DE102007003057A1

DE102007003057A1 - Kugelgewindetrieb

Info

Publication number: DE102007003057A1
Application number: DE102007003057A
Authority: DE
Inventors: Dieter Dipl.-Ing. Adler (FH); Wolfgang DÖPPLING; Horst Steinbinder; Markus Dipl.-Ing. Stiegler (FH); Bernd Winkelmann; Manfred Dr. Kraus; Jürgen Dipl.-Ing. Osterlänger; Ralf Mayer
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2007-01-20
Filing date: 2007-01-20
Publication date: 2008-07-24

Abstract

Kugelgewindetrieb, mit einer Gewindespindel (3) und mit einer auf der Gewindespindel (3) angeordneten Kugelmutter (4) und mit wenigstens einem schraubenförmig um die Spindelachse gewundenen endlosen Kugelkanal (7), in dem ein Satz von Kugeln (8) endlos umwälzt, wobei der Kugelkanal (7) einen Lastabschnitt (9) und einen die beiden Enden des Lastabschnittes (9) endlos verbindenden Umlenkabschnitt (10) aufweist und wobei an einander zugewandten Umfangsseiten der Kugelmutter (4, 6) und der Gewindespindel (3) ausgebildete, schraubenförmig um die Spindelachse gewundene Kugelrillen (11, 12) den Lastabschnitt (9) begrenzen, wobei der Satz von Kugeln (8, 8a) im Durchmesser kleinere und größere Kugeln (8, 8a) aufweist, wobei die Anzahl der größeren Kugeln (8a) mindestens zwei beträgt und wobei höchstens jede dritte Kugel des Satzes von Kugeln (8, 8a) eine der größeren Kugeln (8a) ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kugelgewindetrieb, mit einer Gewindespindel und mit einer auf der Gewindespindel angeordneten Kugelmutter. Derartige Kugelgewindetriebe wandeln eine rotierende in eine drehende Bewegung um.
Aus DE 100 28 629 B4 beispielsweise ist ein Wälzkörpergewindetrieb bekannt geworden, bei dem eine Gewindemutter auf einer Spindel drehbar angeordnet ist. Die Gewindemutter ist aus zwei Gewindemutterteilen zusammengesetzt, von denen jeder zumindest einen Abschnitt der Gewindespindelnut und einen Abschnitt des Rückführkanals oder Umlenkabschnitt umfasst. An der Gewindespindel und an der Gewindemutter sind Kugelrillen ausgebildet, die den Gewindekanal bilden. In diesem Gewindekanal wälzen Kugeln endlos um. Die beiden Gewindemutterteile liegen mit ihren einander zugewandten Stirnflächen spaltfrei aneinander an, wobei der Kugelgewindetrieb geshiftet sein kann. Unter Shiften wird allgemein verstanden, dass die Wälzkörper an der Wandung der Gegenspindelnut jeweils nur noch an zwei Punkten anliegen, und nicht an vier Punkten, wie dies bei einer nicht geshifteten Gewindemutter üblicherweise der Fall ist. Und zwar kann bei einer nicht geshifteten Gewindemutter im belasteten Zustand die Last unabhängig von der Lastrichtung immer von zwei der vier Anlagepunkte übertragen werden. Dies wird üblicherweise durch Variation der Gewindesteigung in der Gewindemutter erzielt. Bei einer geshifteten Gewindemutter stimmt hingegen aufgrund des Shiftens nur bei der Hälfte der Wälzkörper die durch die beiden Anlagepunkte verlaufende Lastaufnahmelinie mit der Lastrichtung überein. Die Wälzkörper, deren Lastaufnahmelinie nicht in Lastrichtung verläuft, können zur Lastübertragung nicht beitragen. Eine exakte Vorspannung der Gewindemutter bezüglich der Gewindespindel kann auch durch die Wahl des Durchmessers der Kugeln oder durch Abschleifen wenigstens eines der Gewindemutterteile an deren Stirnflächen eingestellt werden.
Die Herstellung von derartigen Wälzkörpergewindetrieben erfordert eine Vielzahl von Arbeitsschritten. Insbesondere das Anpassen der beiden Gewindemutterteile kann einen erhöhten Montageaufwand erfordern.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, einen Kugelgewindetrieb nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 anzugeben, der einfach herstellbar ist, und bei dem die Kugelmutter spielfrei auf der Gewindespindel angeordnet ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch den Kugelgewindetrieb gemäß Anspruch 1 gelöst. In dem endlosen Kugelkanal wälzt ein Satz von Kugeln endlos um, wobei dieser Satz von Kugeln im Durchmesser kleinere und größere Kugeln aufweist, wobei die Anzahl der größeren Kugeln mindestens zwei beträgt und wobei höchstens jede dritte Kugel des Satzes von Kugeln eine der größeren Kugeln ist. Mit der Erfindung werden eine Reihe von Vorteilen erzielt: Zunächst können auch spielfreie Kugelgewindetriebe verwirklicht werden, bei denen einteilige Kugelmuttern möglich sind. Bei einer einteiligen Kugelmutter entfällt das bei mehrteiligen Kugelmuttern erforderliche Bearbeiten der Stirnseiten der Kugelmutterteile zur Einstellung der Vorspannung.
Vorzugsweise sind die größeren Kugeln gerade so dimensioniert, dass sie unter leichter Vorspannung im Lastabschnitt an den Kugelrillen der Gewindespindel und der Kugelmutter anliegen. Für den Fall dass keine geshiftete Mutter verwendet wird, liegen dann alle größeren Kugeln bei einem gothi schen Querschnittsprofil der Kugelrillen im Vierpunktkontakt an den Kugelrillen der Gewindespindel und der Kugelmutter an. Die kleineren Kugeln sind gerade so dimensioniert, dass sie gerade noch mit Spiel im Lastabschnitt des Kugelkanals angeordnet sind.
Durch die Begrenzung der Anzahl der größeren Kugeln auf mindestens zwei Kugeln und höchstens jede dritte Kugel des Satz von Kugeln wird zu dem eine Leichgängigkeit des Kugelgewindetriebs und Spielfreiheit der Spindelmutter auf der Gewindespindel gewährleistet.
Bei einem bevorzugten erfindungsgemäßen Kugelgewindetrieb wälzen alle Kugeln des Lastabschnittes unter Betriebslast in beiden axialen Richtungen an den Kugelrillen der Kugelmutter und der Gewindespindel ab, während ohne Übertragung von äußeren Kräften zwischen der Gewindespindel und der Kugelmutter lediglich die größeren Kugeln spielfrei an den Kugelrillen im Lastabschnitt abwälzen, während die kleineren Kugeln im Lastabschnitt spielbehaftet sind. Das bedeutet, die Erfindung nutzt die federelastischen Eigenschaften der Kugeln sowie gegebenenfalls auch der Kugelmutter und/oder der Gewindespindel. Ausgehend von einem lastfreien Zustand werden bei einer Zunahme von äußeren Kräften die größeren Kugeln zunehmend zwischen den Kugelrillen belastet, während zusätzlich die kleineren Kugeln nicht länger spielbehaftet sind, sondern ebenfalls zwischen den Kugelrillen eingespannt sind. Das bedeutet, dass auch bei Wegfall von äußern Kräften eine Spielfreiheit des erfindungsgemäßen Kugelgewindetriebes gewährleistet ist, sodass beispielsweise unerwünschte Klappergeräusche vermieden sind, wenn leichte oszillierende Bewegungen in den axialen Richtungen in den Kugelgewindetrieb eingeleitet werden.
Leichtgängigkeit des Kugelgewindetriebes und gleichzeitiges klapperfreies Betriebsverhalten auch bei Abwesenheit von äußeren Kräften kann insbesondere bei der Verwendung von erfindungsgemäßen Kugelgewindetrieben in elektromechanischen Servolenkungen von Kraftfahrzeugen von Vorteil sein. In elektromechanischen Servolenkungen werden oftmals Kugelgewin degetriebe eingesetzt, wobei ein Servomotor die Spindelmutter antreibt, sodass eine axiale Verschiebung der Gewindespindel einsetzt, die an einer Schubstange ausgebildet ist, über die die Räder des Kraftfahrzeuges angelenkt werden können. Bei Geradeausfahrt des Kraftfahrzeuges oder auch bei schnellem Hin- und Herschwenken des Lenkrades im Stillstand des Fahrzeuges können spielbehaftete Kugelgewindetriebe unerwünschte Klappergeräusche verursachen. Die Erfindung vermeidet diese Klappergeräusche durch die erfindungsgemäß vorgesehenen größeren Kugeln, die in dem Satz von Kugeln verteilt angeordnet sind.
Ein weiterer Vorteil kann darin gesehen werden, dass aufgrund der wenigen verteilt angeordneten vorgespannten Kugeln die Leichtgängigkeit des Kugelgewindetriebs gewährleistet ist.
Ein weiterer Vorteil kann darin gesehen werden, dass bei elektromechanisch unterstützten Lenkeinrichtungen von Kraftfahrzeugen eine bessere Regelbarkeit der Lenkbewegungen aufgrund des spielfreien erfindungsgemäßen Kugelgewindetriebs gewährleistet ist.
Es hat sich herausgestellt, dass im Hinblick auf unerwünschte Reibung und erwünschter Klapperfreiheit höchstens jede fünfte Kugeln bis mindestens jede zehnte Kugel des Satzes von Kugeln durch die größeren Kugeln gebildet sind, wobei diese größeren Kugeln im Satz von Kugeln verteilt angeordnet sind. Jedenfalls ist erfindungsgemäß immer sichergestellt, dass mindestens eine Kugel im Lastabschnitt eines endlosen Kugelkanals angeordnet ist.
Es wurde ferner herausgefunden, dass Leichtgängigkeit und Klapperfreiheit erreicht werden, wenn die größeren Kugeln einen Kugeldurchmesser aufweisen, der mindestens 1 μm und höchstens 20 μm größer als der Kugeldurchmesser der kleineren Kugeln ist. Die größeren Kugeln können zusortiert werden. Bei einem Kugeldurchmesser von bis zu 3,5 mm sind die größeren Kugeln mindestens um 1 μm und höchstens um 10 μm vergrößert.
Bei größeren Kugeln bis ca. 4 mm kann die untere Grenze der Durchmesservergrößerung der größeren Kugeln um 1 μm angehoben werden und die obere Grenze ebenfalls angehoben werden. Bei einem Kugeldurchmesser von mindestens 12 mm beträgt die obere Grenze der Durchmesservergrößerung der größeren Kugel höchstens 20 μm und die untere Grenze mindestens 2 μm.
Beispielsweise bei einer angetriebenen Kugelmutter kann die Kugelmutter an einem Gehäuse über ein Kugellager gelagert sein, bei dem ein Satz von Kugeln an Laufbahnen des Kugellagers abwälzt, wobei der Satz von Kugeln im Durchmesser kleinere und größere Kugeln aufweist, wobei die Anzahl der größeren Kugeln mindestens zwei beträgt und wobei höchstens jede dritte Kugel des Satzes von Kugeln eine der größeren Kugeln ist. Die Auswahl und die Festlegung der Durchmesser der größeren und kleineren Kugeln erfolgt nach den gleichen Kriterien wie zuvor bei den Kugeln des Kugelgewindetriebes ausführlich beschrieben wurde.
Die Kugeln können aus Stahl, aber auch aus Keramik gebildet sein.
Nachstehend wird die Erfindung anhand eines in insgesamt vier Figuren abgebildeten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen:
1 einen Längsschnitt durch einen Teil einer elektromechanischen Lenkung eines Kraftfahrzeuges mit einem erfindungsgemäßen Kugelgewindetrieb,
2 in einer Ausschnittsvergrößerung der 1 einen abgewandelten erfindungsgemäßen Kugelgewindetrieb,
3 und 4 jeweils zwei endlose Kugelkanäle mit je einem Satz von Kugeln.
1 zeigt im Längsschnitt einen Teil durch eine elektromechanische Lenkung eines Kraftfahrzeuges. In einem Gehäuse 1 ist eine Zahnstange 2 untergebracht, an deren eines Ende eine Gewindespindel 3 eines erfindungsgemäßen Kugelgewindetriebes anschließt. Der Kugelgewindetrieb weist eine Kugelmutter 4 auf, die über ein Kugellager 5 an dem Gehäuse 1 radial und axial gelagert ist. Das Kugellager 5 ist vorzugsweise als Vierpunktrillenkugellager ausgebildet.
Die Kugelmutter wird über einen hier nicht abgebildeten Elektromotor angetrieben. Unter Rotation der Kugelmutter 4 wird die Gewindespindel 3 und somit auch die Zahnstange 2 in ihren axialen Richtungen verschoben.
2 zeigt einen erfindungsgemäßen Kugelgewindetrieb, wie er auch in der 1 angedeutet ist.
Der in der 2 abgebildete erfindungsgemäße Kugelgewindetrieb unterscheidet sich von dem in der 1 abgebildeten erfindungsgemäßen Kugelgewindetrieb lediglich dadurch, dass die Kugelmutter an ihrem Außenumfang leicht modifiziert ist.
Der erfindungsgemäße Kugelgewindetrieb gemäß 2 weist eine Kugelmutter 6 auf, die drehbar auf der Gewindespindel 3 angeordnet ist. Der Kugelgewindetrieb weist zwei schraubenförmig um die Spindelachse gewundene endlose Kugelkanäle 7 auf, wie sie in den 3 und 4 angedeutet sind. In diesen endlosen Kugelkanälen 7 wälzen Kugeln 8 endlos um. In jedem Kugelkanal 7 ist ein Satz von Kugeln 8 angeordnet. Der Kugelkanal 7 umfasst einen Lastabschnitt 9 und einen die beiden Enden des Lastabschnittes 9 endlos verbindenden Umlenkabschnitt 10 auf.
Die Kugelmutter 6 und die Gewindespindel 3 weisen an einander zugewandten Umfangsseiten schraubenförmig um die Spindelachse gewundene Kugelrillen 11, 12 auf, die den Lastabschnitt 9 begrenzen. Die Kugeln 8 können an den Kugelrillen 11, 12 abwälzen.
Der 2 ist zu entnehmen, dass der Umlenkabschnitt 10 an einem Umlenkstück 13 ausgebildet ist, der am Außenumfang der Kugelmutter 6 angeordnet ist. An den Übergangsstellen zwischen Lastabschnitt 9 und Umlenkabschnitt 10 ist die Kugelmutter 6 mit hier nicht weiter abgebildeten Durchgangsöffnungen versehen, sodass die Kugeln 8 durch diese Öffnung hindurch in den Umlenkabschnitt gelangen.
Die Kugeln 8 sind unterteilt in größere Kugeln und kleinere Kugeln, wobei im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Vielzahl kleinerer Kugeln 8 und einige größere Kugeln 8a vorgesehen sind, die gleichmäßig in dem Satz von Kugeln in dem endlosen Kugelkanal verteilt angeordnet sind. In dem Ausführungsführungsbeispiel ist jede achte Kugel des Kugelsatzes eine größere Kugel 8a. Die Kugeln 8a sind im Ausführungsbeispiel zwischen 2 bis 10 μm im Durchmesser vergrößert gegenüber den kleineren Kugeln 8. Die kleineren Kugeln sind so dimensioniert, dass sie gerade noch mit etwas Spiel im Lastabschnitt 9 angeordnet sind. Die im Durchmesser etwas vergrößerten Kugeln 8a liegen unter leichter Vorspannung an den Kugelrillen 11 und 12 des Lastabschnittes 9 an. Ohne Einwirkung äußerer Kräfte auf den erfindungsgemäßen Kugelgewindetrieb ist die Kugelmutter 6 spielfrei auf der Gewindespindel 3 angeordnet. Dies wird dadurch gewährleistet, dass die größeren Kugeln 8a im Vierpunktkontakt an den Kugelrillen 11, 12 der Gewindespindel 3 und der Kugelmutter 6 im Lastabschnitt 9 anliegen. Der Ausgangsdurchmesser der Kugeln im Ausführungsbeispiel kann zwischen 3,5 und 10 mm liegen.
Bei Beaufschlagung des erfindungsgemäßen Kugelgewindetriebes mit einer äußeren Last werden axiale Kräfte zwischen der Gewindespindel 3 und der Kugelmutter 6 übertragen. Unter dieser äußeren Kraft geben die größeren Kugeln 8a unter elastischer Verformung leicht nach, sodass auch die kleineren Kugeln 8 im Lastbereich sämtlich in Kontakt mit beiden Kugelrillen 11, 12 sowohl der Gewindespindel 3 als auch der Kugelmutter 6 gelangen und Lasten übertragen. Das bedeutet, dass bei Betriebslasten – also bei Beaufschlagung mit einer äußeren Kraft – im Lastabschnitt 9 alle Ku geln Lasten übertragen, während unter Abwesenheit einer Betriebslast lediglich die größeren Kugeln 8a an beiden Kugelrillen 11, 12 der Gewindespindel 3 sowie der Kugelmutter 6 anliegen. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass Klappergeräusche ausbleiben, wenn entweder keine äußeren Kräfte angreifen oder aber wenn eine schnelle wechselnde Belastung in entgegengesetzten axialen Richtungen der Gewindespindel 3 eingeleitet werden. Unter diesen schnellen wechselnden Belastungen könnten bei spielbehafteten Kugelgewindetrieben die Kugeln von der einen Gewindeflanke der Kugelrille auf die andere Flanke der Kugelrille wechseln und unter diesem Wechsel ein Klappergeräusch verursachen. Diese Umlenkgeräusche werden mit dem erfindungsgemäßen Kugelgewindetrieb vermieden.
Aufgrund der vergleichsweise geringen Anzahl der größeren Kugeln ist die Zunahme der Reibung im Kugelgewindetrieb nur gering und beeinflusst die Lenkung und das Lenkgefühl nicht. Während im Ausführungsbeispiel die Kugeln der beiden Kugelumläufe im Vierpunktkontakt im Lastabschnitt an den Kugelrillen 11, 12 abwälzen, ist es auch möglich die Erfindung zu kombinieren mit sogenannten geshifteten Kugelmuttern, wie sie bereits eingangs zum Stand der Technik beschrieben wurden. In dieser Kombination werden ebenfalls größere Kugeln eingesetzt, die dann jedoch im Zweipunktkontakt in Kontakt mit den Kugelrillen der Kugelmutter und der Gewindespindel stehen. Das bedeutet, in den beiden Lastabschnitten der beiden endlosen Kugelkanäle wälzen die Kugeln an den einen diagonal gegenüberliegenden Flanken der Kugelrillen der Gewindespindel und der Kugelmutter ab, während im Lastabschnitt des anderen Kugelkanals die Kugeln an den anderen diagonal gegenüberliegenden Flanken der Kugelrillen von Gewindespindel und der Kugelmutter abwälzen.
Weiter oben wurde bereits ausgeführt, dass die Kugelmutter über ein Kugellager 5 an dem Gehäuse 1 gelagert ist. Auch bei diesen Kugellager 5 wälzt ein Satz von Kugeln 14 an Kugelrillen 15, 16 der Kugelmutter 6 und eines am Gehäuse 1 befestigten Außenringes 17 ab. Auch bei diesen Ku gellager 5 sind einige der Kugeln 14 im Durchmesser etwas vergrößert, sodass diese etwas vergrößerten Kugeln 14 unter leichter Vorspannung an den Kugelrillen 15, 16 abwälzen. Erst bei Beaufschlagen mit einer äußeren Last werden auch die andern Kugeln 14 belastet, sodass sämtliche Kugeln 14 des Kugellagers 5 tragen. Für die Verteilung und Vergrößerung der größeren Kugeln gegenüber den kleineren Kugeln gelten die gleichen Vorgehensweisen wie sie bereits zu dem erfindungsgemäßen Kugelgewindetrieb ausführlich erörtert wurden. Somit ist gewährleistet, dass auch das Kugellager 5 spielfrei ausgeführt ist, wobei lediglich eine geringe Zunahme der Reibung zu beobachten ist.

1: Gehäuse
2: Zahnstange
3: Gewindespindel
4: Kugelmutter
5: Kugellager
6: Kugelmutter
7: Kugelkanal
8: Kugel
8a: Kugel
9: Lastabschnitt
10: Umlenkabschnitt
11: Kugelrille
12: Kugelrille
13: Umlenkabschnitt
14: Kugel
15: Kugelrille
16: Kugelrille
17: Außenring

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10028629 B4 [0002]

Claims

Kugelgewindetrieb, mit einer Gewindespindel (3) und mit einer auf der Gewindespindel (3) angeordneten Kugelmutter (4), und mit wenigstens einem schraubenförmig um die Spindelachse gewundenen endlosen Kugelkanal (7), in dem ein Satz von Kugeln (8) endlos umwälzt, wobei der Kugelkanal (7) einen Lastabschnitt (9) und einen die beiden Enden des Lastabschnittes (9) endlos verbindenden Umlenkabschnitt (10) aufweist, und wobei an einander zugewandten Umfangsseiten der Kugelmutter (4, 6) und der Gewindespindel (3) ausgebildete schraubenförmig um die Spindelachse gewundene Kugelrillen (11, 12) den Lastabschnitt (9) begrenzen, dadurch gekennzeichnet, dass der Satz von Kugeln (8, 8a) im Durchmesser kleinere und größere Kugeln (8, 8a) aufweist, wobei die Anzahl der größeren Kugeln (8a) mindestens zwei beträgt und wobei höchstens jede dritte Kugel des Satzes von Kugeln (8, 8a) eine der größeren Kugeln (8a) ist.
Kugelgewindetrieb nach Anspruch 1, bei dem ohne Übertragung von äußeren Kräften zwischen der Gewindespindel (3) und der Kugelmutter (4, 6) die größeren Kugeln (8a) spielfrei und die kleineren Kugeln (8) spielbehaftet im Lastabschnitt (9) an den Kugelrillen abwälzen, wobei unter Betriebslast alle Kugeln (8, 8a) im Lastabschnitt (9) in beiden axialen Richtungen an den Kugelrillen (11, 12) abwälzen.
Kugelgewindetrieb nach Anspruch 1, bei dem höchstens jede fünfte bis mindestens jede zehnte Kugel des Satzes von Kugeln (8, 8a) durch die größeren Kugeln (8a) gebildet sind, die im Satz von Kugeln (8, 8a) verteilt angeordnet sind.
Kugelgewindetrieb nach Anspruch 1, bei dem die größeren Kugeln (8a) einen Kugeldurchmesser aufweisen, der mindestens 1 μm und höchstens 20 μm größer als der Kugeldurchmesser der kleineren Kugeln ist.
Kugelgewindetrieb nach Anspruch 4, bei dem der Kugeldurchmesser der größeren Kugeln bei einem Kugeldurchmesser von bis zu 3,5 mm höchstens um 10 μm und mindestens um 1 μm vergrößert ist.
Kugelgewindetrieb nach Anspruch 4, bei dem der Kugeldurchmesser der größeren Kugeln bei einem Kugeldurchmesser von mindestens 12 mm höchstens um 20 μm und mindestens um 2 μm vergrößert ist.
Kugelgewindetrieb nach Anspruch 1, bei dem die Kugelmutter (4, 6) an einem Gehäuse (1) über ein Kugellager (5) gelagert ist, bei dem ein Satz von Kugeln (14) an Laufbahnen des Kugellagers (5) abwälzt, wobei der Satz von Kugeln (14) im Durchmesser kleinere und größere Kugeln (14) aufweist, wobei die Anzahl der größeren Kugeln (14) mindestens zwei beträgt und wobei höchstens jede dritte Kugel (14) des Satzes von Kugeln (14) eine der größeren Kugeln (14) ist.
Kugelgewindetrieb nach Anspruch 7, bei dem die Kugeln (14) gemäß einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche gebildet sind.
Kugelgewindetrieb nach Anspruch 1 oder 7, bei dem die Kugeln (8, 14) gleichartig und aus hartem Werkstoff, insbesondere Stahl oder Keramik, gebildet sind.