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Führungsschraubenaufbau Die Erfindung bezieht sich auf Schrauben,
insbesondere auf als Spindeltrieb dienende Führungsschrauben, wie sie bei Bearbeitungewerkzeugen
und Instrumenten-Ausrüstungen Verwendung finden.
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Bei Bearbeitungswerkzeugen, Lehren und Instrumenten zum Prüfen von
Präzisionsteilen, die beispielsweise in Flugzeugen oder in Raumfahrzeugen verwendet
werden, ist es häufig notwendig, ein Glied relativ zu einem anderen Glied genau
zu bewegen. In diesen Pällen werden häufig Führungsschrauben oder Spindeltriebe
verwendet. Üblicherweise wird bei einem derartigen Spindeltrieb eine direkte Metall-zu-Metall-Berührung
vorgesehen, die sich in einer beachtlichen Reibung zwischen den sich gegeneinander
bewegenden Teilen verursacht. Diese Reibung ist als ernstes Hindernis für eine genaue
gegenseitige relative Bewegung der beiden. Teile anzusehen' `
Ferner haben
die Gleittoleranzen notwendigerweise ein totes Spiel zur Folge. Ausserdem ist es
schwierig, die Teile genügend genau herzustellen, um genaue gegenseitige Abmessungej
und Bewegungen einzuhalten. Schliesslich hat die direkte Metall-zu-Metall-Berührung
eine Abnutzung der gegeneinander bewegten 'feile zur Folge, wodurch ein Genauigkeitsverlust
entsteht. Im Ergebnis kann daher gesagt werden, dass die bisher bekannten Führungsschrauben
oder Spindeltriebe immer mit beachtlichen, seitlichen Spiel und beachtlichem Totgang
behaftet sind.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Präzisionsführungsschraubenaufbau
zu schaffen, bei dem die Drehachse der Führungsschraube und des Körpersgin den die
Führungsschraube eingeführt ist, relativ zueinander in stabiler Lage --gehalten.wird.
Ferner
ist es eine Aufgabe der Erfindung, einenPräzisionsführungsschraubenaufbau zu schaffen,
bei dem eine Metall-zä-Metall-Gleitreibung völlig eliminiert ist und der daher eine
praktisch unbegrenzte Lebensdauer aufweist.
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Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, einen derartigen Präzisions-Führungsschraubenaufbau
zu schaffen, bei dem eine von einer äusseren Quelle herrührendeg unter Druck stehende
Flüssigkeit als das die Last aufnehmende Medium zwischen dem Körper, in den die
Schraube eingedreht wird, und dieser selbst verwendet wird.
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Weiter ist es Aufgabe der Erfindung, einen Präzisions-Führungsschraubenaufbau
zu schaffen, der in der Lage ist, wechselnden Belastungen standzuhalten, so dass
er sowohl für eine Grob- als auch eine Feineinstellung bei Maschinenwerkzeugen und
Instrumenten-Ausrüstungen verwendet werden kann. Ferner soll der Präzisions-Führungsschraubenaufbau
einen glatten und vibrationsfreien Lauf besitzen. Auch soll vorgesehen sein, dass
Schraube und Mutter aus einem Material hergestellt werden können, das einen niedrigen
Vi'ärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, so dass hierdurch die Genauigkeit gesteigert
werden kann.
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Insbesondere soll erreicht werden, dass der Präzisions-Führungsschraubenaufbau
keinen Totgang aufweist. Ferner sollen Ungenauigkeiten bei der Bearbeitung der Teile
des Aufbaues völlig kompensiert werden können.
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Schliesslich soll insbesondere vorgesehen sein, dass der Präzisions-Führungsschraubenaufbau
keine nennenswerte Kraft zum Drehen-dieser Schraube relativ zum die Schraube aufnehmenden
Körper erfordert, da eine Metall-zu-Metall-Gleitreibung völlig vermieden ist-.
Gemäss
der Erfindung weist der Präzisions-Führungssehraubenaufbau im wesentlichen einen
Körper oder eine Führungssehrauben-Mutter auf, die mit einem Innengewinde versehen
istt dasiK zur Aufnahme der Schraube dient. Die relativen Dimensionen zwischen dem
Innengewinde des Körpers und dem Schraubengewinde sind so, dass ein Abstand hierzwischen
vorgesehen ist. Eine Mehrzahl von unter Druck stehenden Kissen sind auf den radialen
Oberflächen eines der Gewinde vorgeseheng und eine Zumeseöffnung ist jedem Druckkieaen
zugeordnet. Unter Druck stehende Flüssigkeit wird jedem Druckkissen über die Zumeseöffnung
unter einem vorbestimmten Druck zugeführt. Die Flüssigkeit strömt hierbei in Form
eines dünnen Filmes zwischen den radialen Oberflächen und bildet eine Halterung
für den Körper relativ zur Schraube zwischen benachbarten Oberflächen des Körpers
und der Schraube,vorzugeweise in einer Weise, dass der Druck der Flüssigkeit auf
Null abfällt, wenn diese die Kanten de.17 radialen Oberflächen erreicht hat. Nimmt
die Last entweder in axialer oder in radialer Richtung zu, so sucht sich der Körper
gegen ein oder mehrere Druckkissen zu bewegen, so dass die von diesen Druckkissen
herrührende Flüssigkeiteströmung eingeschnürt wird. Da aber andererseits die Flüssigkeit
jedem Druckkissen kontinuierlich zugeführt wird, steigt der Druck in diesen Druckkissen
an; zur selben Zeit sucht sich der Körper von dem oder den hierzu gegenüber liegenden
Druckkissen wegzubewegen, wodurch der Strömungsquerschnitt an diesen Stellen erweitert
wird mit der Folge, daso der Druck abfällt. Im Ergebnis wird eine ',)ruckdifferenz
erzeugt, die den Körper in seine relativ zur ;chraube eingenommene Ausgangslage
zurückzudrängen sucht. Da an keiner Stelle eine direkte Metall-zu-Metall-Berührung
vorhanden ist, unterliegen die Teile auch keiner Abnutzung. Die Anordnung gestattet
daher nicht nur eine genaue Steuerung der Körperstellung relativ zur ",chraube,
sondern zusätzlich hierzu werden auch Ungenauigkeiten bei der Herstellung der Gleitoberflächen
kompensiert. In den Fällen, in denen die Schrauben mit geneigten radialen Flächen
versehen sind, z.B. ein Trapezgewinde (Acme ##eads) aufweisen, müssen die Druckkissen
nur auf den geneigten radialen Oberflächen des Gewindes vorgesehen werden. Bei Rechteckgewinden
sind Druckkissen sowohl auf dem radialen als auch auf dein axialen
Oberflächender
Gewinde vorgesehen.
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Im fol,2enden ist die Erfindung anhand eineB in der Zeichnung #C dargestellten
Ausführungsbeispieles im einzelnen besehriBben" es zeigen: Fig. 1 einen halbschematischen
Teilschnitt durch eine Schraubenkonstruktion, Fig. 2 einen Teilschnitt in vergrössertem
Maßstab längs der Linie II-II der Fig. 1,
Fig. 3 einen Schnitt längs
der Linie 3-3 der Fig.1 und Pige 4 Fig. 4 einen schema,#ischen Längosehnitt
durch ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel der Schraubenkonstruktion.
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Der in der-Fig. 1 dargestellte Präzisions-Führungsühraubenaufbau
igeist eine Mutter oder einen Körper 10 auf, der beispielsweise das zu verschiebende
gleitende Teil einer Werkzeugmaschine oder dgl. sein kann. Der Körper
10 weist eine mit einem Innengewinde 12 -versehene Bohrung 11 auf.
Eine Führungsschraube 13, die beispielsweise von der Maschine angetrieben
ivird, ist zum Einschrauben in den Körper 10
vorgesehen und hat ein zu dessen
Innengewinde komplementäres Aussengewinde 14. Die dargestellte Gewindeform ist ein
Trapezgewinde und weist geneigte radiale Oberflächen 15 und axiale Oberflächen
16 auf.
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Gemäss der Erfindung sind eine hiehrzahl auf einer Schraubenlinie
im Abstand voneinander angeordneter Druckkissen längs der geneigten radialen Oberflächen
eines der Gewinde vorgesehen, vorzugsweise, wie gezeichnet, am Gewinde des Körpers
10
Daher sind, wie aus den Fig. 1 und 3 hervorgeht, einander
gegenüberliegende Druckkissen 17 längs der Gewindegänge auf den Gewindeflanken
verteilt. Die Druckkissen, die auf einer Gewindelänge von 360 0 angeordnet
sind, sind vorzugsweise so angeordnet, dass sie relativ zu den Druckkissen eines
anderen 360 0-Gewindeteiles versetzt sind. Daher sind die Druckkissen
17 eines 360 0 langen Gewindeteiles, die in der Fig. 3 mit
ausgezogenen Linien dargestellt sind, gegenüber den Druckkissen eines anderen
360 0 langen Gewindeteile*s versetzt. Diese Druckkissen sind in der Fig.
3 mit gestrichelten Linien dargestellt. Obgleich die Druckkissen vorzugsweise
längs
des ganzen Gewindes vorgesehen sind, kann auch im Einzelfallg und zwar in
Abhängigkeit von der einwirkenden Belastung, nur ein Teil des Gewindes mit Druckkissen
versehen werden. Jedein Druckkissen ist eine Zumeseöffnung zugeordnet, die unter
vorbestimmtem Druck stehende Flüssigkeit jedem Druckkissen zuführt. Wie aus den
Fig. 1 und 3 hervorgehtg erstrecke n sich Kanäle 18 von den
Druckkissen zum Umfang des Körpers 10 und Leitungen 19 stellen die
Verbindung mit einem Verteiler 20 her.
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Wie aus der Fig, 2 hervorgeht, passiert die von einer nicht dargestellten
Druckquelle herrührende Flüssigkeit einen Einlaso 22, der zu einer Kapillarröhre
23 fü#rt. Die Kapillarröhre dient zur Erzeugung eines vorbestimmten Druckabfallee.
Von hier aus strömt die Flüssigkeit nach aussen durch die Auslässe 19 zu
den hierzu zugeordneten Druckkissen. Gleichzeitig ist eine Leitung 24 vorgesehen,
die mit einem Ende benachbart dem Auslass der Kapillarröhre 23 angeordnet
ist. Die Leitung 24 stellt die Verbindung zu einem Druckanzeigegerät 25 her,
an den der im jeweiligen Druckkissen herrschende Druck zu jedem Zeitpunkt angezeigt
wird. Durch diese Anordnung ist es möglich, unmittelbar festzustellen, wenn einer
der Drücke den vorgeschriebenen Betriebedruck nicht aufweist, was beispielsweise
der Fall istt wenn sich eine der Kapillarröhren zugesetzt hat.
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Um die Kapillarröhre 23 zugänglich zu machen, ist ein Stopfen
26 in die Öffnung eingeschraubt, in dieikapillarröhre eingesetzt ist. Ein
O-Ring 27 stellt die Abdichtung sicher. Die Kapillarröhre ist in einer Bohrung
einer Allen-Kopfachraube 28, z.B. mittels Silberlot befestigt. Die Schraube
28 ist ihrerseits in eine Bohrung 29 des Verteilers 20 eingeschraubt.
Sie stellt daher eine leicht zugängliche und auswechselbare Zumeseöffnung dar. Ein
O-Ring 30 dient zur Dichtung zwischen dem Kopf der Schraube 28 und
dem Körper des Verteilers 20. Die Verwendung einer Kapillare ermöglicht eine Anordnung"bei
der eine fixierte Steuerung bei minimaler Zusetzgefahr erreicht wird.
Grösse
und Anzahl der Druckkissen werden so ausgewählt, dass der Körper 10 zuverlässig
relativ zu-r Sahraube und ohne direkte Berührung mit dieser gehalten wird. Die relativen
Dimensionen zwischen den Oberflächen des Körpers 10 und der Schraube
11 sind sog dass sich eine laminare Flüssigkeitsströmung niedriger Geschwindigkeit
in Filmform zivischen den Oberflächen ausbildet und dass der Druck in der Strömung
vorschwindet, wenn die Flüssigkeit den Zwischenraum zwischen den in Rede stehenden
Oberflächen verlassen hat. Der Abstand zwischen den Druckoberflächen kann hierbei
zwischen 0,05 mm (2 x 10-3") und 0.0025 mm (10-411), vorzugsweise
zwischen 0,025 mm (10-3j,) und 0,0025 mm (10-4t,) liegen. In den Fällen, in denen
Beschränkungen bei der Bearbeitung eine Einhaltung dieser engen Toleranzen nicht
gestatten, sollen die Oberfläche so genau als möglich bearbeitet werden, wobei mindestens
einige Teile der Oberflächen einen Zwischenraum aufweisent der innerhalb der obengennannten
Grenzen liegt.
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Die Druckoberflächen sind so angeordnet, dass die Flüssigkeitmtrömung
im wesewülichen gleiche Entfernung zum Umfang aufweist. Abflussöffnungen
31, 32 führen zu den Basis- und Kammflächen des Gewindes.
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Bei dem in der Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel sind das Gewinde
33 des Körpers 34 und das Gewinde 35
der Führungssehraube
36 als Gewinde mit quadratischem Profil ausgebildet. Bei einer solchen Anordnung
sind zur Aufnahme axialer und seitlicher Lagerkräfte Druckkissen 37 an den
radialen Oberflächen des Gewindes und Druckkissen 38 an den axialen Oberflächen
des Gewindes vorgesehen. Die Kanten der Gewinde 33, 35 sind zur Bildung ringförmiger
Abflusskanäle abgernndet. Von dort aus strömt die Flüssigkeit zu Abflüssen
39 und 40.- Auch bei diesem'Ausführungsbeispiel können Zumessöffnungen in
Form von Kapillarröhren wie beim vorstehend beschriebenen Ausführungebeispiel vorgesehen
sein. Die Kissen 37 sind mit Bezug auf die Kissen vorzugsweise am Umfang
verteilt. Die Kissen 37 der radialen Oberflächen eines Gewindeganges liegen
diam)(etral gegenüber. Ferner können Druckkissen an den Kammoberflächen des Körpers
oder der Mutter zusätzlich oder anstelle der an den Basieflächen
vorgesehenen
Kissen 38 vorgesehen sein (Fig.4).
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Aus dem vorstehenden ist ersichtlich, daso ein Präzisions-Pührungesehraubenaufbau
geschaffen worden ist, bei dem die Achse des Mutterkörpers relativ zur Schraube
in genauer vorbeatimmterg reibungsloser und spielfreier Lage mit Bezug auf die Achse
der Schraube stabilisiert wird.
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Die Art und Weise, in der diese Stabilisierung des Körpers relativ
zur Schraube erfolgt, kann leicht mit Bezug auf die Fig. 1 verständlich gemacht
werden. Für den Fall, daso eine axiale oder radiale Kraft auf den Körper
10 einwirkt, die diesen in der Fig. 1 nach unten oder nach links zu
bewegen sucht, so wird der Druck im in der Fig. 1 linken Druckkiesen jedes
Gewindeganges zunehmen, und zwar in Folge der durch die relative Bewegung des Körpers
zur Schraube verursachten Einschnürungewirkung des Strömungequerschnittes und der
Druck in den gegenüberliegenden, also in den rechten Druckkissen wird infolge einer
Querschnittßv erweiterung der Flüssigkeitsetrömung an diesen ;jtellen abnehmen,
wodurch eine Druckdifferenz erzeugt wird, die den Mutterkörper in die.ursprüngliche,
zur Schraube zentrierte Lage zurückzudrängen sucht. Es sei bemerkt, dass
die vorstehend beschriebenen relativen Bewegungen sehr klein eindv so dass sie nicht
wahrgenommen oder geAsen werden können. Bei der in der Fig. 4 dargestellten Ausführungsform
der Erfindung werden axiale Kräfte durch die auf den radialen Oberflächen vorgesehenen
Druckkissen 38
und seitliche oder radiale Kräfte durch die auf den axialen
Oberflächen vorgesehenen i)ruckkissen 37 kompensiert. Obgleich die Erfindung
im Ztzsammenhang mit Trapez- und Reohteckgewinden beschrieben worden ist, ist die
Erfindung hierauf nicht beschränkt. Sie kaii auch bei anderen Gewindeformen angewendet
werden. z.B. bei dem amerikanischen Standard-Gewindeg Whitworth-Gewinde, britischen
Standard-Gewindeg scharfes V-Gewinde, 29 0-Schneckengewinde, trapezelidales
metrisches Gewinde, Sägezahngewinde oder anderen Spezialgewinden mit ebenen oder
gekrümmten Oberflächen.
Aus dem Vorstehenden ist ersichtlich, dass
gemäss der E:#findung eine Präzisions-Führungssehraube geschaffen worden ist, bei
der die Drehachse der Führungesehraube und der der Mutter in genauer vorbestimmter
reibungsloser und spielfreier gegenseitiger Lage stabilisiert werden. Der reibungslose
Aufbau gestattet die,Verwendung eines Materials, z.B. Invarg das einen niedrigen
Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, wodurch die Genauigkeit der Präzisions-Führungssehraube
noch weiter gesteigert werden kann. Ein derartiges Material'konnte bislang noch
nicht für diese Zwecke eingesetzt werden, da es einer starken Abnutzung bei einer
vorhandenen Metall-gegen-Metali-Reibung unterworfen ist.