DE19711422A1 - Rollenmutteranordnung und Linearversatzvorrichtung mit einer solchen Rollenmutteranordnung - Google Patents

Rollenmutteranordnung und Linearversatzvorrichtung mit einer solchen Rollenmutteranordnung

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Rollenmutteranordnung sowie eine Linearversatzvorrichtung, in der eine solche Rollen­ mutteranordnung gemeinsam mit einer Verstellschraubenspindel verwendet wird.
Linearversatzvorrichtungen sind im Stand der Technik allgemein bekannt. Die Linearversatzvorrichtungen werden zur schnellen, gleichmäßigen und genauen Einstellung von linearen Mechanismen wie Zoomobjektiven, Mikrometerschrauben und Schrittmotorein­ richtungen verwendet, indem automatische Mittel zum Drehen der Spindel bzw. der Schraube oder zum Drehen der Mutter vorgesehen werden.
Eine standardmäßige Linearversatzvorrichtung verwendet eine Verstellschraubenspindel und eine Standardmutter, um die Drehbewegung der Verstellschraubenspindel in einen relativen Linearversatz der Mutter umzusetzen. Die Verstellschrauben­ spindeln werden generell von einem Schrittmotor angetrieben, mittels dessen die Verstellschraubenspindel inkrementweise gedreht wird, was zu einer entsprechenden, inkrementweisen Linearbewegung der Mutter führt.
Um einen geeigneten Betrieb der herkömmlichen Anordnung aus Verstellschraubenspindel und Mutter zu gewährleisten, muß die Mutter vorgespannt und periodisch neu eingestellt werden, um ein wiederholbares Verhalten zu liefern. Die Vorspannung bzw. Vorbelastung zwischen der Mutter und der Spindel muß außerordent­ lich hoch sein, damit die Linearversatzvorrichtung kein Spiel aufweist. Die außerordentlich hohe erforderliche Vorspannung trägt in starkem Maße zu dem Grad der Reibung zwischen den Gegenflächen der Verstellschraubenspindel und der Mutter in der Linearversatzvorrichtung bei. Bei einer typischen Linear­ versatzvorrichtung werden 30 bis 40% des Drehmomentes des Motors lediglich dazu verwendet, die Reibung zwischen der statischen Mutter und der sich drehenden Verstellschraubenspindel zu überwinden.
Hinzu kommt, daß ein Schmiermittel zwischen der Verstellschrau­ benspindel und der Standardmutter bei einer vertikalen Verwendung der Linearversatzvorrichtung kriecht, was dazu führt, daß vorgespannte Gegenflächen der Verstellschraubenspindel und der Mutter trockenlaufen, wodurch die Reibung noch weiter gesteigert wird. Dies kann zu Ausfällen derartiger Einheiten führen.
Es ist demgemäß wünschenswert, eine Linearversatzvorrichtung zu schaffen, die das Maß der Reibung zwischen der sich drehenden Verstellschraubenspindel und der linear versetzten Mutter in starkem Maße zu vermindern.
Das der Erfindung zugrunde liegende Problem besteht somit darin, eine Linearversatzvorrichtung anzugeben, die eine einfache Struktur aufweist, kostengünstig herzustellen, massenproduzier­ bar, dauerverläßlich und kompakt ist.
Diese und weitere Aufgaben der Erfindung werden erreicht durch Bereitstellen einer Linearversatzvorrichtung mit einer Verstell­ schraubenspindel, die ein Schraubengewinde aufweist, das einen führenden Flankenabschnitt, einen nachfolgenden Flankenabschnitt und einen Spitzenabschnitt aufweist. Eine Rollenmutteranordnung ist zur linearen Bewegung relativ zu der Verstellschraubenspindel vorgesehen. Die Rollenmutteranordnung umfaßt ein Gehäuse mit Öffnungen zum Aufnehmen der Verstellschraubenspindel, ein Paar von Lagern, die jeweils einen inneren Laufring, einen äußeren Laufring und eine Vielzahl von Kugeln aufweisen, die zwischen dem inneren und dem äußeren Laufring angeordnet sind. Die Lager sind vorzugsweise winklig innerhalb des Gehäuses abgestützt, wobei Federmittel zwischen dem Paar von Lagern zum Vorspannen der Lager angeordnet sind. Jedes der Lager weist einen Flanken­ anlageabschnitt, um an einer der Flanken des Schraubengewindes der Verstellschraubenspindel anzugreifen, und einen Spitzen­ anlageabschnitt auf, um an der Spitze des Schraubengewindes der Verstellschraubenspindel anzugreifen.
Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nach­ stehend-noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht der Komponenten einer Linearversatzvorrichtung mit Schrittmotor, die die Rollenmutteranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist;
Fig. 2 eine perspektivische Explosionsansicht der Komponenten der Rollenmutteranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 3 eine Querschnittsansicht der Rollenmutteranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung ist; und
Fig. 4 eine vergrößerte Ansicht einer typischen Verstell­ schraubenspindel ist, die gemeinsam mit der Rollen­ mutteranordnung der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
In Fig. 1 ist eine Linearversatzvorrichtung generell mit der Bezugsziffer 1 bezeichnet. Die Linearversatzvorrichtung 1 verwendet eine Rollenmutteranordnung 10. Bei der gezeigten beispielhaften Ausführungsform ist die Linearversatzvorrichtung 1 in einer Schrittmotoreinrichtung 12 enthalten.
Die Schrittmotoreinrichtung 12 umfaßt einen Basisabschnitt 14 und eine Gleiteinrichtung 16. Der Basisabschnitt 14 umfaßt ein Paar von V-förmigen Seitenelementen 18, die mit entsprechenden V-förmigen Vertiefungen 20 zusammenpassen, die an gegenüber­ liegenden Seiten der Gleiteinrichtung 16 vorgesehen sind.
An der Basis 14 der Schrittmotoreinrichtung 12 ist ein Schritt­ motor 22 montiert. Der Schrittmotor 22 ist an einer Verstell­ schraubenspindel 24 angebracht, um die Verstellschraubenspindel 24 in Drehung zu versetzen. Die Verstellschraubenspindel 24 erstreckt sich durch ein Loch 26 in dem Basisabschnitt 14 und durch ein Loch 28 in einem Endabschnitt der Gleiteinrichtung 16. Die Verstellschraubenspindel 24 verläuft auch durch die Rollenmutteranordnung 10 sowie durch Löcher 30, 32 der Gleit­ einrichtung 16. Ein Endabschnitt 34 der Verstellschraubenspindel 24 ist durch ein Lager 36 abgestützt, das in einer Bohrung 38 in dem Basisabschnitt 14 der Schrittmotoreinrichtung 12 abge­ stützt ist. Der Schrittmotor 22 ist an dem Basisabschnitt 14 mittels einer Vielzahl von Schrauben 40 festgelegt.
Die Gleiteinrichtung 16 ist mit einer Rollenmutterkammer 42 zum Aufnehmen der Rollenmutteranordnung 10 versehen. Die Rollenmutteranordnung 10 ist in der Rollenmutterkammer 42 mittels einer Montagehalterung 44 festgelegt. Die Gleiteinrichtung 16 ist mit einer Montageaufnahme 46 versehen, um die Montage­ halterung 44 derart aufzunehmen, daß deren Oberseite bündig mit der Oberseite der Gleiteinrichtung 16 abschließt.
Im Betrieb wird der Schrittmotor 22 so angesteuert, daß die Verstellschraubenspindel 24 in Drehung versetzt wird. Wenn sich die Verstellschraubenspindel 24 dreht, wird die Rollenmutter­ anordnung 10, die an der Verstellschraubenspindel 24 auf eine nachstehend noch zu beschreibende Weise angreift, linear bewegt. Da die Rollenmutteranordnung 10 an der Gleiteinrichtung 16 festgelegt ist, treibt die Rollenmutteranordnung 10 die Gleit­ einrichtung 16 auf lineare Weise relativ zu dem Basisabschnitt 14 der Schrittmotoreinrichtung 12 an.
Die Rollenmutteranordnung 10 gemäß der vorliegenden Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 2 und 3 in größerer Genauigkeit beschrieben. Die Rollenmutteranordnung 10 umfaßt ein Gehäuse 50 mit zwei offenen Enden 52, 54 zum Aufnehmen der Verstellschraubenspindel 24. Es versteht sich, daß die Form und Konfiguration des Gehäuses 50 lediglich beispielhaft dargestellt ist und auf vielfache Weise verändert werden kann.
Die Rollenmutteranordnung 10 umfaßt ein erstes und ein zweites Lager 56 bzw. 58. Das erste und das zweite Lager 56, 58 sind in dem Gehäuse 50 winklig angeordnet. Das erste und das zweite Lager 56, 58 umfassen jeweils einen inneren Laufring 60 und einen äußeren Laufring 62. Zwischen den inneren und den äußeren Laufringen 60, 62 sind eine Vielzahl von Kugeln 64 vorgesehen.
Die inneren Laufringe 60 des ersten und des zweiten Lagers 56, 58 sind an ihrem inneren Durchmesser jeweils mit einem Flanken­ anlageabschnitt 66 versehen. Wie es in Fig. 3 gezeigt ist, ist der Flankenanlageabschnitt 66 unter einem Winkel von 90° gegenüber einem ersten radialen Innendurchmesser des inneren Laufringes 60 des ersten und des zweiten Lagers 56, 58 ange­ ordnet.
Der Flankenanlageabschnitt 66 des inneren Laufringes 60 des ersten Lagers 56 greift an einer führenden Flanke 68 eines Schraubengewindes 70 der Verstellschraubenspindel 24 an. Der Flankenanlageabschnitt 66 des inneren Laufringes 60 des zweiten Lagers 58 greift an einer nachfolgenden Flanke 72 des Schrauben­ gewindes 70 der Verstellschraubenspindel 24 an.
Die inneren Laufringe 60 des ersten und des zweiten Lagers 56, 58 umfassen jeweils auch einen Spitzenberührungsabschnitt bzw. Spitzenanlageabschnitt 74, der an einem Spitzenabschnitt 76 des Schraubengewindes 70 der Verstellschraubenspindel 24 angreift, wie es am besten in Fig. 3 zu sehen ist. Der Spitzen­ berührungsabschnitt 74 des ersten und des zweiten Lagers 56, 58 umfaßt eine abgeschrägte Kante, die dazu ausgelegt ist, einen leichtgängigen Drehkontakt zu dem Spitzenabschnitt 76 des Schraubengewindes 70 der Verstellschraubenspindel 24 bereit zu­ stellen.
Das erste und das zweite Lager 56, 58 sind in dem Gehäuse 50 der Rollenmutteranordnung 10 winklig abgestützt, derart, daß die Flankenanlageabschnitte 66 der jeweiligen inneren Laufringe 60 im wesentlichen parallel zu der führenden und der nachfolgen­ den Flankenoberfläche 68 bzw. 72 des Schraubengewindes 70 ausge­ richtet sind. In Fig. 4 sind die Winkel α1, α2 der führenden und der nachfolgenden Flanke 68 bzw. 70 gezeigt. Daher ist das erste Lager 56, das an der führenden Flanke 68 des Schrauben­ gewindes 70 angreift, vorzugsweise unter einem Winkel α1 in bezug auf die Verstellschraubenspindel 24 angeordnet. Gleicher­ maßen ist das zweite Lager 58, das einen Flankenanlageabschnitt 66 aufweist, der an der nachfolgenden Flanke 72 des Schrauben­ gewindes 70 angreift, unter einem Winkel von etwa α2 in bezug auf die Verstellschraubenspindel 24 angeordnet. Mit anderen Worten sind das erste und das zweite Lager 56, 58 so angeordnet, daß sie das Schraubengewinde 70 der Verstellschraubenspindel 24 zwischen sich aufnehmen, indem sie in Übereinstimmung mit dem Laufwinkel ("tracking angle") des Schraubengewindes 70 der Verstellschraubenspindel 24 als auch in Übereinstimmung mit dessen Schraubenwinkel bzw. dessen Schrägungswinkel ("helix angle") geneigt sind. Vorliegend soll der Laufwinkel des Schraubengewindes 70 der Verstellschraubenspindel 24 der Winkel sein, den die führende und die nachfolgende Flanke 68 bzw. 72 mit der Drehachse 77 der Verstellschraubenspindel 24 einnehmen.
Der Schrägungswinkel ist jener Winkel, um den das Schrauben­ gewinde 70 quer zu der Rotationsachse 77 der Verstellschrauben­ spindel 24 angeordnet ist.
Das erste Lager 56 ist innerhalb des Gehäuses 50 durch die Verstellschraubenspindel 24 und einen Lagerstützstift 78 gelagert, der in Löchern 80, 82 des Gehäuses 50 montiert ist und generell den äußeren Laufring 62 des ersten Lagers 56 abstützt. Der äußere Laufring 62 des ersten Lagers 56 hat einen Gehäuseanlageabschnitt 84, der an einer Innenfläche des Gehäuses 50 angreift, um das erste Lager 56 zusätzlich lateral abzu­ stützen.
Das zweite Lager 58 ist in dem Gehäuse 50 durch die Verstell­ schraubenspindel 24 und einen Lagerstützstift 86 gelagert, der in einem Montageloch 88 und einem zusätzlichen, nicht gezeigten Montageloch des Gehäuses 50 aufgenommen ist und generell den äußeren Laufring 62 des zweiten Lagers 58 abstützt. Der äußere Laufring 62 des zweiten Lagers 58 weist einen Gehäuse­ anlageabschnitt 84 auf, der an einer Innenfläche des Gehäuses 50 angreift und das zweite Lager 58 lateral abstützt.
Eine Blattfeder 94 ist zwischen den Lagern 56, 58 vorgesehen, um die Lager 56, 58 vorzuspannen. Die Blattfeder 94 wird mittels Federhaltestiften 96 an Ort und Stelle gehalten, die in einer Vielzahl von Lagerlöchern 98 des Gehäuses 50 aufgenommen sind. Die Blattfeder 94 spannt das erste und das zweite Lager 56, 58 in entgegengesetzte Richtungen vor, so daß die Lager 56, 58 vorgespannt bzw. vorbelastet sind und sich selbst mit dem Gewindewinkel der Verstellschraubenspindel 24 ausrichten und sich somit an nahezu jede standardmäßige Gewindestange oder -spindel konstruktionsmäßig anpassen können. Die Lagerstifte 78, 86 und die Haltestifte 96 sind lediglich beispielhafte Mittel zum Abstützen der Lager 56, 58 und der Blattfeder 94. Es versteht sich, daß die bestimmte Art und Weise, mit der die Lager 56, 58 und die Blattfeder 94 in dem Gehäuse 50 abgestützt werden, auf viele Wege verändert werden kann.
Die vorliegende Rollenmutteranordnung 10 ist vorteilhaft dahingehend, daß die Verstellschraubenspindel 24 und der innere Laufring 60 der Lager 56, 58 lediglich nach der Art eines Roll­ bzw. Wälzkontakt aneinander angreifen. Daher ist die Abnutzung zwischen der Verstellschraubenspindel 24 und den Lagern 56, 58 minimal. Weiterhin ist die Reibung an dem Berührungsabschnitt zwischen dem Flankenanlageabschnitt 66 des inneren Laufringes 60 und dem Schraubengewinde 70 der Verstellschraubenspindel 24 höher als zwischen dem inneren Laufring 60 und dem äußeren Laufring 62 der Lager 56, 58. Daher steigt der Wirkungsgrad der Linearversatzvorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung verglichen mit herkömmlichen Linearversatzvorrichtungen in starkem Maße an.
Die Verstellschraubenspindel 24 treibt die inneren Laufringe 60 an, während die inneren Laufringe 60 dem Schraubenprofil der Verstellschraubenspindel 24 folgen, wodurch wiederum das Gehäuse 50 in linearer Richtung bewegt wird. Die Lager 56, 58 sind gegenüber dem Schraubengewinde 70 oder den Flanken 68, 72 der Verstellschraubenspindel 24 sowie gegeneinander mittels der Blattfeder 94 vorgespannt. Sämtliche Vorspannungskräfte und zusätzliche Axialbelastungen sind auf die Laufringe der Lager 56, 58 eingegrenzt.
Die Vorspannungskräfte auf die Lager 56, 58 beseitigen das Spiel zwischen der Rollenmutteranordnung 10 und der Verstellschrauben­ spindel 24. Weiterhin kann eine Schmierung der Rollenmutter­ anordnung 10 auf die Kugellager begrenzt werden. In Abhängigkeit von der Geschwindigkeit, mit der die Anordnung genutzt werden soll, ist gegebenenfalls überhaupt keine Schmierung notwendig. Aufgrund der durch die Lager 56, 58 erhaltenen Verringerung der Reibung ist der Wirkungsgrad dieser Art von Antrieb typi­ scherweise auf Werte größer 95% gesteigert, verglichen mit 20 bis 50% bei herkömmlichen Linearversatzvorrichtungen mit Muttern.

Claims (13)

1. Rollenmutteranordnung für eine Verstellschraubenspindel, gekennzeichnet durch:
  • - ein Gehäuse (50);
  • - ein erstes und ein zweites Lager (56, 58), die jeweils einen inneren Laufring (60), einen äußeren Laufring (62) und eine Vielzahl von Kugeln (64) aufweisen, die zwischen dem inneren und dem äußeren Laufring (60, 62) angeordnet sind, wobei das erste und das zweite Lager (56, 58) an dem Gehäuse (50) gelagert sind; und
  • - einen Federmechanismus (94) zum Vorspannen des ersten und des zweiten Lagers (56, 58);
wobei die inneren Laufringe (60) des ersten und des zweiten Lagers (56, 58) jeweils einen Flankenanlageabschnitt (66) aufweisen, um an einer Flanke (68, 72) eines Schrauben­ gewindes (70) der Verstellschraubenspindel (24) anzugreifen.
2. Rollenmutteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Federmechanismus (94) eine Blattfeder (94) aufweist, die zwischen dem ersten und dem zweiten Lager (56, 58) gehalten ist.
3. Rollenmutteranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Blattfeder (94) mittels einer Vielzahl von Stiften (96) gelagert ist, die an dem Gehäuse (50) montiert sind.
4. Rollenmutteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (50) mit Stütz­ elementen (78, 86) zum Abstützen des ersten und des zweiten Lagers (56, 58) versehen ist.
5. Rollenmutteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die inneren Laufringe (60) des ersten und des zweiten Lagers (56, 58) jeweils einen Spitzenanlageabschnitt (74) zum Angreifen an einem Spitzen­ abschnitt (76) des Schraubengewindes (70) der Verstell­ schraubenspindel (24) aufweisen.
6. Rollenmutteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (50) eine erste und eine zweite Öffnung (52, 54) aufweist, über die die Verstellschraubenspindel (24) aufgenommen ist.
7. Linearversatzvorrichtung mit einer Verstellschraubenspindel (24) mit einem Schraubengewinde (70), das einen führenden Flankenabschnitt (68), einen nachfolgenden Flankenabschnitt (72) und einen Spitzenabschnitt (76) aufweist, gekenn­ zeichnet durch eine Rollenmutteranordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
8. Linearversatzvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das erste und das zweite Lager (56, 58) jeweils einen Spitzenanlageabschnitt (74) zum Angreifen an dem Spitzenabschnitt (76) des Schraubengewindes (70) der Verstellschraubenspindel (24) aufweisen.
9. Linearversatzvorrichtung nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Blattfeder (94) zwischen dem ersten und dem zweiten Lager (56, 58) durch eine Vielzahl von Stiften (96) gehalten ist, die an dem Gehäuse (50) montiert sind.
10. Linearversatzvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Lager (56) winklig in dem Gehäuse (50) abgestützt ist, derart, daß ein Winkel einer Zentralachse des ersten Lagers (56) relativ zu einer Zentralachse der Verstellschraubenspindel (24) etwa gleich einem Winkel einer führenden Flankenfläche (68) des Schraubengewindes (70) relativ zu einer Ebene ist, die senkrecht zu der Zentralachse der Verstellschraubenspindel (24) ausgerichtet ist.
11. Linearversatzvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das zweite Lager (58) winklig in dem Gehäuse (50) abgestützt ist, derart, daß ein Winkel einer Zentral­ achse des zweiten Lagers (58) relativ zu einer Zentralachse der Verstellschraubenspindel (24) etwa gleich einem Winkel einer nachfolgenden Flankenfläche (72) des Schraubengewindes (70) relativ zu einer Ebene ist, die senkrecht zu der Zentralachse der Verstellschraubenspindel (24) ausgerichtet ist.
12. Linearversatzvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (50) mit Öffnungen (52, 54) versehen ist, um die Verstellschrauben­ spindel (24) aufzunehmen.
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