DE112004002855T5

DE112004002855T5 - Rollwerkselement

Info

Publication number: DE112004002855T5
Application number: DE112004002855T
Authority: DE
Inventors: Shigeo Kawasaki Shimizu
Original assignee: THK Co Ltd
Current assignee: THK Co Ltd
Priority date: 2004-05-12
Filing date: 2004-05-12
Publication date: 2007-04-12
Also published as: WO2005108807A1; US20070211969A1; KR20070007390A; CN101027499A; CN100494706C; US7645072B2; KR101072753B1

Abstract

Rollwerkselement, welches mit einem ersten Bauteil, welches mit einer Laufbahnfläche ausgebildet ist, und einem zweiten Bauteil, an welchem das erste Bauteil über Rollelemente angebracht ist, um ein Führen des ersten Bauteils in einer vorbestimmten Richtung zu ermöglichen, versehen ist und welches derart angeordnet ist, daß es ermöglicht wird, daß sich die Rollelemente bezüglich der Laufbahnfläche in einem geordnet angeordneten Zustand hinein und heraus bewegen, um zu ermöglichen, daß sich das erste Bauteil in der Führungsrichtung des zweiten Bauteils bewegt, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wölbung auf Basis einer ovalen Gestalt an einem Endabschnitt der Laufbahnfläche des ersten Bauteils ausgebildet ist, wobei der Endabschnitt als Zugangsstelle für die Rollelemente dient.

Description

Gebiet der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft Rollwerkselemente, wie etwa Kugelführungen, Rollenführungen, Kugelkeilnuten und Kugelhülsen, und insbesondere ein Rollwerkselement, dessen Belastbarkeit, Steifigkeit und Genauigkeit durch Ausbilden einer Wölbung auf Basis einer ovalen Gestalt an einem Endabschnitt einer Laufbahnfläche eines Führungsschlittens (Kugelführung, Rollenführung etc) bzw. einer äußeren Hülse (Kugelkeilnut, Kugelhülse etc.), um zu bewirken, daß selbst nahe bei dem Ende der Wölbung eine große Last auf die Rollelemente wirkt, erheblich verbessert werden.
Technischer Hintergrund
Wie in 9 dargestellt, ist eine Kugelführung 1 ausgebildet, um zu ermöglichen, daß ein Führungsschlitten 2 auf einer Schiene 3 in einer Richtung, welche durch einen Pfeil A bzw. B angezeigt wird, beweglich ist. In dem Führungsschlitten 2 wird eine große Anzahl von Kugeln 4, welche ein Beispiel für Rollelemente darstellen, in einem geordnet angeordneten Zustand gerollt und in Umlauf bewegt. Während des Rollens und des Umlaufs wird bewirkt, daß Kugeln 4, welche sich innerhalb eines Bereichs einer Laufbahnflächenlänge l_t befinden, in Kontakt mit einer Laufbahnfläche 3a der Schiene 3 und einer Laufbahnfläche 2a des Führungsschlittens 2 gelangen, um eine Last, welche von außen auf den Führungsschlitten 2 ausgeübt wird, zu tragen.
Rollenführungen, Kugelkeilnuten, Kugelhülsen und andere Bauelemente sind gleichfalls ausgebildet, um zu ermöglichen, daß Rollelemente gerollt und in Umlauf bewegt werden, während einige Elemente, wie etwa Kugelschieber und Querrollenführungen, vorhanden sind, welche nicht ermöglichen, daß Rollelemente darin umlaufen.
Bei jedem dieser Elemente ist es ein sehr wichtiger Faktor, wie beide Endabschnitte der Laufbahnfläche mit einer Wölbung versehen sind, um sämtliche Leistungen zu bestimmen, wobei dies die Laufgenauigkeit und die Lebensdauer umfaßt (siehe den nicht patentspezifischen Verweis 1).
Wie in 10 dargestellt, weist eine herkömmliche Wölbung 2b jedoch eine Wölbungslänge X_r (eine Länge von einem Wölbungsanfangspunkt „o" zu einem Wölbungsende „a") und eine Wölbungsreliefhöhe λ_e auf und basiert auf einem Kreisbogen 5, für dessen Radius R bestimmt wurde, daß dieser bewirkt, daß der Bogen bei dem Wölbungsanfangspunkt „o" an eine Laufbahnfläche 2a angrenzt. Der Radius R wird durch einen mathematischen Ausdruck 1 ausgedrückt, und der Kreisbogen 5 wird durch einen mathematischen Ausdruck 2 ausgedrückt.
[mathematischer Ausdruck 1]
[mathematischer Ausdruck 2] x2 + (y – R)2 = R2
Die Ausbildung des Kreisbogens 5 getreu dem Ausdruck führt zu einem Anstieg der Herstellungskosten. Daher wurde der Kreisbogen tatsächlich ausgebildet, wie in 11 dargestellt, wobei mit dem Kreisbogen 5 als Basis eine Kante, welche sich von dem Wölbungsanfangspunkt „o" bis zu dem Punkt „a" erstreckt, welcher durch die Wölbungsreliefhöhe λ_e bei dem Wölbungsende 2c bestimmt ist, gerade abgeschrägt ausgebildet ist, oder, wie in 12 dargestellt, wobei eine Kante, welche von dem Wölbungsanfangspunkt „o" ausgeht, in einer polygonalen Gestalt ausgebildet ist, deren Eckpunkte Punkte „d", „c", „b" und „a" auf dem Kreisbogen 5 sind.
Wie in 10 dargestellt, wird in dem Fall der Kreisbogenwölbung eine Wölbungsreliefhöhe λ_x, welche von einer Entfernung „x" abhängt, jedoch ausgehend von dem Wölbungsanfangspunkt „o", groß, während die Entfernung „x" noch klein ist. Dies führte dazu, daß ein Verhältnis der Last (Lastfaktor), welche durch die Kugeln 4 getragen wird, welche an der ebenen Laufbahnfläche 2a angeordnet sind, zu der Last, welche durch die Kugeln 4 getragen wird, welche sich in dem Bereich der Wölbungslänge X_r befinden, kleiner wurde.
Dies impliziert, daß die Kugeln 4, welche in dem Bereich der Laufbahnflächenlänge l_t angeordnet sind, nicht vollständig leistungsfähig eingerichtet sind. Um die Belastbarkeit, Steifigkeit und Genauigkeit zu erhöhen, war es somit notwendig, die Gestalt der Wölbung zu anderen Gestalten als dem Kreisbogen zu ändern.
Nicht patentspezifischer Verweis 1: „Research for load distribution and accuracy/rigidity in a linear motion ball guide System" von Shigeo SHIMIZU, Journal of Japan Society for Precision Engineering, November 1992.
Nicht patentspezifischer Verweis 2: „On load rating of a linear motion ball bearing" von Shigeo HIMIZU; Journal of Japanese Society of Tribologists, November 1999.
Nicht patentspezifischer Verweis 3: „Dynamit capacity of a linear motion rolling guide element" von Shigeo SHIMIZU, Kosaldo Co., Ltd., Februar 1999.
Offenbarung der Erfindung
Durch die Erfindung zu lösendes Problem
Die vorliegende Erfindung wurde entwickelt, um die Nachteile der herkömmlichen Technik auszuräumen, welche oben dargelegt wurde, und hat die Aufgabe, ein Rollwerkselement zu schaffen, welches mit einem ersten Bauteil, welches mit einer Laufbahnfläche ausgebildet ist, und einem zweiten Bauteil, an welchem das erste Bauteil über Rollelemente angebracht ist, um ein Führen des ersten Bauteils in einer vorbestimmten Richtung zu ermöglichen, versehen ist und welches derart angeordnet ist, daß es ermöglicht wird, daß sich die Rollelemente bezüglich der Laufbahnfläche in einem geordnet angeordneten Zustand hinein und heraus bewegen, um zu ermöglichen, daß sich das erste Bauteil in der Führungsrichtung des zweiten Bauteils bewegt, wobei eine Wölbung auf Basis einer ovalen Gestalt an einem Endabschnitt der Laufbahnfläche des ersten Bauteils ausgebildet ist, wobei der Endabschnitt eine Zugangsstelle für die Rollelemente ist, so daß ein Lastfaktor der Rollelemente, welche in dem Bereich der Wölbung angeordnet sind, verbessert wird, um die Belastbarkeit, Steifigkeit und Genauigkeit des Rollwerkelements zu steigern.
Es ist eine weitere Aufgabe, bei der oben angegebenen Anordnung eine Wölbung auf Basis einer ovalen Gestalt, wobei eine kurze Achse durch eine vorbestimmte Wölbungsreliefhöhe bestimmt ist, an einem Endabschnitt einer Laufbahnfläche eines ersten Bauteils, wobei der Endabschnitt die Zugangsstelle für die Rollelemente ist, derart auszubilden, daß eine Belastung der Rollelemente, welche auf die Rollelemente wirkt, welche an dem Endabschnitt der Wölbung angeordnet sind, exakt gleich „0" wird, wenn eine maximale Radiallast, welche gemäß Normen oder Vorgaben definiert ist, angelegt wurde, und eine gleitende Bewegung der Rollelemente in einen Belastungsbereich der Laufbahnfläche hinein und aus diesem heraus zu ermöglichen, während ein Lastfaktor der Rollelemente auf einem hohen Niveau gehalten wird.
Es ist eine weitere Aufgabe, bei der oben angegebenen Anordnung eine polygonale Wölbung auf Basis einer ovalen Gestalt, wobei eine kurze Achse durch eine vorbestimmte Wölbungsreliefhöhe bestimmt ist, welche ferner eine Vielzahl von Punkten als Eckpunkte aufweist, an einem Endabschnitt einer Laufbahnfläche eines ersten Bauteils derart auszubilden, daß eine Bearbeitung einer Wölbung erleichtert wird, um die Herstellungskosten eines Rollwerkselements mit gesteigerter Belastbarkeit, Steifigkeit und Genauigkeit zu vermindern.
Hilfsmittel zum Lösen des Problems
Kurz ausgedrückt, dient die vorliegende Erfindung (Anspruch 1) zum Schaffen eines Rollwerkselements, welches mit einem ersten Bauteil, welches mit einer Laufbahnfläche ausgebildet ist, und einem zweiten Bauteil, an welchem das erste Bauteil über Rollelemente angebracht ist, um ein Führen des ersten Bauteils in einer vorbestimmten Richtung zu ermöglichen, versehen ist und welches derart angeordnet ist, das es ermöglicht wird, daß sich die Rollelemente bezüglich der Laufbahnfläche in einem geordnet angeordneten Zustand hinein und heraus bewegen, um zu ermöglichen, daß sich das erste Bauteil in der Führungsrichtung des zweiten Bauteils bewegt, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wölbung auf Basis einer ovalen Gestalt an einem Endabschnitt der Laufbahnfläche des ersten Bauteils ausgebildet ist, wobei der Endabschnitt als Zugangsstelle für die Rollelemente dient.
Die vorliegende Erfindung (Anspruch 2) dient zum Schaffen eines Rollwerkselements, welches mit einem ersten Bauteil, welches mit einer Laufbahnfläche ausgebildet ist, und einem zweiten Bauteil, an welchem das erste Bauteil über Rollelemente angebracht ist, um ein Führen des ersten Bauteils in einer vorbestimmten Richtung zu ermöglichen, versehen ist und welches derart angeordnet ist, daß es ermöglicht wird, daß sich die Rollelemente bezüglich der Laufbahnfläche in einem geordnet angeordneten Zustand hinein und heraus bewegen, um zu ermöglichen, daß sich das erste Bauteil in der Führungsrichtung des zweiten Bauteils bewegt, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wölbung auf Basis einer ovalen Gestalt, wobei eine kurze Achse durch eine vorbestimmte Wölbungsreliefhöhe bestimmt ist, an einem Endabschnitt der Laufbahnfläche des ersten Bauteils ausgebildet ist, wobei der Endabschnitt als Zugangsstelle für die Rollelemente dient.
Die vorliegende Erfindung (Anspruch 3) dient zum Schaffen eines Rollwerkselements, welches mit einem ersten Bauteil, welches mit einer Laufbahnfläche ausgebildet ist, und einem zweiten Bauteil, an welchem das erste Bauteil über Rollelemente angebracht ist, um ein Führen des ersten Bauteils in einer vorbestimmten Richtung zu ermöglichen, versehen ist und welches derart angeordnet ist, daß es ermöglicht wird, daß sich die Rollelemente bezüglich der Laufbahnfläche in einem geordnet angeordneten Zustand hinein und heraus bewegen, um zu ermöglichen, daß sich das erste Bauteil in der Führungsrichtung des zweiten Bauteils bewegt, dadurch gekennzeichnet, daß eine polygonale Wölbung auf Basis einer ovalen Gestalt, wobei eine kurze Achse durch eine vorbestimmte Wölbungsreliefhöhe bestimmt ist, welche ferner eine Vielzahl von Punkten als Eckpunkte aufweist, an einem Endabschnitt der Laufbahnfläche des ersten Bauteils ausgebildet ist, wobei der Endabschnitt als Zugangsstelle für die Rollelemente dient.
Wirkung der Erfindung
Bei einem Rollwerkselement, welches mit einem ersten Bauteil, welches mit einer Laufbahnfläche ausgebildet ist, und einem zweiten Bauteil, an welchem das erste Bauteil über Rollelemente angebracht ist, um ein Führen des ersten Bauteils in einer vorbestimmten Richtung zu ermöglichen, versehen ist und welches derart angeordnet ist, das es ermöglicht wird, daß sich die Rollelemente bezüglich der Laufbahnfläche in einem geordnet angeordneten Zustand hinein und heraus bewegen, um zu ermöglichen, daß sich das erste Bauteil in der Führungsrichtung des zweiten Bauteils bewegt, ist eine Wölbung auf Basis einer ovalen Gestalt an einem Endabschnitt der Laufbahnfläche des ersten Bauteils ausgebildet, wobei der Endabschnitt als Zugangsstelle für die Rollelemente dient. Somit kann die vorliegende Erfindung einen Lastfaktor der Rollelemente, welche innerhalb eines Bereichs der Wölbung angeordnet sind, steigern, wodurch ein Vorteil zum Steigern der Belastbarkeit, Steifigkeit und Genauigkeit des Rollwerkselements geliefert wird.
Bei der oben angegebenen Anordnung ist eine Wölbung auf Basis einer ovalen Gestalt, wobei eine kurze Achse durch eine vorbestimmte Wölbungsreliefhöhe bestimmt ist, an einem Endabschnitt der Laufbahnfläche des ersten Bauteils ausgebildet, wobei der Endabschnitt als Zugangsstelle für die Rollelemente dient. Demgemäß liefert die vorliegende Erfindung einen Vorteil im Hinblick darauf, daß es ermöglicht wird, daß die Belastung der Rollelemente, welche auf die Rollelemente wirkt, welche an dem Ende der Wölbung angeordnet sind, exakt gleich „0" ist, wenn eine maximale Radiallast, welche gemäß Normen oder Vorgaben definiert ist, angelegt wurde. Ferner wird eine gleitende Bewegung der Rollelemente in einen Belastungsbereich der Laufbahnfläche hinein und aus diesem heraus gewährleistet, während ein Lastfaktor der Rollelemente auf einem hohen Niveau gehalten wird.
Ferner ist bei der oben angegebenen Anordnung eine polygonale Wölbung auf Basis einer ovalen Gestalt, wobei eine kurze Achse durch eine vorbestimmte Wölbungsreliefhöhe bestimmt ist, welche ferner eine Vielzahl von Punkten als Eckpunkte aufweist, an einem Endabschnitt der Laufbahnfläche des ersten Bauteils ausgebildet. Somit kann die vorliegende Erfindung einen Vorteil im Hinblick darauf liefern, daß eine Bearbeitung der Wölbung erleichtert wird, um die Herstellungskosten des Rollwerkselements mit gesteigerter Belastbarkeit, Steifigkeit und Genauigkeit zu vermindern.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung
Die vorliegende Erfindung wird im folgenden auf Basis einiger Ausführungsbeispiele beschrieben, welche in der Zeichnung dargestellt sind. Ein Rollwerkselement 10 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Kugellager, beispielsweise, wie in 1 dargestellt, welches mit einem Führungsschlitten 11, einem Beispiel eines ersten Bauteils, welches mit einer Laufbahnfläche 14 ausgebildet ist und mit einer Schiene 12 versehen ist, einem Beispiel eines zweiten Bauteils, an welchem der Führungsschlitten 11 über Kugeln 13 angebracht ist, um ein Führen des Führungsschlittens 11 in einer vorbestimmten Richtung zu ermöglichen, versehen ist und welches derart angeordnet ist, daß sich die Kugeln 13 bezüglich der Laufbahnfläche 14 des Führungsschlittens 11 in einem geordnet angeordneten Zustand hinein und heraus bewegen, um zu ermöglichen, daß sich der Führungsschlitten 11 in der Führungsrichtung der Schiene 12 bewegt. Bei dem Rollwerkselement 10 ist eine Wölbung 14a auf Basis einer ovalen Gestalt 15, wobei eine kurze Achse durch eine vorbestimmte Wölbungsreliefhöhe λ_e bestimmt ist, an einem Endabschnitt der Laufbahnfläche 14 des Führungsschlittens 11 bzw. einer Zugangsstelle davon für die Kugeln 13 ausgebildet.
Mit einem Wölbungsanfangspunkt „o" als Ursprung, einer Richtung entlang der Laufbahnfläche 14 als x-Achse und einer Richtung entlang einer Höhe des Führungsschlittens 11 als y-Achse wird eine Gleichung der ovalen Gestalt 15 durch den folgenden mathematischen Ausdruck 3 ausgedrückt:
[mathematischer Ausdruck 3]
wobei X_r eine lange Achse (Wölbungsreliefbreite) ist und λ_e eine kurze Achse (Wölbungsreliefhöhe) ist.
Wenn sich eine Länge der Wölbungsreliefbreite X, welche auf einen beliebigen Wert festgelegt werden kann, im wesentlichen zu einer Mitte der Laufbahnfläche 14 erstreckt, befindet sich im wesentlichen der gesamte Bereich einer Laufbahnlänge l_t in einem Wölbungszustand, welcher ein sogenannter vollständiger Wölbungszustand ist. Daher ist zu bedenken, daß Steifigkeit und Lebensdauer verschlechtert werden, daß jedoch die Führungsgenauigkeit erheblich verbessert wird und die Verschleißbeständigkeit dramatisch vermindert wird.
Zum Vergleich mit der herkömmlichen Kreisbogenwölbung ist ein Kreisbogen 16 mit einem Radius R, welcher den Wölbungsanfangspunkt „o" und ein Wölbungsende „a" verbindet, in 1 dargestellt. Bei Vergleichen der Wölbung 14a auf Basis der ovalen Gestalt 15 mit dem Kreisbogen 16 jedoch sind die Positionen des Wölbungsanfangspunkts „o" und des Wölbungsendes „a" übereinstimmend, jedoch ist die Wölbung 14a stärker in der Richtung des Ursprungs der y-Achse gewölbt. Dieser stark gewölbte Abschnitt gewährleistet eine Verbesserung des Lastfaktors der Kugeln 13.
Ein Rollwerkselement 20 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist eine Kugelführung, beispielsweise, wie in den 2 bis 4 dargestellt, welche mit einem Führungsschlitten 21, einem Beispiel eines ersten Bauteils, welches mit einer Laufbahnfläche 24 ausgebildet ist und mit einer Schiene 22 versehen ist, einem Beispiel eines zweiten Bauteils, an welchem der Führungsschlitten über Kugeln 13 angebracht ist, einem Beispiel von Rollelementen, um ein Führen des Führungsschlittens 21 in einer vorbestimmten Richtung zu ermöglichen, versehen ist und welche derart angeordnet ist, daß sich die Kugeln 13 bezüglich der Laufbahnfläche 24 des Führungsschlittens 21 in einem geordnet angeordneten Zustand hinein und heraus bewegen, um zu ermöglichen, daß sich der Führungsschlitten 21 in der Führungsrichtung der Schiene 22 bewegt. Bei dem Rollwerkselement 20 ist eine Wölbung 24a mit einer polygonalen Gestalt an einem Endabschnitt bzw. einer Zugangsstelle der Laufbahnfläche 24 des Führungsschlittens 21 für die Kugeln 13 ausgebildet, wobei die polygonale Gestalt auf einer ovalen Gestalt 15 basiert, wobei eine kurze Achse durch eine vorbestimmte Wölbungsreliefhöhe λ_e bestimmt ist, und eine Vielzahl von Punkten a, b, c und o als Eckpunkte aufweist.
Die ovale Gestalt 15, welche die Basis der Wölbung 24 ist, ist dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ähnlich. Die Eckpunkte sind nicht auf die vier Punkte a, b, c und o beschränkt, sondern können mehr oder weniger als diese Anzahl umfassen.
Aufgrund der Tatsache, daß das Rollwerkselement 20 beispielsweise eine Kugelführung ist, ist eine Endplatte 25 an beiden Enden des Führungsschlittens 11 angebracht, wie in 4 dargestellt. Dadurch, daß es ermöglicht wird, daß die Kugeln 13 durch die Endplatten 25 laufen, werden die Kugeln 13 in die Lage versetzt, durch den Führungsschlitten 11 zu rollen und umzulaufen.
Die vorliegende Erfindung ist aufgebaut, wie oben beschrieben. Im folgenden werden die Wirkungen der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die unten angegebene Erläuterung betrifft die Wirkungen des Führungsschlittens 21 in dem Rollwerkselement 20 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Wie in 4 dargestellt, sind die Kugeln 13 zwischen dem Führungsschlitten 21 und der Schiene 22 eingefügt, so daß der Führungsschlitten 21 frei gegen die befestigte Schiene 22 in der Führungsrichtung bzw. einer Richtung der Schiene 22, welche durch einen Pfeil C bzw. einen Pfeil D gekennzeichnet ist, bewegt werden kann. Dabei rollen und laufen die Kugeln 13 in dem Führungsschlitten 21 in einer Richtung um, welche durch einen Pfeil G bzw. einen Pfeil H gekennzeichnet ist.
In dem Fall, daß eine Radiallast F, welche 1/2 des Nennwerts einer dynamischen Basislast beträgt, auf den Führungsschlitten 21 wirkt, wird ein Deformationsbetrag, welcher äquivalent zu der Wölbungsreliefhöhe λ_e ist, zwischen der Laufbahnfläche 24, den Kugeln 13 und der Schiene 22 bewirkt, soweit die Laufbahnfläche 24, welche nicht zu der Wölbung 24a gehört, betroffen ist.
Wenn sich die Kugeln 13 in der Richtung des Pfeils H weiterbewegen und in den Bereich der Wölbung 24a eintreten, wird, wenn die Kugeln 13 näher zu einem Ende der Wölbung gelangen, die Kugellast vermindert. Zu der Zeit, wenn die Kugeln 13 ein Ende der Wölbung erreicht haben, wurde die Kugelbelastung exakt auf „0" vermindert, und sodann bewegen sich die Kugeln 13 weiterhin in der Richtung des Pfeils H weiter. Der Grund, warum die Kugelbelastung bei dem Wölbungsende exakt gleich „0" wird, ist, daß der Führungsschlitten 11 aufgrund der Radiallast F um die Wölbungsreliefhöhe λ_e absinkt und daß ein Spalt zwischen der Laufbahnfläche 24 und der Schiene 22 bei dem Wölbungsende gleich einem Durchmesser jeder der Kugeln wird.
Demgegenüber ist, wenn sich die Kugeln 13 in der Richtung des Pfeils G weiterbewegen und diese das Wölbungsende erreicht haben, die Kugelbelastung gleich „0", welche jedoch ansteigt, wenn die Kugeln 13 weiter vorrücken, und bei dem Wölbungsanfangspunkt maximal wird. Die Kugeln 13 rollen sodann weiterhin entlang der Laufbahnfläche 24 weiter. Dabei ist ein Deformationsbetrag zwischen der Laufbahnfläche 24, den Kugeln 13 und der Schiene 22 gleich der Wölbungsreliefhöhe λ_e.
Eine Lebensdauerformel, welche durch die internationale Organisation für Normierung (ISO) definiert ist, wird bei einer Radiallast, welche gleich oder kleiner als 1/2 eines Nennwerts einer dynamischen Basislast ist, welche gleichfalls durch eine Formel mit Zustimmung durch die ISO bestimmt ist, angewandt.
Demgemäß wird dadurch, daß die Wölbungsreliefhöhe λe äquivalent zu einem Deformationsbetrag der Kugeln bei der Radiallast, welche 1/2 des Nennwerts einer dynamischen Basislast beträgt, vorgesehen wird, die gesamte Laufbahnfläche 24 einschließlich der Wölbung 24a selbst dann in Kontakt mit den Kugeln 13 gebracht, wenn die Radiallast einwirkt, um dadurch eine ausreichende Belastbarkeit zu erhalten. Ferner können sich aufgrund der Tatsache, daß der Spalt zwischen der Laufbahnfläche 24 und der Schiene 22 bei dem Wölbungsende gleich dem Durchmesser jeder der Kugeln 13 wird, die Kugeln 13 bezüglich der Laufbahnfläche 24 gleitend hinein und heraus bewegen.
Tabelle 1 stellt Berechnungsbeispiele in dem Fall, daß die Wölbung der Kugelführung eine Kreisbogenwölbung, eine parabolische Wölbung und eine ovale Wölbung ist, dar. Die Berechnung wurde mit den folgenden Voraussetzungen ausgeführt: Kugeldurchmesser D_w = 6,35 mm, Wölbungsreliefhöhe λ_e = 0,023228 mm, Paßfaktor f (= Laufbahnflächenradius R/Kugeldurchmesser D_w) = 0,52 und Radius R = 867,983 mm für einen Kreis der Kreisbogenwölbung, und unter der Annahme, daß die Radiallast F, welche 1/2 eines Nennwerts C einer dynamischen Basislast beträgt, einwirkt. [Tabelle 1]
In Tabelle 1 stellt die erste Spalte ein Verhältnis einer Entfernung in der Richtung der x-Achse ausgehend von dem Wölbungsanfangspunkt „o" zu der langen Achse X_r (Wölbungsbreite) der ovalen Gestalt 15 dar, welche in 1 dargestellt ist, das bedeutet, eine dimensionslose Größe. Die zweite und die dritte Spalte stellen Fälle der Kreisbogenwölbung und der parabolischen Wölbung des Stands der Technik dar, und die vierte und die fünfte Spalte stellen Fälle der ovalen Wölbung der vorliegenden Erfindung dar. Die zweite und die vierte Spalte stellen eine Entfernung λ_x in der Richtung der y-Achse ausgehend von dem Wölbungsanfangspunkt „0" dar, und die dritte und die fünfte Spalte stellen einen Lastfaktor (1 – (1 – λ_x/λ_e)^1,5) der Kugeln dar. Die Kreisbogenwölbung und die parabolische Wölbung, welche jeweils ein quadratischer Ausdruck sind, stimmen im Hinblick auf die Entfernung λ_x innerhalb eines Bereichs maßgeblicher Stellen überein und stimmen ferner im Hinblick auf den Lastfaktor überein und sind somit in den gleichen Spalten dargestellt.
Der Lastfaktor ist ein Verhältnis einer Kugelbelastung, wenn die Kugeln an dem Wölbungsabschnitt angeordnet sind, zu einer Kugelbelastung, wenn die Kugeln an der Laufbahnfläche, welche nicht zu dem Wölbungsabschnitt gehört, angeordnet sind. Insbesondere ist die Kugelbelastung bei dem Wölbungsanfangspunkt „o" gleich „1" und ist bei dem Wölbungsende „a" gleich „0", wobei sich für den Lastfaktor „0" ergibt.
Wie aus Tabelle 1 zu ersehen; beträgt, wenn die Wölbungsbreite x/X_r = 0,5, der Lastfaktor der ovalen Wölbung 80,6%, was höher als der Lastfaktor der Kreisbogenwölbung und der parabolischen Wölbung von 65% ist. Dies ist vergleichend in den Diagrammen von 5 dargestellt.
Durch (1) ist der Fall der Kreisbogenwölbung gekennzeichnet, und durch (2) der Fall der ovalen Wölbung. Das untere Diagramm, dessen vertikale Achse die Entfernung λ_x darstellt, stellt die Gestalten der Wölbungen naturgetreu dar. Es ist zu ersehen, daß die ovale Wölbung um den schraffierten Bereich stärker nach unten gewölbt ist als die Kreisbogenwölbung.
Ferner ist, wie aus dem oberen Diagramm zu ersehen, dessen vertikale Achse den Lastfaktor darstellt, der Lastfaktor der ovalen Wölbung um den schraffierten Bereich höher als der der Kreisbogenwölbung.
In den Diagrammen, welche in 6 dargestellt sind, stellen die horizontalen Achsen den Paßfaktor dar, während die vertikalen Achsen den Nennwert C einer dynamischen Basislast, eine Kugelbelastung Q_c, wenn die Radiallast einwirkt, welche 1/2 des Nennwerts einer dynamischen Basislast beträgt, die Wölbungsreliefhöhe λ_e, einen Deformationsbetrag δQ_c, wenn die Kugelbelastung Q_c einwirkt, eine maximale hertzsche Pressung σ_max und einen Wert von Kugeldurchmesser D_w/Wölbungsreliefhöhe λe darstellen. Die Voraussetzungen zur Berechnung sind: Laufbahnflächenlänge l_t = 72 mm, Kugeldurchmesser D_w = 6, 35 mm, Anzahl der Reihen der Kugeln i_t = 2 Reihen und Kontaktwinkel α = 45°. Der Kontaktwinkel α = 45° impliziert, daß die Kugeln und die Laufbahnfläche um 45° gegen die Richtung, in welcher die Radiallast einwirkt, geneigt aneinander stoßen.
Wie aus dem untersten Diagramm von 6 zu ersehen, ändert sich das Verhältnis des Kugeldurchmessers D_w und der Wölbungsreliefhöhe λe von 270 bis 290 entsprechend der Änderung des Paßfaktors von f = 0,51 bis 0,55.
Tabelle 2 stellt einige Berechnungsbeispiele dar, welche mit den Wölbungen in dem Fall, daß das Rollwerkselement 10 eine Rollenführung ist, verbunden sind. Die Berechnung wurde unter den folgenden Voraussetzungen ausgeführt: ein Rollendurchmesser D_w = 6, 35 mm, eine Rollenlänge L_w = 6, 35 mm, die Wölbungsreliefhöhe λ_e = 0,016829 mm, ein effektiver Rollenlängenfaktor f_L = 0,7 (= effektive Rollenlänge L_we/Rollenlänge L_w) und ein Radius R = 1198,015 mm für einen Kreis der Kreisbogenwölbung, und unter der Annahme, daß eine Radiallast F, welche 1/2 des Nennwerts C einer dynamischen Basislast beträgt, einwirkt. [Tabelle 2]
In Tabelle 2 stellt jede der Spalten die gleichen Punkte dar wie in Tabelle 1. Wie aus Tabelle 2 zu ersehen, beträgt, wenn die Wölbungsbreite x/X_r = 0,5, der Lastfaktor der ovalen Wölbung 85,2%, was wiederum höher als die 72,6% der Kreisbogenwölbung und der parabolischen Wölbung ist. Dies ist vergleichend in den Diagrammen von 7 dargestellt.
Wie in 5 ist durch (1) der Fall der Kreisbogenwölbung dargestellt, und durch (2) der Fall der ovalen Wölbung. Das untere Diagramm, dessen vertikale Achse die Entfernung λ_x darstellt, stellt die Gestalten der Wölbungen naturgetreu dar. Es ist zu ersehen, daß die ovale Wölbung um den schraffierten Bereich stärker nach unten gewölbt ist als die Kreisbogenwölbung.
Ferner ist, wie aus dem oberen Diagramm zu ersehen, dessen vertikale Achse den Lastfaktor darstellt, der Lastfaktor der ovalen Wölbung um den schraffierten Bereich höher als der der Kreisbogenwölbung.
In den Diagrammen, welche in 8 dargestellt sind, stellen die horizontalen Achsen einen effektiven Rollenlängenfaktor f_L dar, während die vertikalen Achsen den Nennwert C einer dynamischen Basislast, eine Kugelbelastung Q_c, wenn die Radiallast einwirkt, welche 1/2 des Nennwerts einer dynamischen Basislast beträgt, die Wölbungsreliefhöhe λ_e, einen Deformationsbetrag δ_Qc, wenn die Kugelbelastung Q_c einwirkt, eine maximale hertzsche Pressung σ_max und einen Wert von Kugeldurchmesser D_w/Wölbungsreliefhöhe λe darstellen. Die Voraussetzungen zur Berechnung sind: Laufbahnflächenlänge l_t = 72 mm, Rollendurchmesser D_w = 6,35 mm, Anzahl der Reihen der Kugeln i_t = 2 Reihen und Kontaktwinkel α = 45°.
Wie aus dem untersten Diagramm von 6 zu ersehen, ändert sich das Verhältnis des Kugeldurchmessers D_w und der Wölbungsreliefhöhe λ_e von 330 bis 460 gemäß der Änderung des effektiven Rollenlängenfaktors von f_L = 0,6 bis 0,9.
Bei den oben angegebenen Ausführungsbeispielen wurden die Rollwerkselemente 10 und 20 jeweils als Kugellager beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt, sondern das Rollwerkselement kann beispielsweise eine Rollenführung, eine Kugelkeilnut und eine Kugelhülse sein. Die Führung durch eine Schiene oder eine Welle ist nicht auf eine Richtung entlang einer geraden Linie beschränkt, sondern kann entlang einer gekrümmten Linie verlaufen, welche durch eine gekrümmte Schiene, wie etwa eine Kurvenführung, vorgesehen ist.
Die Rollelemente sind nicht auf Kugeln beschränkt, sondern können eine beliebige Rolle sein, wie etwa eine zylindrische Rolle, eine Nadelrolle, eine Tonnenrolle oder eine konische Rolle. Ferner sind die Rollelemente nicht auf die beschränkt, welche in einem Führungsschlitten oder einem äußeren Zylinder gerollt und in Umlauf bewegt werden, sondern können welche sein, welche drehbar etwa an einer Schiene oder einem Käfig, beispielsweise einer Querrollenführung oder einem Kugelschieber, angebracht sind.
Wo die Rollenelemente derart angeordnet sind, daß diese in einem bestimmten Kontaktwinkel an den Führungsschlitten und die Schiene stoßen, kann die Wölbungsreliefhöhe λe gemäß einem elastischen Deformationsbetrag der Rollenelemente in der Richtung des Kontaktwinkels bestimmt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
1 ist eine Längsschnitts-Teilansicht, welche die Gestalt und mathematische Ausdrücke, welche mit einer ovalen Wölbung in einem Rollwerkselement gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verbunden sind, darstellt;
2 ist eine Längsschnitts-Teilansicht, welche einen vergrößerten Wölbungsabschnitt des Rollwerkselements, welches in 1 dargestellt ist, darstellt, wobei die 2 bis 4 ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellen;
3 ist eine Seitenansicht, welche das Rollelement darstellt, welche sowohl eine Wölbung an beiden Enden einer Laufbahnfläche eines Führungsschlittens, Kugeln und eine Schiene als auch einen Zustand darstellt, welcher in einer übertriebenen Weise dargestellt ist, wobei der Führungsschlitten aufgrund der Deformation der Kugeln, welche einer Radiallast, welche auf den Führungsschlitten wirkte, zuzuschreiben ist, abgesenkt wurde
4 ist eine Längsschnitts-Teilansicht, welche einen Zustand darstellt, wobei sich die Kugeln auf der Schiene bewegen, wobei diese unter der Radiallast in dem Führungsblock rollen und umlaufen;
5 stellt Diagramme dar, welche Berechnungsergebnisse für Wölbungsgestalten und Lastfaktoren einer Kugelführung darstellen;
6 stellt Diagramme dar, welche sowohl einen Paßfaktor als auch einen Nennwert einer dynamischen Basislast, eine Kugelbelastung, eine Wölbungsreliefhöhe, einen Kugeldeformationsbetrag, eine maximale hertzsche Pressung und ein Verhältnis eines Kugeldurchmessers zu einer Wölbungsreliefhöhe der Kugelführung darstellen;
7 stellt Diagramme dar, welche Berechnungsergebnisse für Wölbungsgestalten und Lastfaktoren einer Rollenführung darstellen;
8 stellt Diagramme dar, welche sowohl einen Paßfaktor als auch einen Nennwert einer dynamischen Basislast, eine Kugelbelastung, eine Wölbungsreliefhöhe, einen Kugeldeformationsbetrag, eine maximale hertzsche Pressung und ein Verhältnis eines Kugeldurchmessers zu einer Wölbungsreliefhöhe der Rollenführung darstellen;
9 ist eine Längsschnittsansicht, welche eine Kugelführung darstellt, wobei die 9 bis 12 herkömmliche Beispiele darstellen;
10 ist eine Längsschnitts-Teilansicht, welche eine vergrößerte Gestalt und mathematische Ausdrücke, welche mit einer Kreisbogenwölbung verbunden sind, darstellen;
11 ist eine Längsschnittsansicht, welche eine Wölbung auf Basis eines Kreisbogens darstellt, welche durch gerades Abschrägen zwischen einem Wölbungsanfangspunkt und einem Wölbungsende ausgebildet ist; und
12 ist eine Längsschnittsansicht, welche eine polygonale Wölbung auf Basis eines Kreisbogens darstellt, welche durch fortlaufendes Verbinden einer Vielzahl von Punkten auf einem Kreisbogen zwischen einem Wölbungsanfangspunkt und einem Wölbungsende ausgebildet ist.

10: Rollwerkselement
11: Führungsschlitten als Beispiel eines ersten Bauteils
12: Schiene als Beispiel eines zweiten Bauteils
13: Kugeln als Beispiel für Rollelemente
14: Laufbahnfläche
14a: Wölbung
15: ovale Gestalt
20: Rollwerkselement
21: Führungsschlitten als Beispiel eines ersten Bauteils
22: Schiene als Beispiel eines zweiten Bauteils
23: Laufbahnfläche
24a: Wölbung

ÜBERSETZUNG DER ZEICHNUNG
In 5:
LASTFAKTOR

(1) KREISBOGENWÖLBUNG
(2) OVALE WÖLBUNG

In 7:
LASTFAKTOR

(1) KREISBOGENWÖLBUNG
(2) OVALE WÖLBUNG

(54) Titel: ROLLWERKSELEMENT
(57) Zusammenfassung: Rollwerkselement, welches in der Lage ist, Belastbarkeit, Steifigkeit und Genauigkeit durch Ausbilden einer Wölbung auf Basis einer ovalen Gestalt an dem Laufbahnendabschnitt eines Führungsschlittens (Kugelführung, Rollenführung etc.) bzw. einer äußeren Hülse (Kugelkeilnut, Kugelhülse etc.), um selbst nahe bei dem Ende der Wölbung eine große Last auf Rollelemente auszuüben, erheblich zu verbessern. Das Rollwerkselement umfaßt ein erstes Bauteil (11), in welchem eine Laufbahnfläche (14) ausgebildet ist, und ein zweites Bauteil (12), an welchem das erste Bauteil durch die Rollelemente (13) angebracht ist und welches geeignet ausgebildet ist, um das erste Bauteil (11) in einer bestimmten Richtung zu führen. Das Rollwerkselement ist dadurch gekennzeichnet, daß das erste Bauteil (11) dadurch in der Führungsrichtung des zweiten Bauteils (12) bewegt werden kann, daß es ermöglicht wird, daß sich die Rollelemente (13) bezüglich der Laufbahnfläche (14) in einem geordnet angeordneten Zustand hinein und heraus bewegen, und die Wölbung (14a) auf Basis der ovalen Gestalt (15) an dem Endabschnitt der Laufbahnfläche (14) des ersten Bauteils (11) ausgebildet ist, wo eine Zugangsstelle für die Rollelemente (13) ausgebildet ist.

Claims

Rollwerkselement, welches mit einem ersten Bauteil, welches mit einer Laufbahnfläche ausgebildet ist, und einem zweiten Bauteil, an welchem das erste Bauteil über Rollelemente angebracht ist, um ein Führen des ersten Bauteils in einer vorbestimmten Richtung zu ermöglichen, versehen ist und welches derart angeordnet ist, daß es ermöglicht wird, daß sich die Rollelemente bezüglich der Laufbahnfläche in einem geordnet angeordneten Zustand hinein und heraus bewegen, um zu ermöglichen, daß sich das erste Bauteil in der Führungsrichtung des zweiten Bauteils bewegt, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wölbung auf Basis einer ovalen Gestalt an einem Endabschnitt der Laufbahnfläche des ersten Bauteils ausgebildet ist, wobei der Endabschnitt als Zugangsstelle für die Rollelemente dient.
Rollwerkselement, welches mit einem ersten Bauteil, welches mit einer Laufbahnfläche ausgebildet ist, und einem zweiten Bauteil, an welchem das erste Bauteil über Rollelemente angebracht ist, um ein Führen des ersten Bauteils in einer vorbestimmten Richtung zu ermöglichen, versehen ist und welches derart angeordnet ist, daß es ermöglicht wird, daß sich die Rollelemente bezüglich der Laufbahnfläche in einem geordnet angeordneten Zustand hinein und heraus bewegen, um zu ermöglichen, daß sich das erste Bauteil in der Führungsrichtung des zweiten Bauteils bewegt, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wölbung auf Basis einer ovalen Gestalt, wobei eine kurze Achse durch eine vorbestimmte Wölbungsreliefhöhe bestimmt ist, an einem Endabschnitt der Laufbahnfläche des ersten Bauteils ausgebildet ist, wobei der Endabschnitt als Zugangsstelle für die Rollelemente dient.
Rollwerkselement, welches mit einem ersten Bauteil, welches mit einer Laufbahnfläche ausgebildet ist, und einem zweiten Bauteil, an welchem das erste Bauteil über Rollelemente angebracht ist, um ein Führen des ersten Bauteils in einer vorbestimmten Richtung zu ermöglichen, versehen ist und welches derart angeordnet ist, daß es ermöglicht wird, daß sich die Rollelemente bezüglich der Laufbahnfläche in einem geordnet angeordneten Zustand hinein und heraus bewegen, um zu ermöglichen, daß sich das erste Bauteil in der Führungsrichtung des zweiten Bauteils bewegt, dadurch gekennzeichnet, daß eine polygonale Wölbung auf Basis einer ovalen Gestalt, wobei eine kurze Achse durch eine vorbestimmte Wölbungsreliefhöhe bestimmt ist, und mit einer Vielzahl von Punkten als Eckpunkte an einem Endabschnitt der Laufbahnfläche des ersten Bauteils ausgebildet ist, wobei der Endabschnitt als Zugangsstelle für die Rollelemente dient.