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Die Erfindung betrifft einen Kugelgewindetrieb umfassend eine Gewindespindel mit einer an ihrer Außenfläche ausgebildeten Kugellaufnut und eine auf der Gewindespindel angeordnete Mutter mit einer an ihrer Innenfläche ausgebildeten Kugellaufnut, wobei sich beide Kugellaufnuten zu einem Kugelkanal ergänzen, sowie mehrere im Kugelkanal angeordnete Kugeln, über die die Mutter auf der Gewindespindel geführt ist, wobei an der Mutter mehrere Umlenkkörper angeordnet sind, über die die Kugeln von einem Abschnitt des Kugelkanals in einen benachbarten Abschnitt des Kugelkanals umsetzbar sind, wobei die Umlenkkörper in Kanalumlaufrichtung gesehen um Winkelabschnitte versetzt zueinander angeordnet sind.
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Kugelgewindetriebe dienen im Allgemeinen dazu, eine Drehbewegung in eine Verschiebung (Translation) umzuwandeln. Hierzu ist entweder die Spindel oder die Mutter mit einem Antrieb, beispielsweise einem Elektromotor, gegebenenfalls über ein zwischengeschaltetes Getriebe, verbunden. Wenn die Spindel durch den Antrieb gedreht wird, wird die Mutter, die über die in den Laufbahnen angeordneten Kugeln mit der Spindel verbunden ist, axial, also in Längsrichtung der Spindel verschoben. Alternativ kann der Antrieb auch mit der Mutter gekoppelt sein, so dass die Mutter durch den Antrieb in Rotation versetzt wird, woraufhin die Spindel axial durch die Mutter verschoben wird.
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Üblicherweise sind an der Mutter mehrere Umlenkkörper angeordnet, die der Umsetzung der Kugeln dienen. Die Kugeln laufen über eine Einlauföffnung in den Umlenkkörper ein, durchlaufen den Umlenkkörper in einem entsprechenden Kanal und laufen über eine Auslauföffnung in einen benachbarten Abschnitt des Kugelkanals aus. Es bilden sich also geschlossene Kugelumläufe.
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Üblicherweise sind mehrere Umlenkkörper an der Mutter angeordnet, so dass sich mehrere separate Kugelumläufe ergeben. Der Kugelumlauf erfolgt um rund 360°, das heißt, dass die Kugeln über dem Umlenkkörper von einem Kanalabschnitt direkt in den benachbarten Kanalabschnitt umgesetzt werden.
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Ein Kugelgewindetrieb dieser Art ist beispielsweise aus
DE 100 22 715 A1 bekannt. Die Anordnung der dortigen Umlenkkörper ist derart, dass diese in Kanalumlaufrichtung gesehen um 540° versetzt zueinander angeordnet sind. Das heißt, dass ein Umlenkkörper einem vorherigen Umlenkkörper nach 1,5 Kanalwindungen folgt. Axial gesehen sind folglich die Umlenkkörper um 180° versetzt zueinander positioniert. Diese Anordnung sei insbesondere bei vier Umlenkkörpern respektive Kugelumläufen vorteilhaft im Hinblick auf eine Verringerung der Unterschiede in der Lastverteilung in Umfangsrichtung. Bei dieser Ausgestaltung sind also, axial gesehen, jeweils zwei Umlenkkörper positionsgleich angeordnet.
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Aus
DE 2829433 C2 ist ein Kugelgewindetrieb bekannt geworden, dessen Mutter mit über den Umfang verteilt angeordneten Umlenkkörpern für die Kugeln versehen ist. Eine Verteilung der Umlenkkörper ist hier bestimmend für die maximale Lastaufnahmefähigkeit des Kugelgewindetriebes.
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Aus
DE 10 2012 222 835 A1 ist ein Kugelgewindetrieb bekannt geworden, der zum Stand der Technik
DE 10 2008 058 888 A1 zitiert mit dem Hinweis, das die Ausnehmungen für die Umlenkkörper um die Spindelachse herum um 70 Grad bis 110 Grad verteilt angeordnet sind.
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Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen demgegenüber verbesserten Kugelgewindetrieb anzugeben, der eine möglichst gleichmäßige Lastverteilung bietet.
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Zur Lösung dieses Problems ist bei einem Kugelgewindetrieb der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Umlenkkörper, bezogen auf einen für alle Umlenkkörper gleichen Körperpunkt, um 490° versetzt zueinander positioniert sind.
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Beim erfindungsgemäßen Kugelgewindetrieb sind die Umlenkkörper in Kanalumlaufrichtung, also längs des Kugelkanals gesehen um 490° versetzt zueinander angeordnet. In axialer Ansicht ergibt sich hieraus ein umfangsmäßiger Versatz um 130°. Werden beispielsweise vier Umlenkkörper vorgesehen, so findet sich der erste Umlenkkörper bei rein axialer Betrachtung an einer 0°-Position, der zweite Umlenkkörper an einer 130°-Position, der dritte Umlenkkörper an einer 260°-Position und der vierte Umlenkkörper an einer 390°-Position. Das heißt, dass die mehreren Umlenkkörper axial gesehen nicht miteinander fluchten, sondern jeder Umlenkkörper zu allen anderen Umlenkkörpern an einer umfangsmäßig versetzten Position angeordnet ist.
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Jeder über einen Umlenkkörper definierte Kugelumlauf erstreckt sich über rund 360°. Innerhalb des Kugelumlaufs sind die Kugeln im größeren Winkelbereich im Kugelkanal geführt, sind also lasttragend, während sie über einen weitaus kleineren Winkelbereich im Umlenkkörper geführt sind, also aus der Last genommen sind. Da nun die Umlenkkörper erfindungsgemäß positionsmäßig versetzt sind, positionsmäßig also axial gesehen nicht zusammenfallen, sind folglich auch die Winkelbereiche der Kugelumläufe, in denen die Kugeln lasttragend im Kugelkanal sind, entsprechend versetzt. Durch diesen aus der erfindungsgemäßen Positionierung der Umlenkkörper resultierenden Versatz ergibt sich eine äußerst gleichmäßige Lastverteilung, da bei beispielsweise vier Kugelumläufen an jeder Axialposition lasttragende Kugeln vorhanden sind. Das heißt, dass die Axiallast sehr gleichmäßig auf die lasttragenden Kugeln verteilt werden kann, so dass es zu keinen lokalen Lastspitzen kommt.
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Aufgrund der sich aus der Positionierung der Umlenkkörper ergebenden Verteilung der lasttragenden Kugeln resultiert ferner, dass die Hertz'sche Pressung der Kugeln in den jeweiligen Kanalumläufen, in denen die Kugeln jeweils einen Punktkontakt zu den Kugellaufnuten von Spindel und Mutter haben, ebenfalls sehr gleichmäßig ist. Dies resultiert nicht zuletzt aus dem Umstand, dass innerhalb der lasttragenden Winkelbereiche aufgrund der sehr gleichmäßigen Lastverteilung alle Kugeln tragen, das heißt, dass keine Kugel in diesem Bereich aus der Last genommen ist.
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Ein weiterer Vorteil dieser erfindungsgemäßen Anordnungsgeometrie respektive Verteilung ist ferner, dass auch etwaige Querkräfte, die auf die Mutter wirken, sehr homogen um den gesamten Mutterumfang aufgenommen werden können. Das heißt, dass unabhängig davon, aus welcher Richtung eine etwaige Querkraft auf die Mutter wirkt, die Lastaufnahme sehr gleichmäßig ist.
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Mit der sehr gleichmäßigen Lastverteilung und der ebenfalls gleichmäßigen Hertz'schen Pressung einher geht mit besonderem Vorteil eine Verbesserung der Lebensdauer, die im Vergleich zu vorbekannten Lösungen wie beispielsweise aus dem eingangs genannten Stand der Technik erhöht werden kann. Denn aufgrund der gleichmäßigeren Lastverteilung werden die Kugeln an keiner Position übermäßig beansprucht.
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In Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Position einer Einlauföffnung eines Umlenkkörpers umfangsmäßig um einen Winkelbereich zu der Position einer Auslauföffnung eines benachbarten, versetzten Umlenkkörpers axial gehen versetzt ist, so dass die Umsetzstrecken zweier benachbarter Umlenkkörper einander axial gesehen nicht überlappen. Die Umlenkkörper setzen die Kugeln von einem Kanalabschnitt in den benachbarten Kanalabschnitt. Der Rückführkanal verläuft zwangsläufig in gewissem Maße schräg zur Mutterlängsachse, so dass folglich die Kugeln um einen entsprechenden Winkel versetzt vom einen Kanalabschnitt in den anderen geführt werden. Dieser Winkel ist abhängig von der Position der Einlauf- und der Auslauföffnung am jeweiligen Umlenkkörper. Der Winkel sollte nicht allzu groß sein, damit der Winkelbereich, in dem die Kugeln im Kugelkanal sind, folglich lasttragend sind, möglichst groß ist.
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Die Einlauf- und die Auslauföffnungen werden nun bevorzugt so positioniert, dass sich die Umsetzstrecken zweier benachbarter Umlenkkörper, axial gesehen, nicht überlappen. Axial gesehen ist folglich ein umfangsmäßiger Versatz einer Einlauföffnung eines Umlenkkörpers zur Auslauföffnung des benachbarten Umlenkkörpers gegeben. Die Position der Einlauf- und Auslauföffnungen fallen also bewusst nicht zusammen, vielmehr ist auch hier ein entsprechender Versatz gegeben, so dass die Umlenkstrecken einander axial gesehen nicht überdecken.
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Dieser Winkelbereich, also der Versatz, sollte zwischen 5–20° betragen. Die Angabe ist beispielsweise auf die jeweilige Mitte der Einlauf- und Auslauföffnung bezogen. Bevorzugt sollte der Winkelbereich zwischen 10–15° betragen.
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Der Winkel, um den die Kugeln in einem Umlenkkörper versetzt werden, sollte zwischen 100–120° betragen, beispielsweise wiederum bezogen auf die Mitte der jeweiligen Einlauf- und Auslauföffnung. Hieraus ergibt sich, dass der Winkelabschnitt, in dem die Kugeln lasttragend im Kugelkanal aufgenommen sind, zwischen 240–260° beträgt.
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Bevorzugt sind wenigstens vier Umlenkkörper vorgesehen, die wie bereits beschrieben umfangsmäßig um jeweils 130° versetzt zueinander positioniert sind. Die Ausgestaltung des Kugelgewindetriebs mit vier Umlenkkörpern ist besonders vorteilhaft.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen sind schematische Darstellungen und zeigen:
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1 eine Perspektivansicht eines erfindungsgemäßen Kugelgewindetriebs,
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2 eine Längsschnittansicht des Kugelgewindetriebs aus 1,
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3 eine Darstellung mehrerer Schnittansichten durch die in 2 ebenfalls gezeigte Mutter in verschiedenen Schnittebenen, und
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4 ein Diagramm zur Darstellung der Positionen und der einzelnen Umlenkkörper.
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1 zeigt einen erfindungsgemäßen Kugelgewindetrieb 1 umfassend eine Gewindespindel 2 mit einer an ihrer Außenfläche ausgebildeten Kugellaufnut 3, die sich gewindeartig längs der Gewindespindel 2 erstreckt. Der Kugelgewindetrieb 1 umfasst ferner eine Mutter 4 mit einer an ihrer Innenfläche ausgebildeten Kugellaufnut 5 (siehe 2). Die beiden Kugellaufnuten 3 und 5 von Gewindespindel 2 und Mutter 4 ergänzen einander zur Bildung eines Kugelkanals 6, der zwischen Gewindespindel 2 und Mutter 4 verläuft. In dem Kugelkanal 6 sind eine Vielzahl von Kugeln 7 aufgenommen, über die die Mutter 4 auf der Gewindespindel 2 in an sich bekannter Weise geführt ist.
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An der Mutter 4 sind im gezeigten Beispiel insgesamt vier Umlenkkörper 8 in entsprechenden, mutterseitig ausgebildeten Taschen 9 aufgenommen. Diese Umlenkkörper 8 weisen in bekannter Weise eine Einlauföffnung und eine Auslauföffnung auf, zwischen denen sich ein Kanal erstreckt. Sie dienen zum Umsetzen der Kugeln 7 von einem Abschnitt des Kugelkanals 6 in einen benachbarten Abschnitt des Kugelkanals 6. Da wie beschrieben vier Umlenkkörper 8 vorgesehen sind, bilden sich somit insgesamt vier Kugelreihen, die längs einer rund 360° betragenden Windung des Kugelkanals laufen und von denen ein Teil im Kugelkanal 6 selbst ist, mithin also lasttragend ist, während ein anderer Teil gerade umgesetzt wird, also im jeweiligen Umlenkkörper 8 aufgenommen ist. Im Betrieb, wenn also die Gewindespindel 2 relativ zur Mutter 4 rotiert, laufen kontinuierlich Kugeln über die jeweilige Einlauföffnung eines Umlenkkörpers 8 in den Umlenkkörper ein, während gleichzeitig entsprechende Kugeln über die Auslauföffnung des jeweiligen Umlenkkörpers wieder in den Kugelkanal zurücklaufen. Es ergeben sich folglich insgesamt vier kontinuierliche Kugelumläufe. Der grundsätzliche Aufbau eines solchen Kugelgewindetriebs sowie dessen Funktion und die Funktion des Umsetzens ist hinreichend bekannt.
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3 zeigt eine Ansicht der Mutter 4 ohne Umlenkkörper 8, so dass die entsprechenden Taschen 9 ersichtlich sind. Dargestellt ist ein Koordinatensystem mit den entsprechenden Achsen X, Y, Z. Ferner sind in 3 vier Schnittansichten durch die Mutter 4 gezeigt, die in unterschiedlichen Ebenen liegen, und die den jeweiligen Schnittkörper in jeweils entgegengesetzter Blickrichtung zeigen. Anhand dieser Schnittdarstellungen sind zum einen die in den jeweiligen Ebenen geschnitten gezeigten Taschen 9 ersichtlich, sowie die entsprechenden, einer Tasche „zugeordneten” Kugelreihen umfassend jeweils eine Mehrzahl an Kugeln 7. Da natürlich in jeder Tasche jeweils ein Umlenkkörper 8 angeordnet ist, ist die jeweilige Kugelreihe natürlich dem entsprechenden Umlenkkörper zugeordnet und läuft durch diesen. Die jeweiligen Taschen und Reihen sind einander zugeordnet und axial hintereinander und beabstandet zueinander vorgesehen. Zur Unterscheidbarkeit ist die erste Kugelreihe mit 7.1 und die zugeordnete Tasche mit 9.1 bezeichnet, die nächstfolgende Kugelreihe mit 7.2 und die Tasche mit 9.2, die wiederum folgende Kugelreihe mit 7.3 und die Tasche mit 9.3 sowie die letzte Kugelreihe mit 7.4 und die zugeordnete Tasche mit 9.4.
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Die links gezeigte, erste Schnittansicht liegt in der Ebene YZ. In dieser Ansicht ist die erste Kugelreihe 7.1 durch Darstellung der gestrichelten Kugeln angedeutet. Die zugehörige Tasche 9.1 findet sich in den beiden Schnittansichten in den Ebenen ZX und –YZ. Sie liegt zwangsläufig auf gleicher Ebene wie die Kugelreihe 7.1, da in der Tasche wie beschrieben der Umlenkkörper 8 sitzt, der die Kugeln umsetzt.
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Die zweite Schnittansicht von links liegt in der Ebene ZX und zeigt die zweite Kugelreihe 7.2. Die entsprechenden Teilschnittansichten der zugeordneten Tasche 9.2 findet sich in den Schnittansichten YZ, –YZ und –ZX. Auch sie liegt natürlich wieder in der Ebene der zweiten Kugelreihe 7.2.
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Die dritte Schnittansicht in der Ebene –YZ zeigt die dritte Kugelreihe 7.3. Die zugeordnete Tasche 9.3 ist in entsprechenden Teilschnittansichten in den Ebenendarstellungen YZ, ZX und –ZX gezeigt.
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In der Schnittebenendarstellung –ZX ist schließlich die vierte Kugelreihe 7.4 gezeigt, die zugehörige Tasche 9.4 ist den Ebenenansichten ZX und –YZ gezeigt.
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Erfindungsgemäß sind die Taschen 9.1–9.4 und damit die jeweiligen Umlenkkörper in einer definierten Weise versetzt zueinander angeordnet. Die Umlenkkörper 8 sind, bezogen auf einen für alle Umlenkkörper 8 gleichen Körperpunkt, um 490° versetzt zueinander positioniert, gesehen in Kanalumlaufrichtung. Rein axial betrachtet liegen folglich die Umlenkkörper jeweils um 130° versetzt zueinander. Die entsprechende Anordnung ist in 4 dargestellt. Der Übersichtlichkeit halber sind die jeweiligen Umlenkkörper auf verschiedenen Radien dargestellt, sie liegen selbstverständlich jeweils auf gleichem Radius.
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Gezeigt sind die vier Umlenkkörper 8.1, 8.2, 8.3 und 8.4. Jeder Umlenkkörper 8.1–8.4 ist mit einem Mittelpunkt 10.1, 10.2, 10.3, 10.4 dargestellt, bei dem es sich beispielsweise um den genauen Mittelpunkt, der sich aus der Längs- und Querausdehnung des Umlenkkörpers ergibt, handelt. Dieser jeweilige Mittelpunkt ist lediglich als Bezugspunkt gewählt, um die erfindungsgemäße Positionierung respektive den entsprechenden Winkelversatz zu erläutern.
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In der Darstellung gemäß 4 ist der Mittelpunkt 10.1 des Umlenkkörpers 8.1 bei 0° positioniert.
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Der Mittelpunkt 10.2 des nächstfolgenden zweiten Umlenkkörpers 8.2 ist ersichtlich um 130° versetzt zum Mittelpunkt 10.1 des ersten Umlenkkörpers 8.1 angeordnet. Dieser 130° Versatz in Umfangsrichtung ergibt sich bei rein axialer Betrachtung. Folgt man dem Kugelkanal 6, so befindet sich der Mittelpunkt 10.2 exakt 490° entlang des Kugelkanals versetzt zum Mittelpunkt 10.1, also um 1,36 Windungen des Kugelkanals 6 versetzt.
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In entsprechender Weise ist der Mittelpunkt 10.3 des dritten Umlenkkörpers 8.3 um 130° axial gesehen versetzt zum Mittelpunkt 10.2 des Umlenkkörpers 8.2 positioniert. Längs des Kugelkanals ist wiederum ein Versatz von 490° gegeben.
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Schließlich ist der Mittelpunkt 10.4 des vierten Umlenkkörpers 8.4 axial gesehen um 130° zum Mittelpunkt 10.3 des Umlenkkörpers 8.3 versetzt positioniert, was auch hier einem Kugelkanalumlauf um 490° entspricht.
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In 4 sind ferner die umfangsmäßigen Längen der jeweiligen Umlenkkörper 8.1–8.4 dargestellt, also die entsprechenden Winkel, um die sich die Umlenkköper 8.1–8.4 erstrecken. Im Bereich ihrer jeweiligen Enden befindet sich jeweils eine Öffnung, die je nach Drehrichtung Einlauföffnung oder Auslauföffnung ist.
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Jeder Umlenkkörper 8.1–8.4 erstreckt sich um ca. 115°. Aus 4 ist ersichtlich, dass sich zwei benachbarte Umlenkkörper nicht überlappen. Vielmehr sind die jeweiligen Enden zweier benachbarter Umlenkkörper um einen Winkelbereich versetzt positioniert. Dieser Winkelbereich, also der umfangsmäßige Versatz beträgt bei einer umfangsmäßigen Erstreckung der Umlenkkörper 8.4 ca. 15°, wie anhand der gestrichelten Linien erkennbar. Da die Umlenkkörper natürlich eine gewisse Tiefe besitzen, nachdem sie ja in die Taschen eingesetzt sind und mit entsprechenden Einlauf- und Auslaufabschnitten, die die Einlauföffnung und Auslauföffnung definieren, in den Bereich des Kugelkanals 6 eingreifen, nimmt der Winkelbereich radial nach innen gesehen etwas ab. Gleichwohl sind jeweils zwei axial benachbarte Umlenkkörper stets so angeordnet, dass sie einander, axial gesehen, nicht überlappen.
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Da an die äußeren Enden der Umlenkkörper 8.1–8.4 die jeweilige Einlauf- und Auslauföffnung anschließt, sind folglich auch die entsprechenden, benachbarten Öffnungen zweier benachbarter Umlenkkörper dementsprechend umfangsmäßig versetzt zueinander.
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Aus 4 ist ferner ersichtlich, dass der Winkel, um den die Kugeln in einem Umlenkkörper versetzt werden, ca. 115° beträgt, resultierend aus der Geometrie der Umlenkkörper. Dies wiederum bedeutet, dass die Kugeln längs eines Kanalabschnitts von ca. 245° im Kugelkanal 6 aufgenommen sind, mithin also lasttragend umlaufen.
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Aufgrund der erfindungsgemäßen 490°-Positionierung der Umlenkkörper ergibt sich folglich, siehe hierzu auch 4, eine optimale Lastverteilung der auf die Kugeln wirkenden axialen Last. Denn dadurch, dass die benachbarten Umlenkkörper einander nicht überlappen, sind umfangsmäßig die Kugeln optimal verteilt, so dass sich die Axiallast umfangsmäßig sehr gleichmäßig auf die tragenden Kugeln verteilt. Aufgrund dieser sehr gleichmäßigen Lastverteilung sind auch stets alle Kugeln, die im Kugelkanal sind, belastet, keine der Kugeln ist aus der Last genommen. Dies führt dazu, dass die Herz'sche Pressung der Kugeln, die in Punktkontakt mit den Kugellaufnuten sind, ebenfalls gleichmäßig ist.
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Die gleichmäßige Lastverteilung und die gleichmäßige Herz'sche Pressung führt schließlich zu einer beachtlichen Steigerung der Lebensdauer. Aus der erfindungsgemäßen Verteilung der Umlenkkörper und damit auch der Verteilung der lasttragenden Kugeln im Kugelkanal ergibt sich ferner, dass der erfindungsgemäße Kugelgewindetrieb auch Querkräfte sehr gleichmäßig aufnehmen kann, unabhängig davon, an welcher Umfangsposition diese einwirken. Denn an jeder Umfangsposition ist eine entsprechende Anzahl an lasttragenden Kugeln vorgesehen, die die Querlast aufnehmen können. Der erfindungsgemäße Kugelgewindetrieb 1 ist folglich nicht nur in Bezug auf eine gleichmäßige Aufnahme respektive Verteilung der Axiallast optimiert, sondern auch in Bezug auf eine gleichmäßige Aufnahme einer Querlast.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kugelgewindetrieb
- 2
- Gewindespindel
- 3
- Kugellaufnut
- 4
- Mutter
- 5
- Kugellaufnut
- 6
- Kugelkanal
- 7
- Kugel
- 7.1–7.4
- Kugelreihe
- 8
- Umlenkkörper
- 8.1–8.4
- Umlenkkörper
- 9
- Tasche
- 10.1–10.4
- Mittelpunkt
