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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kugelgewindetrieb, und insbesondere Doppelkupplungsgetriebe mit Schaltaktuatoren, die einen derartigen Kugelgewindetrieb umfassen. Kugelgewindetriebe werden eingesetzt, um eine rotatorische in eine translatorische Bewegung umzuwandeln.
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Aus
DE 10 2005 053 621 A1 ist ein Kugelgewindetrieb nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bekannt geworden. Ein Druckwinkel α zwischen der Gewindemutter und der Gewindespindel liegt zwischen 15° und kleiner oder gleich 35°. Auf diese Weise soll die Aufgabe gelöst werden, einen Kugelgewindetrieb anzugeben, der robust gegen Querkräfte und Biegemomente ausgelegt ist. Gleichwohl wurden in der Praxis Ausfälle beobachtet, wenn Querkräfte oder Kippmomente in den Kugelgewindetrieb eingebracht wurden, und zwar insbesondere in die Gewindemutter, wenn die Gewindespindel drehangetrieben und die Gewindemutter axial verschieblich angeordnet ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, einen Kugelgewindetrieb nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 anzugeben, der auch unter dem Einfluss von äußeren Querkräften oder Kippmomenten einwandfrei arbeitet.
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Erfindungsgemäß wurde diese Aufgabe durch den Kugelgewindetrieb gemäß Anspruch 1 gelöst. Der Kugelgewindetrieb ist mit einer drehangetrieben Gewindespindel und einer darauf angeordneten und gegenüber der Gewindespindel axial verschieblich angeordneten Gewindemutter versehen. Kugeln sind in einer Vielzahl von entlang der Spindelachse hintereinander angeordneten endlosen Kugelkanälen angeordnet, die jeweils einen schraubenförmig um die Spindelachse gewundenen Lastabschnitt sowie einen Umlenkabschnitt aufweisen, der die beiden Enden wenigstens einer Windung des Lastabschnitts endlos miteinander verbindet. Bei den erfindungsgemäß bevorzugten Kugelgewindetrieben mit Einzelumlenkung verbindet ein Lastabschnitt die beiden Enden einer gemeinsamen Windung des Lastabschnitts.
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Der erste und der letzte Umlenkabschnitt der an beiden axialen Enden des Kugelgewindetriebes gelegenen endlosen Kugelkanäle sind außerhalb einer die Spindelachse enthaltenden Wirkebene angeordnet, in der eine an der Gewindemutter angeordnete Übertragungsstelle zum Übertragen einer exzentrisch an der Gewindemutter angreifenden Stellkraft angeordnet ist. Wenn diese Stellkraft beispielsweise achsparallel zu der Spindelachse angeordnet ist und an der Übertragungsstelle angreift, wird ein Kippmoment zwischen der Gewindemutter und der Gewindespindel übertragen.
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Bei diesem erfindungsgemäßen Kugelgewindetrieb ist sichergestellt, dass auf die Gewindemutter einwirkende Querkräfte und Kippmomente einwandfrei über die Last tragenden Kugeln auf die Gewindespindel übertragen werden. Je länger die Gewindemutter in axialer Richtung baut, desto geringer sind die Druckkräfte, denen die Kugeln ausgesetzt sind, wenn ein Kippmoment in die Gewindemutter eingeleitet wird.
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Die Erfindung schließt eine Anordnung aus, in der einer oder beide Umlenkabschnitte der endlosen Kugelkanäle, die an den beiden äußeren axialen Enden der Gewindemutter gelegen sind, in der Wirkebene angeordnet sind, in der das Kippmoment wirksam übertragen wird; in einem derartigen Fall kann das wirkende Kippmoment lediglich von den Kugeln desjenigen axial weiter innen gelegenen Lastabschnitts übertragen wird, der diese Ebene schneidet. Diese Kugeln erfahren eine größere Druckbelastung als die axial weiter aus gelegenen Kugeln. Die Lebensdauer des Kugelgewindetriebes wird in diesen Fällen reduziert. Die Erfindung verhindert eine derartige Situation dadurch, dass jedenfalls sichergestellt ist, dass die Umlenkabschnitte der letzten beiden endlosen Kugelkanäle außerhalb einer die Spindelachse enthaltenen Ebene angeordnet sind, in der die an der Gewindemutter angeordnete Übertragungsstelle zum Übertragen der exzentrisch an der Gewindemutter angreifenden Stellkraft angeordnet ist. Auf diese Weise ist es möglich, axial kürzere Kugelgewindetriebe zu bauen, die einwandfrei Querkräfte und Kippmomente übertragen.
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Vorzugsweise ist der Lastabschnitt durch schraubenförmig um die Spindelachse gewundene Kugelrillen der Gewindespindel und der Gewindemutter gebildet. Ein Druckwinkel der Kugeln mit den Kugelrillen der Gewindemutter und der Gewindespindel ist bei einer zweckmäßigen erfindungsgemäßen Weiterbildung kleiner als 25 Grad.
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Die Kugelrillen von Kugelgewindetrieben weisen üblicherweise ein sogenanntes gotisches Profil auf. Je nach Gestaltung des gotischen Profils wird dieser Druckwinkel größer oder kleiner. Dieser Druckwinkel wird gemessen zwischen zwei Schenkeln, die sich in der Kugelmitte schneiden, wobei der eine Schenkel senkrecht zur Spindelachse steht, und wobei der andere Schenkel den Druckwinkel bezeichnet. Es hat sich herausgestellt, dass bei Druckwinkeln bis maximal 25° und vorzugsweise bei Druckwinkeln zwischen 0° und 15° die Lebensdauer deutlich verbessert ist. Je geringer der Druckwinkel ist, desto geringer sind die Druckbelastungen der Kugeln infolge von einwirkenden Kippmomenten. Üblicherweise werden Kugelgewindetriebe mit Bezug auf den Druckwinkel für axiale Belastung ausgelegt, d. h., je größer der Druckwinkel, desto besser ist die Fähigkeit des Kugelgewindetriebes axiale Lasten zu übertragen. Mit Blick auf Anwendungsfälle, in denen Kippmomente auf den Kugelgewindetriebe einwirken, kann jedoch diese Auslegung des Druckwinkels zu ungünstigen Belastungen und zu frühzeitigen Ausfällen des Kugelgewindetriebes führen.
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Die normierte Lebensdauer L10 gibt die nominelle Lebensdauer von 90 Prozent einer offensichtlich identischen Gruppe gleicher Kugelgewindetriebe bei identischen Betriebsbedingungen an. Wenn bei einer bestimmten Anwendung eine bestimmte Solllebensdauer erreicht werden soll, muss ein Lebensdauerverhältnis zwischen der normierten Lebensdauer L10 und der Solllebensdauer größer gleich 100 % sein. Bei einem Wert von 100 % sind demzufolge die normierte Lebensdauer und die Solllebensdauer gleich groß. Dieses Verhältnis wird nachstehend als rechnerische Lebensdauer Lr bezeichnet.
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Die Erfindung hat herausgefunden, dass ein Kugelgewindetrieb, der bei einem Druckwinkel von 25° eine rechnerische Lebensdauer Lr von 100 % aufweist, eine zunehmend günstigere rechnerische Lebensdauer Lr bei abnehmendem Druckwinkel erreichen kann. Es hat sich herausgestellt, dass bei einem Druckwinkel zwischen 0° und 15° eine rechnerische Lebensdauer Lr zwischen 120 % und nahezu 170 % betragen kann. Eine weitere Erkenntnis der Erfindung kann darin gesehen werden, dass der Einfluss von Steigungsfehlern der Gewindesteigung an der Gewindespindel und an der Gewindemutter abnimmt, je kleiner der Druckwinkel wird. Die Erfindung hat herausgefunden, dass bei Druckwinkel kleiner oder gleich 15° dieser Einfluss der Steigungsfehler immer weniger Bedeutung erlangt.
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In bekannter Weise sind die Kugelrillen mit einem gotischen Profil versehen, wobei die Druckwinkel einerseits zwischen der Kugel und der Kugelrille der Gewindespindel sowie andererseits zwischen der Kugel und der Kugelrille der Gewindemutter gleich groß sind. Auf diese Weise werden die Kräfte zwischen der Gewindemutter und der Gewindespindel in den Kontaktstellen in gleicher Weise übertragen. Die Druckwinkel einerseits zwischen der Kugel und der Kugelrille der Gewindespindel sowie andererseits zwischen der Kugel und der Kugelrille der Gewindemutter können jedoch auch unterschiedlich groß sein.
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In bevorzugter Weiterbildung der Erfindung sind der erste Umlenkabschnitt und der letzte Umlenkabschnitt und damit auch die zugehörigen Lastabschnitte in Umfangsrichtung versetzt zueinander angeordnet. Auf diese Weise ist eine gleichmäßigere Belastung des Kugelgewindetriebes gewährleistet.
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Eine zweckdienliche Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Übertragungsstelle an der Gewindemutter durch eine Schaltklaue am Außenumfang der Gewindemutter gebildet ist. In diese Schaltklaue kann ein Mitnehmerfinger eingreifen, der drehfest an einer Schaltwelle gehalten ist. Unter Betätigung des Kugelgewindetriebes wird dessen Gewindemutter axial gegenüber der rotierenden Gewindespindel verlagert, wobei die Schaltklaue den Mitnehmerfinger mitnimmt und dadurch eine Drehbewegung der Schaltwelle erzwingt. Im Kontakt zwischen der Schaltklaue und dem Mitnehmerfinger wirkt unter dessen Mitnahme eine axiale Kraft, die achsparallel zu der Gewindespindel und mit radialem Abstand zu der Spindelachse wirkt. Unter dieser axialen Kraft wird mit dem gegebenen radialen Abstand zur Spindelachse als Hebelarm ein Kippmoment in den Kugelgewindetrieb eingeleitet. Dieses Kippmoment wird von der Gewindemutter auf die Gewindespindel übertragen, wobei die zwischen der Gewindemutter und der Gewindespindel angeordneten Kugeln Druckkräften ausgesetzt sind.
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Eine zweckdienliche Weiterbildung sieht einen Kugelgewindetrieb vor, in dessen axialer Mitte ein Ringraum zwischen der Gewindemutter und der Gewindespindel gebildet ist, der frei von Kugeln ist. Erfindungsgemäße Kugelgewindetriebe werden mit Kippmomenten und / oder Radialkräften beaufschlagt, axiale Belastungen des Kugelgewindetriebes treten hinter diese Belastungen durch Kippmomente zurück. Aus diesem Grund kann gegebenenfalls im axialen Mittelabschnitt des Kugelgewindetriebes auf eine Übertragung von axialen Lasten zwischen der Gewindemutter und der Gewindespindel verzichtet werden. Der Vorteil dieser erfindungsgemäßen Weiterbildung kann darin gesehen werden, dass eine Reduzierung der Rollreibung erreicht wird, da weniger Kugeln vorgesehen sind. Gleichzeitig bleibt jedoch die Fähigkeit des erfindungsgemäßen Kugelgewindetriebes erhalten, in geeigneter Weise Kippmomente zwischen der Gewindemutter und der Gewindespindel einwandfrei zu übertragen.
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Nachstehend wird die Erfindung anhand eines in insgesamt neun Figuren abgebildeten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
- 1 einen erfindungsgemäßen Kugelgewindetrieb,
- 2 den Kugelgewindetriebe aus Figur eins im Längsschnitt,
- 3 eine Einzelheit des Kugelgewindetriebes aus 1,
- 4 eine Belastungssituation des erfindungsgemäßen Kugelgewindetriebes in schematischer Darstellung,
- 5 eine Ausschnittsvergrößerung aus 2,
- 6 eine weitere Ausschnittsvergrößerung aus 2
- 7 ein Diagramm zur rechnerischen Lebensdauer erfindungsgemäßer Kugelgewindetriebe als Funktion des Druckwinkels,
- 8 ein weiteres Diagramm zum Einfluss eines Steigungsfehler auf die gerechnete Lebensdauer in Abhängigkeit des gewählten Druckwinkels, und
- 9 ein weiteres Diagramm mit der gerechneten Lebensdauer aufgetragen über dem Druckwinkel.
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Die 1 und 2 zeigen einen erfindungsgemäßen Kugelgewindetrieb, der eine auf einer Gewindespindel 1 angeordnete Gewindemutter 2 aufweist. Die drehangetriebene Gewindespindel 1 ist an zwei Enden über Kugellager 3,4 axial und radial gelagert. In bekannter Weise ist der erfindungsgemäße Kugelgewindetrieb mit an sich bekannten, sogenannten Einzelumlenkungen versehen.
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Zwischen der Gewindespindel 1 und der Gewindemutter 2 angeordnete Kugeln 5 in endlosen Kugelkanälen 8 angeordnet und wälzen an schraubenförmig um die Spindelachse gewundenen Kugelrillen 6,7 der Gewindespindel 1 und Gewindemutter 2 ab. Jeder endlose Kugelkanal 8 weist einen Lastabschnitt 9 auf, der von den beiden Kugelkanälen 6,7 gebildet ist. Die beiden Enden einer Windung des Lastabschnitts 9 sind über einen Um lenkabschnitt 10 endlos miteinander verbunden, wobei der Umlenkabschnitt 10 an einem Umlenkstück 11 ausgebildet ist, das in einer Ausnehmung eines hohlzylindrischen Mutterkörpers 12 eingesetzt ist.
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Die Gewindemutter 2 ist an ihrem Außenumfang mit einer Schaltklaue 13 versehen, in die ein nicht abgebildeter Mitnehmerfinger eingreift. Diese Schaltklaue 13 ist eine Übertragungsstelle 14 zur Übertragung einer Kraft F zwischen dem Mitnahmefinger und der Schaltklaue 13. Wenn die Gewindespindel 1 drehend angetrieben wird, erfolgt eine axiale Verlagerung der Gewindemutter 2 gegenüber der Gewindespindel 1, wobei der nicht abgebildete Mitnehmerfinger mitgenommen wird. Die Mitnahme des Mitnahmefingers bedingt eine axiale Kraft F, die achsparallel zu der Gewindespindel 1 wirkt in einem radialen Abstand e zu der Spindelachse. Diese Kraft F greift demzufolge exzentrisch unter einem Abstand e zu der Spindelachse an dem Kugelgewindetrieb an. 2 zeigt deutlich den Abstand X der Reaktionskräfte Fr zur axialen Mitte des Kugelgewindetriebes. Je größer dieser Abstand X wird, desto kleiner wird die Kraft Fr von ihrem Betrag her.
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Die von der Schaltklaue 13 auf den Schaltfinger 13 übertragene Kraft F kann mittig an der Anlagefläche der Schaltklaue 13 angeordnet sein. Wenn der Schaltfinger betätigt wird kann dessen Kontaktstelle mit der Schaltklaue 13 entlang der Anlagefläche wandern, Die oben beschriebene Exzentrität e zwischen der Kontaktstelle und der Spindelachse kann unter der Betätigung der Schaltklaue variieren.
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Unter der Kraft F wird ein wird ein Kippmoment in den Kugelgewindetrieb eingeleitet, das die Reaktionskraft Fr hervorruft, die quer zur Spindelachse als Druckkraft auf die Kugeln 5 an den axialen Enden des Kugelgewindetriebes angreift.
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Der 2 ist zu entnehmen, dass die Spindelmutter 2 und die Gewindemutter 1 in einem axial mittleren Bereich des Kugelgewindetriebes einen Ringraum 15 begrenzen, der frei von Kugeln ist. Falls der Kugelgewindetrieb vornehmlich Kippmomenten ausgesetzt ist und axiale Belastungen in den Hintergrund treten, kann diese Anordnung zweckmäßig sein: es werden Kugeln eingespart und der Rollwiderstand des Kugelgewindetriebes nimmt ab.
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3 zeigt schematisch einen Ausschnitt des ersten und des letzten endlosen Kugelkanals 8, und zwar nur den Lastabschnitt. Die zuvor erwähnte Kraft F liegt in einer Wirkebene E, die die Spindelachse enthält. 3 zeigt deutlich, dass Kugeln 5 des ersten und des letzten Lastabschnitts 9 des jeweiligen endlosen Kugelkanals 8 in dieser Wirkebene angeordnet sind. Das bedeutet, dass die Kraft Fr als Druckkraft in die Kugeln dieser letzten beiden endlosen Kugelkanälen eingeleitet wird. Die Umlenkabschnitte dieser beiden äußeren endlosen Kugelkanäle 8 sind außerhalb der Wirkebene E angeordnet. Vorzugsweise sind die Bereiche der Kugelumlenkung ca. 90° zur Wirkebene der Betätigungskraft F versetzt angeordnet. In diesem Vorzugsbereich ist sichergestellt, dass die Reaktionskräfte Fr nicht den Wirkungsbereich durchdringen, sondern von tragenden Kugeln voll abgestützt werden.
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Wenn anstelle der hier beschriebenen und abgebildeten Einzelumlenkung die an sich bekannte Kopfumlenkung oder eine an sich bekannte Außenumlenkung der Kugeln vorgesehen ist, kann der Rücklaufkanal zwar in der Wirkebene E liegen, aber auch hier ist dann sichergestellt, dass der Kugeleintritt und der Kugelaustritt ebenfalls außerhalb der Wirkebene E liegen.
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4 zeigt die gleiche schematische Anordnung wie in 3, jedoch liegt die Spindelachse hier in der Blattebene. Deutlich ist der Abstand X der Kugeln 5 des letzten Lastabschnitts 9 der beiden äußeren endlosen Kugelkanälen 8 zur axialen Mitte des Kugelgewindetriebes gekennzeichnet. Ferner ist die Gewindesteigung p des Kugelgewindetriebes eingezeichnet.
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5 zeigt eine Ausschnittsvergrößerung der 2, mit der Gewindespindel 1, der Gewindemutter 2 und den dazwischen angeordneten Kugeln 5, die in dem endlosen Kugelkanal 8 angeordnet sind und an Kugelrillen 6,7 der Gewindemutter 2 und der Gewindespindel 1 abwälzen. Die Kugelrillen 6,7 haben jeweils ein sogenanntes und an sich bekanntes gotisches Profil, sodass sich ein Druckwinkel α zwischen den Kugeln 5 und den Kugelrillen 6,7 in deren Kontakt einstellt. Dieser Druckwinkel α ist in vorteilhafter Weise kleiner als 25°, und in besonders bevorzugter Auswahl zwischen 0° und 15°, einschließlich dieser beiden Werte.
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6 zeigt deutlich in einer weiteren Ausschnittsvergrößerung den Druckwinkel α. Dieser Druckwinkel wird gemessen zwischen zwei Schenkeln, die sich in der Kugelmitte schneiden, wobei der eine Schenkel senkrecht zur Spindelachse steht und mittig das gotische Profil schneidet, und wobei der andere Schenkel den Druckwinkel α bezeichnet.
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7 zeigt eine gerechnete Lebensdauer Lr des Kugelgewindetriebes in Prozent. Das Verhältnis der normierten Lebensdauer L10 und der geforderten Solllebensdauer wird hier als die gerechnete Lebensdauer Lr bezeichnet. Diese gerechnete Lebensdauer Lr ist aufgetragen über den Abstand der beiden letzten tragenden Lastabschnitte der endlosen Kugelkanäle von der axialen Mitte des Kugelgewindetriebes, wie er in 2 skizziert ist.
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Das bedeutet, hier wurden für eine gegebene äußere Belastung unterschiedlich lang bauende Gewindemuttern angenommen, deren jeweils letzte lastübertragende Kugelrille einen Abstand zur Mitte des Kugelgewindetriebes von 5 mm, 10 mm, 15 mm, 20 mm und 25 mm aufweist. Grundsätzlich gilt, dass mit zunehmendem Abstand der letzten tragenden Lastabschnitte von der axialen Mitte des Kugelgewindetriebes die Belastung der Kugeln abnimmt, sodass entsprechend eine wachsende gerechnete Lebensdauer erreicht wird.
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7 zeigt deutlich den Einfluss des gewählten Druckwinkel A auf die gerechnete Lebensdauer Lr für diese unterschiedlich lang bauenden Gewindemuttern: bei einem Druckwinkel A von 5° und einem Abstand von 20 mm des letzten tragenden Lastabschnittes von der axialen Mitte des Kugelgewindetriebes ergibt sich eine gerechnete Lebensdauer Lr von etwa 140 %, während bei gleicher äußerer Belastung und gleichem Abstand zur axialen Mitte des Kugelgewindetriebes und einen Druckwinkel A von 45° lediglich eine gerechnete Lebensdauer von etwa 75 % ergibt. Das bedeutet, dass mit der Veränderung des Druckwinkels von 45° auf 5° eine Verbesserung der gerechneten Lebensdauer um den Faktor 2 erzielt werden kann.
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Da bei erfindungsgemäßen Kugelgewindetrieben die äußere Last exzentrisch an der Gewindemutter eingreift und einen Kippmoment auf die Gewindemutter ausübt, werden vornehmlich große radiale Kräfte zwischen der Gewindespindel und der Gewindemutter übertragen, während die axial zu übertragenen Kräfte zwischen der Gewindespindel und der Gewindemutter in den Hintergrund treten. Je kleiner der Druckwinkel a, desto günstiger werden die auftretenden radialen Kräfte über die Kugeln übertragen.
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8 zeigt die gerechnete Lebensdauer Lr, aufgetragen über Delta s, wobei Lr das Verhältnis der genormten Lebensdauer L10 zu einer vorgegebenen Solllebensdauer des Kugelgewindetriebes in Prozent angibt, und wobei Delta s die Steigungsabweichung des Gewindes an der Gewindemutter oder an der Gewindespindel in Micrometer [µm] über 10 Gewindegänge angibt. Eine Steigungsabweichung von beispielsweise 20 µm bedeutet, dass die zehnte Windung beispielsweise der Gewindemutter um 20 µm gegenüber der zehnten Windung der Gewindespindel versetzt ist, unter der Annahme, dass die Steigung der Gewindespindel keine Steigungsabweichung aufweist.
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Der 8 ist deutlich zu entnehmen, dass bei einer gegebenen Steigungsabweichung ausnahmslos eine Verbesserung der gerechneten Lebensdauer zu erwarten ist, je kleiner der Druckwinkel α wird. Beispielsweise kann bei einer Steigungsabweichung von 20 µm und einem Druckwinkel α gleich 5° eine gerechnete Lebensdauer Lr von ca. 110 % ermittelt werden, während sich bei ansonsten gleich bleibenden Bedingungen und einem Druckwinkel α gleich 45° lediglich eine gerechneten Lebensdauer von etwa 60 % zu ergibt.
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9 zeigt die gerechnete Lebensdauer Lr, aufgetragen über den Druckwinkel α. Deutlich ist die Zunahme der Lebensdauer bei kleiner werdenden Druckwinkel α zu erkennen. Während sich bei einem Druckwinkel von α gleich 40° eine gerechnete Lebensdauer von 80 % ergibt, kann bei einem Druckwinkel α gleich 10° bereits eine gerechnete Lebensdauer von ca. 130 % angesetzt werden.
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Die Erfindung hat erkannt, dass Kugelgewindetriebe, die Kippmomenten ausgesetzt sind eine deutlich verbesserte Leistungsfähigkeit aufweisen, wenn der Druckwinkel A jedenfalls kleiner als 25° ausgebildet ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gewindespindel
- 2
- Gewindemutter
- 3
- Kugellager
- 4
- Kugellager
- 5
- Kugel
- 6
- Kugelrille
- 7
- Kugelrille
- 8
- endloser Kugelkanal
- 9
- Lastabschnitt
- 10
- Umlenkabschnitt
- 11
- Umlenkstück
- 12
- hohlzylindrischer Mutterkörper
- 13
- Schaltklaue
- 14
- Übertragungsstelle
- 15
- Ringraum
