DE10309424B4

DE10309424B4 - Kugelgewindetrieb

Info

Publication number: DE10309424B4
Application number: DE10309424.5A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Osterlänger Jürgen; Ralf Mayer
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2003-03-05
Filing date: 2003-03-05
Publication date: 2017-06-01
Anticipated expiration: 2023-03-06
Also published as: DE10309424A1

Abstract

Kugelgewindetrieb mit einer Spindel (2) und einer diese umgebenden Spindelmutter (1) sowie mit dazwischen angeordneten Kugeln (3), die als Kugelreihe (4) in einem endlosen Umlaufkanal (5) umlaufen, der begrenzt ist von einer an der Spindel (2) ausgebildeten Gewindebahn (6) und von einer an einem Mutterkörper (6a) der Spindelmutter (1) ausgebildeten Gewindebahn (7), wobei die Spindelmutter (1) einen Käfig (7a, 25) aufweist, dessen Kugelführungsfläche (9) einen Umlenkbereich (16) begrenzt, in dem die Kugeln (3) von einem Auslaufende einer gemeinsamen Windung der Gewindebahnen (6, 7) zu zu einem Einlaufende dieser Windung umgelenkt werden, wobei der Käfig (7a, 25) einen Anschlag (19, 30) und der Mutterkörper (6a) einen Gegenanschlag (20) aufweist, und wobei der Anschlag (19, 30) und der Gegenanschlag (20) unter Federkraft aneinanderliegen, dadurch gekennzeichnet, dass an beiden Enden der Spindelmutter (1) je eine Kugelreihe (4) in dem endlosen Umlaufkanal (5) umläuft und zwei Käfige (7a) zwischen den beiden Kugelreihen (4) angeordnet sind, wobei zwischen den Käfigen (7a) eine Feder (21) zur Erzeugung der Federkraft angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kugelgewindetrieb, bei dem eine Spindelmutter auf einer Spindel über Kugeln wälzgelagert ist. Derartige Kugelgewindetriebe dienen der Umwandlung einer rotatorischen Bewegung in eine translatorische Bewegung und finden beispielsweise Anwendung im Kraftfahrzeugbereich bei der Lenksäulenverstellung, der Drosselklappenverstellung, der Gangschaltung oder der elektrischen Türverriegelung.
Aus DE 199 60 938 A1 beispielsweise ist ein Kugelgewindetrieb nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bekannt geworden. Ein Mutterkörper der Spindelmutter ist an beiden axialen Enden jeweils mit einer dieser Gewindebahnen versehen, die gemeinsam mit der Gewindebahn der Spindeln die endlose Umlaufkanäle bilden. Zwischen den beiden endlosen Umlaufkanälen weist die Spindelmutter einen Käfig auf, der aus Kunststoff gebildet sein kann. Im Umlenkbereich begrenzen eine Kugelführungsfläche des Käfigs und die Gewindebahn des Mutterkörpers den Umlaufkanal. Die Gewindebahn des Mutterkörpers und die Kugelführungsfläche des Käfigs sind aneinander zugewandten Stirnseiten des Mutterkörpers und des Käfigs ausgebildet. Die von dieser Kugelführungsfläche und der Gewindebahn des Mutterkörpers begrenzte Querschnittsöffnung unterliegt engen Toleranzen, damit ein einwandfreies Umlaufen der Kugeln im Umlaufkanal gewährleistet ist. Beispielsweise kann die Kugelführungsfläche am Käfig in üblicher Weise mit einer Einlaufzone versehen sein, um die Kugeln von der Gewindebahn der Spindel abzuheben und in den Umlenkbereich hineinzulenken. Die Positionierung der Kugelführungsfläche des Käfigs gegenüber der Gewindebahn des Mutterkörpers muss hier einwandfrei gewährleistet sein. Das Einhalten der sehr engen Toleranzen kann dann schwierig werden, wenn axial großbauende Kugelgewindetriebe hergestellt werden sollen. Wenn beispielsweise der Käfig aus Kunststoff im Spritzverfahren hergestellt ist, und eine große axiale Erstreckung aufweist, können die Längenabweichungen von der angestrebten axialen Länge herstellungsbedingt relativ groß sein. So kann die Käfiglänge derart von der Solllänge abweichen, daß die Kugelführungsfläche des Käfigs nicht mehr einwandfrei gegenüber dem Mutterkörper positioniert ist. Die Folge kann ein störungsbehaftetes Betriebsverhalten des Kugelgewindetriebs sein. Selbst Fertigungstoleranzen von 0,02 mm könnten den einwandfreien Umlauf der Kugeln im Umlaufkanal beeinträchtigen.
Die DE 43 40 624 C2 offenbart eine Kugelumlaufspindel mit Abschlussdeckeln. Die Abschlussdeckel sind hierbei als Kugelumlaufelemente gestaltet und jeweils durch eine Verstärkungseinrichtung aus Metall verstärkt. Im Übrigen sind die Kugelumlaufelemente mittels Spritzgießen aus Kunststoff hergestellt.
Aus der DE 100 12 231 A1 ist ein Kugelgewindetrieb bekannt, welcher eine Mutter aufweist, die als dünnwandige, spanlos hergestellte Hülse ausgebildet ist. Kugeln des Kugelgewindetriebs kontaktieren sowohl einen Hülsenbord der Mutter als auch einen in die Mutter eingesteckten Einsatzring. Ein zusätzlich in die Mutter eingelegtes Federelement ist zur Erzeugung einer Vorspannung in dem Kugelgewindetrieb vorgesehen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Kugelgewindetrieb nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 anzugeben, bei dem die genannten Nachteile behoben sind.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Käfig einen Anschlag und der Mutterkörper einen Gegenanschlag aufweisen, wobei der Anschlag und der Gegenanschlag unter Federkraft aneinander liegen. Bei dem erfindungsgemäßen Kugelgewindetrieb können auch große axiale Längen problemlos umgesetzt werden. Da sowohl der Anschlag als auch die Kugelführungsbahn des Käfigs axial an einem gemeinsamen Ende, also nahe beieinander angeordnet sind, kann dieser Abstand fertigungstechnisch mit sehr engen Toleranzen eingehalten werden. Auf der anderen Seite liegen der Gegenanschlag des Mutterkörpers und dessen Gewindebahn ebenfalls auf einer gemeinsamen Stirnseite der Spindelmutter und sind deshalb ebenfalls nahe beieinander angeordnet. Demzufolge kann auch der Abstand zwischen dem Gegenanschlag und der Gewindebahn des Mutterkörpers unter Einhaltung sehr enger Fertigungstoleranzen hergestellt werden. Wenn nun der Käfig unter einer Federkraft mit seinem Anschlag gegen den Gegenanschlag der Spindelmutter angedrückt wird, ist der freigegebene Querschnitt im Umlenkbereich lediglich den zwei Toleranzen unterworfen, die – wie ausgeführt – sehr eng gehalten werden können. Das bedeutet, daß auf fertigungstechnisch einfache Art und Weise – beispielsweise Herstellen des Mutterkörpers aus Blech im Tiefziehverfahren; herstellen des Käfigs aus Kunststoff im Spritzverfahren – ein Kugelgewindetrieb bereitgestellt werden kann, bei dem ein einwandfreies Umlaufen im endlosen Umlaufkanal gegeben ist.
An beiden Enden der Spindelmutter ist je ein endloser Umlaufkanal zum Umlaufen einer Kugelreihe ausgebildet. Derartige Kugelgewindetriebe können sowohl axiale Kräfte als auch radiale Kräfte aufnehmen. Bei einer besonders günstigen Anordnung sind die an beiden Enden der Spindelmutter angeordneten Gewindebahnen in X-Anordnung zueinander aufgestellt. Diese X-Anordnung entspricht der ansonsten in der Wälzlagertechnik üblichen Bezeichnung von angestellten Lagerungen in X- oder O-Anordnung. Ein herstellungstechnisch besonders günstiger Kugelgewindetrieb sieht vor, daß der Mutterkörper der Spindelmutter eine aus Blech ausgebildete Hülse aufweist an deren beiden Enden jeweils ein Ring eingelegt ist, an dessen Stirnseite die Gewindebahn vorgesehen ist. Derartige Ringe können problemlos im Tiefziehverfahren hergestellt werden. Insbesondere die dreidemensional ausgebildete Gewindebahn kann im Tiefziehverfahren einfach umgesetzt werden. Die Gewindebahn kann vorzugsweise an einer Schulter des Rings ausgebildet sein und der Gegenanschlag kann an einem Radialflansch des Rings ausgebildet sein. Sowohl die Schulter als auch der Radialflansch eignen sich in besonderer Weise für eine Ausbildung im Tiefziehverfahren. Die Gewindebahn kann bei dieser Herstellungsmethode auch im Umlenkbereich einstückig an den Ring angeformt sein. In besonders einfacher Weise kann eine Stirnseite des Radialflansches des Ringes als Gegenanschlag verwendet werden.
An dem Käfig kann in ähnlicher Weise eine Schulter ausgebildet sein. Der Käfig ist zwischen zwei Kugelreihen angeordnet, wobei zum Aufbringen der erfindungsgemäß vorgesehenen Federkraft der Käfig axial in zwei Käfigteile geteilt sein kann, wobei zwischen diesen beiden Käfigteilen – oder alternativ zwischen zwei Käfigen – eine Feder zur Erzeugung dieser Federkraft angeordnet ist. Die Feder kann beispielsweise eine Druckfeder jeden bekannten Typs sein: Tellerfeder, Schraubenfeder usw. Wenn der Käfig aus Kunststoff im Spritzverfahren hergestellt werden soll, sieht eine besonders günstige erfindungsgemäße Weiterbildung vor, daß diese Feder mit ihrem einen Federende an das eine Käfigteil und mit ihrem andern Federende an das andere Käfigteil einstückig angeformt ist. Auf diese Weise ist die Anzahl von Einzelteilen erheblich reduziert.
Die weiter oben genannte Hülse des Mutterkörpers kann mit einem Stützbord versehen sein, an dem der Ring mit seiner Schulter abgestützt ist. Die von dem Kugelgewindetrieb zu übertragenen axialen Kräfte können so einwandfrei von dem Ring auf die Hülse oder umgekehrt übertragen werden. Zwischen dieser Schulter und dem Stützbord kann ein insbesondere aus einem Elastomer gebildeter elastisch verformbarer Ring angeordnet sein. Dieser Ring kann dann zweckmäßig sein, wenn die Hülse an ihrem einen axialen Ende zunächst keinen Bord aufweist. Nach Einlegen des Ringes und anschließendem Einlegen des Stützringes kann dann das Hülsenende radial einwärts umgebördelt werden, bis der Stützring zwischen der Schulter und dem derart gebildeten Bord unter leichter axialer Vorspannung eingespannt ist.
Erfindungsgemäße Kugelgewindetriebe können preiswert in großen Stückzahlen hergestellt werden und sind geeignet zur Übertragung kleiner bis mittlerer Lasten. Weitere Anwendungen können sein: Niveauregulierung am Federbein oder bei Anwendung in einem elektronischen Gaspedal mit Rückmeldung einer Druckempfindung.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Kugelgewindetriebes ist darin zusehen, daß störende Klappergeräusche aufgrund der sehr eng einhaltbaren Toleranzen im Umlenkbereich weitgehend minimiert bzw. vermieden sind.
Nachstehend wird die Erfindung anhand eines in insgesamt acht Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kugelgewindetrieb
2 eine perspektivische Darstellung des Kugelgewindetriebes aus 1
3 einen Längsschnitt durch einen Käfig des erfindungsgemäße Kugelgewindetriebes
4 einen Längsschnitt durch einen alternativen Käfig
5 eine perspektivische Darstellung des alternativen Käfigs aus 4
6 einen Längsschnitt durch einen Ring des erfindungsgemäßen Kugelgewindetriebes
7 eine perspektivische Darstellung des Ringes gemäß 6
8 eine weitere perspektivische Darstellung des Ringes aus 6.
1 zeigt einen erfindungsgemäßen Kugelgewindetrieb im Längsschnitt. Eine Spindelmutter 1 ist auf einer Spindel 2 angeordnet. Zu beiden axialen Enden der Spindelmutter 1 ist jeweils eine aus Kugeln 3 gebildete Kugelreihe 4 angeordnet, wobei die Kugeln 3 in Umfangsrichtung hintereinander angeordnet sind. Die Kugeln 3 der beiden Kugelreihen 4 laufen in einem endlosen Umlaufkanal 5 um. Der Umlaufkanal 5 ist begrenzt von einer an der Spindel 2 ausgebildeten Gewindebahn 6 einerseits und von einer an einem Mutterkörper 6a der Spindelmutter 1 ausgebildeten Gewindebahn 7a andererseits. Ferner sind zwei Käfige 7a vorgesehen, die zwischen den beiden Kugelreihen 4 in einem von der Spindel 2 und einer aus Blech gebildeten Hülse 10 des Mutterkörpers 6a begrenzten Ringraum 8 angeordnet sind. Beide Käfige 7a weisen an ihren voneinander abgewandten stirnseitigen Enden Kugelführungsflächen 9 für die Kugellager 3 auf.
Der Mutterkörper 6a umfasst die aus Blech gebildete Hülse 10, deren beiden axialen Enden mit einem Stützbord 11, 12 versehen sind. Der Stützbord 11 ist als nach innen gerichteter Radialbord ausgebildet. Der Stützbord 12 ist ebenfalls radial einwärts gerichtet, jedoch bildet er mit der Mantelfläche der Hülse 10 im Längsschnitt gesehen keinen rechten Winkel sondern einen stumpfen Winkel. In der Hülse 10 sind anderen beiden Enden zwei ebenfalls aus Blech im Tiefziehverfahren hergestellte Ringe 13 angeordnet. Jeder Ring 13 weist an einer Stirnseite die eine Gewindebahn 7 tragende Schulter 14 und einen Radialflansch 15 auf. Die Ringe 13 begrenzen mit ihren Gewindebahnen 7 gemeinsam mit den Kugelführungsflächen 9 der Käfige 7a und gemeinsam mit der Gewindebahn 6 der Spindel 2 den endlosen Umlaufkanal 5, der auch einen Umlenkbereich 16 umfasst, der in der 2 in perspektivischer Darstellung deutlich zu erkennen ist. Der Umlenkkanal 5 umschreibt eine Raumkurve, wobei die von der Gewindebahn 7 begrenzte Raumkurve in günstiger Weise an dem aus Blech im Tiefziehverfahren hergestellten Ring 13 ausgebildet werden kann. In bekannter Weise werden die Kugeln 3 in dem Umlenkbereich 16 von einem Auslaufende einer gemeinsamen Windung der Gewindebahnen 6, 7 zu einem Einlaufende dieser Windung umgelenkt.
Die Kugelführungsfläche 9 der Käfige 7 so angeordnet, daß die Kugeln 3 einwandfrei aus der Gewindebahn 6 der Spindel 2 herausgehoben und in den Umlenkbereich 16 und über den Gewindesteg 17 der Spindel 2 angehoben werden können. Der in 1 im Längsschnitt erkennbare Querschnitt des Umlaufkanals 5 muss ein einwandfreies umlaufen der Kugeln 3 im Umlaufkanal 5 ermöglichen. Das bedeutet dass die Kugelführungsflächen 9 des Käfigs 7a einwandfrei in Bezug auf die Gewindebahn 7 des Rings 13 ausgerichtet sein muss. Der Käfig 7a ist mit einer Schulter 18 versehen, an deren dem Ring 13 zugewandten Stirnseite ein Anschlag 19 ausgebildet ist. An dem Radialbord 15 des Ringes 13 ist an dessen dem Anschlag 19 zugewandten Stirnseite ein Gegenanschlag 20 ausgebildet. Die beiden Käfige 7a sind unter Federkraft mit ihren Anschlägen 19 gegen die Gegenanschläge 20 der Ringe 13 angedrückt. Die Federkraft wird mit Hilfe einer Feder 21 erzeugt, die zwischen den beiden Käfigen 7a angeordnet ist.
Ein Abstand s zwischen einer Kugelmitte der Kugeln 3 und der gemeinsamen Ebene des Anschlags 19 und des Gegenanschlags 20 ist vorgegeben, um eine einwandfreie Positionierung der Kugelführungsfläche 9 des Käfigs 7a zu ermöglichen. Das Längenmaß s ist eine Funktion eines Drehwinkels zwischen 0 und 360°, und lässt sich exakt beschreiben. Der Ring 13 ist vorzugsweise im Tiefziehverfahren hergestellt. Der Käfig 7 ist vorzugsweise aus Kunststoff im Spritzverfahren hergestellt. Der Abstand S ist bei beiden Herstellverfahren werkzeugbezogen und somit definiert ausführbar. Wegen der geringen axialen Erstreckung des Abstandes s lassen sich auch Abweichungen von diesem Maß S mit nur geringen Toleranzen umsetzten. Das bedeutet in vorteilhafter Weise, daß die Kugelführungsflächen 9 einwandfrei den Umlaufkanal 5 begrenzen, so daß sichergestellt ist, das die Kugeln 3 einwandfrei im Umlaufkanal 5 umlaufen können.
Der 1 ist ferner zu entnehmen, daß zwischen dem Stützbord 12 und dem Radialbord 15 ein aus dem Elastomer gebildeter elastischer verformbarer Stützring 22 angeordnet ist. Der Stützring 22 ist axial zwischen dem Radialbord 15 und dem Stützbord 12 eingespannt. Der Stützbord 12 ist vorliegend durch mehrere über den Umfang verteilt angeordnete Nasen 23 gebildet, die aus der Mantelfläche der Hülse 10 radial einwärts gebogen sind. Der 2 sind über den Umfang verteilt angeordnete Taschen 24 an der Mantelfläche der Hülse 10 zu entnehmen, die als Folge des Einbiegens der Nasen 23 gebildet sind.
3 zeigt in vergrößerter Darstellung den längsgeschnittenen Käfig 7.
3 zeigt deutlich die Kugelführungsfläche 9 auch im Bereich des Umlenkbereichs 16.
4 zeigt einen modifizierten Käfig 25, der sich von den beiden in der 1 abgebildeten Käfigen im wesentlichen dadurch unterscheidet, daß die beiden Käfigteile 26, 27 einstückig über ein Federelement 28 verbunden sind. Das eine Federende des Federelements 28 ist mit dem einen Federteil 26 und das andere Federende des Federelementes 28 ist mit dem Käfigteil 27 einstückig verbunden. Im übrigen entspricht dieser Käfig 25 in seiner Ausführung den oben bereits beschriebenen Käfigen 7. Insbesondere sind auch hier Schultern 29 ausgebildet, die Anschläge 30 tragen.
5 zeigt diesen Käfig 25 in perspektivischer Darstellung.
In den 6, 7, 8 ist einer der Ringe 13 abgebildet. Und zwar in 6 in vergrößerter Darstellung im Längsschnitt und in den 7 und 8 in zwei verschiedenen perspektivischen Darstellungen. In 7 ist deutlich der Umlaufbereich 16 zu erkennen. 8 zeigt deutlich eine Nut 29 am Außenumfang des Radialbordes 15. In diese Nut 29 greift ein an dem Käfig vorgesehener – hier nicht weiter dargestellter – Vorsprung ein, um eine eindeutige Drehlage des Rings 13 zum Käfig 25, 7 zu definieren.
Bezugszeichenliste

1: Spindelmutter
2: Spindel
3: Kugel
4: Kugelreihe
5: Umlaufkanal
6: Gewindebahn
6a: Mutterkörper
7a: Käfig
7: Gewindebahn
7: Ringraum
8: Kugelführungsfläche
9: Hülse
10: Stützbord
11: Stützbord
12: Ring
13: Schulter
14: Radialbord
15: Umlenkbereich
16: Gewindesteg
17: Schulter
18: Anschlag
19: Gegenanschlag
20: Feder
21: Stützring
22: Nase
23: Tasche
24: Käfig
25: Käfigteil
26: Käfigteil
27: Federelement
28: Nut

Claims

Kugelgewindetrieb mit einer Spindel (2) und einer diese umgebenden Spindelmutter (1) sowie mit dazwischen angeordneten Kugeln (3), die als Kugelreihe (4) in einem endlosen Umlaufkanal (5) umlaufen, der begrenzt ist von einer an der Spindel (2) ausgebildeten Gewindebahn (6) und von einer an einem Mutterkörper (6a) der Spindelmutter (1) ausgebildeten Gewindebahn (7), wobei die Spindelmutter (1) einen Käfig (7a, 25) aufweist, dessen Kugelführungsfläche (9) einen Umlenkbereich (16) begrenzt, in dem die Kugeln (3) von einem Auslaufende einer gemeinsamen Windung der Gewindebahnen (6, 7) zu zu einem Einlaufende dieser Windung umgelenkt werden, wobei der Käfig (7a, 25) einen Anschlag (19, 30) und der Mutterkörper (6a) einen Gegenanschlag (20) aufweist, und wobei der Anschlag (19, 30) und der Gegenanschlag (20) unter Federkraft aneinanderliegen, dadurch gekennzeichnet, dass an beiden Enden der Spindelmutter (1) je eine Kugelreihe (4) in dem endlosen Umlaufkanal (5) umläuft und zwei Käfige (7a) zwischen den beiden Kugelreihen (4) angeordnet sind, wobei zwischen den Käfigen (7a) eine Feder (21) zur Erzeugung der Federkraft angeordnet ist.
Kugelgewindetrieb nach Anspruch 1, bei der die an beiden Enden der Spindelmutter (1) angeordneten Gewindebahnen (7) eine X-Anordnung zueinander aufweisen.
Kugelgewindetrieb nach Anspruch 1, bei dem der Mutterkörper (6a) eine insbesondere aus Blech gebildete Hülse (10) umfasst, an deren beiden Enden je ein Ring (13) eingelegt ist, der mit der Gewindebahn (7) versehen ist.
Kugelgewindetrieb nach Anspruch 3, bei dem der Ring (13) eine die Gewindebahn (7) tragende Schulter (14) und einen den Gegenanschlag (20) tragenden Radialbord (15) aufweist.
Kugelgewindetrieb nach Anspruch 3, bei dem an dem Ring (13) der Umlenkbereich (16) durch spanlose Formgebung ausgebildet ist.
Kugelgewindetrieb nach Anspruch 3, bei dem der Ring (13) aus Blech im Tiefziehverfahren hergestellt ist, wobei die Gewindebahn (7) mit dem Umlenkbereich (16) einstückig an den Ring (13) angeformt ist.
Kugelgewindetrieb nach Anspruch 4, bei dem der Gegenanschlag (20) an einer Stirnseite des Radialbordes (15) ausgebildet ist.
Kugelgewindetrieb nach Anspruch 1, bei dem der Käfig (7a, 25) eine den Anschlag (19, 30) tragende Schulter (18, 29) aufweist.
Kugelgewindetrieb nach Anspruch 1, bei dem der Käfig (25) axial in zwei Käfigteile (26, 27) geteilt ist, wobei zwischen den Käfigteilen (26, 27) eine Feder (28) zur Erzeugung der Federkraft angeordnet ist.
Kugelgewindetrieb nach Anspruch 9, bei dem die Feder (28) mit ihrem einen Federende an das eine Käfigteil (26) und mit ihrem anderen Federende an das andere Käfigteil (27) einstückig angeformt ist.
Kugelgewindetrieb nach Anspruch 3, bei dem die Hülse (10) mit einem Stützbord (11, 12) versehen ist, an dem der Ring (13) mit seiner Schulter (14) axial abgestützt ist.
Kugelgewindetrieb nach Anspruch 11, bei dem zwischen der Schulter (14) des Ringes (13) und dem Stützbord (12) der Hülse (10) ein insbesondere aus einem Elastomer gebildeter elastisch verformbarer Stützring (22) angeordnet ist.