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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Tragzahl bei einer Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Eine derartige Vorrichtung ist aus der
DE 37 39 059 A1 bekannt. Diese Vorrichtung dient zur Umwandlung einer Drehbewegung in eine Axialbewegung oder umgekehrt. Als wesentliche Komponenten umfasst die Vorrichtung eine eine Außenprofilierung aufweisende Spindel, eine die Spindel umgebende und relativ zu dieser drehbare, eine Innenprofilierung aufweisende Mutter und dazwischen angeordnete Wälzkörper, welche unterschiedliche Profilierungen aufweisen, von welchen die eine einen axialen Kraftschluss mit der Außenprofilierung der Spindel und die andere einen axialen Kraftschluss mit der Mutter herstellt.
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Die so ausgebildete Vorrichtung bildet einen Gewindetrieb, welchem ein Elektroantrieb zugeordnet sein kann, dessen Drehbewegung durch den Gewindetrieb in eine langsame Axialbewegung umgesetzt wird.
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Hierbei wälzen die Wälzkörper, die endseitig in Abstandsscheiben drehbar gelagert sind, mit einer bestimmten Umlaufgeschwindigkeit auf dem die Außenprofilierung aufweisenden Mantel der Spindel um. Dabei sind die ersten Profilierungen der Wälzkörper in der Außenprofilierung der Spindel geführt. Die Profilierungen der über den Umfang der Spindel verteilten, vorzugsweise an äquidistanten Winkelscheiben zueinander liegenden Wälzkörper weisen einen axialen Versatz auf.
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Der axiale Versatz der Profilierungen der einzelnen Wälzkörper leitet sich von der Steigung der ein Gewinde bildenden Außenprofilierung der Spindel ab. Dadurch bilden die Wälzkörper in ihrer Gesamtheit ein Gewinde für die Spindel. Das Gewinde ist damit nicht von der Innenprofilierung der Mutter gebildet. In dieser Innenprofilierung laufen vielmehr die zweiten Profilierungen der Wälzkörper.
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Derartige Vorrichtungen weisen im unbelasteten Zustand, das heißt bei Abwesenheit einer äußeren Last eine im Wesentlichen gleichförmige Flächenpressung in den einzelnen Kontaktpunkten zwischen der Außenprofilierung der Spindel und einer ersten Profilierung der Wälzkörper einerseits und zwischen der Innenprofilierung der Mutter und einer zweiten Profilierung der Wälzkörper andererseits auf.
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Bei einer vorhandenen externen Last verteilt sich diese in der Regel ungleichmäßig auf die einzelnen Kontaktpunkte. Dies bedeutet, dass einzelne Kontaktpunkte durch die einwirkende Last viel stärker belastet sind als andere Kontaktpunkte. In den übermäßig stark belasteten Kontaktpunkten kann es zu Beschädigungen kommen.
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Beispielsweise kann es lokal zu Ausbrüchen von Rillen der Profilierungen der Wälzkörper, der Außenprofilierung der Spindel oder der Innenprofilierung kommen. Treten derartige lokale Ausbrüche auf, kommt es zu einer raschen Ausweitung der Ausbrüche und damit zu einer kompletten Zerstörung der Vorrichtung.
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Generell führen somit derartige, durch externe Lasten punktuell auftretende hohe Belastungen in einzelnen Kontaktpunkten zu einer unerwünschten Reduzierung der Lebensdauer der Vorrichtung. Ein Kennwert für die Lebensdauer ist die sogenannte Tragzahl, die einen Punkt auf der Lebensdauerkennlinie (der sogenannten Wöhlerlinie) für die Vorrichtung bildet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Lebensdauer einer derartigen Vorrichtung zu erhöhen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Erhöhung der Tragzahl bei einer Vorrichtung zur Umwandlung einer Drehbewegung in eine Axialbewegung und umfasst folgende Komponenten: Eine eine Außenprofilierung aufweisende Spindel, eine die Spindel umgebende, eine Innenprofilierung aufweisende und relativ zu dieser drehbare Mutter sowie dazwischen angeordnete Wälzkörper. Die Wälzkörper weisen zwei unterschiedliche Profilierungen auf, von welchen die eine einen axialen Kraftschluss zur Außenprofilierung der Spindel und die andere einen axialen Kraftschluss zur Innenprofilierung der Mutter herstellt, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
- – Vorgabe von Geometrien der Komponenten in einem Anfangszustand,
- – Ermittlung der Verformungen dieser Komponenten bei Einwirken einer Last,
- – Berechnung von geometrischen Korrekturen der Geometrien von Komponenten durch negatives Vorhalten der ermittelten Verformungen, zur Optimierung der Anzahl von Kontaktpunkten der Komponenten.
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Der Grundgedanke der Erfindung besteht somit darin, die durch eine externe Last bedingten Verformungen der Komponenten rechnerisch zu erfassen und in Abhängigkeit davon die Geometrien der Komponenten zu ändern, um im belasteten Zustand, eine möglichst gleichmäßige Belastung, das heißt Flächenpressung in den einzelnen Kontaktpunkten zu erhalten. Damit werden extrem hohe punktuelle Belastungen in einzelnen Kontaktpunkten, die zu lokalen Beschädigungen der Vorrichtung führen und damit die Lebensdauer, das heißt Tragzahl der Vorrichtung verringern würden, vermieden.
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Der Erfindung liegt somit die Erkenntnis zugrunde, dass die am stärksten belasteten Stellen der Vorrichtung entscheidend für deren Lebensdauer sind. Dadurch, dass durch die erfindungsgemäße Optimierung der Geometrien der Komponenten der Vorrichtung die Belastungen bedingt durch eine externe Last möglichst gleichmäßig verteilt werden, werden die an einzelnen Kontaktpunkten auftretenden Spitzenbelastungen erheblich reduziert und damit die Lebensdauer der gesamten Vorrichtung erhöht.
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Besonders vorteilhaft werden die Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens iterativ durchgeführt.
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Durch das Wiederholen der einzelnen Verfahrensschritte in dem iterativen Prozess kann die Anpassung der Geometrie der Komponenten der Vorrichtung besser und genauer durchgeführt werden, wodurch die Lebensdauer der Vorrichtung noch weiter erhöht werden kann.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform werden die Korrekturen von Komponenten der Vorrichtung für eine individuelle Last berechnet.
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Dieses Verfahren ist besonders dann sinnvoll, wenn die Vorrichtung zumindest näherungsweise immer mit derselben externen Last belastet wird. In diesem Fall kann die Tragzahl der Vorrichtung, durch Anpassung der Geometrien der Komponenten der Vorrichtung gezielt an diese individuelle Last, optimiert werden.
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Gemäß einer zweiten Ausführungsform werden die Korrekturen von Komponenten der Vorrichtung für eine mittlere Last berechnet.
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Dieses Verfahren ist dann besonders vorteilhaft, wenn die Vorrichtung mit variierenden externen Lasten betrieben wird. Durch Ermittlung einer mittleren Last und eine Änderung der Geometrien der Komponenten der Vorrichtung für diese mittlere Last wird eine universelle Optimierung der Tragzahl der Vorrichtung erhalten.
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Generell erfolgt die Ermittlung von negativen Verformungen von Komponenten der Vorrichtung durch Finite-Elemente-Berechnungen.
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Damit können in Abhängigkeit einer externen Last die Geometrien aller Komponenten, das heißt der Spindel, der Mutter und der Wälzkörper, zur Optimierung der Tragzahl der Vorrichtung geändert werden.
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So kann bei einer Last in Form einer auf die Spindel wirkenden Druckkraft die dadurch resultierende Verkürzung der Spindel durch eine Vergrößerung deren Steigung kompensiert werden.
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Ebenso kann bei einer Last in Form einer auf die Spindel wirkenden Zugkraft die dadurch resultierende Verlängerung der Spindel durch eine Verkleinerung deren Steigung kompensiert werden.
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Dabei wird eine über die Länge der Spindel homogene Veränderung der Steigung der Spindel durchgeführt.
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Alternativ können in den vorgenannten Fällen auch die Geometrien der Wälzkörper entsprechend geändert werden.
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Weiterhin können durch die Last bedingte Verformungen von Wälzkörpern durch Änderung deren Durchmesser kompensiert werden.
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Dabei können Geometriegrößen von Wälzkörpern lokal verändert werden.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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1: Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Umwandlung einer Drehbewegung in eine Axialbewegung.
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2: Einzeldarstellung eines Wälzkörpers mit einer durch eine externe Last hervorgerufenen Verformung.
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1 zeigt in einem Längsschnitt eine Vorrichtung 1 zur Umwandlung einer Drehbewegung in eine Axialbewegung oder umgekehrt. Die mit einem nicht gesondert dargestellten Elektromotor angetriebene Vorrichtung 1 bildet einen Gewindetrieb und umfasst eine Spindel 2, die an ihrer Mantelfläche eine Außenprofilierung 3 in Form eines Gewindes aufweist. Die Spindel 2 bildet somit eine Gewindespindel und kann die Welle des Elektromotors bilden. Die Spindel 2 ist von einer Mutter 4 umgeben, wobei die Mutter 4 gegenüber der Spindel 2 drehbar ist. An der Innenseite der Mutter 4 ist eine Innenprofilierung 5 in Form von Rillen vorgesehen.
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Zwischen der hohlzylindrischen Mutter 4 und der Spindel 2 ist eine vorgegebene Anzahl von Wälzkörpern 6 vorgesehen. Anstelle von Wälzkörpern 6 können auch Rollenkörper vorgesehen sein. Die Wälzkörper 6 sind in äquidistanten Winkeldistanzen in Umfangsrichtung der Spindel 2 versetzt angeordnet, wobei die Längsachsen der Wälzkörper 6 parallel zur Längsachse L der Spindel 2 verlaufen. Die längsseitigen Enden der Wälzkörper 6 sind jeweils in einer Abstandsscheibe 7 drehbar gelagert. Die Wälzkörper 6 weisen jeweils eine erste Profilierung 6a und eine zweite Profilierung 6b auf. Die Profilierungen 6a, 6b sind in Form von Rillenstrukturen ausgebildet. Mit der ersten Profilierung 6a wird ein axialer Kraftschluss des Wälzkörpers 6 mit der Spindel 2 hergestellt, indem diese Profilierung 6a in der Außenprofilierung 3 der Spindel 2 geführt ist. Mit der zweiten Profilierung 6b wird ein axialer Kraftschluss des Wälzkörpers 6 mit der Mutter 4 hergestellt, indem diese Profilierung 6b in der Innenprofilierung 5 der Mutter 4 geführt ist.
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Die die längsseitigen Enden der Wälzkörper 6 aufnehmenden Abstandsscheiben 7 dienen als Abstandshalter für die Wälzkörper 6. Die identisch ausgebildeten Abstandsscheiben 7 weisen eine kreisscheibenförmige Form auf. In der Mitte jeder Abstandsscheibe 7 ist eine zentrale Bohrung vorgesehen, durch welche die Spindel 2 geführt ist. Dabei liegen die Abstandsscheiben 7 in Abstand zur Spindel 2. Weiterhin weisen die Abstandsscheiben 7 Durchgangsbohrungen auf, in welchen die längsseitigen Enden der Wälzkörper 6 drehbar gelagert sind. Zur Axialfixierung der Abstandsscheiben 7 an der Innenkontur der Mutter 4 sind Absätze 8 vorgesehen. Die dort anliegenden Abstandsscheiben 7 sind jeweils durch einen in einer Nut in der Innenkontur der Mutter 4 gelagerten Sprengring 9 lagegesichert.
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Die Profilierungen 6a der einzelnen Wälzkörper 6 sind versetzt zueinander. Dabei weist die Profilierung 6a jedes Wälzkörpers 6 zu dem vorigen Wälzkörper 6 einen definierten axialen Versatz auf. Die versetzten Profilierungsstrukturen der Wälzkörper 6 bilden ein Gewinde für die Außenprofilierung 3, das heißt das Gewinde der Spindel 2. Bei einer Drehbewegung der Spindel 2 relativ zur Mutter 4 wälzen die Wälzkörper 6 mit den Profilierungen 6a auf der Außenprofilierung 3 ab, wobei zugleich die zweiten Profilierungen 6b in der Innenprofilierung 5 der Mutter 4 geführt sind.
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Vorteilhaft werden die Versätze der Rillenstrukturen von Paaren von Wälzkörpern 6 symmetrisch zu einem Wälzkörper 6 mit einem Versatz V = 0 gewählt, wobei dieser dadurch definiert ist, dass dessen Rillenstruktur symmetrisch zu seiner senkrecht zur Langsachse verlaufenden Symmetrieebene ist. Diese Ausführungsform ist deshalb vorteilhaft, da zwei Wälzkörper 6 mit den Versätzen V = V0 und V = –V0 identische Bauformen aufweisen und lediglich in umgekehrter Richtung im Gewindebetrieb eingebaut werden müssen. Damit reduziert sich die Anzahl der unterschiedlichen Typen von Wälzkörpern 6.
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1 zeigt die Vorrichtung 1 in einem Anfangszustand ohne Einwirkung einer externen Last.
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Dort weist die Spindel 2 eine vorgegebene Steigung p auf, die definiert ist durch die Beziehung p = T·G
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Dabei ist T die Teilung der Spindel 2, die definiert ist durch die konstanten Abstände der Rillen der Außenprofilierung 3. G ist die Gangzahl der Spindel 2.
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Im Anfangszustand, bei Abwesenheit einer externen Last, liegen sämtliche Rillen der Außenprofilierung 3 der Spindel 2 an den Profilierungen 6a der Wälzkörper 6 und sämtliche Rillen der Innenprofilierungen 5 der Mutter 4 an den Profilierungen 6b der Wälzkörper 6 an, wobei die Flächenbelastungen zwischen den so gebildeten Kontaktpunkten im Wesentlichen gleichförmig sind.
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Bei Einwirken einer externen Last ergibt sich eine inhomogen, nicht gleichförmige Verteilung der Flächenpressungen in den einzelnen Kontakpunkten. Um diesem Effekt entgegen zu wirken werden Geometrien der Mutter 4, der Spindel 2 und/oder der Wälzkörper 6 als Komponenten der Vorrichtung 1 so geändert, dass bei Einwirken einer externen Last die Flächenpressungen in den einzelnen Kontaktpunkten der Profilierung 6a der Wälzkörper 6 mit der Außenprofilierung 3 der Spindel 2 und der Profilierung 6b der Wälzkörper 6 mit der Innenprofilierung 5 der Mutter 4, möglichst gleichmäßig sind, da dadurch die Tragzahl (Lebensdauer) der gesamten Vorrichtung erhöht wird.
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Diese Optimierung der Geometrien erfolgt durch Finite-Elemente-(FEM-)-Berechnungen, wobei in einem ersten Schritt bei einer vorhandenen Last die Verformungen der Komponenten der Vorrichtung 1 in ihrem Anfangszustand berechnet werden.
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Für diese Berechnungen kann eine individuelle Last oder eine mittlere Last zugrunde gelegt werden.
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Ein Beispiel einer derartigen unter einer externen Laust auftretenden Verformung eines Wälzkörpers 6 ist (in übertriebener Form) in 2 dargestellt. Wie aus dieser Abbildung ersichtlich, bewirkt die externe Last eine starke Aufbiegung der rechten Hälfte des Wälzkörpers 6 (bei X1), während die linke Hälfte des Wälzkörpers 6 kaum aufgebogen wird.
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Im Bereich der maximalen Aufbiegung des Wälzkörpers bei X1 ist die Belastung der Kontaktpunkte zwischen der Außenprofilierung 3 der Spindel 2 und der Profilierung 6a des Wälzkörpers 6 stark herabgesetzt. In diesem Bereich der Vorrichtung würde es bei Auftreten der Last nicht zu die Lebensdauer beeinträchtigenden Beschädigungen kommen. Die auftretende Last wird vielmehr verstärkt auf die weniger durchgebogene Bereiche der Vorrichtung übertragen. Dort könnten aufgrund der stärkeren Belastungen lokale Ausbrüche der Rillenstrukturen der Wälzkörper 6 beziehungsweise der Spindel 2 auftreten, was zu einer Reduzierung der Lebensdauer der Vorrichtung 1 führen können Um dies zu verhindern wird in einer zweiten Stufe der FEM-Berechnung die Geometrie der Vorrichtung 1, ausgehend von ihrem Anfangszustand, derart geändert, dass die Effekte der Durchbiegung der Wälzkörper 6 infolge der externen Last kompensiert werden.
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Hierzu werden die im ersten Schritt berechneten Verformungen der Wälzkörper 6, wie in 2 dargestellt, negativ vorgehalten für den zweiten Schritt der FEM-Berechnungen zur Bestimmung von Geometrieänderungen der Komponenten der Vorrichtung 1 bezüglich ihres Anfangszustands.
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Im vorliegenden Fall besteht die berechnete Geometrieänderung darin, den Durchmesser der Wälzkörper 6 an der Stelle der stärksten Durchbiegung (X1) zu erhöhen.
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Durch diese Durchmesservergrößerung wird in diesem, ursprünglich am wenigsten belasteten Bereich die Belastung der einzelnen Kontaktpunkte erhöht. Da die Größe der externen Last konstant bleibt, nimmt zwangsläufig die Belastung der Kontaktpunkte in den ursprünglich am stärksten belasteten Bereichen ab, das heißt im Ergebnis werden die Belastungen, die durch die externe Last verursacht werden, gleichmäßiger über die gesamte Vorrichtung verteilt, lokale Belastungsspitzen werden dadurch abgebaut, und somit die Lebensdauer der gesamten Vorrichtung erhöht.
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Die genannte Geometrieoptimierung für die Wälzkörper 6 kann dahingehend modifiziert werden, dass als Randbedingung vorgegeben wird, dass die Symmetrie der Wälzkörper 6 bei der Geometrieänderung erhalten bleibt, damit auch noch nach erfolgter Geometrieoptimierung die Wälzkörper 6 in beiden Orientierungen in der Vorrichtung 1 einbaubar sind, wodurch die Anzahl der unterschiedlichen Typen von Wälzkörpern 6 gering gehalten werden kann.
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Mit dieser Randbedingung wird die Geometrie der Wälzkörper 6 dahingehend geändert, dass in symmetrischer Weise der Durchmesser des jeweiligen Wälzkörpers 6 nicht nur bei X1, sondern auch bei X0 vergrößert wird.
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Gemäß einem weiteren nicht dargestellten Beispiel kann die auf die Vorrichtung 1 wirkende externe Last in Form einer auf die Spindel 2 wirkenden Druckkraft gebildet sein, die zu einer Verkürzung der Spindel 2 führt.
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Diese Verformung kann dadurch kompensiert werden, dass die Steigung der Spindel 2 homogen über deren Länge vergrößert wird, wodurch erreicht wird, dass die Anzahl der Kontaktpunkte zwischen der Spindel 2 und den Wälzkörpern erhöht wird, was wiederum zu einer Erhöhung der Lebensdauer der Vorrichtung 1 führt.
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Entsprechend kann bei einer externen Last in Form einer auf die Spindel 2 wirkenden Zugkraft die dadurch bedingte Verlängerung der Spindel 2 dadurch kompensiert werden, dass die Steigung der Spindel 2 reduziert wird.
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In den beiden vorgenannten Fällen können die Verformungen der Spindel 2 auch durch Geometrieanpassungen der Wälzkörper 6, insbesondere der Abstände der Rillen der Wälzkörper, kompensiert werden.
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Schließlich können je nach Ausbildung der externen Last zur Kompensation von Verformungen von Komponenten der Vorrichtung 1 auch Geometrieparameter der Mutter 4, wie Abstände deren Rillen und deren Innendurchmesser, geändert werden. Dabei sind in diesem Fall auch lokale Geometrieänderungen der Mutter 4 möglich.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Spindel
- 3
- Außenprofilierung
- 4
- Mutter
- 5
- Innenprofilierung
- 6
- Wälzkörper
- 6a
- erste Profilierung
- 6b
- zweite Profilierung
- 7
- Abstandsscheibe
- 8
- Absatz
- 9
- Sprengring
- L
- Längsachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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