-
Die
Erfindung bezieht sich auf einen Schraubentrieb ganz spezieller
Art, nämlich
mit einer Spindel aus Metall, die in einer samt fertigem Gewinde aus
einem Kunststoff spritzgegossenen Antriebsmutter spielfrei und selbsthemmend
gelagert ist, wobei die Spindel oder die Antriebsmutter antreibbar
ist, um ein Stellglied zu verstellen.
-
Solche
Schraubentriebe finden sich in vielen mechanischen und z. B. elektrisch
angetriebenen Verstellvorrichtungen wieder. Beispielsweise im Maschinenbau
und speziell in der Wehrtechnik bei der Messfühlerführung zur Bestimmung von Positionen bei
axialen oder radialen Verstelleinheiten so wie bei feinwerktechnischen
Verstellungen und Abfragen; im Flugzeugbau bei Anwendungen in verschiedenen Baugruppen;
im Fahrzeugbau bei der Verstellung der Lenksäule, der Sitze oder des Dachs;
im Möbelbau oder
bei Haushaltsgeräten.
-
An
einen gattungsgemäßen Schraubentrieb werden
vielfältige
Anforderungen gestellt: Bei sicherer Kraftübertragung soll der Schraubentrieb
einerseits spielfrei sein; d. h. er soll kein merkliches Spiel aufweisen,
was beispielsweise an einem Lenkrad eines Kraftfahrzeugs spürbar wäre. Andererseits
soll das Gewinde selbsthemmend sein, um ein unbeabsichtigtes Verstellen
mit Sicherheit auszuschließen. Diese
Anforderungen sollen zudem über
einen großen
Temperaturbereich erfüllt
werden. Beispielsweise wird im Kraftfahrzeugbau die Funktionsfähigkeit der
einzelnen Aggregate des Fahrzeugs, und damit eines Schraubentriebs,
bei Temperaturen von –40°C bis +80°C gefordert,
um das Fahrzeug auch bei extremen Außentemperaturen einsetzen zu
können.
-
Aus
der Praxis sind zur Erfüllung
der vorgenannten zwingenden Anforderungen zwei Ausführungen
bekannt. Eine erste ältere
Ausführung
verwendet neben einer Spindel aus Metall, insbesondere aus Messing,
eine Antriebsmutter aus einem gleitfreundlichen Metall, wie etwa
eine Kupfer-Zinn-Legierung, z. B. Rotguß. Hier wird insbesondere die Spielfreiheit
durch Anordnung einer zweiten Mutter nach Art einer Kontermutter
sicher gestellt. Diese Ausführung
führt jedoch
zu einem hohen Aufwand bezüglich
Fertigung und Montage und folglich zu hohen Kosten.
-
Eine
zweite Ausführung,
die dem Oberbegriff zugrunde liegt, verwendet eine Antriebsmutter
aus einem spritzgießfähigen und
mechanisch belastbaren Thermoplast, insbesondere einem PEEK. Die Verwendung
dieses relativ harten Werkstoffes kann zwar praktisch zu einer Spielfreiheit
führen,
weist aber einige unerwünschte
Begleiterscheinungen auf:
Zum einen ist der eingesetzte, mechanisch
hochwertige thermoplastische Kunststoff relativ teuer. Zum anderen
müssen
zur Sicherstellung der Spielfreiheit und gleichzeitiger Leichtgängigkeit
sehr enge Toleranzen bei den Gewindegängen der zusammen wirkenden
Teile, der Spindel und der Antriebsmutter, eingehalten werden. Dies
führt in
der Praxis in aller Regel zu einer hohen Ausschußquote bei der spritzgegossenen
Antriebsmutter, wenn der Gewindegang nicht nachbearbeitet, sondern
fertig mit angespritzt werden soll. Dieser Ausschuß, der bei
10% bis 30% liegen kann, ergibt sich insbesondere dadurch, dass die
zur Sicherstellung der Spielfreiheit bzw. Leichtgängigkeit
erforderlichen engen Toleranzen im Bereich des Gewindegangs von
dem Spritzgußteil
prozessbedingt nicht durchgängig
eingehalten werden können.
Die Geometrie der Antriebsmutter, auch speziell im Bereich des Gewindegangs,
verändert sich – insbesondere
infolge des Schrumpfes beim Abkühlen
des Spritzgussteils – oft
in solchem Ausmaße,
dass es zwischen den beiden im Grunde harten Komponenten zu einem
Klemmen des spielfreien Schraubentriebs kommt, insbesondere bei
großen Temperaturunterschieden.
Dann ist eine Bewegung der Spindel gar nicht mehr möglich, und
der Schraubentrieb wird unbrauchbar. Trotz dieser Nachteile wird
bei der Fertigung eines gattungsgemäßen Schraubentriebs an der
Verwendung von Thermoplasten für
die Antriebsmutter festgehalten. Hier setzt die Erfindung an.
-
Der
Erfindung liegt das Bestreben zu Grunde, einen Schraubentrieb der
genannten Art zu schaffen, der im Einsatzfall sowohl eine Spielfreiheit als
auch eine ausreichende Gängigkeit über einen großen Temperaturbereich
sicher stellt.
-
Hierzu
schlägt
die Erfindung vor, dass die Antriebsmutter aus einem thermoplastischen
Elastomer (TPE) besteht.
-
Bisher
hat der Fachmann für
die Antriebsmutter bewusst einen spritzgießfähigen und hoch belastbaren
und damit letztendlich auch harten Kunststoff gewählt; denn
dieser Kunststoff sollte das ursprünglich verwendete Metall ersetzen
und insbesondere die vielfältigen
mechanischen Anforderungen an die Antriebsmutter erfüllen. Zur
Lösung
dieser Aufgabe erschien dem Fachmann der Einsatz eines harten Thermoplasts
als geeignet und erforderlich; die genannten Nachteile wurden in
Kauf genommen.
-
Die
Erfindung schlägt
hingegen einen anderen Weg ein und geht dabei bewusst weg von der Verwendung
eines im Prinzip harten thermoplastischen Kunststoffs für eine Antriebsmutter.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass die Antriebsmutter
bei gleichem Herstellungsprozeß auch aus
einem weniger harten Kunststoff bestehen kann, nämlich aus einem thermoplastischen
Elastomer. Diese Erkenntnis widersprach der vorherrschenden Meinung.
Die Verwendung des TPE als ebenfalls spritzgießfähigen Kunststoff führt wie
bisher dazu, dass das Gewinde der Antriebsmutter fertig mit angespritzt
werden kann. Gleichzeitig ist aber sicher gestellt, dass der Schraubentrieb
zum einen immer selbsthemmend und zum anderen immer leichtgängig bleibt,
selbst bei während
der Herstellung prozessbedingten schwankenden Toleranzen bezüglich Maß und Form
und auch bei großen
Temperaturunterschieden während
des Gebrauchs.
-
Es
hat sich nämlich
erwiesen, dass die aus dem neu gewählten Material gefertigte Antriebsmutter
nicht nur in der Lage ist, die erforderlichen Kräfte zu übertragen, sondern auch, sich
während
des Gebrauchs, unter Belastung, in einem gewissen, wenn auch geringen
Umfang elastisch zu verformen und dadurch gleichzeitig die Selbsthemmung
und die Gängigkeit
des Schraubentriebs zu gewährleisten. Ein
hartes spritzgegossenes Thermoplast verformt sich hingegen entweder
nicht in ausreichendem Maße,
was zu Klemmen der Antriebsmutter führt; oder es verformt sich
bei großen
Temperaturschwankungen im Gebrauch plastisch in solchem Ausmaß, dass danach
und nach erneuter Temperaturschwankung keine Selbsthemmung mehr
vorhanden ist: Der Schraubentrieb lockert sich gewissermaßen im Bereich
der Gewindepaarung. Die neue Antriebsmutter bleibt hingegen auch
bei tiefen Temperaturen relativ weich und kann sich hierdurch den
Gewindegängen der
starren metallischen Gewindespindel gut anpassen, insbesondere bezüglich Steigungsfehler und/oder
ovalen Durchmesserverformungen, die sich bei dem Spritzgußteil Antriebsmutter
zwangsläufig einstellen.
-
Mit
anderen Worten: Durch die Paarung der Werkstoffe Metall für die Spindel
und TPE für
die Antriebsmutter und Nutzung deren unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten
wird über
einen Temperaturbereich von –60°C bis +100°C die Spielfreiheit
sichergestellt, ohne dass dabei die aufzuwendende Verdrehkraft und
damit die Verstellkraft sich wesentlich erhöht, sondern die vorhandene
Antriebsleistung auch dann noch ausreicht.
-
Die
neue Materialpaarung führt
zusätzlich sogar
dazu, dass der Schraubentrieb bei tiefen Temperaturen mechanisch
höher belastbar
ist: Während eine
Antriebsmutter aus einem reinen Thermoplast dann spröde wird
und bei Belastung zum Bruch neigt, nimmt die Antriebsmutter aus
TPE auftreffende Kräfte
infolge ihrer Zähigkeit
und Elastizität
besser auf, wie entsprechende Versuche deutlich gezeigt haben.
-
Ausführliche
Versuche belegen auch, dass durchweg gute Ergebnisse bezüglich des
genannten Anforderungsprofils erzielt werden, wenn das TPE ein thermoplastisches
Elastomer auf der Basis von Polyester ist, das unter der Bezeichnung
TPC-ET bekannt ist, und wenn dessen Biege-E-Modul bei 23°C unter 1
GPa, insbesondere sogar unter 600 MPa liegt. Besonders zufriedenstellend
in jeder Hinsicht war eine Antriebsmutter aus einem TPE, das unter der
Bezeichnung HYTREL 7246 von der Firma Dupont vertrieben wird.
-
Außerdem zeigte
ein gattungsgemäßer Schraubentrieb
eine hervorragende Funktionsfähigkeit,
bei dem die Spindel aus einem Stahl, vorzugsweise aus einem Edelstahl
besteht. Eine solche Paarung ist hoch belastbar, gut gleitfähig und
dennoch selbsthemmend.
-
Durch
die Eigenheiten der Spritzgußtechnik bedingte
negative Einflüsse,
wie insbesondere Verziehen des Gußteils durch Schrumpfen, konnten weitgehend
dadurch vermindert bzw. ausgeglichen werden, dass die Antriebsmutter
symmetrisch und kreuzförmig
ausgebildet ist, indem zwei rechtwinkelig zum Gewindeabschnitt verlaufende
Lagerzapfen angeformt sind. Dem gleichen Ziel dient es im verstärkten Maße, wenn
die Lagerzapfen zumindest nahezu oval und/oder hohl ausgebildet
sind, wobei der Außendurchmesser
des Gewindeabschnitts und die Höhe
der beiden Lagerzapfen vorzugsweise gleich groß sind, um Materialanhäufungen
zu vermeiden und eine möglichst
gleichmäßige Wandstärke zu erzielen.
-
Festigkeit,
Leichtgängigkeit
und Selbsthemmung sind insbesondere auch dann gewährleistet, wenn
das Gewinde als modifiziertes Trapezgewinde und vorzugsweise eingängig ausgebildet
ist. Bei diesem Gewinde sind die Flanken des Trapezes leicht abgerundet.
-
Weitere
besondere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung sind
für den
Fachmann auch der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
der Erfindung entnehmbar.
-
1 zeigt
einen Schraubentrieb, bestehend aus einer Spindel und einer aufgedrehten
Antriebsmutter in der Seitenansicht, etwa im Maßstab 1:1.
-
2 zeigt
den Schraubentrieb nach 1 in der Draufsicht.
-
3 zeigt
die Spindel nach 1 in vergrößertem Maßstab.
-
4 zeigt
die Antriebsmutter nach 2 in vergrößertem Maßstab.
-
Der
Schraubentrieb 1 besteht aus einer antreibbaren Spindel 2 aus
Edelstahl mit einem Antriebsende 3 und einem eingängigen äußeren Gewindeabschnitt 4.
Das Antriebsende 3 ist mit einem Innenmehrkant 5 zur
Aufnahme eines nicht dargestellten Antriebs versehen. Der Schraubentrieb 1 umfaßt des weiteren
eine hier mittig aufgeschraubte Antriebsmutter 6, die hergestellt
ist durch Spritzgießen
aus einem thermoplastischen Elastomer auf der Basis von Polyester,
das unter der ISO-Bezeichnung
TPC-ET und der Marke Hytrel 7246 von der Firma Dupont vertrieben
wird. Dieses TPE hat bei 23°C
nach ISO einen Biege-E-Modul von 550 MPa.
-
Die
Antriebsmutter 6 umfaßt
einen über
ihre gesamte Länge
verlaufenden inneren Gewindeabschnitt 7, der beim Spritzgießen fertig
mit angespritzt ist. Beide Gewindeabschnitte 4 und 7 haben
ein eingängiges
Trapezgewinde, dessen Kanten leicht abgerundet sind. Sie sind so
ausgelegt, dass die Antriebsmutter 6 auf der Spindel 2 spielfrei,
d. h. ohne fühlbares
Spiel, aber selbsthemmend gelagert ist.
-
Die
Antriebsmutter 6 umfaßt
weiterhin zwei rechtwinkelig zum Gewindeabschnitt 7 verlaufende und
diesen verbreiternde Lagerzapfen 8 und 9, die
so angeordnet sind, dass sich in der Draufsicht, siehe 2,
eine kreuzförmige
und symmetrische Ausbildung der Antriebsmutter 6 ergibt.
Die Lagerzapfen 8 und 9 sind im Querschnitt nahezu
oval ausgebildet, wobei sie jeweils durch ein inneres Sackloch 10 und 11 hohl
ausgeformt sind. Gewindeabschnitt 7 und beide Lagerzapfen 8 und 9 haben
eine gemeinsame Höhe
H, die dem Außendurchmesser
D des Gewindeabschnitts 7 entspricht, so dass sich insgesamt eine
nahezu gleichmäßige Wandstärke der
gespritzten Antriebsmutter 6 ergibt.
-
- 1
- Schraubentrieb
- 2
- Spindel
- 3
- Antriebsende
- 4
- Gewindeabschnitt
- 5
- Innenmehrkant
- 6
- Antriebsmutter
- 7
- Gewindeabschnitt
- 8
- Lagerzapfen
- 9
- Lagerzapfen
- 10
- Sackloch
- 11
- Sackloch
- D
- Außendurchmesser
- H
- Höhe