DE102007032034A1

DE102007032034A1 - Kugelgewindetrieb

Info

Publication number: DE102007032034A1
Application number: DE200710032034
Authority: DE
Inventors: Thorsten MEYERHÖFER; Jürgen OSTERLÄNGER; Jochen Schrök
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2007-07-10
Filing date: 2007-07-10
Publication date: 2009-01-15
Also published as: WO2009007227A1

Abstract

Kugelgewindetrieb, umfassend eine Spindel und eine auf dieser laufende Spindelmutter, wobei an der Spindel und an der Spindelmutter sich ergänzende Kugellaufbahnen vorgesehen sind, in denen über wenigstens eine mutterseitige kanalartige Umlenkung umsetzbare Kugeln geführt sind, wobei die Umlenkung mit ihren beiden Enden in mutterseitige Bohrungen eingesetzt ist, die in der mutterseitigen Laufbahn münden, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen (9) exzentrisch (e) zur Mitte (M<SUB>K</SUB>) der Kugellaufbahn (5) münden und die Umlenkung (7) an ihren Enden (10) einen unsymmetrischen Querschnitt aufweist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Kugelgewindetrieb umfassend eine Spindel und eine auf dieser laufende Spindelmutter, wobei an der Spindel und an der Spindelmutter sich ergänzende Kugellaufbahnen vorgesehen sein, in denen über wenigstens eine mutterseitige kanalartige Umlenkung umsetzbare Kugeln geführt sind, wobei die Umlenkung mit ihren beiden Enden in mutterseitige Bohrungen eingesetzt ist.
Hintergrund der Erfindung
Derartige Kugelgewindetriebe sind bekannt und kommen überall dort zum Einsatz, wo mit einem solchen Trieb ein Gegenstand zwischen bestimmten Positionen verstellt werden soll, wo also eine Stellbewegung in einer oder beiden Richtungen längs oder rotativ mit Hilfe eines motorischen Antriebs von Nöten ist. Beispiele sind der Kraftfahrzeugbereich, Haustechnik, Fördertechnik etc. Die Anforderungen an solche Kugelgewindetriebe gehen häufig dahin, dass der Trieb selbst möglichst klein in seinem Aufbau sein soll, mithin also möglichst kleine Kugeln verwendet werden sollen, so dass sich insgesamt ein möglichst kurzer axialer wie radialer Aufbau ergibt. Eine weitere Forderung ist, eine möglichst geringe Steigung zu realisieren um über den Kugelgewindetrieb möglichst hohe Kräfte übertragen beziehungsweise stellen zu können. Die Gesamtlänge des Triebes soll also möglichst kurz sein, bei einer hinreichend großen Anzahl von tragenden Kugelreihen, und einer möglichst kleinen Steigung, so dass sich insgesamt eine hohe axiale Leistungsdichte realisieren lässt. Dabei werden Steigungs-Kugeldurchmesser-Verhältnisse von 1,02–1,4, je nach Kugeldurchmesser, bevorzugt. Problematisch hierbei ist, dass sich insbesondere bei geringen Steigungen und kleinen Kugeldurchmessern die Umlenkung nur schwer realisieren lässt. Denn die Umschlingung der Kugel im Übergang von der Kugellaufbahn in die kanalartige Umlenkung, welche mutternseitig bis an die Laufbahninnenseite geführt ist, erfordert einen hinreichenden Bauraum zwischen zwei benachbarten Kugelreihen, um das Ende der Umlenkung aufnehmen zu können, ohne dass dieses den Kugellauf in dem benachbarten Gang beeinträchtigt. Dies ist häufig ein limitierender Faktor hinsichtlich der Auslegung der Steigung und der Kugelgröße und lässt die Realisierung kleiner Steigungs-Kugeldurchmesser-Verhältnisse häufig nicht zu.
Zusammenfassung der Erfindung
Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, einen Kugelgewindetrieb anzugeben, der demgegenüber verbessert ist und die Realisierung kleiner Steigungs-Kugeldurchmesser-Verhältnisse (vorzugsweise zwischen 1,02–1,4) zulässt.
Zur Lösung dieses Problems ist bei einem Kugelgewindetrieb der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Bohrungen exzentrisch zur Mitte der Kugellaufbahn münden und die Umlenkung an ihren Enden einen unsymmetrischen Querschnitt aufweist.
Beim erfindungsgemäßen Kugelgewindetrieb sind die üblicherweise im Wesentlichen tangential zur zylindrischen Gewindebohrung der Mutter verlaufenden Bohrungen nicht mittelpunktsymmetrisch zur Kugellaufbahn, münden also nicht mittig an der mutterinnenseitig ausgebildeten Kugellaufbahn, sondern sind exzentrisch dazu angeordnet, wobei die Bohrungen bevorzugt in axialer Richtung versetzt angeordnet sind. Das heißt, die beiden Bohrungen sind am jeweils letzten tragenden Kugelgang bei axialem Versatz in entgegengesetzte Richtungen versetzt, und zwar bezogen auf die Kugellaufgänge nach außen. Dies führt dazu, dass zwangsläufig die Bohrung in nur geringem Maß in den Bauraum zwischen zwei benachbarten Gängen eingreift, so dass dieser und damit der Gangabstand sehr klein gehalten werden kann, mithin also auch sehr geringe Steigungen realisiert werden können. Um trotzdem die Kugeln sauber in die Umlenkung einführen zu können, ohne dass diese gegen eine Kante am Umlenkungsende laufen, ist vorteilhaft die Umlenkung an ihren Enden im Querschnitt unsymmetrisch ausgeführt, wobei die Unsymmetrie derart ausgelegt ist, dass die gegebene Exzentrizität zumindest teilweise, wenn möglich vollständig, kompensiert wird. Das heißt, die Wandstärke der Umlenkung ist im Endbereich unsymmetrisch, sie ist, sofern überhaupt eine Wand in einem bestimmten Abschnitt, der zu den tragenden Kugelgängen weist, vorhanden ist, dort deutlich dünner als im gegenüberliegenden Bereich, und bevorzugt um das Maß der Exzentrizität unterschiedlich.
Hierdurch ist es möglich, trotz sehr kleiner Steigung und sehr schmalen Flanken zwischen den Kugelgängen dennoch eine Umlenkung positionieren zu können, ohne dass diese in irgend einer Weise den Kugellauf beeinträchtig. Denn aufgrund der exzentrischen Bohrungsanordnung und dem unsymmetrischen Umlenkungsprofil wird die Umlenkung, bezogen auf die zwischen den Bohrungen befindlichen Kugelgänge, seitlich versetzt und axial gesehen nach außen gezogen, so dass die Bohrung respektive die Umlenkung den Kugellauf nicht beeinträchtigt. Gleichwohl ist der Exzentrizitätsversatz über die Unsymmetrie der Umlenkungsgeometrie weitgehend kompensiert, so dass ein reibungsloser Kugelein- und -auslauf in beziehungsweise aus der Umlenkung gewährleistet ist.
Wie beschrieben sind die Bohrungen bevorzugt in axialer Richtung versetzt angeordnet, das heißt, sie sind in entgegengesetzter Richtung auseinander gezogen beziehungsweise versetzt angeordnet. Bevorzugt laufen die Bohrun gen – gesehen im Mutterquerschnitt – maximal bis in die Mitte der Mutter, bevorzugt enden sie jedoch etwas vor der Mitte. Das heißt, der Aufnahmepunkt der Kugeln in den Umlenkbereich liegt maximal auf dem Äquator (= Mitte der Mutter), bevorzugt jedoch etwas darüber (die Bohrung endet also vor der Muttermitte). Im letzteren Fall ergibt sich zwar eine etwas größere Richtungsänderung der ein- oder auslaufenden Kugeln, jedoch ist die verbleibende Restwandstärke zur benachbarten Kugellaufbahn etwas größer.
Die Geometrie der Enden der Umlenkung ist wie beschrieben unsymmetrisch, das heißt, sie weisen einen unsymmetrischen Querschnitt auf, sind also nicht hohlzylindrisch. Dabei kann in einer ersten Erfindungsausgestaltung der Umlenkungskanal exzentrisch zur Mitte des Endes der Umlenkung angeordnet sein. Das heißt, der Umlenkungskanal mündet am Umlenkungsende um ein Maß zur Mitte versetzt, das im Wesentlichen der Exzentrizität der Bohrung bezogen zur Kugellaufbahnmitte entspricht, um diesen Versatz zu kompensieren. Hieraus resultiert zwangsläufig, dass sich die Wandstärke der Umlenkung im Endbereich im Querschnitt gesehen ändert, sie ist am dünnsten an der dem Kugelkanal zugewandten Seite, an der gegenüberliegenden Seite ist sie am dicksten.
Alternativ zu der geschlossenen, vom Außenumfang her nach wie vor zylindrischen Ausgestaltung der Umlenkung mit exzentrisch angeordneten Umlenkungskanal kann die Umlenkung auch an ihren Enden zur Kugellaufbahn, aus der die Kugeln aufgenommen werden, geöffnet sein. Bei dieser Erfindungsausgestaltung sind die Kugeln beim Ein- oder Auslaufen in die Umlenkung nicht mehr vollständig umschlungen, sondern ragen aus der seitlich geöffneten Umlenkung etwas heraus, werden also in diesem Bereich von der Bohrungsinnenwand selbst geführt. Die geöffneten Enden laufen im Querschnitt gesehen um mehr als 180° um, so dass sich ein Hinterschnitt ergibt, und die Kugeln also um mehr also 180° umgriffen sind. Der Entfall der Umlenkungswand in diesem Bereich bietet in noch größerem Maß die Möglichkeit, die Steigung und damit die Schultern zwischen den Gängen zu verkleinern, da bei der Auslegung des Triebes in diesem Bereich kein Wandmaterial der Umlenkung zu berücksichtigen ist.
Unabhängig davon, ob die Umlenkungsenden geschlossen oder geöffnet sind, kann weiterhin erfindungsgemäß die Umlenkung zumindest im entlang der Außenseite der Spindelmutter laufenden Abschnitt zur Spindelmutter hin geöffnet sein. Gemäß dieser Erfindungsausgestaltung sind also im außenseitig an der Mutter verlaufenden Umlenkungsabschnitt die Kugeln nicht vollständig umschlungen, sondern ragen etwas aus der Umlenkung heraus. Sie sind auf der Mutternaußenseite geführt. Das heißt, in diesem Abschnitt ist keine Umlenkungswandung vorgesehen, was vorteilhaft dazu führt, dass der radiale Aufbau verkleinert werden kann. Der geöffnete Abschnitt läuft in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung um mehr als 180° um, so dass sich eine Umschlingung der Kugeln um mehr als 180° ergibt, diese sind also hinterschnitten in der Umlenkung geführt, trotzdem sie zur Mutter hin aus der Umlenkung herausragen.
Eine zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung sieht vor, an der Außenseite der Spindelmutter einen Führungskanal auszubilden, in den die Umlenkung eingreift und in dem die Kugeln geführt sind. Hierüber kann der radial Aufbau noch weiter verkleinert werden, nachdem die Umlenkung in dem sich radial in die Mutter erstreckenden Führungskanal eingesetzt ist. Der Führungskanal dient gleichzeitig als Lauffläche für die aus der Umlenkung herausragenden Muttern. Dabei kann die Umlenkung wenn möglich vollständig im Führungskanal aufgenommen sein und vorzugsweise oberflächenbündig mit der Mutternaußenseite abschließen, so dass sich trotz Integration der Umlenkung die äußere Geometrie der Mutter nicht ändert. Da die Umlenkung jedoch infolge des Entfalls der Wandung an der Mutterseite weiter in den Kanal eingesetzt werden kann und der radiale Aufbau nur durch den Kugeldurchmesser und die Umlenkungsaußenwand bestimmt wird, kann insgesamt der Durchmesser der Mutter verkleinert werden.
Die Umlenkung selbst kann ein einteiliges oder ein zweiteiliges Bauteil sein, wobei insbesondere dann, wenn die Umlenkung über ihre gesamte Länge zur Mutter hin geöffnet ist, also sowohl an den Enden als auch durchgehend über den länglichen Führungsabschnitt, sich eine einteilige Ausgestaltung anbietet. Bevorzugt ist die Umlenkung aus Kunststoff gebildet und in einem Spritzgussverfahren hergestellt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand von dem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. Die Figuren sind schematische Darstellungen und zeigen:
1 eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Kugelgewindetriebs in einer Seitenansicht,
2 eine Schnittansicht in Richtung der Linie II-II in 1,
3 eine Schnittansicht in Richtung der Linie III-III in 1,
4 eine Schnittansicht durch die Mutter zur Darstellung der exzentrischen Anordnung der Bohrungen in Richtung der Linie IV-IV in 5,
5 eine Schnittansicht durch die Mutter aus 4 in Richtung der Linie V-V,
6 eine Schnittansicht durch die Mutter in Richtung der Linie VI-VI in 4,
7 eine Perspektivansicht der Umlenkung,
8 eine Schnittansicht durch die Umlenkung aus 7 in Längsrichtung (gemäß der Linie VIII in 9),
9 eine Querschnittsansicht in Richtung der Linie IX-IX in 8 durch die Umlenkung, und
10 eine Aufsicht auf das Ende einer Umlenkung einer zweiten Ausführungsform.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt in einer Prinzipdarstellung einen erfindungsgemäßen Kugelgewindetrieb 1 umfassend eine Spindel 2 mit einer kanalartigen Kugellaufbahn 3 und eine Spindelmutter 4, die auf der Spindel läuft und die an ihrer Innenwandung ebenfalls kanalartige Kugellaufbahnen 5 aufweist, wobei sich in bekannter Weise die Kugellaufbahnen 3 und 5 zu Kugelkanälen ergänzen. In den Kugelkanälen beziehungsweise dem einen umlaufenden Kugelkanal, der sich über die gesamte Mutternlänge ergibt, sind Kugeln 6 geführt, die über eine Umlenkung 7, die in einer mutterseitigen kanalartigen Aufnahme 8 angeordnet ist und mit der Außenseite der Mutter – siehe 3 – oberflächenbündig endet, umgesetzt werden, von einem vorderen Ende des Kugelkanals zu einem hinteren Ende. Das heißt, am einen Ende werden die Kugeln in die Umlenkung 7 eingeführt, laufen durch die Umlenkung 7 und werden am anderen Ende wieder ausgefädelt und laufen in den Kugelkanal. Der Aufbau eines solchen Kugelgewindetriebs ist an sich hinlänglich bekannt.
Wie ebenfalls bekannt, sind mutternseitig im Wesentlichen tangentiale Bohrungen 9 ausgebildet, in die die Enden 10 der Umlenkung 7 eingesetzt sind. Die Bohrungen, siehe hierzu 5, münden bevorzugt etwas vor der Mittelebene 11 der Mutter, so dass noch eine hinreichende Restwandstärke der Gewindegangschulter zum nächsten Gewindegang verbleibt.
Wie sich aus 4 ergibt, sind erfindungsgemäß die Bohrungen 9 um ein Maß e versetzt zur Mitte der Kugellaufbahn 5 der Mutter 4 angeordnet. Das heißt, die Mitte MB einer zylindrischen Bohrung 9 ist um das Maß e im gezeigten Beispiel axial versetzt zur Mitte M_K der Kugellaufbahn versetzt. Hieraus ergibt sich, dass die Schulter 12 zum benachbarten, weiter innen liegenden Gewindegang nur in einem geringen Maß von der jeweiligen Bohrung 9 angeschnitten wird.
Die Umlenkung 7, siehe hierzu die 7–9, ist derart ausgelegt, dass dieser exzentrische Versatz e kompensiert wird und die Kugeln widerstandslos in die Umlenkung 7 einlaufen können. Hierzu ist die Umlenkung 7 an ihren Enden 10 geöffnet, das heißt, die Kugeln werden nicht vollständig umschlungen. Die Wandung 13 der Umlenkung 7 äuft um etwas mehr als 180° um, so dass sich eine hinterschnittene Kugelführung ergibt. Die Umlenkung 7 ist, siehe die 7–9, über ihre gesamte Länge geöffnet, also auch im mittleren Abschnitt 14, mit dem sie in dem Führungskanal 8 der Mutter aufgenommen ist. Das heißt, die Kugeln 6, die etwas aus dem sich über die gesamte Umlenkungslänge erstreckenden Schlitz 15 herausragen, sind an der einen Seite über die Umlenkung 7 geführt, an der anderen Seite über die Innenwand der Bohrungen 9 beziehungsweise den Führungskanal 8.
Nachdem die Enden der Umlenkung 7 infolge der geschlitzten beziehungsweise geöffneten Ausführung zwangsläufig ein unsymmetrisches Querschnittsprofil aufweisen, und zwangsläufig im Bereich zur Schulter 12 infolge der geschlitzten oder geöffneten Ausführung die Umlenkungswandung nicht vorhanden ist, kann auf diese Weise die Exzentrizität beziehungsweise der Versatz e ausgeglichen werden.
Die zur Mutteraußenseite hin geöffnete Ausgestaltung der Umlenkung 7 im Abschnitt 14 ermöglicht es ferner, die Umlenkung 7 radial klein bauend anzuordnen beziehungsweise in dem Führungskanal 8 zu integrieren, nachdem auch dort die Umlenkungswandung nicht vorhanden ist., bzw. den Außendurchmesser der Spindelmutter zu verkleinern.
Wie beschrieben ist eines der zentralen Merkmale der Umlenkung 7, dass diese im Bereich ihrer Enden 10 ein unsymmetrisches Querschnittsprofil aufweist, um den bevorzugt axialen Versatz e der Bohrungen 9 zur Laufbahnmitte der Kugellaufbahn, aus der die Kugeln aufgenommen beziehungsweise in die die Kugel wieder eingefädelt werden sollen, zu kompensieren. Dies kann wie in den 7–9 gezeigt dadurch reduziert werden, dass die Umlenkung seitlich geöffnet ist, also keine vollständige Kugelumschlingung erfolgt. Alternativ kann dies, je nachdem wie viel Bauraum verbleibt, jedoch auch dadurch realisiert werden, dass – siehe hierzu die Alternaivausführung der Umlenkung 7 aus 10 – die Umlenkung im Bereich der Enden 10 geschlossen ist, jedoch der Umlenkungskugelkanal 16 zur Mitte des zylindrischen Umlenkungsendes 10 versetzt angeordnet ist, wobei her der Versatz mit e' angegeben ist, wobei e' = e sein kann. Das heißt, dass auch über eine solche Ausgestaltung der Bohrungsversatz kompensiert werden kann und ein geschmeidiges, widerstandsfreies Wechseln der Kugeln möglich ist. Dabei kann die Umlenkung 7 aus 10 im mittleren Abschnitt 14 in ähnlicher Weise wie die Umlenkung 7 der zuvor beschriebenen Ausgestaltung geöffnet ausgebildet sein, um den radialen Aufbau zu verringern und um sie möglichst tief in einen etwaigen Führungskanal an der Mutter einzusetzen.
Die Umlenkung 7 gleich welcher Ausgestaltung ist bevorzugt aus Kunststoff und in einem Spritzgießverfahren hergestellt. Es kann sich dabei um ein einteiliges Bauteil handeln, denkbar ist aber auch eine zweiteilige Ausgestaltung.

1: Kugelgewindetrieb
2: Spindel
3: Kugellaufbahn
4: Spindelmutter
5: Kugellaufbahn
6: Kugeln
7: Umlenkung
8: Aufnahme
9: Bohrungen
10: Enden
11: Mittelebene
12: Schulter
13: Wandung
14: Abschnitt
15: Schlitz
16: Umlenkungskugelkanal
M_B: Mitte der zylindrischen Bohrung
e: Versatz
M_K: Mitte der Kugellaufbahn

Claims

Kugelgewindetrieb umfassend eine Spindel und eine auf dieser laufende Spindelmutter, wobei an der Spindel und an der Spindelmutter sich ergänzende Kugellaufbahnen vorgesehen sind, in denen über wenigstens eine mutterseitige kanalartige Umlenkung umsetzbare Kugeln geführt sind, wobei die Umlenkung mit ihren beiden Enden in mutterseitige Bohrungen eingesetzt ist, die in der mutternseitigen Laufbahn münden, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen (9) exzentrisch (e) zur Mitte (M_K) der Kugellaufbahn (5) münden und die Umlenkung (7) an ihren Enden (10) einen unsymmetrischen Querschnitt aufweist.
Kugelgewindetrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen (9 in axialer Richtung versetzt angeordnet sind.
Kugelgewindetrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen (9) – gesehen im Mutterquerschnitt – in oder vor der Mitte (11) der Spindelmutter (4) enden.
Kugelgewindetrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Umlenkungskanal (16) exzentrisch zur Mitte des Endes (10) der Umlenkung (7) angeordnet ist.
Kugelgewindetrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkung (7) an ihren Enden (10) zur Kugellaufbahn (5), aus der die Kugeln (6) aufgenommen werden, geöffnet ist.
Kugelgewindetrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die geöffneten Enden (10) im Querschnitt um mehr als 180° umlaufen.
Kugelgewindetrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkung (7) zumindest im entlang der Außenseite der Spindelmutter (4) verlaufenden Abschnitt (14) zur Spindelmutter (4) hin geöffnet ist.
Kugelgewindetrieb nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der geöffnete Abschnitt (14) im Querschnitt um mehr als 180° umläuft.
Kugelgewindetrieb nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass an der Außenseite der Spindelmutter (4) ein Führungskanal (8) ausgebildet ist, in den die Umlenkung (7) eingreift und in dem die Kugeln (6) geführt sind.
Kugelgewindetrieb nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkung (7) im Führungskanal (8) aufgenommen ist, und vorzugsweise oberflächenbündig mit der Mutteraußenseite abschließt.
Kugelgewindetrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkung (7) ein ein- oder ein zweiteiliges Bauteil ist.
Kugelgewindetrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkung (7) ein ein- oder zweiteiliges Spritzgussteil aus Kunststoff ist.