DE102012014163B4 - Kugelgewindetrieb - Google Patents

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Abstract

Kugelgewindetrieb mit einer Spindel und einer Kugelmutter, wobei zwischen der Spindel und der Kugelmutter eine Vielzahl Kugeln aus einem Metall und/oder einer Keramik angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Kugeln zumindest zum Teil aus Yttrium stabilisiertem Zirkoniumoxid gefertigt ist, wobei das Zirkoniumoxid einen Anteil Yttriumoxid zwischen 3 und 4 Mol% aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Kugelgewindetrieb nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1 sowie eine Kugel gemäß Anspruch 6.
  • In einem Kugelgewindetrieb ist zwischen einer Kugelmutter und einer Gewindespindel eine Vielzahl von Kugeln angeordnet, die im Allgemeinen aus Stahl (100Cr6) gefertigt sind. Zwischen diesen Stahlkugeln, die einen gleichgroßen Durchmesser aufweisen, treten aufgrund einer komplexen Kinematik zwischen den Kugeln hohe Zwangskräfte auf. Diese Zwangskräfte bewirken ein hohes Reibmoment und führen zu einem erhöhten Verschleiß. Daraus folgt eine verkürzte Lebensdauer der Kugeln und damit einhergehende Kosten.
  • Es ist zwar probiert worden, dieses Problem mit dem Einsatz von Kugeln mit abwechselnd kleinem und großem Durchmesser zu lösen, die Ergebnisse hierzu sind aber ebenfalls nicht zufriedenstellend. Ferner ist auch bekannt, Kugeln aus Keramik einzusetzen, vorzugsweise Siliziumnitrid (Si3N4), was sich aber aufgrund der auf den Kugelgewindetrieb wirkenden hohen Radialkräfte ebenso als nachteilig ausgewirkt hat. Kugeln aus Siliziumnitrit weisen mit ihrem relativ hohen Elastizitätsmodul an einer Kontaktstelle zwischen Spindel und Kugelmutter deutlich höhere Werte einer Hertzsche Pressung als üblich auf, was schließlich auch zu einer verkürzten Lebensdauer führt.
  • Aus dem Dokument DE 696 20 578 T2 ist es bekannt, einen Kugelgewindetrieb in einer Vorschubspindel mit keramischen Kugeln auszustatten. Als Materialien für die Kugeln werden unter anderem Zirkoniumdioxid sowie Siliziumnitrid mit Yttriumoxid und Aluminiumoxid vorgeschlagen. Genauere Zusammensetzungen sind nicht angegeben.
  • Das Dokument DE 697 07 555 T2 offenbart ein Wälzlager mit Wälzkörpern aus yttriumstabilisiertem Zirkoniumdioxid, wobei die Yttriumstabilisierung mit einem Anteil von 5% Yttriumoxid erfolgt. Die Lebensdauer solcher Wälzkörper in einem Kugelgewindetrieb ist aufgrund eines hohen Elastizitätsmoduls für diesen Einsatz nicht ausreichend.
  • Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den eingangs genannten Kugelgewindetrieb weiter zu entwickeln, der eine höhere Lebensdauer als bislang üblich aufweist.
  • Ein Kugelgewindetrieb zur Lösung der genannten Aufgabe weist die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 auf. Danach wird ein Kugelgewindetrieb mit einer Spindel und einer Kugelmutter vorgeschlagen, wobei zwischen der Spindel und der Kugelmutter eine Vielzahl Kugeln aus einem Metall und/oder einer Keramik angeordnet sind, und wobei wenigstens eine der Kugeln zumindest zum Teil aus Yttrium stabilisierendem Zirkoniumoxid gefertigt ist, wobei das Zirkoniumoxid einen Anteil Yttriumoxid zwischen 3 und 4 Mol% aufweist. Keramikkugeln sind Stahlkugeln hinsichtlich Verschleiß und Reibung überlegen und neigen beispielsweise weniger zu adhäsivem Verschleiß. Gegenüber den Kugeln aus Siliziumnitrit weisen Kugeln aus Yttrium stabilisierendem Zirkoniumoxid einen deutlich reduzierten Elastizitätsmodul auf, der ähnlich dem der Stahlkugeln ist. Die Hertzsche Pressung wird dadurch nicht erhöht. Zudem ist ein Wärmeausdehnungskoeffizient der Kugeln aus Yttrium stabilisierendem Zirkoniumoxid zumindest mit dem der Stahlkugeln ähnlich, weshalb es nicht weiter zu Problemen aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnung kommt. Mit einer Dichte zwischen 6,1 und 6,6 g/cm3 (in Abhängigkeit des Anteils Yttrium in dem Zirkoniumoxid) ist eine Kugel aus Yttrium stabilisierendem Zirkoniumoxid bedeutend schwerer als Siliziumnitrit, weshalb eine bessere Kinematik erzielt werden kann. Zudem sind Kugeln aus Yttrium stabilisierendem Zirkoniumoxid auch kostengünstiger als Kugeln aus Siliziumnitrit herzustellen, was ein weiterer Vorteil ist.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, wenn zu gleichen Anteilen Kugeln aus Metall und Kugeln aus Yttrium stabilisierendem Zirkoniumoxid vorgesehen sind, wobei vorzugsweise Kugeln aus Metall und Kugeln aus Yttrium stabilisierendem Zirkoniumoxid abwechselnd angeordnet sind.
  • Weiterhin können nach einer weiterführenden Ausführungsform, die Kugeln aus Metall und Yttrium stabilisierendem Zirkoniumoxid einen gleichen Durchmesser aufweisen oder die Kugeln aus Metall einen kleineren oder größeren Durchmesser als die Kugeln aus Yttrium stabilisierendem Zirkoniumoxid aufweisen. Insbesondere durch den unterschiedlichen Durchmesser kann sich die Reibung zwischen den Kugeln erheblich reduzieren, wodurch sich eine Reduzierung eines Verschleißes erzielen lässt.
  • Wenn nach einer anderen bevorzugten Ausführungsform ausschließlich Kugeln aus Yttrium stabilisierendem Zirkoniumoxid vorgesehen sind, kann die Hertzsche Pressung weiter reduziert werden und damit die Lebensdauer des Kugelgewindetriebs verlängert werden.
  • Es kann vorteilhaft vorgesehen sein, wenn das Zirkoniumoxid einen Anteil Yttriumoxid von 3,3 Mol% aufweist. Insbesondere ein gehiptes (heißisostatisch gepresstes) Yttrium stabilisierendes Zirkoniumoxid gilt als überroll- und folglich auch als ermüdungsfest bei einer zyklischen Belastung.
  • Weiterhin wir die erfinderische Aufgabe durch einen Kugel gemäß den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst. Danach kann eine Kugel zur Verwendung in einem Kugelgewindetrieb, vorzugsweise für ein Lenkgetriebe, bestimmt sein, die zumindest zum Teil aus Yttrium stabilisierendem Zirkoniumoxid gefertigt ist, wobei das Zirkoniumoxid einen Anteil Yttriumoxid zwischen 3 und 4 Mol% aufweist. Kugeln aus Yttrium stabilisierendem Zirkoniumoxid weisen besonders gute Eigenschaften hinsichtlich von Reibung, Verschleiß und Lebensdauer auf.
  • Gemäß einer Weiterbildung kann eine Kugel derart ausgebildet sein, dass das Zirkoniumoxid einen Anteil Yttriumoxid von 3,3 Mol% aufweist. Mit einem Gefüge aus kubischer und tetragonaler Phase erhält man ein Material, dass sehr zäh und hochfest ist, mit einer Bruchfestigkeit von mehr als 1000 MPa.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.
  • Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel näher erläutert.
  • Ein Kugelgewindetrieb weist eine Vielzahl Kugeln in einem Gewinde zwischen einer Kugelmutter und einer Spindel auf, wobei nach einem ersten Ausführungsbeispiel die Kugeln abwechselnd aus Stahl und Yttrium stabilisierendem Zirkoniumoxid gebildet sind.
  • Die Kugeln aus Yttrium stabilisierendem Zirkoniumoxid weisen einen Anteil Yttrium zwischen 3 und 4 Mol% und bevorzugt einen Anteil von 3,3 Mol%. Durch das Herstellungsverfahren, die Kugeln werden gehipt (heißisostatisch gepresst), können jegliche Hohlräume in dem Material beseitigt werden, wodurch die Kugeln aus Yttrium stabilisierendem Zirkoniumoxid überrollfest sind und folglich auch ermüdungsfest bei einer zyklischen Belastung.
  • Das Kugelmaterial weist ein Mischgefüge aus kubischer und tetragonaler Phase auf, wobei das Material nicht nur eine kleine Körnung von ca. 0,3 µm aufweist, sondern auch sehr zäh ist. Im Vergleich zu bislang eingesetzten Kugeln aus Siliziumnitrit (Si3N4) weist Yttrium stabilisiertes Zirkoniumoxid dazu eine doppelt so hohe Biegefestigkeit von 1000MPa auf. Durch ein dem Stahl ähnliches Elastizitätsmodul von ca. 200 GPa wird die Hertzsche Pressung nicht bzw. kaum erhöht, weshalb es zu keinen negativen Eindrückungen im Gewinde im Bereich Kugel/Spindel und Kugel/Kugelmutter kommt.
  • Gegenüber einer Kugelkombination aus Stahl und Siliziumnitrit weist die Kugelkombination Stahl/Yttrium stabilisiertes Zirkoniumoxid einen um einen Faktor 10 geringeren Verschleißkoeffizienten auf, insbesondere unter Einwirkung von Fremdpartikeln.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung sind nur Keramikkugeln aus Yttrium stabilisierendem Zirkoniumoxid vorgesehen, die die oben beschriebenen Eigenschaften aufweisen.
  • In einem dritten Ausführungsbeispiel sind große Keramikkugeln aus Yttrium stabilisierendem Zirkoniumoxid vorgesehen, die mit kleineren Stahlkugeln aus 100Cr6 alternieren. Die größeren Keramikkugeln sind auch als belastbare Kugeln zu verstehen, wobei die kleineren Stahlkugeln sogenannte Abstandskugeln sind. Bei einer solchen Anordnung, weisen die belastbaren Kugeln eine gleiche Drehrichtung auf, während die Abstandskugeln gegenläufig orientiert sind. In an sich bekannter Weise erfahren die Abstandskugeln keine Belastung, wodurch sie sich nicht abschleifen und vorschnell ausgewechselt werden müssen.

Claims (7)

  1. Kugelgewindetrieb mit einer Spindel und einer Kugelmutter, wobei zwischen der Spindel und der Kugelmutter eine Vielzahl Kugeln aus einem Metall und/oder einer Keramik angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Kugeln zumindest zum Teil aus Yttrium stabilisiertem Zirkoniumoxid gefertigt ist, wobei das Zirkoniumoxid einen Anteil Yttriumoxid zwischen 3 und 4 Mol% aufweist.
  2. Kugelgewindetrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zu gleichen Anteilen Kugeln aus Metall und Kugeln aus Yttrium stabilisiertem Zirkoniumoxid vorgesehen sind, wobei Kugeln aus Metall und Kugeln aus Yttrium stabilisiertem Zirkoniumoxid abwechselnd angeordnet sind.
  3. Kugelgewindetriebe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugeln aus Metall und Yttrium stabilisiertem Zirkoniumoxid einen gleichen Durchmesser aufweisen oder die Kugeln aus Metall einen kleineren Durchmesser als die Kugeln aus Yttrium stabilisiertem Zirkoniumoxid aufweisen.
  4. Kugelgewindetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ausschließlich Kugeln aus Yttrium stabilisiertem Zirkoniumoxid vorgesehen sind.
  5. Kugelgewindetrieb nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zirkoniumoxid einen Anteil von 3,3 Mol% Yttriumoxid aufweist.
  6. Kugel zur Verwendung in einem Kugelgewindetrieb für ein Lenkgetriebe, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugel zumindest zum Teil aus Yttrium stabilisiertem Zirkoniumoxid gefertigt ist, wobei das Zirkoniumoxid einen Anteil Yttriumoxid zwischen 3 und 4 Mol% aufweist.
  7. Kugel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Zirkoniumoxid einen Anteil von 3,3 Mol% Yttriumoxid aufweist.
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