DE102008013128A1

DE102008013128A1 - Kugelgewindetrieb mit drehangetriebener Kugelmutter

Info

Publication number: DE102008013128A1
Application number: DE200810013128
Authority: DE
Inventors: Wolfgang DÖPPLING; Horst Steinbinder
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2008-03-07
Filing date: 2008-03-07
Publication date: 2009-09-10
Also published as: WO2009109362A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kugelgewindetrieb (102) mit einer drehangetriebenen, über ein Wälzkörper-Stützlager (116) in einer Maschinenstruktur drehgelagerten Kugelmutter (104) und mit einer linear verschiebbaren Kugelmutter (104) und mit einer linear verschiebbaren Kugelspindel (110). Das Stützlager (116) ist als Kugelrollenlager (117) ausgebildet, so dass es gegenüber einem Kugellager mit gleichen radialen und axialen Abmessungen bessere Trageigenschaften hat sowie ein höheres Fettvolumen aufnimmt. Auf diese Weise kann bei gleichen Lagerabmessungen eine höhere Lagerlebensdauer und eine bessere Fettgebrauchsdauer erzielt werden.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Kugelgewindetrieb mit einer drehangetriebenen und über ein Wälzkörper-Stützlager in einer Maschinenstruktur drehgelagerten Kugelmutter sowie mit einer linear verschiebbaren Kugelspindel.
Hintergrund der Erfindung
Kugelgewindetriebe dienen dazu, Drehbewegungen in Linearbewegungen umzuwandeln. Sie werden beispielsweise im Werkzeugmaschinenbau zur Verstellung von Maschinenschlitten eingesetzt, wo die Drehbewegung von elektrischen Stellmotoren in eine lineare Verstellbewegung umgewandelt wird, oder als Lenkgetriebe in der Kraftfahrzeugtechnik, bei denen die Drehbewegung des Lenkrades bzw. der Lenksäule in eine Linearbewegung eines die gelenkten Räder verstellenden Lenkers dient.
Kugelgewindetriebe zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass sie weitgehend spielfrei einstellbar sind, so dass die Bewegungsübertragung äußerst präzise ist, und dass sie beispielsweise gegenüber herkömmlichen Trapezgewindespindeln reibungsarm und deshalb sehr leichtgängig sind, womit auch ein Slip-Stick-Effekt weitgehend vermieden wird.
Man unterscheidet grundsätzlich Kugelgewindetriebe, bei denen die Kugelspindel drehangetrieben und die Kugelmutter linear bewegt wird, sowie Kugelgewindetriebe, bei denen die Kugelmutter drehangetrieben und die Kugelspindel längs verschoben wird. Auf die letztere Ausführungsform bezieht sich die vorliegende Erfindung. In diesem Fall ist die Kugelmutter im allgemeinen über ein Wälzkörper-Stützlager in einer Maschinenstruktur drehgelagert und über geeignete Getriebemittel, beispielsweise einen Antriebsriemen, mit einem Antriebsmotor drehgekoppelt.
Ein konstruktives bzw. funktionales Problem wirft dabei in vielen Fällen das Stützlager auf, über das die Kugelmutter in der Maschinenstruktur drehgelagert ist. In einigen besonderen Anwendungsfällen, insbesondere bei einer Verwendung in Kraftfahrzeugen mit einem Antrieb der Kugelmutter durch den Antriebsmotor, ergeben sich immer wieder Probleme mit der Lagerlebensdauer und mit der Fettgebrauchsdauer, sowie mit einer nicht ausreichenden statischen axialen sowie radialen Funktionssicherheit infolge erhöhter Riemenbelastungen, Abweichungen der Riemenangriffskraftrichtung von der Sollrichtung sowie den auf das Stützlager rückwirkenden Axialkräften. Weitere Belastungen des Stützlagers entstehen aus zusätzlichen hohen Radial-/Axial-Beschleunigungen infolge von Ungleichförmigkeiten der Antriebsdrehzahl, welche die Lagerlebensdauer weiter reduzieren. Aus den beschriebenen Lagerbelastungen und gegebenenfalls aus der Einbauumgebung des Kugelgewindetriebes ergeben sich außerdem verhältnismäßig hohe Lagertemperaturen, die die Fettgebrauchsdauer reduzieren.
Eine Möglichkeit, die Lagerlebensdauer zu erhöhen, ist ganz allgemein die Verwendung eines größeren oder eines mehrreihigen Wälzlagers, was jedoch oft aus Gründen des zur Verfügung stehenden Einbauraumes nicht ohne weite res möglich ist. Ein anderer Ansatz zur Lösung der oben beschriebenen Probleme besteht darin, ein Kugellager mit geteiltem Innenring (oder Außenring) zu verwenden, welches bei gleichem Einbauraum eine Erhöhung der Kugelzahl erlaubt. Diese Lösung führt jedoch gleichzeitig zu einer Reduzierung der Fettmenge im Lager und damit zu einer Reduzierung der Fettgebrauchsdauer, so dass diese Lösung insgesamt keinen Vorteil bringt. Außerdem sind Kugellager mit geteilten Laufringen im allgemeinen sehr viel teurer als Kugellager mit ungeteilten Laufringen.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kugelgewindetrieb der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art zu schaffen, bei welchem das Stützlager im wesentlichen ohne eine Kostenerhöhung gegenüber bekannten Stützlagern ein günstigeres Verhältnis von Lagerabmessungen zu Lagerlebensdauer bzw. Fettgebrauchsdauer aufweist.
Zusammenfassung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass Wälzlagerungen mit Wälzkörpern in Form von Kugelrollen mit beispielsweise jeweils zwei symmetrisch von einer Kugelgrundform abgeflachten sowie parallel zueinander angeordneten Seitenflächen im Hinblick auf herkömmliche Wälzlagerungen mit Rillenkugellagern, Zylinderrollenlagern oder Nadellagern bei gleichem Außendurchmesser und bei gleicher axialer Baulänge über eine größere Tragfähigkeit oder bei gleicher Tragfähigkeit über eine geringere axiale Länge verfügen. Zwar sind derartige Kugelrollenlager grundsätzlich beispielsweise aus der DE 10 2005 061 792 A1 schon bekannt; es ist bisher jedoch noch nicht bekannt, Kugelrollenlager als Stützlager für Kugelspindeln bei Kugelgewindetrieben zu verwenden.
Die Erfindung geht demnach aus von einem Kugelgewindetrieb mit drehangetriebener, über ein Wälzkörper-Stützlager in einer Maschinenstruktur drehgelagerter Kugelmutter und linear verschiebbarer Kugelspindel. Dabei ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Wälzkörper-Stützlager als Kugelrollenlager ausgebildet ist.
Kugelrollen sind Wälzkörper, deren Grundform die einer Kugel ist, bei der an zwei einander gegenüberliegenden Seiten Kugelkappen fehlen. Die eigentliche, mit den Laufringen zusammenwirkende Wälzfläche ist demnach eine Kugelfläche, so dass Kugelrollen die gleichen Trageigenschaften haben wie Kugeln gleichen Durchmessers. Der Vorteil von Kugelrollen gegenüber Kugeln liegt einerseits in der in der vorne genannten Druckschrift beschriebenen Möglichkeit, bei im übrigen gleichen Bauabmessungen die Wälzkörperzahl zu erhöhen und damit die Trageigenschaften zu verbessern, und andererseits in der Tatsache, dass durch die fehlenden Kugelkappen ein größeres Fettvolumen in das Lager eingefüllt werden kann, wodurch die Fettgebrauchsdauer erhöht wird.
Es besteht demnach gemäß der Erfindung die Möglichkeit, ein herkömmliches Kugellager durch ein Kugelrollenlager mit gleichen Bauabmessungen zu ersetzen, welches eine erhöhte Lagerlebensdauer sowie eine erhöhte Fettgebrauchsdauer aufweist.
Die Erfindung bietet jedoch auch die Möglichkeit, bei gleicher Lagerlebensdauer ein Lager mit geringeren Bauabmessungen in radialer und/oder axialer Richtung zu verwenden und damit beispielsweise die Lagerkosten zu reduzieren.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Kugelrollenlager als Vierpunktlager ausgebildet ist. Vierpunktlager gehören zu den einreihigen Schrägkugellagern und benötigen dadurch in axialer Richtung deutlich weniger Bauraum als beispielsweise zweireihige Ausführungen. Sie sind im allgemeinen mit geteilten Innenringen ausgeführt, um eine möglichst große Kugelzahl unterzubringen. Durch die erfindungsgemäße Ausführung als Kugelrollenlager lässt sich jedoch auch beispielsweise bei einem einteiligen Innenring eine weitgehend dichte Wälzkörperbestückung des Lagers erreichen.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Kugelrollenlager eine direkt auf dem Außenumfang der Kugelmutter ausgebildete innere Kugelrollenlauffläche aufweist, d. h. ohne Innenring ausgeführt ist. Eine derartige Ausgestaltung entspricht montagetechnisch einer Ausführung mit ungeteiltem Innenring, kann jedoch auf den Innenring verzichten, so dass sich bei gleichen Trageigenschaften ein kleinerer Lagerdurchmesser ergibt.
Da Kugelrollen gegenüber Kugeln insbesondere in axialer Richtung weniger Platz einnehmen, besteht die Möglichkeit, die Lager mit integrierten Lagerabdichtungen auszuführen, wie anhand eines Ausführungsbeispieles dargelegt wird.
Bei einem Kugelgewindetrieb der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art, d. h. mit in einer Maschinenstruktur drehgelagerter Kugelmutter, kann gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass die Kugelmutter selbst als Riemenscheibe ausgebildet und über einen Antriebsriemen mit einem Antriebsmotor verbindbar ist. Wie weiter vorne ausgeführt wurde, ist das als Kugelrollenlager ausgebildete Stützlager infolge der größeren Wälzkörperanzahl in besonderer Weise geeignet, die aus der Riemenlast herrührenden gleichförmigen und ungleichförmigen radialen und axialen Belastungen aufzunehmen.
Konstruktiv ist vorgesehen, dass die Kugelmutter auf ihrem Außenumfang eine mit der Kugelmutter fest verbundene Riemenscheibe trägt, wie ebenfalls anhand eines Ausführungsbeispieles dargelegt wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird im folgenden anhand der beiliegenden Zeichnung an einigen Ausführungsformen näher erläutert. Darin zeigt
1 in einer perspektivischen Darstellung einen Kugelgewindetrieb als Antrieb für eine linear verstellbare Zahnstange,
2 in einem Längsschnitt einen Kugelgewindetrieb mit einem als Kugellager ausgebildeten Stützlager gemäß dem Stand der Technik,
3 eine Ansicht etwa gemäß der 2, jedoch mit einem als Kugelrollenlager ausgebildeten Stützlager, und
4 eine Ansicht etwa gemäß der 2, jedoch mit einem als Vierpunkt-Kugelrollenlager ausgebildeten Stützlager.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
Der in 1 dargestellte Kugelgewindetrieb 2 umfasst eine in einer nicht dargestellten Maschinenstruktur drehgelagerte Kugelmutter 4, die über einen Antriebsriemen 6 mit einem ebenfalls nicht dargestellten Antriebsmotor drehgekoppelt ist. Bei einer Drehung der Kugelmutter 4 in einer der beiden durch den Doppelpfeil 8 angegebenen Drehrichtungen wird in an sich bekannter Weise die Kugelspindel 10 in einer der beiden durch den Doppelpfeil 12 gekennzeichneten Richtungen linear verschoben. Wie die 1 erkennen lässt, ist die Kugelspindel 10 an ihrem in 1 linken Ende als Zahnstange 14 ausgebildet, die beispielsweise mit einem nicht dargestellten Lenkritzel zusammenwirkt.
2 zeigt den Kugelgewindetrieb 2 im Bereich der Kugelmutter 4 in einem Längsschnitt, wobei das der Drehlagerung der Kugelmutter 4 dienende Stützlager 16 in herkömmlicher Weise als einreihiges Kugellager ausgebildet ist. Der Außenring 18 des Stützlagers 16 ist in einer nicht näher dargestellten Weise in einer nicht dargestellten Maschinenstruktur fest montiert.
Die Kugelmutter 4, die in an sich bekannter Weise mit einer Umlenk- und Rückführhülse für die nicht belasteten Kugeln des Kugelgewindetriebes ausgestattet ist, trägt an ihrem Außenumfang eine mit der Kugelmutter 4 fest verbundene Riemenscheibe 20, die über den Antriebsriemen 6 mit einem Antriebsmotor verbunden ist. Auf diese Weise kann die Kugelmutter 4 drehangetrieben und die Kugelspindel 10 in Richtung des Doppelpfeiles 12 bewegt werden.
Der in 3 dargestellte Kugelgewindetrieb 102 entspricht in seinem Aufbau im wesentlichen dem Kugelgewindetrieb 2 der 1 und braucht insoweit nicht nochmals im einzelnen beschrieben zu werden. Gleiche Bauelemente sind dabei mit gleichen Bezugszeichen, vermehrt um 100, versehen. Der Kugelgewindetrieb 102 unterscheidet sich von dem Kugelgewindetrieb 2 jedoch in der Ausbildung des Stützlagers 116, welches als Kugelrollenlager 117 ausgebildet ist. Das als Kugelrollenlager 117 ausgebildete Stützlager 116 hat im vorliegenden Ausführungsbeispiel die gleichen radialen und axialen Abmessungen wie das Stützlager 16 der 2. Die Wälzkörper sind jedoch als Kugelrollen ausgebildet, was, wie weiter vorne beschrieben wurde, einerseits eine Erhöhung der Anzahl der Wälzkörper und damit bessere Trageigenschaften ergibt, und wodurch andererseits der für eine Fettfüllung verfügbare Raum vergrößert und so das Fettvolumen erhöht werden kann, was wiederum zu einer Erhöhung der Fettgebrauchsdauer und damit der Lebensdauer des Lagers 116, 117 führt.
4 zeigt einen Kugelgewindetrieb 202, welcher im Aufbau im wesentlichen dem der 3 entspricht, so dass wiederum eine ins Einzelne gehende Beschreibung nicht erforderlich ist. Gleiche Bauelemente wie in 2 sind mit gleichen Bezugszeichen, vermehrt um 200, versehen. Das Stützlager 216 ist wie bei der 3 als Kugelrollenlager, genauer gesagt als Vierpunkt-Kugelrollenlager 217 ausgebildet, das gegenüber einfachen Kugelrollenlagern höhere Axialkräfte in beiden Richtungen aufnehmen kann und dadurch beispielsweise ein zweireihiges Schrägkugellager ersetzen könnte.
Bei beiden in den 3 und 4 dargestellten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen sind die ungeteilten Innenringe durch am Außenumfang der Kugelmutter 104 bzw. 204 ausgebildete Kugelrollenlaufflächen 122 bzw. 222 gebildet, so dass ein gesonderter Innenring jeweils entfallen kann.
Da infolge der Ausbildung der Wälzkörper als Kugelrollen diese in axialer Richtung weniger Bauraum einnehmen als Kugeln mit gleichem Durchmesser, können ohne weiteres integrierte Dichtungen 124, 224 eingebaut werden, wobei weiter ein ausreichender Raum zur Aufnahme von Fett verbleibt.

2: Kugelgewindetrieb
4: Kugelmutter
6: Antriebsriemen
8: Doppelpfeil
10: Kugelspindel
12: Doppelpfeil
14: Zahnstange
16: Stützlager
18: Außenring
20: Riemenscheibe
102: Kugelgewindetrieb
104: Kugelmutter
106: Antriebsriemen
110: Kugelspindel
116: Stützlager
118: Außenring
117: Kugelrollenlager
120: Riemenscheibe
122: Kugelrollenlaufflächen
124: Dichtungen
202: Kugelgewindetrieb
204: Kugelmutter
206: Antriebsriemen
210: Kugelspindel
216: Stützlager
217: Vierpunkt-Kugelrollenlager
218: Außenring
220: Riemenscheibe
222: Kugelrollenlaufflächen
224: Dichtungen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102005061792 A1 [0008]

Claims

Kugelgewindetrieb mit drehangetriebener, über ein Wälzkörper-Stützlager in einer Maschinenstruktur drehgelagerter Kugelmutter und linear verschiebbarer Kugelspindel, dadurch gekennzeichnet, dass das Stützlager (116, 216) als Kugelrollenlager (117, 217) ausgebildet ist.
Kugelgewindetrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kugelrollenlager (217) als Vierpunktlager ausgebildet ist.
Kugelgewindetrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kugelrollenlager (217) als Vierpunktlager mit ungeteiltem Innenring und Außenring ausgebildet ist.
Kugelgewindetrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kugelrollenlager (117, 217) eine auf dem Außenumfang der Kugelmutter (104, 204) ausgebildete Kugelrollenlauffläche umfasst.
Kugelgewindetrieb nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kugelrollenlager (117, 217) mit integrierten Lagerdichtungen (124, 224) ausgebildet ist.
Kugelgewindetrieb nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugelmutter (104, 204) als Riemenscheibe ausgebildet und über einen Antriebsriemen (106, 206) mit einem Antriebsmotor verbindbar ist.
Kugelgewindetrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das die Kugelmutter (104, 204) an ihrem Außenumfang eine mit der Kugelmutter fest verbundene Riemenscheibe (120, 220) trägt.