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Rollspindeltrieb Die Erfindung bezieht sich auf einen Rollspindeltrieb
mit in einem rohrförmigen Kugelkäfig geführten Kugeln als Wälzkörper zwischen einer
Gewindespindel und einer diese umschließenden Stellmutter, wobei die Kugeln in ringförmigen
Laufrillen der Stellmutter und im Spindelgewinde, dessen Profil die Kugeln mit einem
Bogenwinkel ö von mindestens 90' umschließt, formschlüssig aufgenommen
sind und in jeder Laufrille der Stellmutter mindestens zwei zueiner Gruppezusammengefaßte
Kugeln laufen, die durch den Kugelkäfig dicht hintereinander geführt sind und dicht
nebeneinanderliegende Umlaufkreise in der Stellmutter beschreiben.
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Derartige Spindeltriebe werden vorzugsweise für Stell- und Vorschubbewegungen
sowie für Verformungs- oder Hebearbeiten eingesetzt.
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Es ist bekannt, daß die herkömmlichen Spindeltriebe mit ihrem unter
Gleitreibung arbeitenden Kraftgewinde einen sehr schlechten Wirkungsgrad für die
Kraftübertragung haben. Dies ist besonders dann der Fall, wenn eine gute Schmierung
der Spindel nicht gegeben ist und das Gewinde aus Gründen passender Übersetzung
einen geringen Steigungswinkel, d. h. eine geringe Steigung im Verhältnis
zum Gewindedurchmesser, haben muß. Ungünstigerweise muß oftmals gerade ein solches
Gewinde mit geringem Steigungswinkel vorgesehen werden', wenn der Gleitspindeltrieb
eine hohe Kraft aufzubringen hat, so daß die Verluste besonders spürbar in Erscheinung
'treten. Der Wirkungsgrad sinkt in diesen Fällen nicht selten auf unter 20 0/,.
Das bedeutet bekanntlich, daß in den Gleitspindeltrieb eine rund fünfffial größere
Arbeit einzuleiten ist, als nach der Übertragung zur Verfügung steht. Dem
, entsprechend groß muß der, Antrieb für den Gleitspi ' ndeltrieb,
z. B. ein vorgeschaltetes Getriebe und ein Elektroftlotor, ausgelegt werden. Hierdurch
ergibt sich der Nachteil, daß nicht nur der Bau und die Unterhaltung des ganzen
Gerätes verteuert, sondern auch ein großer. Raum für , das Gerät benötigt
wird.
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Ein weiterer Nachteil der bekannten Geräte ergibt sich aus der geringstmöglichen
Vorschubgeschwindigkeit an der Spindel. Werden diese Gleitspindeltriebe von einem
Motor unmittelbar angetrieben, so ist die geringstmöglicheV6rschubgeschwindigkeit
immer noch zu groß, selbst wenn ein Motor mit einer sehr unwirtschaftlichen Motordrehzahl
von 750 U/min verwendet wird, weil der Steigungswinkel des Spindelgewindes
der Gleitreibung wegen nicht beliebig klein gewählt werden kann. Durch das geringe
Antriebsmoment des Motors, bedingt durch die kleine Umdrehungszahl, sind diese Gleitspindeltriebe
bei ihren geringsten Vorschubgeschwindigkeiten meistens nur für die Übertragung
kleiner Vorschubkräfte anwendbar.
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Es sind auch schon Kugelrollspindeltriebe gebräuchlich, mit denen
höhere Wirkungsgrade erzielt werden, da bei ihnen zwischen der Spindel und einer
Stellmutter Kugeln als Wälzkörper angeordnet sind, so daß nur eine rollende Reibung
an diesen Teilen auftreten kann. In einem Teil dieser bekannten Konstruktionen nehmen
die um die Spindel laufenden Kugeln keinen. stetigen - Bewegungsverlauf,
sondern werden durch einen Ümlenkkanal in einer lastfreien Zone plötzlichen Richtungswechseln
unterworfen. Bei einer anzustrebenden höheren Spindeldrehzahl ist auch die Umlaufgeschwindigkeit
der Kugeln dieser Spindeltrie6e entsprechend hoch. Dabei stellen sich bei den plö
- tzlichen Richtungswechseln der Kugeln in den Umlenkkanälen nicht zu unterschätzende
Massenkräfte ein, welche die Lebensdauer und Betriebssicherheit der Spindeltriebe
ungünstig beeinflussen. Diese Massenkräfte können sich nämlich in sehr schnell hämmernden
Schlägen d er Kugeln gegen die Führungsbahn der_ Umlenkkanäle auswirken,
zumal sich die Kugeln bei ihrer Umlenkung mit einem gewissen freien Spiel bewegen
müssen. Für einen Betrieb mit höheren Drehzahlen an der Spindel, z. B. bei direkter
Kupplung mit einem Elektromotor mit wirtschaftlicher Drehzahl, ist diese Bauart
der Spindeltriebe daher nicht geeignet. Auch bei diesen Kugelrollspindeltrieben
ist es bei direkter Kupplung mit einem Elektromotor von wirtschaftlicher Drehzahl
nicht möglich, so geringe Vorschubgeschwindigkeiten zu erzielen, wie sie in vielen
Fällen der Praxis, insbesondere beim Aufbringen großer Stellkräfte, benötigt werden.
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Es sind auch schon Konstruktionen mit Kugeln als Wälzkörper zwischen
Gewindespindel und Stellmutter bekanntgeworden, deren Kugeln bei ihrem Umlauf um
die
Gewindespindel einen stetigen Bewegungsverlauf nehmen. Sie unterliegen also keiner
plötzlichen Richtungsänderung. Bei diesen Konstruktionen laufen die in einem Kugelkäfig
geführten Kugeln einerseits in dem Spindelgewinde und andererseits in ringförmig
geschlossenen Laufriffen der SteRmutter, die somit kein Gewinde für die Kugeln besitzt,
oder in ausjustierbaren Ringen gebildeten Gewindegängen der Stellmutter. Diese Bauart
der. Spindeltriebe eignet sich deshalb gut zum Arbeiten mit höheren Drehzahlen.
Jedoch ist der Vorschub je Spindelumdrehung immer noch mangelhaft groß. Wenn
die Konstruktion für größere Vorschubkräfte ausgelegt werden muß, verlangt die große
Steigung der Gewindegänge außerdem ein übermäßiges Drehmoment von einem direkt gekuppelten
Motor. Die den Vorschub beeinflussende Steigung des Spindelgewindes war bisher noch
größer als der Durchmesser der Kugeln. Da bekanntlich die Tragfähigkeit der Kugeln
ziemlich genau quadratisch mit dem Kugeldurchmesser anwächst bzw. abnimmt, sind
der Freiheit zur Auslegung dieser Spindeltriebe bisher noch enge Grenzen gesetzt.
Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß zur Schaffung einer genügenden Tragfähigkeit
und Lebensdauer zu wenig Kugeln vorhanden sind, wenn die Stellmutter nicht übermäßig
lang sein soll, da in jeder Laufriffe der Steffmutter nur eine Kugel läuft.
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Eine bekannte Einrichtung, bei der zwar zwecks größerer Tragfähigkeit
jeweils zwei zu einem Paar zusammengefaßte Kugeln vorgesehen sind, vermeidet
j edoch nicht die anderen beschriebenen Nachteile. Bei einer weiteren bekannten
Konstruktion laufen die Kugeln auf der Innenseite eines glatten Rohrs und werden
vom Kugelkäfig bewegt. Somit erhebt sich bei Kenntnis der Mängel der genannten Konstruktionen
von Spindeltrieben die Forderung nach einem wirtschaftlich arbeitenden Spindeltrieb
zur Erzeugung hoher Vorschubkräfte bei geringer Vorschubgeschwindigkeit.
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Aufgabe der Erfindung ist es, diese und weitere Forderungen, z. B.
eine größere Stoßunempfindlichkeit, ein geringeres axiales Spiel und eine höhere
Tragfähigkeit, auch für radiale Kräfte an der Stellmutter, zu erfüllen. In vielen
Fällen des praktischen Einsatzes muß eine Spindel eine Kraft nicht genau in Richtung
der Spindelachse, sondern im Winkel zu derselben ausüben, z. B. bei einem Spindeltrieb
zum Betätigen der Schwinge einer Kurbelschleife. In diesen Fällen müssen die Kugeln
zwischen Spindel und Stellmutter außer den axialen Vorschubkräften auch erhebliche
Radialkräfte aufnehmen. Der Traganteil je
Kugel bei dieser zusätzlichen Belastung
ist bei den bekannten Kugelrollspindeltrieben bisher noch verhältnismäßig hoch,
so daß bei deren Einsatz eine spürbar geringere Lebensdauer dieser Triebe zu erwarten
ist.
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Erfindungsgemäß werden diese Forderungen durch einen Rollspindeltrieb
mit Gruppen von Kugeln erfüllt, die von Laufriffe zu Laufriffe um einen Winkel gegeneinander
versetzt angeordnet sind, der gleich dem Produkt
ist, worin a den Mittenabstand der Laufrillen voneinander und s die Spindelgewindesteigung
bedeutet, und dadurch, daß Laufrillen und Spindelgewindeprofil zum Sicherstellen
einer axialen Spielfreiheit zwischen der Gewindespindel und der Stellmutter so bemessen
sind, daß dieKugeln mit Vorspannung und wechselweise auf der einen Seite an einer
Flanke des Spindelgewindes und auf der anderen Seite schräg gegenüber an einer.
Flanke der jeweils zugehörigen Laufrille anliegen.
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Ein Ausführungsbeispiel und weitere im Ansprach 2 gekennzeichnete
Erfindungsmerkmale sind an Hand der Zeichnung näher erläutert.
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F i g. 1 zeigt einen radialen Schnitt durch den Rollspindeltrieb;
in F i g. 2 ist der Rollspindeltrieb in Längsrichtung geschnitten dargestellt;
F i g. 3 zeigt schematisch einen stark vergrößerten Querschnitt einer Laufrille.
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Die Stellmutter 1 ist an ihrer Innenwandung mit ringförmig
geschlossenen Laufrillen 10 versehen. In jeder Laufrille läuft eine Gruppe
von zwei dicht hintereinander angeordneten Kugeln 3. Diese Kugeln greifen
gleichzeitig in einen Spindelgewindegang 20 ein und müssen gegeneinander versetzt
sein, da sich Laufrille -und Spindelgewindegang im Steigungswinkel kreuzen. Der
Abstand der Umlaufkreise der Kugeln voneinander ist gleich der Steigung des Spindelgewindes
innerhalb des Umschließungswinkels ß, der durch die beiden Kugeln einer Gruppe gebildet
ist. Die Laufrillen 10 müssen daher breiter sein als die Spindelgewindegänge
20. Hierdurch ergibt sich für die Laufrillen 10 ein Profil, das schematisch
in F i g. 3
angedeutet ist. Zwei sich gegenüberliegende Kreisbögen haben einen
Mittelpunktabstand x, der höchstens gleich dem Abstand der Umlaufkreise der beiden
Kugeln einer Gruppe ist.
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Der Versatz der einzelnen Kugeln 3 einer Gruppe gegeneinander
führt dazu, daß sich eine Kugel einerseits an der linken Flanke der Laufrille
10 in der Stellmutter 1 und andererseits an der rechten Flanke des
Gewindeganges 20 und die andere Kugel dieser Gruppe sich an den schräg gegenüberliegenden
Flanken abstützt. Die Kugeln stützen sich also mittelbar -aber die Flanken der Laufrillen
und Gewindegänge gegenseitig ab. Der Mittelpunktsabstand x der beiden Kreisbögen
im Profil der Laufrille voneinander wird in der Praxis etwas kleiner gehalten, als
die Berechnung mit dem Umschließungswinkel fl und der Steigung s ergibt. Durch dieses
geringe Untermaß stehen die Kugeln gegenseitig unter Spannung und verhindern jegliche
Bewegung der Gewindespindel 2 in axialer und radialer Richtung relativ zur Stellmutter.
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Der Druckwinkel oc von etwa 30', der für die Übertragung der
Kräfte von Bedeutung ist, stellt sich nur ein, wenn die Kugeln 3 von dem
Profil der Laufrillen mit einem Bogenwinkel ö von mindestens 90' umschlossen
werden. Ist der Bogenwinkel kleiner als 90',
dann besteht die Gefahr, daß
bei axialer Belastung eine Pressung der Laufrillenkanten auftritt, wenn der Druckwinkel
oc seine vorgegebene Größe beibehält. Die Kantenpressung bewirkt dann eine starke
Verkürzung der Lebensdauer.
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Durch die Zuordnung von zwei Kugeln je Laufrille ergibt sich
eine bessere radiale Tragfähigkeit gegenüber den bekannten Spindeltrieben, in denen
jeweils nur eine Kugel je Laufrille verwendet wird. Es ist hierbei aber auch
noch möglich, zur weiteren Steigerung der radialen Tragfähigkeit mehr als zwei Kugeln
je Gruppe anzuordnen. Bei der Verwendung von z. B. drei Kugeln beschreibt
die zwischen den beiden anderen laufende Kugel einen Umlaufkreis, der zwischen den
Umlaufkreisen der beiden anderen Kugeln liegt. Die versetzte Anordnung und das Abstützen
der Kugeln einer Gruppe gegeneinander lassen keinerlei Klemmkräfte im Kugelkäfig
4 entstehen; sie geben
dem Spindeltrieb aber eine bessere Unempfindlichkeit
gegen Stoßkräfte. Der Kugelkäfig 4 sichert den genauen Versatzwinkel q" der Kugelgruppen
gegeneinander. Der Versatzwinkel q" ergibt sich aus dem Produkt
Der Abstand a der Laufrillen zueinander ist in dem Ausführungsbeispiel 1,25mal größer
als die Steigung s des Spindelgewindes. Daher ergibt sich ein Verhältnis
und ein Versatzwinkel cr, = 90'. Durch diesen Versatz der Kugelgruppen
gegeneinander um den Winkel 99 bietet sich die Möglichkeit, die Steigung der Gewindegänge
auf der Gewindespindel 2 kleiner zu machen als den Durchmesser der Kugeln
3, ohne daß die Kugelgruppen sich bei ihrer Umlaufbewegung gegenseitig behindern.
Je kleiner die Steigung gehalten werden kann, desto geringer wird auch die Vorschubgeschwindigkeit
bei gleicher Drehzahl. Ein Rollspindeltrieb nach der Erfindung kann bei etwa den
Abmessungen in dem Ausführungsbeispiel mühelos so ausgelegt werden, daß für die
Erzeugung höherer Vorschubkräfte die Vorschubgeschwindigkeit an der Stellmutter
bei einer Spindeldrehzahl von 1500 U/min etwa 50 mm/s beträgt. Bei
gleicher Spindeldrehzahl, aber für die Erzeugung von Vorschubkräften bis etwa
250 kp, kann mit einer geringsten Vorschubgeschwindigkeit von etwa
32 mm/s gerechnet werden.
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Wie bei allen Trieben dieser Art sind die Kugellaufbahnen üblicherweise
gehärtet. Die sonstigen Vorteile dieser Triebe, z. B. geringe Wartung, geringe Schmierung
und Kerbunempfindlichkeit an Gewindespindel und Stellmutter, bietet auch der Rollspindeltrieb
gemäß der Erfindung.
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Es ist auch möglich, den Gewindegängen der Spindel das in F i
g. 3 schematisch dargestellte Profil zu geben und die Stellmutter mit Laufrillen
zu versehen, deren Profil dem Kugeldurchmesser angepaßt ist. Ferner ist der Gegenstand
der Erfindung auch anwendbar bei Rollspindeltrieben, bei denen die Drehung einer
Stellmutter in eine lineare Bewegung einer Gewindespindel umgewandelt werden soll.