalter 20 (welcher aus einem Material hergestellt ist, welches weicher als das Material der Kugeln 16 ist) jeweils zwischen zwei benachbarten Kugeln 16, 16 vorgesehen, und dadurch wird verhindert, daß die folgende Kugel 16 gegen die Ku gel 16 stößt, welche sich vor dieser bewegt, und daher wird die Entwicklung von Geräuschen, Schwingungen und anderen Erscheinungen aufgrund des Stoßens der Kugeln gegeneinander unterdrückt.
Um die oben erwähnten Wirkungen zu bestätigen, führte der Erfinder der vorliegenden Erfindung eine akustische Meßprüfung für die Kugelspindelvorrichtung aus, wobei ein Mikrofon auf einem Höhenniveau in einem Abstand von 400 mm von der Achse einer Spindelwelle nach oben angebracht wurde und die folgenden Prüfbedingungen verwendet wurden.
Verwendete Prüfmaschine: Akustische Meßprüfmaschine für Kugelspindeln, hergestellt durch NSK;
Vorbelastung: 1800 N;
Prüfbelastung (Beschleunigungsbelastung): 1800 N
Maximale Zahl der Umdrehungen: 3000 min^-1;
Hubstrecke: 800 mm;
Schmiermittel: VG Nr. 68 (Idemitsu Kosan);
Prüf-Kugelspindelvorrichtung: Kugelspindelnummer: 40 × 12 × 1000 – C5, hergestellt durch NSK.
Ergebnisse der Prüfung sind in 4 dargestellt.
In 4 stellt die Abszissenachse die Größe S von Spalten (= D₁ – Dw, D₂ – Dw) zwischen dem Kugelrückführungs-Durchgangsloch 17 und den Kugeln 16 und ferner zwischen dem Kugelumlenkgang 19 und den Kugeln 16 dar, und die Ordinatenachse stellt ein akustisches Verhältnis dar, welches erhalten wird, wenn der Schalldruckpegel, welcher erzeugt wird, wenn eine herkömmliche Kugelspindelvorrichtung betrieben wird, durch 1 ausgedrückt wird. Die Linien TP1, TP2 und TP3 stellen Ergebnisse der ausgeführten akustischen Meßprüfung unter Verwendung der Kugelspindelvorrichtung der vorliegenden Erfindung dar.
Wie in 4 dargestellt, fällt das akustische Verhältnis stark ab, wenn die Spaltgröße S den Wert Dw/8 überschreitet, und es sei bemerkt, daß, wenn die Spaltgröße S nicht größer als Dw/8 und vorzugsweise nicht größer als Dw/10 ist, der Abfall des akustischen Verhältnisses klein ist. Daher können durch Festlegen der Größe S des Spalts zwischen dem Kugelrückführungs-Durchgangsloch 17 und den Kugeln und ferner zwischen dem Kugelumlenkgang 19 und den Kugeln 16 auf einen Wert, welcher nicht größer als Dw/8 und vorzugsweise nicht größer als Dw/10 ist, Geräusche und Schwingungen weiter vermindert werden.
Wenn die Spaltgröße S kleiner als 3% von Dw ist, werden die Kugeln 16 aufgrund eines Fehlers beim Anbringen der Kugelumlenkelemente 18 in dem Gewindering 13 gerne ein wenig festgehalten, und daher sollte die Spaltgröße S vorzugsweise nicht kleiner als 3% von Dw und nicht größer als 10% von Dw sein.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf das oben erwähnte Ausführungsbeispiel beschränkt. Beispielsweise können bei dem oben erwähnten Ausführungsbeispiel, obgleich jeder der Abstandshalter 20 in einer scheibenförmigen Gestalt ausgebildet ist und einen kleineren Durchmesser als die Kugeln 16 aufweist, Abstandshalter 20 mit einer sphärischen Gestalt, welche einen kleineren Durchmesser als die Kugeln 16 aufweisen, verwendet werden, wie in 5 dargestellt.
Obgleich die Beschreibung in Verbindung mit den bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung erfolgte, ist für Fachkundige ersichtlich, daß verschiedene Änderungen und Abwandlungen daran vorgenommen werden können, ohne von der vorliegenden Erfindung abzuweichen, und daher sollen sämtliche derartigen Änderungen und Abwandlungen, welche unter das Grundprinzip und den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung fallen, in den beigefügten Ansprüchen eingeschlossen sein.

Claims

Kugelspindelvorrichtung, umfassend: eine Spindelwelle, welche eine erste Kugelspindelnut aufweist, welche an einer äußeren Umfangsfläche davon ausgebildet ist; einen Gewindering, umfassend: eine zweite Kugelspindelnut, welche an einer inneren Umfangsfläche davon derart ausgebildet ist, daß sich diese gegenüber der ersten Kugelspindelnut befindet; ein Kugelrückführungs-Durchgangsloch für das Umlaufen der Kugeln, welches in Axialrichtung der Spindelwelle verläuft; und Kugelumlenkelemente, umfassend: einen Kugelumlenkgang, welcher sowohl mit dem Kugellastrollgang als auch dem Kugelrückführungs-Durchgangsloch verbunden und jeweils an gegenüberliegenden Endabschnitten des Gewinderings vorgesehen ist; und eine Anzahl von Kugeln, welche in einem Kugellastrollgang, welcher zwischen der ersten und der zweiten Kugelspindelnut ausgebildet ist, entsprechend einer Drehung der Spindelwelle bzw. des Gewinderings rollen, wobei, wenn ein Durchmesser der Kugeln durch Dw dargestellt wird und ein Durchmesser des Kugelrückführungs-Durchgangslochs durch D₁ dargestellt wird, D₁ – Dw 3% von Dw oder mehr und 10 von Dw oder weniger beträgt.
Kugelspindelvorrichtung nach Anspruch 1, wobei, wenn ein Durchmesser des Kugelumlenkgangs durch D₂ dargestellt wird, D₂ – Dw 10% von Dw oder weniger beträgt.
Kugelspindelvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Abstandshalter, welcher aus einem Material hergestellt ist, welches weicher als das der Kugeln ist, jeweils zwischen zwei benachbarten Kugeln vorgesehen ist.
Kugelspindelvorrichtung nach Anspruch 3, wobei jeder der Abstandshalter in einer scheibenförmigen Gestalt ausgebildet ist und einen kleineren Durchmesser als die Kugeln aufweist.
Kugelspindelvorrichtung nach Anspruch 3, wobei jeder der Abstandshalter in einer sphärischen Gestalt ausgebildet ist und einen kleineren Durchmesser als die Kugeln aufweist.