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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Kugelgewindetrieb, umfassend eine
Kugelmutter, eine Gewindespindel mit einer oder mehreren schraubenförmigen Kugellaufbahnen
am Außenumfang,
sowie Kugeln, die an der Kugelmutter geführt sind und mit der Kugellaufbahn
bzw. den Kugellaufbahnen der Gewindespindel in Eingriff stehen.
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Derartige
Kugelgewindetriebe sind aus dem Stand der Technik allgemein bekannt.
Sie werden vielfach zum Bewegen von Werkzeugschlitten oder Hubeinrichtungen
eingesetzt. Neuerdings finden Kugelgewindetriebe auch in elektromechanischen
Lenkungen Verwendung, um ein Antriebsmoment eines Elektromotors
in eine Axialkraft an einer Lenkstange zu übersetzen.
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In
der Regel variiert bei elektromechanischen Fahrzeuglenkungen das Übersetzungsverhältnis zwischen
dem Lenkradwinkel und dem an den Fahrzeugrädern eingestellten Lenkwinkel
in Abhängigkeit
des Lenkeinschlags. Dies lässt
sich beispielsweise durch eine entsprechende Ansteuerung des Elektromotors
realisieren.
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Vor
diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Alternativen
zur Variation des Übersetzungsverhältnisses
zu schaffen.
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Erfindungsgemäß wird hierzu
ein Kugelgewindetrieb der eingangs genannten Art dahingehen weitergebildet,
dass dessen Kugellaufbahn bzw. Kugellaufbahnen an der Gewindespindel
eine variable Gewindesteigung aufweisen.
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Hierdurch
lässt sich
unabhängig
vom Motor eine Variation des Übersetzungsverhältnisses
realisieren.
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Entsprechende
Kugelgewindetriebe können jedoch
auch zu anderen Zwecken, beispielsweise in Werkzeugmaschinen oder
Hubvorrichtungen eingesetzt werden. Durch die erfindungsgemäße Konfiguration
mit variabler Steigung lässt
sich beispielsweise an einer Werkzeugmaschine eine sehr genaue Zustellung
im Arbeitsbereich sowie ein schnelles Verfahren außerhalb
des eigentlichen Arbeitsbereichs erzielen, wodurch eine Taktzeiteinsparung
ermöglicht wird.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Patentansprüchen angegeben.
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So
kann beispielsweise der Verlauf des Maßes der variablen Gewindesteigung
bezüglich
einer ausgewählten
Stellung symmetrisch sein. Dies ist überall dort von Vorteil, wo
ein gleichartiges Bewegungsverhalten um eine Ausgangsstellung erwünscht ist.
Dies gilt insbesondere für
den Einsatz in einer Fahrzeuglenkung.
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Bei
letzterer ist es zudem von Vorteil, wenn die Gewindesteigung ausgehend
von einer Mittelstellung mit kleiner Steigung in beide Richtungen
zunimmt.
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Prinzipiell
kann der Kugelgewindetrieb mit einer einzigen Kugellaufbahn ausgeführt werden.
Vorzugsweise sind an der Gewindespindel jedoch mehrere, in Umfangsrichtung
zueinander versetzt angeordnete Kugellaufbahnen vorhanden. Gemäß einer bevorzugten
Ausgestaltung ist die Gewindespindel zweigängig, das heißt es sind
zwei separate Kugellaufbahnen vorhanden, die jeweils einen gleichartigen
Steigungsverlauf aufweisen. Hierdurch wird zum einen ein guter Kraftausgleich
an der Gewindespindel erzielt, zum anderen bleibt der Fertigungsaufwand
für die
Herstellung der Kugellaufbahnen noch verhältnismäßig gering. Grundsätzlich können jedoch
auch mehr als zwei separate Kugellaufbahnen vorgesehen werden.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist je Kugellaufbahn
eine Kugel an der Kugelmutter angeordnet. Im Unterschied zu Kugelgewindetrieben
mit Kugelumlauf bleiben bei der erfindungsgemäßen Lösung die Kugel bzw. die Kugeln
in Bezug auf die Kugelmutter stationär.
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Vorzugsweise
ist hierbei jede Kugel zwischen an der Kugelmutter drehbar gelagerten
Rollen aufgenommen, so dass die Reibung zwischen den Kugeln und
deren kugelmutterseitiger Führung
reduziert wird.
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Zu
diesem Zweck ist es weiterhin von Vorteil, wenn die Rollen ein an
die Kugelform angepasstes Profil aufweisen. Dies ermöglicht zudem
eine kompakte Bauweise, da der Abstand der Drehachsen der Rollen
verringert werden kann.
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Gemäß einer
weiteren, vorteilhaften Ausgestaltung sind die Rollen quer zu ihrer
Drehachse zweigeteilt. Hierdurch wird die Reibung zwischen den Kugeln
und deren Führung
weiter reduziert, insbesondere dann, wenn die Kugellaufbahnen eine
stärkere
Schrägstellung
zu den Drehachsen der Rollen, welche vorzugsweise parallel zur Längsachse
der Kugelgewindespindel verlaufen, aufweisen. Dies ist insbesondere
bei größeren Gewindesteigungen
der Fall.
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Vorzugsweise
sind die Rollen an Stiften bzw. Achsen gelagert, die ihrerseits
an der Kugelmutter festgelegt sind.
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Wie
oben bereits angedeutet, kommt der vorstehend erläuterten
Kugelgewindetrieb bevorzugt bei einer Fahrzeuglenkung zum Einsatz.
In diesem Fall ist die Gewindespindel dann ein Abschnitt einer Lenkstange
der Lenkung.
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Mit
der Erfindung wird somit ferner eine elektromechanische Lenkung
mit einem Kugelgewindetrieb der vorstehend erläuterten Art geschaffen.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Die
Zeichnung zeigt in:
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1 eine
räumliche
Ansicht eines Ausführungsbeispiels
für einen
Kugelgewindetrieb nach der Erfindung, und in
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2 eine
freigeschnittene Ansicht des Eingriffs einer Kugel mit diese führenden
Rollen sowie einer Gewindespindel.
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Das
in den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiels
zeigt einen Kugelgewindetrieb mit einer Kugelmutter 1,
einer Gewindespindel 2 sowie Kugeln 3. Die Kugeln 3 sind
an der Kugelmutter 1 geführt und stehen mit der Gewindespindel 2 in
Eingriff. Wird die Kugelmutter 1 in Drehung versetzt, jedoch axial
festgehalten, kommt es durch den Eingriff der Kugeln 3 zu
einer Axialverschiebung der drehfest gehaltenen Gewindespindel 2.
Hält man
hingegen die Kugelmutter 1 in Drehrichtung fest, kann durch
eine axiale Verschiebung derselben relativ zu der Gewindespindel 2 letztere
in Drehung versetzt werden.
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Bei
dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist
die Gewindespindel 2 an ihrem Außenumfang insgesamt zwei separate,
schraubenförmige
Kugellaufbahnen 4 und 5 auf, die in Umfangsrichtung
der Gewindespindel 2 um 180° versetzt zueinander angeordnet
sind. In Abwandlung des Ausführungsbeispiels
kann auch eine größere Anzahl
von Kugellaufbahnen an der Gewindespindel 2 ausgebildet
sein, wobei die Kugellaufbahnen wiederum in Umfangsrichtung zueinander
versetzt angeordnet sind. Prinzipiell ist es auch möglich, lediglich
eine einzige Kugellaufbahn an der Gewindespindel 2 vorzusehen.
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Unabhängig von
der Anzahl der Kugellaufbahnen weist jede Kugellaufbahn 4 bzw. 5 eine
variable Gewindesteigung auf, wodurch eine Variation des Übersetzungsverhältnisses
zwischen der Drehbewegung der Kugelmutter 1 und der Translationsbewegung
der Gewindespindel 2 ermöglicht wird. Dabei ist der
Verlauf der Gewindesteigung für
sämtliche vorhandenen
Kugellaufbahnen 4 und 5 gleichartig.
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Der
Verlauf des Maßes
der variablen Gewindesteigung nimmt ausgehend von einer Mittelstellung
mit kleiner Gewindesteigung in beide Richtungen zu. Vorzugsweise
ist dieser Verlauf bezüglich
einer ausgewählten
Stellung, welche z. B. die vorgenannte Mittelstellung sein kann,
symmetrisch. Letzteres ist insbesondere für den Einsatz in einer Fahrzeuglenkung
von Vorteil. Die Gewindespindel 2 ist in diesem Fall als
Abschnitt einer Lenkstange der Lenkung ausgebildet.
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Wie
den 1 und 2 entnommen werden kann, ist
je Kugellaufbahn 4 bzw. 5 genau eine Kugel 3 an
der Kugelmutter 1 angeordnet. Dabei sind die Kugeln 3 an
der Kugelmutter 1 stationär. Im Unterschied zu Kugelgewindetrieben
mit Kugelumlauf kommt die Kugelmutter 1 ohne eigene Kugellaufbahnen
aus.
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Die
Kugeln 3 können
beispielsweise unmittelbar in entsprechenden Taschen 8 der
Kugelmutter 1 aufgenommen sein. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
stützen
sich die Kugeln 3 jedoch nicht unmittelbar an Wandabschnitten
der Kugelmutter 1 ab, sondern sind zum Zweck der Verminderung
der Reibung zwischen an der Kugelmutter 1 drehbar gelagerten
Rollen 6 gelagert. Rollen die Kugeln 3 in ihren
Kugellaufbahnen 4 und 5 ab, so werden auch die Rollen 6 in
Drehung versetzt. Zur besseren Führung der
Kugeln 3 weisen die Rollen 6 zusätzlich ein
an die Kugelform angepasstes Profil auf. Hierdurch bleiben zudem
die Außenabmessungen
der Kugelmutter 1 kompakt.
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Die
Lagerung der Rollen 6 an der Kugelmutter 1 kann
beispielsweise über
Stifte 7 oder Achsen erfolgen, welche ihrerseits an der
Kugelmutter 1 festgelegt sind. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
sind die Stifte 7, welche parallel zur Längsachse der
Gewindespindel 2 verlaufen, von außen durch die Kugelmutter 1 und
durch in entsprechenden Taschen 8 der Kugelmutter 1 aufgenommene
Rollen 6 hindurchgesteckt.
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Die
Rollen 6 sind quer zu ihrer Drehachse zweigeteilt, so dass
einzelne Abschnitte mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten drehen
können. Dies
ist insbesondere von Vorteil, wenn die Kugeln 3 mit Abschnitten
größerer Steigung
in Eingriff stehen, um die Reibung zwischen den Kugeln 3 und
den Rollen 6 weiter zu verringern. Vorzugsweise erfolgt
die Teilung mittig im Bereich der stärksten Einschnürung, so
dass sich jede Rolle 6 aus zwei gleichartigen, jedoch spiegelbildlich
angeordneten Abschnitten 6a und 6b zusammensetzt.
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Bei
dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit
einer zweigängigen
Gewindespindel 2 und zwei Kugeln 3 umfasst die
Baueinheit der Kugelmutter 1 deren Gehäuse, welches zwei Taschen 8 aufweist, sowie
weiterhin vier jeweils zweigeteilte Rollen 6 und vier Stifte 7.
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In
einer Abwandlung des dargestellten Ausführungsbeispiels werden die
Drehachsen der Rollen 6 so angestellt, dass diese im Bereich
der kleinsten Steigung mit der betreffenden Kugellaufbahn 4 bzw. 5 einen
rechten Winkel einschließen.
Hierdurch wird in der Mittelstellung an den beiden Abschnitten 6a und 6b der
Rollen 6 die gleiche Drehgeschwindigkeit erzielt. Zudem
kann für
zunehmende Gewindesteigungen die Differenz der Drehgeschwindigkeiten
der beiden Abschnitte 6a und 6b etwas reduziert
werden.
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In
einer weiteren Abwandlung können
auch mehr als eine Kugel 3 je Kugellaufbahn 4 bzw. 5 vorgesehen
sein, so dass sich höhere
Kräfte übertragen lassen.
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Der
vorstehend erläuterte
Kugelgewindetrieb kommt bevorzugt bei einer elektromechanischen Fahrzeuglenkung
zum Einsatz, lässt
sich jedoch auch für
andere Zwecke, beispielsweise in einer Werkzeugmaschine oder einer
Hubvorrichtung verwenden.
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Die
Erfindung wurde anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Sie
ist jedoch nicht hierauf beschränkt,
sondern umfasst alle durch die Patentansprüche definierten Ausgestaltungen.
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- 1
- Kugelmutter
- 2
- Gewindespindel
- 3
- Kugel
- 4
- erste
Kugellaufbahn
- 5
- zweite
Kugellaufbahn
- 6
- Rolle
- 7
- Stift
- 8
- Tasche