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Die Erfindung betrifft einen Kugelgewindetrieb nach Anspruch 1.
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Kugelgewindetriebe werden im Maschinenbau bei einer Vielzahl von Anwendungen mit Erfolg eingesetzt. Sie haben die früher vorherrschenden Trapezgewindespindeln weitestgehend verdrängt, da sie unter anderem hinsichtlich Wirkungsgrad, Dynamik, Präzision und Lebensdauer erhebliche Vorteile bieten.
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Hauptkomponenten eines Kugelgewindetriebs sind die Gewindespindel und die (Kugelgewinde-)Mutter. Die Gewindespindel und die Mutter begrenzen gemeinsam einen Kugellaufkanal in dem sich eine Vielzahl von Kugeln befindet, die auf der Gewindespindel und der Mutter abwälzen. Die Kugeln stellen eine formschlüssige Verbindung zwischen der Gewindespindel und der Mutter her, sodass beispielsweise durch Drehen der Gewindespindel der drehfest angeordneten Mutter eine Linearbewegung aufgeprägt wird. Dadurch, dass die Mutter und die Gewindespindel nicht direkt, sondern über die in dem Kugellaufkanal befindlichen Kugeln miteinander in Kontakt stehen, sind der Wirkungsgrad und die Präzision von Kugelgewindetrieben sehr hoch.
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Da die Kugeln in dem Kugellaufkanal eine Wälzbewegung ausführen, rollen sie durch den Kugellaufkanal, wenn die Gewindespindel relativ zu der Mutter gedreht wird. Dies bedeutet, dass die Kugeln in den Kugellaufkanal zurückgeführt werden müssen, um ein Entleeren des Kugellaufkanals zu verhindern. Im Stand der Technik sind verschiedene Möglichkeiten der Rückführung von Kugeln beschrieben.
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Die Erfindung betrifft eine Rückführung der Kugeln mit Hilfe einer Umlenkung, welche die Kugeln an einem Ende der Mutter aus dem Kugellaufkanal herauslenkt und durch einen Rückführkanal zum gegenüberliegenden Ende der Mutter leitet. Dort werden die Kugeln wieder in den Kugellaufkanal zurückgeführt.
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Weil der Rückführkanal mindestens eine, in der Regel jedoch zwei Richtungsänderungen aufweist, sind die Umlenkungen nach dem Stand der Technik zwei- oder dreiteilig ausgeführt.
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Aus der
DE 10 2010 050 175 A1 ist ein Kugelgewindetrieb bekannt dessen Umlenkung aus zwei Schalen besteht. Diese verschiedenen Bauteile sind teuer in Herstellung und Montage und stellen eine potentielle Fehlerquelle dar.
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Aus der
DE 10 2011 017 262 A1 ist ein Kugelgewindetrieb bekannt dessen Umlenkung in weiten Teilen außerhalb der Gewindemutter verläuft.
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Aus der
DE 10 2007 032 034 A1 ist ein Kugelgewindetrieb bekannt bei dem die Kugeln mittels einer in der Mutter an deren Außendurchmesser ausgebildeten Nut zurückgeführt werden. Diese Nut und eine Umlenkung mit einer komplementären Nut bilden gemeinsam einen Rückführkanal. Dies bedeutet, dass die Abdeckung sehr genau in der Mutter positioniert werden muss, weil andernfalls die Kugeln nicht in den Rückführkanal gelangen können und/oder nicht mehr aus dem Rückführkanal herauskommen. In beiden Fällen funktioniert der Kugelgewindetrieb nicht mehr.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Kugelgewindetrieb mit Umlenkung bereitzustellen, der diese Nachteile vermeidet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Kugelgewindetrieb nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen gelöst.
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Dabei ist es besonders vorteilhaft, dass die erfindungsgemäße Umlenkung nicht durch Zusammenfügen mehrerer Bauteile, wie beispielsweise eines Endstückes und eines Zwischenstücks durch Kleben, Schweißen oder eines anderen Fügeverfahren hergestellt wird, sondern die Umlenkung als ein integrales Bauteil hergestellt wird.
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Dies kann in besonders vorteilhafterweise durch Lasersintern erfolgen. Bei diesem aus dem Prototypenbau bekannten Verfahren wird ein Pulver eines thermoplastischen Kunststoffs durch einen Laserstrahl lokal gezielt erwärmt und schmilzt dadurch. Dabei verbinden sich die aufgeschmolzenen Moleküle des Kunststoffpulvers und bilden nach dem Abkühlen unter die Schmelztemperatur einen zusammenhängenden Körper. Somit kann durch eine geeignete Steuerung des Laserstrahls in einer Ebene Schicht für Schicht ein dreidimensionaler Körper aufgebaut werden. In diesem dreidimensionalen Körper können ohne Weiteres auch mehrfach abgewinkelte und/oder gekrümmte Rückführkanäle ausgebildet werden.
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Somit ist es möglich, ohne Formwerkzeuge für Kunststoffspritzteile herstellen zu müssen, eine einstückige Umlenkung mit einem im Inneren verlaufenden und mehrfach gekrümmten Rückführkanal herzustellen. Die durch das Lasersintern erzielbaren geometrischen Genauigkeiten und die mechanische Festigkeit des aufgeschmolzenen und anschließend abgekühlten Kunststoffs sind völlig ausreichend, um die Rückführung der Kugeln durch den Rückführkanal zu gewährleisten.
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Solche erfindungsgemäßen Umlenkungen sind kostengünstig herstellbar, weil keine Werkzeugkosten anfallen, sondern vielmehr durch eine geeignete Steuerung des Laserstrahls und der Vorrichtung zum Lasersintern die gewünschte Formgebung der erfindungsgemäßen Umlenkung erfolgt. Auch wird die Montage der Umlenkung in der Mutter des Kugelgewindetriebs wegen der Einstückigkeit erleichtert und verbessert.
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Durch die Einstückigkeit der erfindungsgemäßen Umlenkung lässt sich die Umlenkung auch sehr viel einfacher in oder an der Mutter des Kugelgewindetriebs befestigen und fixieren, als die aus dem Stand der Technik bekannten dreiteiligen Umlenkungen.
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Selbstverständlich ist die Herstellung der erfindungsgemäßen einstückigen Umlenkung nicht auf das Lasersintern von Kunststoffen beschränkt, sondern kann auch beispielsweise durch andere aus dem Rapid-Prototyping bekannte formgebende Verfahren hergestellt werden. So ist beispielsweise das Sintern von keramischen Werkstoffen oder andere pulvermetallurgische Verfahren und/oder das freiformende Schweißen von Metall zur Herstellung der erfindungsgemäßen einteiligen Umlenkungen geeignet.
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Das Lasersintern eines Kunststoffpulvers ist jedoch besonders geeignet, weil es einfach in der Handhabung ist, kostengünstig in der Anwendung und die geforderten Festigkeiten ohne weiteres erbringt.
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Die erfindungsgemäße Umlenkung weist einen Rückführkanal mit mehreren Richtungsänderungen auf, wobei vorteilhafterweise zwischen einer ersten Richtungsänderung und einer zweiten Richtungsänderung des Rückführkanals ein gerader Abschnitt vorhanden ist. Dieser gerade Abschnitt verläuft in aller Regel parallel zu einer Längsachse der Gewindespindel des Kugeltriebs und verbindet ein erstes Ende mit einem gegenüberliegenden zweiten Ende der Umlenkung.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar. Alle der Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen beschriebenen und offenbarten Merkmale können, ohne dass gesondert darauf hingewiesen wird, einzeln oder in Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
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Es zeigen:
- 1 eine Explosionsdarstellung eines erfindungsgemäßen Kugelgewindetriebs,
- 2 eine Mutter mit erfindungsgemäßer Umlenkung in Explosionsdarstellung,
- 3 eine Draufsicht auf eine Mutter, eine erfindungsgemäße Umlenkung und eine Abdeckung und
- 4 verschiedene Schnitte durch die erfindungsgemäße Umlenkung.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Die 1 zeigt eine Explosionsdarstellung eines in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 versehenen Kugelgewindetriebs stark vereinfacht. Der Kugelgewindetrieb 1 umfasst eine Gewindespindel 3 und eine (Kugelgewinde-)Mutter 5.
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Die Gewindespindel 3 und die Mutter 5 bilden in montiertem Zustand einen Kugellaufkanal in dem die Kugeln des Kugelgewindetriebs 1 abwälzen. Die Kugeln sind größtenteils nicht dargestellt. Zur Veranschaulichung sind lediglich am linken Ende der Gewindespindel 3 einige Kugeln ohne Bezugszeichen angedeutet.
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In der 2 sind eine Mutter 5, eine erfindungsgemäße Umlenkung 7 und eine Abdeckung 9 in einer Explosionsdarstellung dargestellt.
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Die Mutter 5 entspricht einer herkömmlichen Mutter eines Kugelgewindetriebs 1, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist.
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An dem in 2 linken Ende der Mutter 5 ist ein Flansch 11 mit Befestigungsbohrung 13 ausgebildet. Der Flansch 11 und die Befestigungsbohrungen 13 dienen dazu, die Mutter 5 beispielsweise an einem Schlitten einer Werkzeugmaschine drehfest zu befestigen.
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An der Oberseite der Mutter 5 ist eine S-förmige Aussparung 15 zu erkennen. Diese Aussparung 15 durchdringt an ihren abgewinkelten Enden (siehe das Bezugszeichen 17) die Mutter 5, sodass bei eingebauter Gewindespindel 3 an den Enden der Aussparung 15 die Gewindespindel 3 und die dort befindlichen Kugeln (nicht dargestellt in 2) sichtbar sind. Die an den Enden der mehrfach abgewinkelten Aussparung 15 vorhandenen Durchbrüche sind mit dem Bezugszeichen 17 versehen. In dem mittleren Bereich der Aussparung 15 ist diese weniger tief, sodass die Mutter 5 dort nicht unterbrochen ist.
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Die an sich zylindrische Außenkontur der Mutter 5 ist im Bereich der Aussparung 15 abgeflacht, sodass eine Abdeckung 9 auf diese Abflachung 21 aufgesetzt und mittels Schrauben befestigt werden kann. Zwischen der Abdeckung 9 und der Aussparung 15 ist in der 2 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen einteiligen oder einstückigen Umlenkung 7 dargestellt.
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Wie aus der 2 gut zu erkennen ist, ist die Umlenkung 7 ebenso wie die Aussparung 5 an ihren Enden 23 abgewinkelt und füllt den durch die Aussparung 15 und die Durchbrüche 17 in der Mutter 5 gebildeten Raum im wesentlichen aus.
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An den abgewinkelten Ende 23.1 und 23.2 der Umlenkung 7 ist die Umlenkung 7 an ihrer in 2 unteren Seite an den Krümmungsradius der nicht dargestellten Gewindespindel 3 beziehungsweise den Innendurchmesser der Mutter 5 angepasst. Dies bedeutet, dass zwischen an den Enden 23 der Umlenkung 7, dort wo sich diese in montiertem Zustand in den Durchbrüchen 17 befinden, nur ein sehr kleiner Spalt zwischen der Gewindespindel 3 und den Enden 23 vorhanden ist, sodass die Kugeln nicht durch diesen Spalt in unkontrollierter Weise entweichen können.
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An dem in 2 linken Ende 23 der Umlenkung 7 ist auch gut zu erkennen, dass die Enden 23 halbkreisförmig ausgespart sind (siehe das Bezugszeichen 25), sodass die Kugeln durch dieses Kreissegment hindurch rollen können.
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Im Inneren der Umlenkung 7 (nicht sichtbar in 2) befindet sich ein Rückführkanal 31, durch den die Kugeln von einem Ende 23.1 durch ein Zwischenstück 27 der Umlenkung 7 zum zweiten Ende 23.2. geführt werden. Bei einer Umkehr der Drehrichtung des Kugelgewindetriebs kehrt sich auch die Bewegungsrichtung der Kugeln in dem Rückführkanal 31 um, sodass die Kugeln vom Ende 23.2 zum Ende 23.1 gefördert werden.
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In 2 ist links der Umlenkung 7 durch eine strichpunktierte Linie die Längsachse des nicht sichtbaren Rückführkanals 31 durch eine strichpunktierte Linie angedeutet. Dabei ist von besonderer Bedeutung, dass diese Längsachse 29 zwei Richtungsänderungen 31.1 und 31.2 erfährt. Dies bedeutet, dass es nicht möglich ist, durch herkömmliche Herstellungsverfahren wie beispielsweise spanende Bearbeitung oder Kunststoffspritzen eine solche einteilige Umlenkung 7 herzustellen, weil zumindest der mittlere Bereich der Längsachse 29, welcher sich zwischen den Richtungsänderungen 31.1, 31.2 erstreckt, nicht durch Bohren oder einen Schieber eines Kunststoffwerkzeugs hergestellt werden kann.
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Wenn jedoch, wie erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Umlenkung 7 durch Lasersintern eines schmelzbaren, bevorzugt thermoplastischen Kunststoffpulvers erfolgt, dann kann dieser dreidimensional gekrümmte und/oder abgewinkelte Rücklaufkanal in die schichtweise aufgebaute / gesinterte erfindungsgemäße einstückige Umlenkung 7 integriert werden, obwohl im Inneren der Umlenkung 7 ein mehrfach gekrümmter beziehungsweise abgewinkelter Rückführkanal verläuft.
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In der 3 ist nun eine Ansicht von oben auf die Mutter 5, die Umlenkung 7 und die Abdeckung 9 isometrisch dargestellt. Auch hier ist die Längsachse des Rückführkanals als strichpunktierte Linie 29 dargestellt. Gut zu erkennen sind in der Draufsicht auf die Mutter 5, die beiden Durchbrüche 17 und die darunter verlaufende Gewindegänge der Gewindespindel 3.
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In der 4 sind Schnitte durch die Enden 23.1 und 23.2 entlang der Linien A-A sowie B-B dargestellt. Dabei wird deutlich, dass der in der 4a untere Teil des Endes 23 eine Krümmung aufweist. Diese Krümmung korrespondiert mit dem Außendurchmesser der Gewindespindel 3 beziehungsweise dem Innendurchmesser der Mutter 5. An der in der 4a linken Kennseite des Endes 23 ist der Kreisbogen 25 zu erkennen.
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Dort beginnt der Rückführkanal 31 und lenkt die nur exemplarisch dargestellten Kugeln 33 aus der Gewindespindel heraus. Damit ist der Formschluss zwischen den Kugeln 33 und der Gewindespindel 3 aufgehoben. So bald die Kugeln 33 das Zwischenstück 27 (siehe die 2 und 3) erreicht haben, werden sie parallel zur Längsachse der Mutter 5 beziehungsweise der Gewindespindel 3 an das andere Ende der Mutter befördert. Dort befindet sich ebenfalls wieder ein Ende 23 mit einem schräg zur Gewindespindel 3 verlaufenden Abschnitt des Rückführkanals 31. Dort werden die Kugeln 33 wieder in den oder die Gewindegänge der Gewindespindel 3 in an sich bekannter Weise eingeführt.
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Somit ist es möglich, durch die erfindungsgemäße einstückige beziehungsweise einteilige Umlenkung 7 die Funktionalität eines herkömmlichen Kugelgewindetriebs zu verbessern, weil sichergestellt ist, dass die Kugeln 33 in dem Rückführkanal 31 bestmöglich gelenkt und geführt sind.
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Die erfindungsgemäße einteilige Umlenkung 7 erfordert keine konstruktiven Änderungen an der Mutter oder der Gewindespindel 3, sodass sie in vielen Fällen auch bei bereits in Serie befindlichen Kugelgewindetrieben 1 nachgerüstet oder in die Serienfertigung aufgenommen werden kann.
