DE10326179A1

DE10326179A1 - Wälzkörpergewindevorrichtung

Info

Publication number: DE10326179A1
Application number: DE2003126179
Authority: DE
Inventors: Harald Dipl.-Ing. Maiß (FH)
Original assignee: Rexroth Star GmbH
Current assignee: Bosch Rexroth AG
Priority date: 2003-06-10
Filing date: 2003-06-10
Publication date: 2004-12-30

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wälzkörpergewindevorrichtung (10), umfassend eine Spindel (12) mit einer Spindelachse (A), sowie mit einer ersten, schraubenlinienförmigen Wälzkörperlaufnut (14) und einer von der ersten Wälzkörperlaufnut (14) verschiedenen, zweiten Wälzkörperlaufnut (16), und ferner umfassend eine als Gewindemutter ausgebildete, erste Wälzkörpermutter (18) sowie eine zweite Wälzkörpermutter (20), wobei die beiden Wälzkörpemuttern (18, 20) unabhängig voneinander drehbar sind. Erfindungsgemäß ist auch die zweite Wälzkörperlaufnut (16) eine schraubenlinienförmige Wälzkörperlaufnut und ist auch die zweite Wälzkörpermutter (20) eine Gewindemutter. Ferner ist die Spindel (12) durch aufeinander abgestimte Drehung der beiden Gewindemuttern (18, 20) längs ihrer Spindelachse (A) verschiebbar oder/und um ihre Spindelachse (A) drehbar.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wälzkörpergewindevorrichtung, umfassend eine Spindel mit einer Spindelachse, sowie mit einer ersten, schraubenlinienförmigen Wälzkörperlaufnut und einer von der ersten Wälzkörperlaufnut verschiedenen, zweiten Wälzkörperlaufnut, ferner umfassend eine als Gewindemutter ausgebildete, erste Wälzkörpermutter mit einer ersten Gegenlaufnut, die zusammen mit der ersten Wälzkörperlaufnut der Spindel einen Laufkanalabschnitt für eine Mehrzahl von Wälzkörpern eines ersten Wälzkörperumlaufs bildet, sowie eine zweite Wälzkörpermutter mit einer zweiten Gegenlaufnut, die zusammen mit der zweiten Wälzkörperlaufnut der Spindel einen Laufkanalabschnitt für eine Mehrzahl von Wälzkörpern eines zweiten Wälzkörperumlaufs bildet, wobei die beiden Wälzkörpermuttern unabhängig voneinander drehbar sind.

Derartige Wälzkörpergewindevorrichtungen werden beispielsweise zum Axialverstellungs- und Rotationsantrieb sogenannter Robot-Spindeln in Robotern vom SCARA-Typ (Selective Compliance Assembly Robot Arm; siehe US 5,000,653 ) eingesetzt.

Gattungsgemäße Wälzkörpergewindevorrichtungen sind beispielsweise aus der DE 41 42 983 A1 , der JP 62-165 057 A und der JP 62-049 070 A bekannt. Die Spindeln dieser bekannten Wälzkörpergewindevorrichtungen umfassen jeweils eine schraubenlinienförmige Wälzkörperlaufnut (Wälzkörperschraubennut) und eine Mehrzahl von axial linearen Wälzkörperkeilnuten. Auf der Spindel sind ferner eine Wälzkörpergewindemutter und eine Wälzkörperkeilmutter angeordnet. Dabei laufen die der Wälzkörpergewindemutter zugeordneten Wälzkörper in einem, teilweise von der Wälzkörperschraubennut begrenzten endlosen Wälzkörperumlauf um, während die der Wälzkörperkeilmutter zugeordneten Wälzkörper in einem teilweise von einer Wälzkörperkeilnut begrenzten Wälzkörperumlauf umlaufen. Durch eine Drehung der Wälzkörpergewindemutter um die Spindelachse bei festgehaltener Wälzkörperkeilmutter wird die Spindel in Axialrichtung verschoben, während sie bei gleichsinniger und gleich schneller Drehung sowohl der Wälzkörperkeilmutter als auch der Wälzkörpergewindemutter um ihre Spindelachse gedreht wird.

Um der Gefahr eines unbeabsichtigten und unerwünschten Übertritts der der Wälzkörperschraubennut zugeordneten Wälzkörper in die Wälzkörperkeilnut und umgekehrt der der Wälzkörperkeilnut zugeordneten Wälzkörper in die Wälzkörperschraubennut begegnen zu können, ist man bei den aus diesen Druckschriften bekannten Wälzkörpergewindevorrichtungen hinsichtlich der Steigung der Wälzkörperschraubennut auf relativ geringe Werte beschränkt, damit sich die Wälzkörperschraubennut und die Wälzkörperkeilnut nicht unter einem allzu spitzen Winkel schneiden. Gemäß der DE 41 42 983 A1 und der JP 62-049 070 A sind die Wälzkörperkeilnuten hierzu überdies flacher ausgebildet als die Wälzkörperschraubennut.

Demgegenüber ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Wälzkörpergewindevorrichtung bereitzustellen, die flexibler an den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Wälzkörpergewindevorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, bei welcher auch die zweite Wälzkörperlaufnut eine schraubenlinienförmige Wälzkörperlaufnut ist, bei welcher auch die zweite Wälzkörpermutter eine Gewindemutter ist und bei welcher die Spindel durch aufeinander abgestimmte Drehung der beiden Gewindemuttern längs ihrer Spindelachse verschiebbar oder/und um ihre Spindelachse drehbar ist.

Es ist das Verdienst des Erfinders, dass er sich von dem in der Fachwelt eingebürgerten Antriebskonzept gelöst hat, gemäß welchem die Drehung der einen Wälzkörpermutter für die Axialverschiebung und die Drehung der anderen Wälzkörpermutter für die Rotation der Spindel verantwortlich ist. Durch Übergang von dieser sehr einfachen, da hinsichtlich der Axialverschiebung und der Rotation entkoppelten Steuerungsart auf die steuerungstechnisch aufwendigere aufeinander abgestimmte Steuerung der Drehung der beiden Wälzkörpermuttern ist es erfindungsgemäß möglich, beide Wälzkörperlaufnuten als Schraubennuten auszubilden. Somit ist es auch bei einer relativ großen Steigung der einen Schraubennnut immer möglich, die Steigung der anderen Schraubennut so zu wählen, dass sich die beiden Schraubennuten unter einem nicht allzu spitzen Winkel schneiden.

Besonders günstige Schnittwinkel können erzielt werden, wenn die beiden schraubenlinienförmigen Wälzkörperlaufnutengegenläufigen Schraubensinn aufweisen.

Grundsätzlich ist es möglich, dass die beiden Wälzkörperlaufnuten im Wesentlichen die gleiche Steigung aufweisen. Wenn die Spindel größere Lasten heben soll, kann es jedoch vorteilhaft sein, die beiden Wälzkörperlaufnuten mit voneinander verschiedenen Steigungen auszubilden. Auf diese Weise müssen die Motoren zum Antrieb der Wälzkörpermuttern kleinere Kräfte aufbringen. Insbesondere reicht bei Spindel-Stillstand oft die Selbsthemmung des Wälzkörpergewindetriebs kleinerer Steigung aus, um die Last sicher zu tragen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Verhältnis der Steigung der einen Wälzkörperlaufnut zu der Steigung der jeweils anderen Wälzkörperlaufnut wenigstens 2 beträgt.

Unabhängig davon, ob die beiden Wälzkörperlaufnuten gleiche oder unterschiedliche Steigung aufweisen, ist es im Hinblick auf die Minderung der Gefahr des Übertritts von Wälzkörpern aus der ihnen zugeordneten Wälzkörperlaufnut in die jeweils andere Wälzkörperlaufnut vorteilhaft, wenn die Steigung der ersten Wälzkörperlaufnut und die Steigung der zweiten Wälzkörperlaufnut derart gewählt sind, dass der Schnittwinkel der beiden Wälzkörperlaufnuten zwischen etwa 80° und etwa 100°, vorzugsweise im Wesentlichen 90°, beträgt.

Da auf Grund der erfindungsgemäßen Ausbildung der Wälzkörpergewindevorrichtung die Gefahr des unerwünschten Übertritts der Wälzkörper aus einer Wälzkörperlaufnut in die jeweils andere Wälzkörperlaufnut reduziert ist, können in Weiterbildung der Erfindung die Wälzkörper des ersten Wälzkörperumlaufs und die Wälzkörper des zweiten Wälzkörperumlaufs identisch ausgebildet sein, was sich günstig auf das Lasttragevermögen der Wälzkörpervorrichtung auswirkt.

Wenigstens eine der beiden Wälzkörperlaufnuten kann durch das aus der DE 37 21 732 A1 an sich bekannte Verfahren des Gewindewirbelns in die Oberfläche der Spindel eingebracht sein.

Für die Herstellung der Gegenlaufnut der Wälzkörpermuttern eignen sich Gewindeschleifen einerseits und Gewindeschneiden und -drücken andererseits als Herstellungsverfahren. Das Gewindeschleifen ist in der Praxis auf Wälzkörpermuttern mit maximal quadratischer Steigung (Steigung = Durchmesser) begrenzt. Daher wird bevorzugt das dieser Begrenzung nicht unterliegende, aus der DE 102 47 372 A1 an sich bekannte Gewindeschneiden und -drücken eingesetzt.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es stellt dar:
1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wälzkörpergewindevorrichtung, bei welcher die beiden Wälzkörperlaufnuten im Wesentlichen die gleiche Steigung aufweisen; und
2 eine zweite Ausführungsform, bei welcher die beiden Wälzkörperlaufnuten voneinander verschiedene Steigungen aufweisen.
In 1 ist eine erfindungsgemäße Wälzkörpergewindevorrichtung allgemein mit 10 bezeichnet. Sie umfasst eine Gewindespindel 12, in deren Oberfläche 12a zwei schraubenlinienförmige Wälzkörperlaufnuten 14 und 16 eingebracht sind. Dabei weisen die beiden Schraubennuten 14, 16 einen zueinander gegenläufigen Schraubensinn auf. So handelt es sich bei der Schraubennut 14 um eine in Richtung der Achse A der Spindel 12 rechtsdrehende Schraubennut, während die Wälzkörperlaufnut 16 eine linksdrehende Schraubennut ist.
Auf der Spindel 12 sind zwei Wälzkörpermuttern 18 und 20 angeordnet, die jeweils über eine Drehantriebsvorrichtung 22 bzw. 24, beispielsweise Elektromotoren, an einer übergeordneten Baugruppe 26 um die Spindelachse A drehbar, jedoch in Richtung der Spindelachse unverschiebbar gelagert sind. Die erste Wälzkörpermutter 18 ist der ersten Wälzkörperschraubennut 14 zugeordnet. D.h. eine schraubenförmige Gegenlaufnut 18a, die in der Innenfläche der Wälzkörpermutter 18 ausgebildet ist, bildet zusammen mit der Schraubennut 14 einen schraubenlinienförmigen Kanal 28, der zusammen mit einem Rückführkanal 18b und zwei den Schraubenkanal 28 mit dem Rückführkanal 18b verbindenden Umlenkkanälen 18c und 18d einen in sich geschlossenen Wälzkörperumlauf 30 bildet, in welchem die der ersten Wälzkörpermutter 18 zugeordneten Wälzkörper, im dargestellten Ausführungsbeispiel Kugeln 32, umlaufen. In analoger Weise ist auch die zweite Wälzkörpermutter 20 mit einem einen Schraubenkanal 34 umfassenden Wälzkörperumlauf 36 für Wälzkörper, insbesondere Kugeln 38, ausgebildet.
Bezeichnet man mit S_R die Steigung der rechtsgängigen Schraubennut 14 und mit α_R den Drehwinkel der der Schraubennut 14 zugeordneten Wälzkörpermutter 18 relativ zu der übergeordneten Baugruppe 26, so berechnet sich die Verlagerung X der Gewindespindel 12 in Richtung der Achse A zu: X = SR (αR – ϕ) (1)
Durch den Spindeldrehwinkel ϕ wird dabei eine gleichzeitige Drehung der Spindel 12 um die Achse A berücksichtigt, die beispielsweise von einem Einfluss der zweiten Gewindemutter 20 herrühren kann. Entsprechend gilt bei Drehung der zweiten Gewindemutter 20 um einen Winkel α_L: X = –SL(αL – ϕ) (2)
S_L bezeichnet dabei die Steigung der linksgängigen Gewindenut 16, wobei das Minuszeichen die Gegensinnigkeit der Schraubennut 16 bezogen auf den Schraubensinn der Schraubennut 14 berücksichtigt, da beide Drehwinkel α_R und α_L im gleichen Drehsinn, nämlich im mathematisch positiven Sinn, berücksichtigt werden. S_R bzw. S_L bezeichnen also jeweils den Betrag der Steigung der beiden Gewindenuten 14 und 16.
Soll die Spindel 12 um eine vorbestimmte Distanz X in Richtung ihrer Achse A verlagert werden bei gleichzeitiger Drehung um einen vorbestimmten Winkel ϕ um die Achse A, so können die hierfür erforderlichen Drehwinkel α_R und α_L der beiden Gewindemuttern 18 und 20 durch Einsetzen diese vorbestimmten Werte X, ϕ in die Bewegungsgleichungen (1) und (2) der Wälzkörpergewindevorrichtung 10 und Auflösen nach diesen Winkeln ermittelt werden.
Wie man den beiden vorstehenden Bewegungsgleichungen (1) und (2) in einfacher Weise entnimmt, erhält man eine reine Drehung der Spindel 12 um die Achse A (X = 0), immer dann, wenn gilt: ϕ = αR = αL (3)
In analoger Weise erhält man eine reine Axialbewegung der Spindel 12 in Richtung der Achse A (ϕ = 0) immer dann, wenn gilt: αR = –(SL/SR)αL (4)
Ferner ist darauf hinzuweisen, dass in dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 die beiden Schraubennuten 14 und 16 den gleichen Steigungswinkel aufweisen (S_L = S_R), und zwar jeweils einen Steigungswinkel von etwa 45° aufweisen, so dass sie sich unter einem Schnittwinkel von etwa 90° schneiden. Dieser Schnittwinkel ist für die Verhinderung eines unerwünschten Übertretens der einer der Schraubennuten zugeordneten Wälzkörper 32, 38 in die jeweils andere Schraubennut besonders günstig.
In 2 ist eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wälzkörpergewindevorrichtung dargestellt, welche im Wesentlichen der Ausführungsform gemäß 1 entspricht. In 2 sind daher gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen wie in 1, jedoch vermehrt um die Zahl 100. Darüber hinaus wird die Ausführungsform gemäß 2 im Folgenden nur insoweit beschrieben werden, als sie sich von der Ausführungsform gemäß 1 unterscheidet, auf deren Beschreibung hiermit ansonsten ausdrücklich verwiesen sei.
Die Wälzkörpergewindevorrichtung 110 gemäß 2 unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß 1 lediglich dadurch, dass die in die Oberfläche 112a der Spindel 112 eingebrachten Schraubennuten 114 und 116 eine voneinander verschiedene Steigung aufweisen. So beträgt die Steigung der Schraubennut 116 etwa das Dreifache der Steigung der Schraubennut 114. Allerdings sind die Steigungen der beiden Schraubennuten 114 und 116 wiederum so aufeinander abgestimmt, dass sie sich unter einem Winkel von etwa 90° schneiden.

Claims

Wälzkörpergewindevorrichtung (10; 110), umfassend – eine Spindel (12; 112) mit einer Spindelachse (A), sowie mit einer ersten, schraubenlinienförmigen Wälzkörperlaufnut (14; 114) und einer von der ersten Wälzkörperlaufnut (14; 114) verschiedenen, zweiten Wälzkörperlaufnut (16; 116), – eine als Gewindemutter ausgebildete, erste Wälzkörpermutter (18) mit einer ersten Gegenlaufnut (18a), die zusammen mit der ersten Wälzkörperlaufnut (14; 114) der Spindel (12; 112) einen Laufkanalabschnitt (28) für eine Mehrzahl von Wälzkörpern (32) eines ersten Wälzkörperumlaufs (30) bildet, – eine zweite Wälzkörpermutter (20) mit einer zweiten Gegenlaufnut, die zusammen mit der zweiten Wälzkörperlaufnut (16; 116) der Spindel (12; 112) einen Laufkanalabschnitt (34) für eine Mehrzahl von Wälzkörpern (38) eines zweiten Wälzkörperumlaufs (36) bildet, wobei die beiden Wälzkörpermuttern (18, 20) unabhängig voneinander drehbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass auch die zweite Wälzkörperlaufnut (16; 116) eine schraubenlinienförmige Wälzkörperlaufnut ist und auch die zweite Wälzkörpermutter (20) eine Gewindemutter ist und dass die Spindel (12; 112) durch aufeinander abgestimmte Drehung der beiden Gewindemuttern (18, 20) längs ihrer Spindelachse (A) verschiebbar oder/und um ihre Spindelachse (A) drehbar ist.
Wälzkörpergewindevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden schraubenlinienförmige Wälzkörperlaufnuten (14, 16; 114, 116) gegenläufigen Schraubensinn aufweisen.
Wälzkörpergewindevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Wälzkörperlaufnuten (14, 16) im Wesentlichen die gleiche Steigung aufweisen.
Wälzkörpergewindevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Wälzkörperlaufnuten (114, 116) voneinander verschiedene Steigungen aufweisen.
Wälzkörpergewindevorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steigung der ersten Wälzkörperlaufnut (14; 114) und die Steigung der zweiten Wälzkörperlaufnut (16; 116) derart gewählt sind, dass der Schnittwinkel der beiden Wälzkörperlaufnuten (14, 16; 114, 116) zwischen etwa 80 ° und etwa 100°, vorzugsweise im Wesentlichen 90°, beträgt.
Wälzkörpergewindevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzkörper (32) des ersten Wälzkörperumlaufs (30) und die Wälzkörper (38) des zweiten Wälzkörperumlaufs (36) identisch ausgebildet sind.
Wälzkörpergewindevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Wälzkörperlaufnut (14, 16; 114, 116) durch Gewindewirbeln in die Oberfläche der Spindel (12; 112) eingebracht ist.
Wälzkörpergewindevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenlaufnut wenigstens einer Wälzkörpermutter (18, 20) durch Gewindeschleifen oder durch Gewindeschneiden und -drücken gefertigt ist.