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Die Erfindung betrifft eine für einen Kugelgewindetrieb vorgesehene Kugelgewindemutter, welche ein rohrförmiges Blechteil mit einem als Lastabschnitt für Wälzkörper fungierenden Gewindeprofil umfasst, wobei in das Blechteil auch ein Umlenkabschnitt für die Wälzkörper des Kugelgewindetriebs eingeformt ist.
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Als Kugelgewindetrieb ist ein Wälzschraubtrieb definiert, welcher Kugeln als Wälzkörper umfasst. Die Wälzkörper durchlaufen einen schraubenförmigen, typischerweise mehrere Windungen beschreibenden Lastabschnitt, welcher durch die Profilierungen von Mutter und Spindel des Kugelgewindetriebs gebildet ist. Nach dem vollständigen Durchlauf des Lastabschnitts werden die Kugeln durch einen Umlenkabschnitt, welcher sich in der Mutter befindet, zurück in den Lastabschnitt gefördert. Kugelgewindetriebe zeichnen sich durch hohe Wirkungsgrade von in der Regel mehr als 80% aus und können sowohl eine Rotation in eine translatorische Bewegung als auch eine Translation in eine Rotation umsetzen. Hinsichtlich der Normung wird auf die DIN ISO 3408-1:2011-04 sowie auf die ältere Norm DIN 69 051 Teil 1 verwiesen.
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Eine Kugelgewindemutter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist beispielsweise aus der
DE 30 32 955 C2 bekannt. Diese Kugelgewindemutter ist im Pressverfahren hergestellt und aus zwei Hälften zusammengesetzt, die jeweils aus einem Metallband gefertigt sind. In einer der Hälften ist eine Rücklaufvertiefung, das heißt ein Umlenkabschnitt, gebildet, welche die Kugeln des Wälzkörperschraubgetriebes nach genau einem Umlauf um die Spindel zurück in den Lastabschnitt fördert. Abschnitte einer schraubenförmigen Rille, welche den Lastabschnitt des Kugelgewindetriebes darstellt, erstrecken sich über beide Hälften der Kugelgewindemutter.
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Ein weiterer Kugelgewindetrieb, welcher eine Kugelrollspindel, sowie eine auf dieser angeordnete Spindelmutter, das heißt Kugelgewindemutter, aufweist, ist beispielsweise aus der
DE 10 2004 040 362 A1 bekannt. Auch in diesem Fall begrenzen die Kugelrollspindel sowie die Spindelmutter zusammen einen Kugelkanal für den endlosen Umlauf von Kugeln. Der Kugelkanal umfasst einen schraubenförmig gewundenen Lastabschnitt, sowie einen lastfreien Umlenkabschnitt, an dessen Enden der Lastabschnitt anschließt. Der Umlenkabschnitt beschreibt hierbei zwei in axialer Richtung gesehen winklig zueinander angeordnete Schenkel. Ein an der Spindelachse gemessener Winkel, der vom einen Ende bis zum anderen Ende des Umlenkabschnitts reicht, beträgt nach der
DE 10 2004 040 362 A1 vorzugsweise 140 bis 150 Grad.
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Aus der
DE 10 2011 081 966 A1 ist ein Wälzschraubtrieb bekannt, welcher ein als Verbundteil ausgebildetes Gewindeteil umfasst. Gewindegänge sind hierbei durch Umformen aus Metall hergestellt und mit rohrförmigen Tragteilen aus Kunststoff umspritzt. Der Wälzschraubtrieb soll zur Verwendung in einem elektromechanischen Bremskraftverstärker geeignet sein.
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Eine Gewindemutter eines wartungsfreien Gewindetriebs mit Gleitflächen ist beispielsweise aus der
DE 100 28 968 A1 bekannt. Bei dieser Gewindemutter handelt es sich um ein hülsenförmiges Blechteil, welches beispielsweise aus Stahl, Kupfer, Messing oder Aluminium hergestellt ist. Auf dem metallischen Werkstoff der Hülse befindet sich ein Gleitbelag, welcher Polytetrafluorethylen enthalten kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kugelgewindemutter gegenüber dem genannten Stand der Technik insbesondere hinsichtlich eines günstigen Verhältnisses zwischen Fertigungsaufwand, Gewicht, Funktionalität und akustischen Eigenschaften, besonders für Anwendungen mit moderaten Kräften, weiterzuentwickeln.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Kugelgewindemutter mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zur Herstellung einer Kugelgewindemutter gemäß Anspruch 7. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Herstellungsverfahren erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für die Vorrichtung, das heißt die Kugelgewindemutter, und umgekehrt.
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Die Kugelgewindemutter umfasst einen rohrförmigen Blechkörper, in welchen zur Führung von Wälzkörpern, nämlich Kugeln, sowohl ein Lastabschnitt in Form eines Gewindeprofils als auch ein Umlenkabschnitt eingeformt ist. Der die Enden des Lastabschnitts miteinander verbindende Umlenkabschnitt erstreckt sich über eine Stoßstelle des Blechkörpers hinweg. Im Gegensatz hierzu weist die Oberfläche des Lastabschnitts keine Stoß- oder Nahtstelle auf.
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Vorzugsweise ist der Blechkörper als zu einem Ring gebogener, verschweißter Streifen ausgebildet. Eine Schweißnaht verläuft hierbei vorzugsweise in axialer Richtung des im Wesentlichen zylindrischen Blechkörpers durch den Umlenkabschnitt des Blechkörpers hindurch. Somit ist die Oberfläche des als Gewindeprofil ausgebildeten Lastabschnitts, auf welcher die Kugeln des Kugelgewindetriebs abrollen, von einheitlicher, ununterbrochener Beschaffenheit. Dies ist sowohl hinsichtlich der Tragfähigkeit und Lebensdauer des Kugelgewindetriebs als auch hinsichtlich der akustischen Eigenschaften von Vorteil. Der Umlenkabschnitt verläuft beispielsweise annähernd in axialer Richtung der Kugelgewindemutter, so dass die Schweißnaht den Umlenkabschnitt in einem spitzen Winkel schneidet. Auch größere Winkel zwischen der Längsachse des Umlenkabschnitts und einer zur Mittelachse der Kugelgewindemutter parallelen Geraden sind realisierbar. Der Blechkörper kann mehrere in axialer Richtung hintereinander angeordnete Kugelführungskanäle, welche jeweils aus einem Lastabschnitt und einem die Enden des Lastabschnitts verbindenden Kugelrückführungsabschnitt zusammengesetzt sind, aufweisen.
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Das Gewindeprofil der Kugelgewindemutter beschreibt in bevorzugter Ausgestaltung nur eine einzige Windung. Die Länge des Umlenkabschnittes entspricht vorzugsweise der Ganghöhe des Gewindeprofils der Kugelgewindemutter sowie des Gewindes der zugehörigen Spindel. Damit ist es ausreichend, wenn der Umlenkabschnitt nur zur Außenseite der Kugelgewindemutter hin geschlossen ist. Der Kugelkanal ist kreuzungsfrei gestaltet. Von insgesamt 360°, über die sich der Lastabschnitt und der Umlenkabschnitt am Innenumfang der Kugelgewindemutter zusammen erstrecken, nimmt der Umlenkabschnitt vorzugsweise nicht mehr als 60°, insbesondere nicht mehr als 30°, ein. Damit erstreckt sich der Lastabschnitt über mindestens 5/6 beziehungsweise über mindestens 11/12 des Umfangs der Kugelgewindemutter. Durch diese weitgehende Ausnutzung des Umfangs der Kugelgewindemutter zur Lastübertragung zwischen der Kugelgewindemutter und der zugehörigen Spindel über die als Wälzkörper im Kugelgewindetrieb verwendeten Kugeln treten praktisch keine Kippmomente im Kugelgewindetrieb auf.
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Die Herstellung der Kugelgewindemutter, welche im einfachsten Fall allein durch den rohrförmigen Blechkörper gebildet ist, umfasst folgende Schritte:
- – Ein streifenförmiges Blechstück, insbesondere aus Stahlblech, wird bereitgestellt,
- – in dem Blechstück werden durch spanlose Umformung Konturen eines Gewindeprofils, das heißt eines späteren Lastabschnitts, sowie eines Umlenkabschnitts erzeugt, womit ein profilierter Blechstreifen entsteht,
- – der profilierte, im Wesentlichen als flächiges Bauteil vorliegende Blechstreifen wird zu dem rohrförmigen Blechkörper gebogen,
- – der rohrförmige Blechkörper wird an seiner Stoßstelle verschweißt, beispielsweise durch Laserschweißen.
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Bei der Bearbeitung des Blechstücks, aus welchem die Kugelgewindemutter geformt wird, ist eine gleichzeitige Herstellung der Konturen des ein Gewindeprofil beschreibenden Lastabschnitts und des Umlenkabschnitts möglich. Teile der Konturen des Umlenkabschnitts befinden sich hierbei an zwei gegenüberliegenden Rändern des streifenförmigen Blechteils, bei typischen geometrischen Verhältnissen an den Schmalseiten des Blechteils.
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Ein profilierter Blechstreifen, aus welchem eine einzige Kugelgewindemutter gefertigt wird, kann in rationeller Weise durch Zerteilen eines größeren, aus einem Blechband gefertigten Blechrohlings hergestellt werden, welcher bereits vor dem Zerteilen mehrere, voneinander getrennte Gewindeprofile sowie jeweils diese verbindende Umlenkabschnitte aufweist.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Blechkörper der Kugelgewindemutter mit Kunststoff ummantelt. Alternativ ist eine Ummantelung auch aus sonstigen Materiealien, insbesondere aus Werkstoffen wie Metallschaum, welche eine geringere Dichte als das Material, das heißt Blech, des Blechkörpers haben, herstellbar.
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Eine eine Stützstruktur darstellende Kunststoffummantelung ist rationell im Spritzgussverfahren herstellbar, nachdem der Blechkörper geformt und verschweißt wurde. Durch die Kombination der metallischen und nichtmetallischen Werkstoffe der Kugelgewindemutter ist diese einerseits in der Lage, hohe Flächenpressungen, welche durch die Wälzkontakte im Kugelgewindetrieb auftreten, aufzunehmen, wobei andererseits die Masse und Trägheitsmomente der Kugelgewindemutter gering gehalten wird. Zudem weist der Kunststoff-Metall-Verbund der Kugelgewindemutter günstige schwingungstechnische Eigenschaften auf. Diese Vorteile sind auch mit anderen Materialien geringer Dichte, welche die Stützstruktur bilden, erzielbar.
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In typischen Anwendungen handelt es sich bei der Kugelgewindemutter um ein rotierendes Bauteil eines Kugelgewindetriebes, während die zugehörige Spindel ausschließlich linear beweglich ist. Ebenso sind mit der Kugelgewindemutter auch Kugelgewindetriebe realisierbar, bei welchen die Spindel rotiert und die Kugelgewindemutter linear verschoben wird. Darüber hinaus ist die Kugelgewindemutter als Komponente eines nicht selbsthemmenden Getriebes einsetzbar, welches eine Linearbewegung, beispielsweise der Spindel, in eine Rotation umsetzt. In allen Anwendungsfällen ist die Kugelgewindemutter innerhalb des Kugelgewindetriebs vorzugsweise spielbehaftet.
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Die Kugelgewindemutter ist beispielsweise in einem Linearaktuator in der Kraftfahrzeugtechnik, etwa in Form eines Bremsaktuators, Kupplungsaktuators oder Fahrwerksaktuators, verwendbar. Ebenso ist die Kugelgewindemutter in Linearantrieben innerhalb von Industrieanlagen, beispielsweise in Bearbeitungs-, Handlings- oder Verpackungsanlagen, einsetzbar. Auch eine Verwendung der Kugelgewindemutter in der Gebäudetechnik sowie in Hausgeräten ist möglich. In allen Fällen kann die Kugelgewindemutter direkt oder über ein Getriebe, insbesondere Umschlingungsgetriebe, elektrisch antreibbar sein.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
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1 einen zur Herstellung einer Kugelgewindemutter vorgesehenen Blechrohling,
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2 ein aus dem Blechrohling nach 1 abgetrenntes streifenförmiges Blechteil,
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3–5 einen aus dem streifenförmigen Blechteil nach 2 geformten rohrförmigen Blechkörper,
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6 eine aus dem Blechkörper sowie einer Kunststoffummantelung zusammengesetzte Kugelgewindemutter.
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Bei der Herstellung einer insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichneten Kugelgewindemutter, welche im Schnitt in 6 dargestellt ist, wird von einem Blechrohling 2 ausgegangen, der ausschnittsweise in 1 dargestellt ist. Der Blechrohling 2 wird durch einen Umformprozess aus einem Endlosband aus Stahlblech hergestellt, wobei in das Band aus Stahlblech Konturen späterer Kugelkanäle 3 einzelner Kugelgewindemuttern 1 eingeprägt werden. Bereits im Blechrohling 2 sind Lastabschnitte 4, welche sich im Wesentlichen in Längsrichtung des Blechrohlings 2 erstrecken, sowie Umlenkabschnitte 5, welche orthogonal zu den Lastabschnitten 4 verlaufen, erkennbar. Die Kugelgewindemutter 1 ist zur Verwendung in einem Kugelgewindetrieb vorgesehen, hinsichtlich dessen prinzipieller Funktion auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen wird. Eine mit der Kugelgewindemutter 1 zusammenwirkende Spindel sowie Wälzkörper, nämlich Kugeln, die zwischen der Kugelgewindemutter 1 und der Spindel abrollen, sind in den Figuren nicht dargestellt.
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Durch Zerteilen des Blechrohlings 2 werden einzelne streifenförmige Blechteile 6 hergestellt, wie in 2 in Draufsicht sowie in zwei Schnitten dargestellt. Ein einziger Lastabschnitt 4 erstreckt sich über mehr als 90% der Länge des streifenförmigen Blechteils 6. Jeweils eine Hälfte eines Umlenkabschnitts 5 befindet an jeder Schmalseite des streifenförmigen, profilierten Blechteils 6. Die Schmalseiten bilden im weiteren Fertigungsprozess eine mit 7 bezeichnete Stoßstelle.
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Aus dem streifenförmigen Blechteil 6 wird ein hülsenförmiger Blechkörper 8 geformt, wie in den 3–5 dargestellt. Eine mit 9 bezeichnete Schweißnaht an der Stoßstelle 7 verläuft durch den gesamten Umlenkabschnitt 5, ohne den Lastabschnitt 4 zu tangieren. Der ein Gewindeprofil beschreibende Lastabschnitt 4 erstreckt sich am Innenumfang des Blechkörpers 8 nahezu über dessen vollen Umfang und beschreibt somit annähernd eine komplette Windung.
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Nach der Fertigstellung des Blechkörpers 8 einschließlich des Verschweißens der Stoßstelle 7 wird der Blechkörper 8 im Spritzgussverfahren mit einer Stützstruktur 10 aus Kunststoff ummantelt. Abweichend von der Darstellung nach 6 kann am Außenumfang der Stützstruktur 10 eine Verzahnung für einen Antrieb der Kugelgewindemutter 1 durch einen Zahnriemen ausgebildet sein. Ebenso kann sich am Außenumfang der Stützstruktur 10 eine Evolventenverzahnung befinden, welche Teil eines Verzahnungsgetriebes ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kugelgewindemutter
- 2
- Blechrohling
- 3
- Kugelkanal
- 4
- Lastabschnitt
- 5
- Umlenkabschnitt
- 6
- streifenförmiges, profiliertes Blechteil
- 7
- Stoßstelle
- 8
- Blechkörper
- 9
- Schweißnaht
- 10
- Stützstruktur
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3032955 C2 [0003]
- DE 102004040362 A1 [0004, 0004]
- DE 102011081966 A1 [0005]
- DE 10028968 A1 [0006]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN ISO 3408-1:2011-04 [0002]
- Norm DIN 69 051 Teil 1 [0002]
