DE102014221135B3

DE102014221135B3 - Kugelgewindemutter

Info

Publication number: DE102014221135B3
Application number: DE102014221135.2A
Authority: DE
Inventors: Daniel Faber; Benjamin Wübbolt-Gorbatenko; Matthias Dohr; Fritz Kammerer
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2014-10-17
Filing date: 2014-10-17
Publication date: 2016-01-07
Anticipated expiration: 2034-10-18
Also published as: US20170299026A1; WO2016058605A1; CN107076285A; KR20170069219A; US10591033B2; CN107076285B; KR102563895B1

Abstract

Eine Kugelgewindemutter (1) umfasst einen ein Gewindeprofil (5) aufweisenden, rohrförmigen, optional mit Kunststoff umspritzten Blechkörper (2), welcher aus einem das Gewindeprofil (5) beschreibenden Blechteil (4) und einem darin eingesetzten, als weiteres Blechteil ausgebildeten Kugelrückführungsstück (9) zusammengesetzt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine für einen Kugelgewindetrieb vorgesehene Kugelgewindemutter, welche ein rohrförmiges Blechteil mit einem als Lastabschnitt für Wälzkörper fungierenden Gewindeprofil umfasst.
Als Kugelgewindetrieb ist ein Wälzschraubtrieb definiert, welcher Kugeln als Wälzkörper umfasst. Die Wälzkörper durchlaufen einen schraubenförmigen 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 typischerweise 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.
Eine Kugelgewindemutter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist beispielsweise aus der DE 28 29 433 C2 bekannt. Diese Kugelgewindemutter besteht aus einer Außenhülse, welche aus Kunststoff hergestellt sein kann, und einem inneren hülsenartigen Bauteil. Das hülsenartige Bauteil weist eine schraubenförmige Nut auf und ist mit einer Mehrzahl von radialen Durchgangsbohrungen versehen, an die Kugelrückführelemente angesetzt sind. Auch an seiner Außenseite weist das hülsenartige Bauteil eine schraubenförmige Nut auf, die die gleiche Steigung wie die Nut an der Innenseite aufweist, so dass die Hülsenwand überall im Wesentlichen die gleiche Stärke aufweist. Das Kugelrücklaufelement besteht aus einem zylindrischen Ansatz und aus einer gekrümmten Platte, die eine gefurchte Oberfläche aufweist, die der Außenkontur des hülsenartigen Bauteils entspricht.
Eine weitere Kugelgewindemutter ist 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.
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.
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.
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.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kugelgewindemutter gegenüber dem genannten Stand der Technik insbesondere hinsichtlich eines günstigen Verhältnisses zwischen Fertigungsaufwand, Gewicht und Funktionalität, besonders für Anwendungen mit moderaten Kräften, weiterzuentwickeln.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Kugelgewindemutter mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zur Herstellung einer Kugelgewindemutter gemäß Anspruch 6. 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.
Die Kugelgewindemutter weist einen Blechkörper auf, welcher aus einem mit einem Gewindeprofil versehenen rohrförmigen Blechteil und einem darin eingesetzten, als weiteres Blechteil ausgebildeten Kugelrückführungsstück zusammengesetzt ist. Das das Gewindeprofil aufweisende rohrförmige Blechteil kann entweder direkt als einzelne Hülse oder durch Zerteilung eines längeren, profilierten Rohres hergestellt werden. Die Profilierung des Rohres kann dabei entweder ein einziges, durchgehendes Gewindeprofil beschreiben oder nur abschnittsweise ausgebildet sein, wobei jeder Abschnitt das Gewindeprofil eines späteren Blechkörpers bildet.
In beiden Fällen weist die Kugelgewindemutter vorzugsweise ein Gewindeprofil, das heißt einen Lastabschnitt, mit lediglich einer einzigen Windung auf. Anders ausgedrückt: Jede im Lastabschnitt durch die Kugelgewindemutter sowie die zugehörige Spindel geführte Kugel wird nach einem vollen Umlauf mittels des Kugelrückführungsstücks wieder in den Lastabschnitt zurückgeführt. 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.
Der Blechkörper kann mehrere in axialer Richtung hintereinander angeordnete derartige Kugelführungskanäle, welche jeweils aus einem Lastabschnitt und einem die Enden des Lastabschnitts verbindenden Kugelrückführungsabschnitt zusammengesetzt sind, aufweisen.
Das Kugelrückführungsstück kann in eine rechteckige Aussparung des das Gewindeprofil aufweisenden Blechteils eingesetzt sein. Diese Aussparung wird vorzugsweise erst dann erzeugt, wenn das rohrförmige Blechteil bereits die Profilierung in Form eines Gewindes aufweist. In fertigungstechnisch günstiger Weise ist die Aussparung durch Innenstanzen herstellbar. Bei dem rohrförmigen Blechteil, in welches die Aussparung eingebracht wird, handelt es sich beispielsweise um ein nahtloses Rohr oder eine nahtlose, insbesondere durch Tiefziehen hergestellte Hülse.
Ebenso sind Ausführungsformen realisierbar, bei denen das rohrförmige Blechteil als Rohr mit Schweißnaht ausgeführt ist. Die Schweißnaht befindet sich in diesem Fall in dem Bereich, in den das Kugelrückführungsstück eingesetzt ist. Somit ist auch in einer solchen Ausführungsform der Lastabschnitt frei von jeglicher Schweißnaht.
Das Kugelrückführungsstück, welches ebenso wie das Rohr beziehungsweise die Hülse als spanlos umgeformtes Metallteil, insbesondere Stahlblechteil, ausgeführt ist, kann beispielsweise durch Schweißen, insbesondere Laserschweißen, oder durch Durchsetzfügen, auch als Clinchen bezeichnet, in der Aussparung fixiert werden. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die den Blechkörper bildenden Komponenten der Kugelgewindemutter, das heißt das rohrförmige Blechteil sowie das in dieses eingesetzte Kugelrückführungsstück, 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.
Die eine Stützstruktur darstellende Kunststoffummantelung ist rationell im Spritzgussverfahren herstellbar, nachdem das Kugelrückführungsstück in das rohrförmige, profilierte Blechteil eingesetzt und dort fixiert 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.
In typischen Anwendungen handelt es sich bei der Kugelgewindemutter um ein rotierbares 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.
Die Kugelgewindemutter ist beispielsweise in einem Linearaktuator, etwa in Form eines Bremsaktuators, Kupplungsaktuators oder Fahrwerksaktuators, in der Kraftfahrzeugtechnik 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 beispielsweise direkt oder über ein Getriebe, insbesondere Umschlingungsgetriebe, elektrisch antreibbar sein.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
1 einen Blechkörper einer Kugelgewindemutter in Explosionsdarstellung,
2 die Anordnung nach 1 in einer Schnittdarstellung,
3 bis 6 verschiedene Ansichten des Blechkörpers der Kugelgewindemutter,
7 die Kugelgewindemutter einschließlich Stützstruktur aus Kunststoff.
Eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnete Kugelgewindemutter 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.
Die Kugelgewindemutter 1 ist als Verbundteil aus einem hülsenförmigen Blechkörper 2 und einer den Blechkörper 2 umgebenden, im Spritzgussverfahren erzeugten Stützstruktur 3 aus Kunststoff gebildet. Die komplette Kugelgewindemutter 1 einschließlich der Stützstruktur 3 aus Kunststoff ist in 7 dargestellt. Die Stützstruktur 3 ist derart mit dem Blechkörper 2 verbunden, dass Kräfte und Drehmomente zwischen der Stützstruktur 3 und dem Blechkörper 2 übertragbar sind. Am zylindrischen Außenumfang der Stützstruktur 3 kann sich eine nicht dargestellte Verzahnung befinden, die einen Antrieb der Kugelgewindemutter 1 mittels eines Riemens ermöglicht. Ebenso kann die Kugelgewindemutter 1 zum Antrieb über Zahnräder oder zum direkten, das heißt getriebelosen, Antrieb durch einen Elektromotor vorgesehen sein.
In den 1 bis 6 ist lediglich der Blechkörper 2 der Kugelgewindemutter 1 dargestellt, wobei die 5 den Schnitt A-A (4) zeigt. Bereits mit nicht ummanteltem Blechkörper 2 ist, zusammen mit Kugeln als Wälzkörpern sowie einer Spindel, ein voll funktionsfähiger Kugelgewindetrieb, insbesondere für Anwendungen mit geringen Kräften, herstellbar.
Bei der Herstellung des Blechkörpers 2 wird von einer glatten, zylindrischen Hülse aus Stahlblech ausgegangen. Die Hülse wird im dargestellten Ausführungsbeispiel zur Herstellung eines einzigen hülsenförmigen, mit 4 bezeichneten Blechteils verwendet. Alternativ kann von einem Rohr ausgegangen werden, aus dem eine Mehrzahl an hülsenförmigen Blechteilen 4 gefertigt wird. In beiden Fällen wird die Hülse beziehungsweise das Rohr durch spanlose Umformung derart profiliert, dass ein Gewindeprofil 5 entsteht, das eine Laufbahn für die Wälzkörper des Kugelgewindetriebs bildet. Das Gewindeprofil 5 ist insbesondere durch ein Rollierwerkzeug formbar.
Abweichend von der in den Figuren dargestellten Ausgestaltung kann das Gewindeprofil 5 bis zu den Stirnseiten des im Wesentlichen zylindrischen Blechteils 4 reichen. Dies gilt insbesondere für Fälle, in denen eine Mehrzahl an Blechteilen 4 durch Zerteilen eines längeren Rohres, in welches ein durchgehendes Gewindeprofil 5 eingeprägt ist, gefertigt werden.
Das im Blechteil 4 für die Wälzkörper des Kugelgewindetriebes zur Verfügung stehende Gewindeprofil 5 erstreckt sich einmal um den Umfang des Blechteils 4, das heißt beschreibt eine einzige Windung 6, welche einen Lastabschnitt des Kugelgewindetriebes bildet. In dem Umfangsbereich, in welchem Anfang und Ende der Windung 6 liegen, wird durch Innenstanzen eine Aussparung 7 im Blechteil 4 erzeugt. Die Aussparung 7 hat eine langgestreckte, rechteckige Form, wobei deren Schmalseiten nahe der Stirnseiten des Blechteils 4 liegen. Zwischen der Aussparung 7 und den beiden Stirnseiten des Blechteils 4 sind somit Stege 8 gebildet, die für eine ausreichende Stabilität des Blechteils 4 während des Herstellungsprozesses sorgen.
In die Aussparung 7 wird ein Kugelrückführungsstück 9 eingesetzt, welches in den 1 und 2 vom Blechteil 4 abgehoben dargestellt ist. Beim Kugelrückführungsstück 9 handelt es sich nicht um dasjenige Stück Blech, welches bei der Erzeugung der Aussparung 7 aus dem Blechteil 4 ausgestanzt wurde. Die Wandstärke des Kugelrückführungsstücks 9, bei welchem es sich ebenso wie bei dem Blechteil 4 um ein Stahlblechteil handelt, ist nicht notwendigerweise mit der Wandstärke des hülsenförmigen Blechteils 4 identisch. Insbesondere kann das Kugelrückführungsstück 9, welches Anfang und Ende des Lastabschnitts 6 verbindet und weniger starken mechanischen Belastungen durch die Kugeln des Kugelgewindetriebs als das Blechteil 4 ausgesetzt ist, eine geringere Wandstärke als das hülsenförmige Blechteil 4 aufweisen.
Zur Spindel des Kugelgewindetriebes hin ist das Kugelrückführungsstück 9 offen. Durch leichtes Pressen wird das Kugelrückführungsstück 9 in der Aussparung 7 des Blechteils 4 fixiert. Optional wird eine festere Verbindung zwischen dem Kugelrückführungsstück 9 und dem Blechteil 4 durch Clinchen oder Punktschweißverbindung hergestellt. Innerhalb der Profilierung des aus dem hülsenförmigen Blechteil 4 und dem Kugelrückführungsstück 9 zusammengesetzten Blechkörpers 2 der Kugelgewindemutter 1 ist ein mit 10 bezeichneter Umlenkabschnitt ausschließlich durch das Kugelrückführungsstück 9 gebildet.
Nachdem das Kugelrückführungsstück 7 am Blechteil 4 befestigt ist, wird der damit komplettierte Blechkörper 2 als Ganzes mit der Stützstruktur 3 aus Kunststoff umspritzt, sodass die fertige Kugelgewindemutter 1, wie in 7 dargestellt, entsteht. Durch die Schrumpfung des Kunststoffes beim Abkühlen entsteht, über den gegebenen Formschluss hinaus, eine dauerhaft feste Verbindung zwischen der Stützstruktur 3 und dem Blechkörper 2 der Kugelgewindemutter 1. Die Stützstruktur 3 trägt maßgeblich zur Stabilität der gesamten Kugelgewindemutter 1 bei.
Bezugszeichenliste

1: Kugelgewindemutter
2: Blechkörper
3: Stützstruktur
4: Blechteil
5: Gewindeprofil
6: Windung, Lastabschnitt
7: Aussparung
8: Steg
9: Kugelrückführungsstück
10: Umlenkabschnitt

Claims

Kugelgewindemutter (1) für einen Kugelgewindetrieb, mit einem ein Gewindeprofil (5) aufweisenden, rohrförmigen Blechteil (4), welches einen Lastabschnitt (6) des Gewindeprofils (5) beschreibt, und einem einen Umlenkabschnitt (10) bildenden Kugelrückführungsstück (9), dadurch gekennzeichnet, dass das Kugelrückführungsstück (9) als in eine Aussparung (7) des Blechteils (4) eingesetztes und darin fixiertes, zu einer Spindel des Kugelgewindetriebs hin offenes Blechteil ausgebildet ist.
Kugelgewindemutter (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewindeprofil (5) eine einzige Windung (6) aufweist.
Kugelgewindemutter (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kugelrückführungsstück (9) in eine rechteckige Aussparung (7) des das Gewindeprofil (5) aufweisenden Blechteils (4) eingesetzt ist.
Kugelgewindemutter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das das Gewindeprofil (5) aufweisende Blechteil (4) als nahtloses Rohr ausgebildet ist.
Kugelgewindemutter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Stützstruktur (3) aus Kunststoff, welche das das Gewindeprofil (5) aufweisende Blechteil (4) umgibt.
Verfahren zur Herstellung einer Kugelgewindemutter (1) für einen Kugelgewindetrieb, mit folgenden Schritten: – Ein rohrförmiges, ein Gewindeprofil (5) aufweisendes Blechteil (4) wird bereitgestellt, – in dem rohrförmigen Blechteil (4) wird durch Innenstanzen eine Aussparung (7) erzeugt, – in die Aussparung (7) wird ein Kugelrückführungsstück (9) aus Blech derart eingefügt, dass es zu einer Spindel des Kugelgewindetriebs hin offen ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kugelrückführungsstück (9) in dem das Gewindeprofil (5) aufweisenden Blechteil (4) durch Schweißen fixiert wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kugelrückführungsstück (9) in dem das Gewindeprofil (5) aufweisenden Blechteil (4) mittels Durchsetzfügen fixiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das rohrförmige Blechteil (4) nach dem Einsetzten des Kugelrückführungsstücks (9) mit Kunststoff umspritzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das rohrförmige Blechteil (4) durch Ablängen eines in Gewindeform profilierten Rohres hergestellt wird.