DE102009014257A1

DE102009014257A1 - Kugelgewindetrieb

Info

Publication number: DE102009014257A1
Application number: DE200910014257
Authority: DE
Inventors: Dieter Adler; Wolfgang DÖPPLING; Christian Papp; Horst Steinbinder
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2009-03-20
Filing date: 2009-03-20
Publication date: 2010-09-23

Abstract

Kugelgewindetrieb, mit einer Spindel und einer darauf angeordneten Spindelmutter, wobei Kugeln in einem von Kugelrillen der Spindel und der Spindelmutter begrenzten Kugelkanal laufen und über eine den Kugelkanal fortsetzende lastfreie Kugelrückführung vom Ende zum Anfang des Kugelkanals zurückgesetzt werden, wobei mindestens zwei Kugeln in einem gemeinsamen Kugelwagen aufgenommen sind, der einen Wagenkörper mit jeweils eine Kugel aufnehmenden Taschen aufweist, an dessen axialen Enden und zwischen einander benachbarten Kugeln jeweils mit in die Kugelrillen eingreifenden und an den den Kugeln zugewandten Seiten mit einer konkaven Kugelaufnahme versehene Teller vorgesehen sind, wobei der Wagenkörper um eine quer zu seiner Längsachse verlaufende Achse (A) gekrümmt ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Kugelgewindetrieb mit einer Spindel und einer darauf angeordneten Spindelmutter, wobei Kugeln in einem von Kugelrillen der Spindel und der Spindelmutter begrenzten Kugelkanal laufen und über eine den Kugelkanal fortsetzende lastfreie Kugelrückführung vom Ende zum Anfang des Kugelkanals zurückgesetzt werden, wobei mindestens zwei Kugeln in einem gemeinsamen Kugelwagen aufgenommen sind, der einen Wagenkörper mit jeweils eine Kugel aufnehmenden Taschen aufweist, an dessen axialen Enden und zwischen einander benachbarten Kugeln jeweils mit in die Kugelrilten eingreifenden und an den den Kugeln zugewandten Seiten mit einer konkaven Kugelaufnahme versehene Teller vorgesehen sind.
Hintergrund der Erfindung
Solche Kugelgewindetriebe kommen vornehmlich dort zum Einsatz, wo schnelle, lineare Stellbewegungen erfolgen sollen, beispielsweise im Automobilbereich bei einer elektrisch unterstützten Lenkung oder dergleichen. Die Funktion eines Kugelgewindetriebs wird im Wesentlichen durch drei Funktionskennwerte bestimmt, nämlich zum einen eine geringst mögliche Reibung unter Last (Wirkungsgrad) auch bei kleinem Spiel oder Vorspannung, ferner geringste Verschiebekräfte im lastlosen Fall (Durchschiebekraft) auch bei kleinem Spiel oder Vorspannung, sowie geringst mögliche Geräuschentwicklung. Die oben genannten Kennwerte werden im Wesentlichen durch die Reibung und die Ablaufruhe im Wälzkontakt der Kugeln definiert respektive bestimmt. Auch die Art der Umlenkung beeinflusst das Erreichen der angestrebten Kennwerte respektive Ziele. Es ist ferner bekannt, dass käfiggeführte Wälzlager eine deutlich geringere Reibung und Geräuschemission aufweisen als Vollkugellager ohne Käfigführung. Aus diesem Grund ist bereits in DE 10 2004 037 123 A1 vorgeschlagen worden, einen Käfig in Form eines Kugelwagens in einem Kugelgewindetrieb einzusetzen, wobei der Kugelwagen zwei Taschen aufweist, die über endständige Teller respektive einen mittigen Teller definiert beziehungsweise begrenzt sind und seitlich über einen oder zwei Stege geschlossen sind. Die Tellerinnenflächen sind konkav ausgeführt, sie ermöglichen die Lagerung der Kugel. Die endständigen Teller sind kalottenförmig mit einer Kugelaußenfläche ausgeführt und wirken als Puffer, hierüber wird ein Verhaken zweier hintereinander angeordneter Wagenkörper vermieden.
Das Problem bei dem aus DE 10 2004 037 123 A1 bekannten Kugelgewindetrieb besteht darin, dass bei Einsatz solcher Kugelwagen diese eine räumliche Verformung bei einem Kugelumlauf insbesondere im Bereich der üblicherweise einen sehr kleinen Radius aufweisenden Kugelumlenkung erfahren. Hierbei besteht Bruchgefahr, ein aus Kunststoff gefertigter Kugelwagen kann brechen, was zu einer Blockade führen kann. Das heißt, dass sich derartige bekannte, längliche beziehungsweise axial aufgebaute Kugelwagen nur bedingt für den Einsatz in Kugelgewindetrieben eignen.
Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, einen Kugelgewindetrieb anzugeben, bei dem weniger stark belastete Wagenkörper zum Einsatz kommen.
Zusammenfassung der Erfindung
Zur Lösung dieses Problems ist bei einem Kugelgewindetrieb der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Wagenkörper um eine quer zu seiner Längsachse verlaufende Achse gekrümmt ist.
Anders als im Stand der Technik ist beim erfindungsgemäßen Kugelgewindetrieb der Wagenkörper von Haus aus gekrümmt, weist also eine gebogene Form auf. Hieraus resultiert, dass er beim Umlauf nicht mehr oder nur noch unwesentlich auch im Bereich extremer Umlenkungen respektive kleiner Radien verformt beziehungsweise gebogen wird, da seine Form der gebogenen Führungs- oder Bewegungsbahn bereits angepasst beziehungsweise nachempfunden ist. Die Belastung ist folglich eine deutlich geringere, was dazu führt, dass es auch bei Langzeiteinsatz nicht zu einem Bruch des Kugelwagens und damit einem Ausfall des Kugelgewindetriebs kommt. Gleichwohl werden alle Vorteile eines solchen käfig- oder wagengeführten Triebs erreicht. Denn die Kugeln laufen nicht mehr direkt aufeinander, sie berühren sich nicht, sondern gleiten auf den jeweiligen konkaven Führungsflächen der Teller, mithin also auf einer reibungsarmen Kunststofffläche oder -schicht. Auch reduziert sich das Laufgeräusch, wie auch ein reibungs- und stoßfreier Kugelein- und -austritt zur Umlenkung hin unterstützt wird.
Der Krümmungsradius des Wagenkörpers ist erfindungsgemäß größer als der minimale Krümmungsradius des Kugelkanals, einschließlich der Kanalkrümmung im Bereich der Kugelumlenkung. Denn beim Durchfahren der Kugelumlenkung sowie des Kugelkanals zwischen Mutter und Spindel ändert sich ständig der Krümmungsradius der abzufahrenden Laufbahn, was dazu führt, dass sich der mittlere Teller immer näher dem Schulterdurchmesser der Gewindespindel als auch des Innendurchmessers der Kugelumlenkung bis hin zu einem möglichen Kontakt nähert, sowie die beiden äußeren Teller sich weg vom Laufbahnradius bis zum Innendurchmesser der Kugelgewindemutter bis hin zum Kontakt nähern. Um ein Anstreifen des Kugelwagens möglichst zu vermeiden, wird der Krümmungsradius des Wagens entsprechend bestimmt, er wird so ausgelegt, dass sich ein idealer Mittelwert zwischen einem maximalen Krümmungsradius, wie er im Bereich des spindel- und mutterseitigen Kugelkanals gegeben ist, und dem engsten Krümmungsradius im Bereich der Kugelumlenkung ergibt.
Eine weitere Verbesserung kann ferner dadurch erreicht werden, dass bei Verwendung dreier die beiden endseitigen Teller zur einen Seite der die beiden Kugelmittelpunkte verbindenden gedachten Linie und der beide Kugeln lagernde mittlere Teller zur anderen Seite der Linie versetzt ist. Das heißt, dass der mittlere Teller in Richtung der Außenkontur, also zur Mutter hin, mit einem Höhenversatz bezüglich der gedachten Verbindungslinie beider Kugelmittelpunkte versetzt ist, während die beiden äußeren Teller in Richtung der Innenkontur, also zur Spindel hin, versetzt positioniert sind. Auch aufgrund dieses Versatzes wird ein Anlaufen an den entsprechenden Bauteilen weitgehend vermieden.
In Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der mittlere Teller an beiden Seiten konkave Innenflächen und die beiden endständigen Teller jeweils eine konkave Innenfläche aufweisen, wobei alle Innenflächen den gleiche Radius besitzen. Der Radius ist etwas größer als der Kugelradius, so dass die Kugeln mit leichtem Spiel zwischen den Teilern aufgenommen sind. Beim normalen Einsatz ohne Kugelwagen ändert sich der Abstand zwischen den Kugeln nicht, da diese in der Regel aneinander anliegen und der Abstand dem doppelten Kugelradius, gegebenenfalls mit minimalem Spiel, entspricht. Der eigentliche Weg, den die Kugeln jedoch zurücklegen, ist aber nicht immer die direkte Verbindungslinie zwischen den beiden Kugeln. Vielmehr müssen diese einen Bogen fahren, wenn eine Umlenkung erfolgt. Hieraus folgt letztlich ein sich ständig ändernder Kontaktpunkt. Um dies nun zu umgehen werden die beiden äußeren Radien der konkaven Kugelführungsflächen in dem Maße angepasst, dass sich die Kugeln beim Durchfahren von Kurven bezogen auf ihren Kugelmittelpunkt nähern, dass also beide einen etwas größeren Radius aufweisen, als den Kugelradius.
Um ein geschmeidiges und verhakungsfreies Bewegen der Kugeln respektive Kugelnwagen zu ermöglichen sind die endständigen Teller zweckmäßigerweise mit einer kugelflächenartig konvex gekrümmten Außenfläche versehen, sind also rundlich ausgeführt. Um einen stetigen Kontakt zwischen den endständigen Tellern zweier benachbarter Kugelwagen beim Durchfahren von unterschiedlicher Krümmungsradien sicherzustellen, ist es darüber hinaus zweckmäßig, wenn die beiden gedachten Verbindungslinien zwischen dem Mittelpunkt einer jeweiligen Kugel und dem Mittelpunkt der kugelflächenartig konvex gekrümmten Außenfläche der beiden zur einen Seite der die beiden Kugelmittelpunkte verbindenden gedachten Linie versetzten Teller sich in einem Punkt jenseits der die beiden Kugelmittelpunkte verbindenden gedachten Linie schneiden. Die seitlich versetzt liegenden Teller respektive ihre Kugelaußenflächen sind also so positioniert, dass sich die beiden Senkrechten, die von den jeweiligen Kugelmittelpunkten auf den Mittelpunkt der in der Aufsicht runden Kugelaußenfläche laufen, in einem Punkt jenseits der gedachten Mittellinie schneiden. Aufgrund dieser Radienausgestaltung und Anordnung der Teller wird sichergestellt, dass zwei aufeinanderfolgende Kugelwagen stets im Bereich der konvex gekrümmten Außenflächen aneinander liegen, unabhängig davon, welcher konkrete Bahnradius nun gerade befahren wird. Der Durchmesser eines äußeren Teller nimmt also von einem Maximum im Bereich der Tellermitte zum Rand hin ab, d. h. dass letztlich der Radius der gekrümmten Telleraußenfläche zumindest zum Tellerrand hin kleiner ist als der Kugelradius, dem im wesentlichen der Radius der Tellerinnenfläche entspricht. Die Mittelpunkte zweier einander nachfolgenden Kugeln zweier aneinandergrenzender Wagen sind also je nach befahrenem Bahnradius weiter oder näher beieinander, je nachdem in welchen unterschiedlich „dicken” Tellerbereichen die Teller aneinander liegen. Der Radius der äußeren Teller variiert also in dem Maß, dass beim Durchfahren von engen Radien der Abstand des Kugelmittelpunkts zum Berührungspunkt zweier aneinandergrenzender Kugelwagen betragsmäßig im wesentlichen um den gleichen Wert reduziert wird, wie sich die abzufahrende Länge aufgrund der Bahnkrümmung erhöht. Damit bliebt letztlich der Abstand zweier Kugeln nahezu gleich, auch wenn Bereiche unterschiedlicher Krümmung befahren werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
1 eine Ansicht eines Teilquerschnitts durch einen erfindungsgemäßen Kugelgewindetrieb,
2 eine Darstellung der geöffneten Kugelrückführung mit darin abgebildeter, über Kugelwagen geführten Kugeln,
3 eine Perspektivansicht eines Kugelwagens,
4 eine Aufsicht auf den Kugelwagen aus 3, und
5 eine Seitenansicht des Kugelwagens aus 3.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
1 zeigt eine Teilansicht eines erfindungsgemäßen Kugelgewindetriebs, der grundsätzliche Aufbau eines solchen Kugelgewindetriebs ist dem Fachmann hinlänglich bekannt. Der Kugelgewindetrieb weist eine Spindel 1 und eine darauf drehbar angeordnete Spindelmutter 2 auf. Kugeln 3 sind in einem von Kugelrillen 4, 5 begrenzten endlosen Kugelkanal 6 endlos umlauffähig angeordnet. Der Kugelkanal 6 weist einen um die Spindel 1 gewundenen Lastabschnitt 7 auf, in dem die Kugeln 3 an den Kugelrillen 4, 5 unter Last abwälzbar angeordnet sind. Anfang und Ende des Lastabschnitts 7 sind durch eine lastfreie Kugelrückführung 8 endlos miteinander verbunden. Die Kugelrückführung ist beim gezeigten Beispiel in Form eines längsgeteilten Rohres 9 ausgebildet, dessen eine Hälfte in 2 gezeigt ist. Ferner sind eine Vielzahl von im Kugelkanal 6 hintereinander angeordneten Kugelwagen 10 vorgesehen. In jedem Kugelwagen 10 sind zwei Kugeln 3 in entsprechenden Taschen 11 verliersicher aufgenommen. Mehrere dieser hintereinander angeordneten Kugelwagen 10 sind in 2 als in der Kugelrückführung befindlich dargestellt.
Wie die 3–5 zeigen, weist der Kugelwagen 10 eine Längliche Form auf, er ist jedoch, siehe insbesondere die 3 und 5, um eine quer zu seiner Längsachse stehende Achse A gebogen. Das heißt, der Wagenkörper respektive die beiden die Taschen 11 seitlich begrenzenden Stege 12 sind gebogen.
Wie die Figuren ferner zeigen, weist der Kugelwagen 10 an seinen. beiden axialen Enden jeweils einen Teller 13 auf. Diese beiden Teller 13 sind an ihren voneinander abgewandten Seiten konvex gewölbt, weisen also konvexe, kugelflächen- oder kalottenförmige Außenflächen 14 auf. Die Innenflächen 15 beider Teller sind konkav geformt, sie bilden Führungsflächen für die in den Taschen 11 aufgenommenen Kugeln 3, von denen zwei in 5 gestrichelt gezeigt sind.
Vorgesehen ist ferner ein mittlerer Teller 16, der ebenfalls zwei konkave innere Führungsflächen 17 aufweist, die ebenfalls als Kugelführungsflächen dienen, siehe wiederum 5. Der Radius der Kugelführungsflächen 17 entspricht im Wesentlichen dem Radius der Kugeln 3, während der Radius der Innenflächen 15 etwas größer ist, um eine leichte Bewegung der Kugeln zu ermöglichen. Denn infolge der Bewegung um die mit unterschiedlichen Radien gebogene Kanalstrecke ändert sich ständig die Relativlage der beiden Kugeln zueinander, das heißt, die Kugelmittelpunkte nähern sich einander mit zunehmend engerem Radius an, was durch diese Ausgestaltung der Führungsflächen ermöglicht wird.
Wie aus 5 ferner ersichtlich ist, ist der mittlere Teller 16 zur einen Seite einer gedachten Mittellinie M, die durch die beiden Mittelpunkte M₁ und M₂ der beiden Kugeln 3 läuft, versetzt angeordnet, ferner weist er querschnittlich gesehen eine Keilform auf, um die entsprechenden Führungsflächen 17 auszubilden. Infolge der Biegung um die Achse A befinden sich die beiden anderen endständigen Teller 13 zur anderen Seite der gedachten Mittellinie M hin versetzt, siehe ebenfalls 5. Der Krümmungsradius des Kugelwagens 10 selbst wird so ausgelegt, dass er größer ist als der kleinste, also engste Radius, der zu durchlaufen ist, und kleiner als der größte Kanalradius, er sollte im Wesentlichen als Mittelwert dazwischen liegen.
Die konkrete Ausgestaltung der äußeren Teller 13 respektive der kugelflächenförmigen Außenflächen 17 ist der Gestalt, dass eine durch den Mittelpunkt K₁ beziehungsweise K₂ der jeweiligen Außenfläche 14 sowie den jeweiligen Mittelpunkt M₁ beziehungsweise M₂ der jeweils zugeordneten Kugel 3 laufende gedachte Linie L₁ beziehungsweise L₂ einander in einem Schnittpunkt S schneiden, der wiederum oberhalb der gedachten Mittellinie M zwischen den beiden Kugelmittelpunkten M₁ und M₂ liegt. Das heißt, dass der Mittelpunkt des Außenradius der Teller 13 durch den Mittelpunkt der zugehörigen Linie geht, und sich der oberhalb der Verbindungslinie liegende Schnittpunkt ergibt. Letztlich ist der Durchmesser und die Grundform der Teller entsprechend auszulegen.
Der Durchmesser eines äußeren Teller 13 nimmt also von einem Maximum im Bereich der Tellermitte K₁ zum Rand hin ab, d. h. dass letztlich der Radius der gekrümmten Telleraußenfläche 17 zumindest zum Tellerrand hin kleiner ist als der Kugelradius, dem im wesentlichen der Radius der Tellerinnenfläche 15 entspricht. Die Mittelpunkte M₁ und M₂ zweier einander nachfolgenden Kugeln 3 zweier aneinandergrenzender Wagen 10 sind also je nach befahrenem Bahnradius weiter oder näher beieinander, je nachdem in welchen unterschiedlich „dicken” Tellerbereichen die Teller 13 aneinander liegen. Der Radius der äußeren Teller 13 variiert folglich in dem Maß, dass beim Durchfahren von engen Radien der Abstand des Kugelmittelpunkts M₁ bzw. M₂ zum Berührungspunkt zweier aneinandergrenzender Kugelwagen 10 bzw. der jeweiligen Teller 13 betragsmäßig im wesentlichen um den gleichen Wert reduziert wird, wie sich die abzufahrende Länge aufgrund der Bahnkrümmung erhöht. Damit bliebt letztlich der Abstand zweier Kugeln 3 nahezu gleich, auch wenn Bereiche unterschiedlicher Krümmung befahren werden.
Während in den Figuren der Kugelwagen zwei seitliche Stege 12 aufweist, ist es auch möglich, nur einen die drei Teller 13 und 16 verbindenden Steg 12 vorzusehen, der auch nicht unbedingt seitlich, sondern auch im oberen oder unteren Bereich verlaufen kann.

1: Spindel
2: Spindelmutter
3: Kugeln
4: Kugelrillen
5: Kugelrillen
6: Kugelkanal
7: Lastabschnitt
8: Kugelrückführung
9: Rohr
10: Kugelwagen
11: Taschen
12: Stege
13: Teller
14: Außenflächen
15: Innenflächen
16: Teller
17: Kugelführungsflächen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102004037123 A1 [0002, 0003]

Claims

Kugelgewindetrieb, mit einer Spindel und einer darauf angeordneten Spindelmutter, wobei Kugeln in einem von Kugelrillen der Spindel und der Spindelmutter begrenzten Kugelkanal laufen und über eine den Kugelkanal fortsetzende lastfreie Kugelrückführung vom Ende zum Anfang des Kugelkanals zurückgesetzt werden, wobei mindestens zwei Kugeln in einem gemeinsamen Kugelwagen aufgenommen sind, der einen Wagenkörper mit jeweils eine Kugel aufnehmenden Taschen aufweist, an dessen axialen Enden und zwischen einander benachbarten Kugeln jeweils mit in die Kugelrillen eingreifenden und an den den Kugeln zugewandten Seiten mit einer konkaven Kugelaufnahme versehene Teller vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Wagenkörper um eine quer zu seiner Längsachse verlaufende Achse (A) gekrümmt ist.
Kugelgewindetrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Krümmungsradius größer als der minimale Krümmungsradius des Kugelkanals (6) ist
Kugelgewindetrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung dreier Teller (13, 16) die beiden endseitigen Teller (13) zur einen Seite der die beiden Kugelmittelpunkte (M₁, M₂) verbindenden gedachten Linie (M) und der beide Kugeln (3) lagernde mittlere Teller (16) zur anderen Seite der Linie (M) versetzt ist.
Kugelgewindetrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Teller (16) an beiden Seiten konkave Innenflächen (17) und die beiden endständigen Teller (13) jeweils eine konkave Innenfläche (15) aufweisen, wobei alle Innenflächen (15, 17) den gleichen Radius aufweisen.
Kugelgewindetrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die endständigen Teller (13) eine kugelflächenartige konvex gekrümmte Außenfläche (14) aufweisen.
Kugelgewindetrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich die beiden gedachten Verbindungslinien (L₁, L₂) zwischen dem Mittelpunkt (M₁, M₂) einer jeweiligen Kugel (3) und dem Mittelpunkt (K₁, K₂) der kugelflächenartig konvex gekrümmten Außenfläche (14) der beiden zur einen Seite der die beiden Kugelmittelpunkte (M₁, M₂) verbindenden gedachten Linie (M) versetzten Teller (13) sich in einem Punkt (5) jenseits der die beiden Kugelmittelpunkte verbindenden gedachten Linie (M) schneiden.