DE19803250B4

DE19803250B4 - Kugel-Umlaufmechanismus

Info

Publication number: DE19803250B4
Application number: DE19803250A
Authority: DE
Inventors: Michihiro New Haven Kuramochi; Nobumitsu Maebashi Takahashi
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 1997-01-29
Filing date: 1998-01-28
Publication date: 2006-01-26
Anticipated expiration: 2018-01-29
Also published as: US20010002555A1; DE19803250A1; JPH10274309A; JP3726460B2; US6282972B2

Abstract

Kugelumlaufmechanismus mit
– einer Spindel (1), an deren Außenumfangsfläche eine Gewindenut (1a) ausgebildet ist,
– einem Mutternelement (102, 202, 302), das relativ zu der Spindel (1) in deren axialen Richtung beweglich ist und an deren Innenumfangsfläche eine Gewindenut (102a, 202a, 302a) ausgebildet ist, die der Gewindenut (1a) der Spindel (1) gegenüber angeordnet ist,
– einer Anzahl von Kugeln (3), die drehbeweglich entlang einer Laufbahn vorgesehen sind, die aus den gegenüber angeordneten Gewindenuten (1a, 102a, 202a, 302a) der Spindel (1) und des Mutternelementes (102, 202, 302) gebildet ist, wobei die Laufbahn derart ausgebildet ist, dass die Kugeln (3) die Gewindenut (1a) der Spindel (1) und die Gewindenut (102a, 202a, 302a) des Mutternelementes (102, 202, 302) jeweils an zwei Punkten kontaktieren, und
– einer Kugelrückführeinheit für die Rückführung der Kugeln (3) über eine Auslassöffnung zu einer Einlassöffnung der Laufbahn, wobei ein Rücklaufdurchgang mit der Laufbahn gebildet ist,...

Description

Die Erfindung betrifft einen als Kugel-Umlaufmechanismus bezeichneten Spindel-Mutter-Trieb mit Spindel und Muttern-Element der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung. Ein solcher Spindel-Mutter-Trieb ist aus de DE 43 16 423 A1 bekannt.

Ein als Kugel-Umlaufmechanismus bekannter Mechanismus wandelt eine Drehbewegung in eine lineare Bewegung um. Als Beispiel für einen solchen Spindel-Mutter-Trieb wird der gesamte Aufbau eines rücklaufkanalartigen Kugel-Umlaufmechanismus unter Bezug auf 1 beschrieben. 1 ist ein axialer Querschnitt eines Kugel-Umlaufmechanismus. In dieser Figur ist eine teilweise gezeigte Spindel 1 ein Wellenbauteil, das im Außendurchmesser eine Gewindenut 1a mit einer einem gotischen Bogen ähnlichen Querschnittsform, die später beschrieben wird, besitzt. Eine als Mutternelement dienende Mutter 2 ist ein zylindrisches Bauteil mit einer Gewindenut 2a im Innenumfang 2e, die der Gewindenut 1a der Spindel 1 entspricht, und mit einem Spiralsteg 2d, der zwischen den angrenzenden Gewindenuten 2a definiert ist. Obwohl nicht dargestellt, erstrecken sich zwei Durchgangsbohrungen von der Oberseite 2c des Mutterelementes 2 zur Gewindenut 2a. Enden einer U-förmigen Kugel-Rücklaufleitung 4 sind durch eine Strichlinie angegeben, paßgerecht in die jeweiligen Durchgangsbohrungen eingesetzt.

Die Spindel 1 wird durch das Innere des Innenumfangs 2e des Mutternelementes 2 so geführt, daß die Gewindenut 1a der Gewindenut 2a dem Mutternelement gegenüberliegt. Eine Anzahl von Kugeln 3 ist in einer durch die beiden gegenüberliegenden Gewindenuten definierten Laufbahn rotierbar eingeschlossen.

Wenn das Mutternelement 2 und die Spindel 1 eine relative Spiralbewegung ausführen, wiederholen die Kugeln 3 den Rücklauf, indem sie sich rotierend entlang der zwischen den Gewindenuten 1a und 2a ausgebildeten Laufbahn bewegen, von der Laufbahn aufgeschöpft und gleichzeitig mit Hilfe eines Zungenbereiches (nicht gezeigt) ge führt werden, der an einem Ende der Kugel-Rücklaufleitung 4 ausgebildet ist, so daß die Kugeln in die Kugel-Rücklaufleitung 4 geleitet werden, durch die Leitung laufen, und schließlich zur Laufbahn über das andere Ende des Mutternelementes zurückkehren.

Zusätzlich zeigt 6 ein Beispiel einer endverschlußartigen Kugel-Umlaufvorrichtung des Standes der Technik. In diesem herkömmlichen Beispiel steht eine Spindel 1, die eine Gewindenut 1a in der äußeren Umfangsfläche aufweist, über ein Gewinde im Eingriff mit einem zylindrischen Mutternelement 10, die eine Gewindenut 2a in der inneren Umfangsfläche aufweist, welche gegenüber der Gewindenut 1a der Spindel liegt, wobei der Eingriff über Kugeln 3 erfolgt, die sich rotierend in den beidseitig gegenüberliegenden Gewindenuten 1a und 2a bewegen. Das Mutternelement 10 umfaßt zwei Arten von Bauteilen, d.h., ein Bauteil 402 und Endverschlüsse 11, die abnehmbar mit den Endflächen des Bauteils 402 verbunden sind. Eine Kugel-Rücklaufbohrung 12, die aus einer Durchgangsbohrung besteht, die sich in axialer Richtung erstreckt, ist in einem materialstarken Bereich des Bauteils 402 angeordnet. In jeder Endfläche der Endverschlüsse 11 ist ein gekrümmter Kanal 13 angeordnet, über den die Gewindenuten 1a und 2a mit der Kugel-Rücklaufbohrung 12 kommunizieren.

Wenn die Spindel 1 und die Kugel-Umlaufmutter 10 relativ zueinander bewegt werden, bewegen sich die Kugeln 3 rotierend in den zwei sich gegenüberliegenden Gewindenuten 1a und 2a der Spindel 1 und der Kugel-Umlaufmutter 10, um den Rücklauf zu wiederholen, bei dem die Kugeln durch die gekrümmten Bahnen 13, die an den Enden der Kugel-Rücklaufbauteilen angeordnet sind, und durch den im Muttern-Bauteil 402 angeordneten Kugel-Rücklaufdurchgang 12 laufen, um zur ursprünglichen Lage zurückzukehren.

Da die Kugeln, die entsprechend der Drehung der Spindel rotieren, sich entlang der Laufbahn bewegen, bewirkt die andauernde relative Spiralbewegung des Mutternelementes (oder des Muttern-Bauteils) und der Spindel, daß die Kugeln aus dem Mutternelement in entsprechender Zeit entfernt werden. Wenn das Mutternelement (oder das Muttern-Bauteil) über eine beträchtlich lange Strecke bewegt werden soll, muß deshalb jeder Kugel-Umlaufmechanismus mit einer Rücklaufeinheit ausgestattet sein, wie z.B. einem Kugel-Rücklaufkanal, der die Kugeln, die aus einem Ende des Mutternelementes (oder des Muttern-Bauteils) entfernt werden, zum anderen Ende des Muttern elementes zurückbringt. Eine solche vorgesehene Rücklaufeinheit schafft jedoch ein für einen Kugel-Umlaufmechanismus eigentümliches Problem.

Bevor dieses Problem erörtert wird, wird zunächst die Beziehung zwischen den Kugeln und den Gewindenuten beschrieben. 2 ist ein vergrößerter Querschnitt, der die Umgebung einer Gewindenut eines Kugel-Umlaufmechanismus aus 1 rechtwinklig zur Gewindenut zeigt. In dieser Figur ist eine Kugel 3 zwischen der Gewindenut 1a der Spindel 1 und der Gewindenut 2a des Mutternelementes 2 angeordnet.

Wie aus 2 ersichtlich, sind die Abschnitte der Gewindenuten 1a und 2a nicht Teile eines perfekten Kreises, sondern weisen eine sogenannte gotische Bogenform auf und sind jeweils aus zwei miteinander kombinierten Bögen (sogenannten Flanken) aufgebaut. Insbesondere bilden die Abschnitte der Gewindenuten 1a und 2a eine Gestalt, bei der Bögen mit einem Krümmungsradius Rc auf seitlich symmetrischer Weise angeordnet sind. Wenn der Radius der Kugel 3 mit R bezeichnet wird, gilt die Beziehung Rc > R.

Angesichts der obengenannten Beziehung zwischen dem Radius R der Kugel 3 und dem Krümmungsradius Rc, berühren sich die Gewindenuten 1a und 2a und die Kugel 3 an vier Punkten, d.h. an den Punkten N1, N2, S1 und S2 in 2. Aufgrund dieser Anordnung können die Kugeln mit einer kontrollierten Vorspannung einfach beaufschlagt werden, so daß Spiel ausgeschlossen werden kann. Wenn die Vorspannung beaufschlagt wird, stehen die an den vier Punkten hervorgerufenen Reaktionskräfte miteinander im Gleichgewicht.

Im Folgenden wird das einem Kugel-Umlaufmechanismus eigentümliche Problem unter Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. 3 ist eine vergrößerte Ansicht eines Endbereiches des Mutternelementes 2 eines endverschlußartigen Kugel-Umlaufmechanismus in axialer Richtung, und 4 ist eine Ansicht des Mutternelementes aus 3 in Pfeilrichtung IV. Wie aus dem Vergleich der 2 mit den 3 und 4 ersichtlich, besitzt die Gewindenut 2a eine sich öffnende Gestalt, die sich in Umfangsrichtung erstreckt, da die Gewindenut 2a einen Führungswinkel θ besitzt und durch die Endfläche 2b des Mutternelementes 2, die im rechten Winkel zur Achse steht, geschnitten wird.

In 3 und 4 wird die Kugel 3, die in der Gewindenut 2a rotiert, durch Strichlinien angezeigt. Die relative Spiralbewegung des Mutternelementes und der Spindel (nicht gezeigt) bewirkt, daß die Kugel 3 so rotiert, daß der Mittelpunkt der Kugel 3 sich nacheinander in die Positionen C, B und A bewegt und schließlich aus dem Mutternelement 2 entfernt wird. Die Gerade N1_TR bezeichnet die Ortskurve des Berührungspunktes N1 zwischen der Kugel 3 und der Gewindenut 2a und die Gerade N2_TR bezeichnet die Ortskurve des Berührungspunktes N2 zwischen der Kugel 3 und der Gewindenut 2a.

Bis der Mittelpunkt der Kugel 3 die Position C erreicht, berührt die Kugel die Gewindenut 2a des Mutternelementes 2 an zwei Punkten und berührt ferner die Gewindenut der Spindel (nicht gezeigt) an zwei Punkten. Mit anderen Worten ist das Berührungsverhältnis zwischen der Kugel und den Gewindenuten der in 2 gezeigte Normalzustand.

Zu dem Zeitpunkt, wenn der Mittelpunkt der Kugel 3 die Position C passiert, wird jedoch die Gerade N2_TR an dem Punkt N2-C, wie in 4 gezeigt, unterbrochen. Im Gegensatz dazu erstreckt sich die Gerade N1_TR weiter bis zum Punkt N1-A.

5 ist ein Querschnitt, ähnlich wie der aus 2, und zeigt den Zustand, in dem der Mittelpunkt der Kugel 3 sich in der Position B in 4 befindet. Wie aus 5 ersichtlich, ist der Flanken(Bogen)bereich der Gewindenut 2a, der sich im oberen rechten Bereich der Figur befindet, nicht vorhanden. Die Flanke, die im normalen Zustand vorhanden ist, ist durch eine Strichlinie gezeigt. Mit anderen Worten berührt, solange der Mittelpunkt der Kugel sich von der Position C zur Position A bewegt, die Kugel die Gewindenuten 1a und 2a an drei Punkten.

In einem solchen Fall liegt die Reaktionskraft Fn1, die zwischen der Kugel 3 und der Gewindenut 2a des Mutternelementes 2 am Punkt N1 ausgeübt wird, gegenüber der Reaktionskraft Fs2, die zwischen der Kugel 3 und der Gewindenut 1a der Spindel 1 am Punkt S2 ausgeübt wird, und steht im Gleichgewicht mit diesen Aufgrund des obenerwähnten Fehlens der Flanke, wird keine Reaktionskraft, die gegenüber der Reaktionskraft Fs1 liegt, die zwischen der Kugel 3 und der Gewindenut 1a der Spindel 1 am Punkt S1 ausgeübt wird, erzeugt. Folglich nimmt die Kugel 3 eine Kraft FC (die Kraft, die erhalten wird durch Subtrahieren der Reibungskraft zwischen der Kugel und der Gewindenut von der Reaktionskraft Fs1) in Richtung von Fs1 am Punkt S1 auf.

Um Spiel auszuschalten, wird eine Vorspannung zwischen den Kugeln und den Gewindenuten aufgebracht, so daß die Kraft FC die Kugel 3 in Richtung dieser Kraft drückt, wodurch die Kugel 3 die Nuten in der Richtung angreift, in der keine Flanke vorhanden ist. Selbst für den Fall, daß keine Vorspannung beaufschlagt wird, wird eine Kraft ähnlich der Kraft FC erzeugt, wenn eine Last von außen aufgebracht wird, was bewirkt, daß die Kugel 3 die Nuten angreift.

Während der Zeitdauer, wenn der Mittelpunkt der Kugel 3 sich von der Position C zur Position A in 4 bewegt, herrscht ein Zustand, in dem die Kugel 3 leicht von den Gewindenuten 1a und 2a angegriffen wird, sowie das Problem, daß Fehlfunktion, wie z.B. Drehmomentschwankungen, ruckartige Bewegung oder Blockieren leicht beim Betrieb des Kugel-Umlaufmechanismus auftritt.

Kurzangabe der Erfindung

Angesichts dieses Problems ist es die Aufgabe der Erfindung einen Kugel-Umlaufmechanismus zu schaffen, bei dem die Zuverlässigkeit erhöht wird, obwohl der Aufbau vereinfacht wird.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst.

In dem obenerwähnten Kugel-Umlaufmechanismus besitzt die Vertiefung vorzugsweise eine Krümmung, die größer als der Kugelradius ist.

Im obengenannten Kugel-Umlaufmechanismus kann die Kugel-Rückführleitung umfassen:
eine Durchgangsbohrung, die sich in axialer Richtung des Muttern-Elementes erstreckt; und
Endverschlüsse, die an beiden Endflächen des Muttern-Elementes angebracht sind und jeweils einen „gekrümmten" Kanal aufweisen, über die die Durchgangsbohrung mit der Laufbahn in Verbindung steht.

Zusätzlich kann im obengenannten Kugel-Umlaufmechanismus das Muttern-Element ferner umfassen:
einen Stufenabschnitt, der in der Umgebung der Auslaßöffnung ausgebildet und lagemäßig gegenüber der Vertiefung bezüglich der Kugel angeordnet ist.

Ferner ist es noch vorteilhafter, den obengenannten Kugel-Umlaufmechanismus so zu verändern, daß die Kugel einer Vorspannung zwischen den sich gegenüberliegenden Gewindenuten der Spindel und des Muttern-Elementes unterworfen wird und die Vorspannung aufgehoben wird, wenn die Kugeln die Vertiefung passieren.

Darüber hinaus kann im obengenannten Kugel-Umlaufmechanismus
das Muttern-Element ein zylindrisches Bauteil mit einem flachen Bereich und zwei Bohrungen sein, die im abgeflachten Bereich so ausgebildet sind, daß sie zu den Teilen der Gewindenut des Muttern-Elementes hin sich öffnen und mit diesen in Verbindung stehen;
die Kugel-Rückführeinheit eine Kugel-Rücklaufleitung umfassen, deren eines Ende mit der Auslaßöffnung und deren anderes Ende mit der Einlaßöffnung in Verbindung steht; und
die Kugel-Rücklaufleitung mit dem flachen Bereich des Muttern-Elementes verbunden sein.

Um zu verhindern, daß die Kugeln die Gewindenuten an drei Punkten berühren, wenn die Kugeln aus dem Muttern-Element entsprechend der relativen axialen Bewegung entfernt werden, wird erfindungsgemäß eine Vertiefung um die Gewindenut des MutternBauteils in Umgebung einer Auslaßöffnung für die Kugeln im Muttern-Bauteil ausgebildet. Wenn die Kugeln die Gewindenuten berühren, wird deshalb stets eine Vierpunktberührung beibehalten. Folglich gleichen sich Reaktionskräfte, die von den Gewindenuten auf die Kugeln einwirken, aus, so daß stabiles Halten der Kugeln gewährleistet ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein axialer Querschnitt eines rücklaufkanalartigen Kugel-Umlaufmechanismus des Standes der Technik;
2 ist ein vergrößerter Querschnitt, der die Umgebung einer Gewindenut des Kugel-Umlaufmechanismus aus 1 im rechten Winkel zur Gewindenut zeigt;
3 ist eine vergrößerte Ansicht eines Endbereiches eines Mutternelementes 2 eines endverschlußartigen Kugel-Umlaufmechanismus des Standes der Technik in axialer Richtung;
4 ist eine Ansicht des Mutternelementes 2 aus 3 in Richtung des Pfeils IV;
5 ist ein Querschnitt ähnlich wie in 2, der den Zustand darstellt, in dem der Mittelpunkt einer Kugel 3 sich in der Position B aus 4 befindet;
6 ist ein Längsquerschnitt einer endverschlußartigen Kugel-Umlaufvorrichtung des Standes der Technik;
7 ist eine Ansicht, die ein Mutternelement 102 eines endverschlußartigen Kugel-Umlaufmechanismus als eine erste Ausführungsform der Erfindung zeigt;
8 ist ein Querschnitt eine Mutternelementes 102 aus 1 entlang der Linie VIII-VIII in Pfeilrichtung;
9 ist eine in axialer Richtung vergrößerte Ansicht eines Endbereichs eines Mutternelementes 202 eines endverschlußartigen Kugel-Umlaufmechanismus, als eine zweite Ausführungsform der Erfindung;
10 ist eine Ansicht des Mutternelementes 202 aus 9 in Pfeilrichtung X, auf ähnliche Weise wie in 7;
11 ist eine Aufsicht auf einen rücklaufkanalartigen Kugel-Umlaufmechanismus, der eine dritte Ausführungsform der Erfindung darstellt;
12 ist ein Querschnitt eines Kugel-Umlaufmechanismus aus 11 entlang der Linie XII-XII in Pfeilrichtung;
13 ist eine dreidimensionale, gedachte Ansicht, die die Umgebung einer Gewindenut eines Mutternelementes 2 in einem rücklaufkanalartigen Kugel-Umlaufmechanismus des Standes der Technik, wie in 1 gezeigt, darstellt; und
14 ist eine dreidimensional gedachte Ansicht, ähnlich wie in 13, die ein Mutternelement 302 in einem rücklaufkanalartigen Kugel-Umlaufmechanismus zeigt, welcher eine dritte Ausführungsform der Erfindung darstellt.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Im Folgenden werden die Ausführungsformen der Erfindung unter Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
7 ist eine Ansicht ähnlich wie 4, die ein Mutternelement 102 eines endverschlußartigen Kugel-Umlaufmechanismus zeigt, der eine erste Ausführungsform der Erfindung darstellt und 8 ist ein Querschnitt durch das Mutternelement 102 entlang der Linie VIII-VIII in Pfeilrichtung. Sowohl in 7 als auch in 8 wird die Form eines Werkzeuges (mit einer halbkugelförmigen Spitze), also eines Kugelkopffräser (BEM), der als Schneidwerkzeug verwendet wird, durch Strichlinien angezeigt. 8 zeigt einen Zustand, bei dem die Kugel 3 in einer Gewindenut 102a des Mutternelementes 102 angeordnet ist.
Das Mutternelement 102 dieser Ausführungsform unterscheidet sich nur in der Form eines Gewindenutendes von dem Mutternelement des Standes der Technik. Insbesondere wurde Schneidarbeit an des Mutternelementes 102 (3) durchgeführt, indem der Kugelkopffräser (BEM) entlang der Mittellinie (einer Spiralkurve) der Gewindenut 102a bewegt wurde (d.h. in einer unter dem Führungswinkel θ geneigten Richtung), bis der Krümmungsmittelpunkt der Spitze des Kugelkopffräsers ausgehend von der Position A die Position C, wie in 7 gezeigt, erreicht. Als Ergebnis der Schneidarbeit ist eine Vertiefung in der Umgebung des Gewindenutendes des Mutternelementes 102 ausgebildet. Der Außendurchmesser der Schneidkante des Kugelkopffräsers (BEM) ist größer als der Außendurchmesser der Kugel 3. Mit anderen Worten wird der Radius der Senkung 102c größer als der Radius der Vertiefung gefertigt.
Unter dem Gesichtspunkt der Bearbeitung ist es vorteilhaft, die Richtung, in der die Achse des Kugelkopffräsers (BEM) verläuft, im rechten Winkel zur Gewindenut 102a einzustellen. Die Gewindenut 102a ist jedoch im Innenumfang des zylindrischen Mutternelementes 102 ausgebildet, so daß dieses Element 102 die sich in diese Richtung bewegende Schneidkante behindert, wodurch die Bearbeitung unmöglich wird. Dementsprechend wird die Spitze des Kugelkopffräsers (BEM) schräg von beiden Seiten des Mutternelementes 102 entlang der Achse der Gewindenut 102a eingeführt, woraus folgt, daß die Bearbeitung der Vertiefung durchgeführt werden kann, ohne einen weiteren Bereich zu fräsen. Der Kugelkopffräser (BEM), der wie oben beschrieben eingeführt wird, ist durch eine Strichlinie in 8 dargestellt.
Wie aus 7 und 8 ersichtlich, enden die Linien N2_TR und N1_TR, die die Ortskurven der Berührungspunkte zwischen der Kugel 3 und dem Mutternelement 102 darstellen, jeweils an den Punkten N2-C' und N1-C'. Deshalb wird die Trennung der Kugel 3 von dem Mutternelement 102 an diesen Punkten gleichzeitig durchgeführt, so daß eine Dreipunktberührung der Kugel 3 und der Gewindenuten vermieden wird. Mit anderen Worten wird die Vorspannung sofort aufgehoben, so daß ein Versagen der Kugelrotation aufgrund unausgeglichener Reaktionskräfte verhindert werden kann.
In der obenbeschriebenen Ausführungsform wird das Ausbilden der Vertiefung unter Verwendung des Kugelkopffräsers so durchgeführt, daß ein Dreipunktekontakt der Kugel und der Gewindenuten vermieden wird, wodurch bewirkt wird, daß die Vorspannung sofort aufgehoben ist. Das Ausbilden der Vertiefung muß über eine relativ lange Strecke durchgeführt werden. Eine zweite unten beschriebene Ausführungsform kann dieses Problem lösen.
9 ist eine in axialer Richtung vergrößerte Ansicht eines Endbereiches eines Mutternelementes 202 eines endverschlußartigen Kugel-Umlaufmechanismus, der eine zweite Ausführungsform der Erfindung darstellt, und 10 ist eine Ansicht des Mutternelementes 202 aus 9 in Pfeilrichtung X in ähnlicher Weise wie in 7. Sowohl in 9 als auch in 10 wird die Gestalt eines Werkzeuges (mit einer halbkugelförmigen Spitze), also eines Kugelkopffräsers (BEM), der als ein Schneidwerkzeug verwendet wird, durch Strichlinien angezeigt. 9 zeigt ferner einen Zustand, in dem die Kugel 3 in einer Gewindenut 202a des Mutternelementes 202 angeordnet ist.
Das Mutternelement 202 unterscheidet sich in dieser Ausführungsform nur in der Gestalt eines Endbereiches von dem Mutternelement der oben beschriebenen Ausführungsform. Insbesondere, wie in 10 ersichtlich, ist ein Schrittbereich 202d in der Umgebung eines Endbereiches der Gewindenut 202a des Elementes 202 ausgebildet. Angenommen, daß die Endfläche des Stufenabschnittes 202d des Elementes 202 sich über den gesamten Umfang des Mutternelementes erstreckt, wird die Linie N2_TR am Punkt N2-C' auf dieselbe Weise wie beim Mechanismus des Standes der Technik zu dem Zeitpunkt unterbrochen, wenn der Mittelpunkt der Kugel 3 die Position C passiert. Im Gegensatz dazu erstreckt sich die Linie N1_TR weiter als die Linie N2_TR, um sich bis zum Punkt N1-A fortzusetzen.
Deshalb ist der Schrittbereich 202d in der Umgebung des Außenendes (der Bereich, wo keine Flanke in einer Seite ausgebildet ist) eines Endbereiches der Gewindenut 202a des Mutternelementes 202 angeordnet, wodurch die Linie N2_TR verlängert wird (oder die Linie N1_TR relativ verkürzt). Darüber hinaus ist die mit Hilfe eines Kugelkopffräsers (BEM) ausgebildete Vertiefung 202c von der Position B bis zur Position C angeordnet. Diese Anordnung kann bewirken, daß die Linien N2_TR und N1_TR, die die Ortskurven der Berührungspunkte zwischen der Kugel 3 und der Gewindenut 202a des Mutternelementes 202 sind, an den Punkten N2-C' und N1-C' jeweils enden können und daß es für die mit Hilfe des Kugelfräsers (BEM) ausgebildete Vertiefung ausreichend ist, über eine relativ kurze Strecke angeordnet zu werden.
Wenn die Strecke zwischen dem Nutgrund des Mutternelementes 202 und den Berührungspunkten N1 und N2 mit E und der Führungswinkel der Gewindenut 202a mit θ be zeichnet wird, wird die Höhe S des Stufenabschnittes 202d von der Endfläche des Mutternelementes 202 so eingestellt, daß sie der Beziehung S ≥ Ecosθ genügt.
Als nächstes wird ein rücklaufkanalartiger Kugel-Umlaufmechanismus, der eine dritte Ausführungsform der Erfindung darstellt, unter Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. 11 ist eine Aufsicht auf den rücklaufkanalartigen Kugel-Umlaufmechanismus und 12 ist ein Querschnitt des Kugel-Umlaufmechanismus aus 11 entlang der Linie XII-XII in Richtung der Pfeile.
Zunächst wird die Anordnung der Umgebung einer Kugel-Rücklaufleitung unter Bezug auf die 11 und 12 beschrieben. In diesen Figuren ist eine Spindel 1 ein Wellen-Bauteil, das in der Außenfläche eine Gewindenut 1a mit einer Querschnittsgestalt, wie ein gotischer Bogen, aufweist. Ein Mutternelement 302 ist ein zylindrisches Bauteil, das in der Innenfläche eine Gewindenut 302a entsprechend der Gewindenut 1a der Spindel besitzt. Ein flacher Bereich 302e ist in einem Teil des Außenumfanges und zwei Bohrungen 302p sind im flachen Bereich 302 ausgebildet, um sich zu den Teilen der Gewindenut 302a hin zu öffnen und mit diesen in Verbindung zu stehen. Enden einer U-förmigen Kugel-Rücklaufleitung 4 sind paßgerecht in die Löcher des Mutternelementes 302 jeweils eingesetzt. Der Kugel-Rücklaufkanal 4 wird mit dem flachen Bereich 302e des Mutternelementes 302 mit Hilfe von Einstellschrauben 5 über eine Befestigungsplatte 6 befestigt.
Die Spindel 1 wird durch die Öffnung des Mutternelementes 302 so geführt, daß die Gewindenut 1a der Spindel gegenüber den Gewindenuten 302a des Mutternelementes 302 liegt. Eine Anzahl von Kugeln sind rotierbar in einer Kugel-Rücklaufbahn angeordnet, die durch die Kugel-Rücklaufleitung 4 ausgebildet ist und ebenso in den Gewindenuten zwischen den Enden der Kugel-Rücklaufbahn. Die Kugeln 3 sind fest in die Gewindenut 302a des Mutternelementes 302 und die Gewindenut 1a der Spindel 1 eingepaßt. Das Mutternelement 302 und die Spindel 1 können eine relative, spiralförmige Bewegung in axialer Richtung durch Rotation der Kugeln 3 ausführen. Die relative Spiralbewegung des Mutternelementes 302 und der Spindel 1 bewirkt, daß die Kugeln 3 den Rücklauf wiederholen, bei dem die Kugeln sich rotierend entlang der Gewindenuten 1a und 302a bewegen, aus den Gewindenuten 1a und 302a aufgeschöpft werden, während sie mit Hilfe eines Zungenbereiches 4a geführt werden, der an einem Endbereich der Kugel-Rücklaufleitung 4 ausgebildet ist, um in die Rücklaufleitung 4 geleitet zu werden, durch die Leitung zu laufen und schließlich den Gewindenuten 1a und 302a über das andere Ende der Leitung wieder zugeführt zu werden.
13 ist eine dreidimensionale, gedachte Ansicht, die die Umgebung der Gewindenut des Mutternelementes 2 im rücklaufkanalartigen Kugel-Umlaufmechanismus des Standes der Technik, wie in 1 gezeigt, darstellt. In 13 bezeichnet ferner Ns1 eine Querschnittsoberfläche, die durch Schneiden des Mutternelementes 2 entlang einer Ebene, die eine Gerade im rechten Winkel zur Rotationsachse des Mutternelementes 2 enthält, definiert wird, Ns2 bezeichnet eine Querschnittsoberfläche, die durch Schneiden des Mutternelementes entlang einer vertikalen Ebene definiert wird, Ns3 bezeichnet eine Querschnittsoberfläche, die durch Schneiden des Mutternelementes 2 entlang einer horizontalen Fläche definiert wird, 2h bezeichnet einen Teil des Außenumfangs des Elementes 2, und 2a' bezeichnet einen Teil der angrenzenden Gewindenut 2a.
Es ist allerdings zu beachten, daß, um das Verständnis der inneren Gestalt des Mutternelementes zu erleichtern, 13 und 14, die später beschrieben werden, die Gewindenut und die anderen Bauteile von außen gesehen zeigen, wobei die anderen Komponenten durchsichtig dargestellt sind, und es ist weiter zu beachten, daß sie nicht die tatsächlich sichtbare Gestalt zeigen.
In dem so aufgebauten Mutternelement sind die Bohrungen für die Montage der Rücklaufleitung auf die folgende Weise ausgebildet. Zunächst ist eine zylindrische Bohrung 2f, die sich von der oberen Fläche 2c zur Gewindenut 2a erstreckt, vertikal durch einen Schneidvorgang unter Verwendung eines Stirnkopffräsers (nicht gezeigt) mit einem zylindrischen Kopf ausgebildet. Anschließend wird eine Montagebohrung 2g um die zylindrische Bohrung 2f ausgebildet. Alternativ kann die Montagebohrung 2g zuerst und dann die zylindrische Bohrung 2f ausgebildet werden.
Bei einem Kugel-Umlaufmechanismus, welcher das so aufgebaute Mutternelement des Standes der Technik verwendet, ist die Linie N2_TR am Punkt N2-C unterbrochen, aber die Linie N1_TR erstreckt sich weiter bis zum Punkt N1-A. Bei einem solchen Aufbau entsteht das Problem der Dreipunkteberührung zwischen einer Kugel und den Gewindenuten und kann ein Versagen der Kugelrotation auftreten.
14 ist eine dreidimensional gedachte Ansicht, ähnlich wie 13, die als eine dritte Ausführungsform der Erfindung das Mutternelement 302 im rücklaufkanalartigen Kugel-Umlaufmechanismus zeigt. In dem so aufgebauten Mutternelement 302 sind Bohrungen für die Montage der Rücklaufleitung auf folgende Weise ausgebildet. Zunächst ist eine zylindrische Bohrung 302f, die sich von der oberen Fläche bis zur Gewindenut 302a erstreckt und eine halbkugelförmige Vertiefung 302 am unteren Ende aufweist, vertikal mit Hilfe eines Schneidvorganges ausgebildet, bei dem ein Kugelkopffräser (nicht gezeigt) mit einer halbkugelförmigen Spitze verwendet wird, deren Durchmesser größer als der Außendurchmesser der Kugel ist. Anschließend wird eine Montagebohrung 302g um die zylindrische Bohrung 302f ausgebildet. Alternativ kann die Montagebohrung 302g zuerst und dann die zylindrische Bohrung 302f ausgebildet werden.
Aufgrund der halbkugelförmigen Vertiefung 302h enden die Linien N2_TR und N1_TR, die die Ortskurven der Berührungspunkte zwischen der Kugel (nicht gezeigt) und dem Mutternelement 302 darstellen, jeweils an den Punkten N2-C und N1-C, wie aus 14 ersichtlich. Deshalb wird die Trennung der Kugel von diesen Punkten des Mutternelementes 302 gleichzeitig durchgeführt, so daß eine Dreipunkteberührung der Kugel und der Gewindenuten vermieden wird. Deshalb kann ein Versagen der Kugelrotation aufgrund ausgeglichener Reaktionskräfte vermieden werden.
In den beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung ist z.B. die Vertiefung mit Hilfe eines Kugelkopffräsers ausgebildet worden. Ungeachtet des jeweiligen Formgebungsverfahrens können die Wirkungen der Erfindung erzielt werden, solange die Vertiefung ausgebildet wird.
Um zu verhindern, daß die Kugeln die Gewindenuten des Muttern-Elementes und der Spindel an drei Punkten berühren, wenn die Kugeln aus einem Muttern-Element entsprechend einer relativen Axialbewegung des Muttern-Elementes und einer Spindel entfernt werden, ist erfindungsgemäß eine Vertiefung um die Gewindenut des Muttern-Elementes in der Umgebung einer Auslaßöffnung für die Kugeln im Muttern-Element ausgebildet. Wenn die Kugeln die Gewindenuten berühren, wird deshalb immer eine Vierpunkteberührung beibehalten. Folglich gleichen Reaktionskräfte, die von den Gewin denuten auf die Kugeln einwirken, einander aus, so daß stabiles Halten der Kugeln gewährleistet ist.
Da die Vorspannung sofort in der Umgebung der Kugel-Auslaßöffnung im Muttern-Bauteil aufgehoben wird, kann ein stabiler Betrieb erreicht werden, bei dem die Kugeln die Gewindenuten nicht angreifen.

Claims

Kugelumlaufmechanismus mit – einer Spindel (1), an deren Außenumfangsfläche eine Gewindenut (1a) ausgebildet ist, – einem Mutternelement (102, 202, 302), das relativ zu der Spindel (1) in deren axialen Richtung beweglich ist und an deren Innenumfangsfläche eine Gewindenut (102a, 202a, 302a) ausgebildet ist, die der Gewindenut (1a) der Spindel (1) gegenüber angeordnet ist, – einer Anzahl von Kugeln (3), die drehbeweglich entlang einer Laufbahn vorgesehen sind, die aus den gegenüber angeordneten Gewindenuten (1a, 102a, 202a, 302a) der Spindel (1) und des Mutternelementes (102, 202, 302) gebildet ist, wobei die Laufbahn derart ausgebildet ist, dass die Kugeln (3) die Gewindenut (1a) der Spindel (1) und die Gewindenut (102a, 202a, 302a) des Mutternelementes (102, 202, 302) jeweils an zwei Punkten kontaktieren, und – einer Kugelrückführeinheit für die Rückführung der Kugeln (3) über eine Auslassöffnung zu einer Einlassöffnung der Laufbahn, wobei ein Rücklaufdurchgang mit der Laufbahn gebildet ist, gekennzeichnet durch eine Vertiefung (102c, 202c), die um die Gewindenut (102a, 202a, 302a) des Mutternelementes (102, 202, 302) im Bereich der Auslassöffnung ausgebildet ist, die verhindert, dass die Kugeln (3) die Gewindenuten (1a, 102a, 202a, 302a) an drei Punkten berühren, wenn die Kugeln (3) aus der Laufbahn entsprechend der axialen Relativbewegung zwischen dem Mutternelement (102, 202, 302) und der Spindel (1) abgeführt werden.
Kugelumlaufmechanismus nach Anspruch 1, bei dem die Vertiefung (102c, 202c) einen Krümmungsradius aufweist, der größer als der Radius jeder Kugel (3) ist.
Kugelumlaufmechanismus nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kugelrückführeinheit eine Durchgangsbohrung (12) umfasst, die sich in axialer Richtung des Mutternelementes erstreckt, und Endverschlüsse (11), die an beide Endflächen des Mutternelementes (102, 202) montiert sind und jeweils einen gekrümmten Kanal (13) aufweisen, durch den die Durchgangsbohrung (12) mit der Laufbahn in Verbindung steht.
Kugelumlaufmechanismus nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Mutternelement (202) ferner einen Stufenabschnitt (202d) umfasst, der im Bereich der Auslassöffnung ausgebildet und gegenüber der Vertiefung (202c) bezüglich der jeweiligen Kugel (3) angeordnet ist.
Kugelumlaufmechanismus nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Kugeln (3) mit einer Vorspannung zwischen den gegenüber angeordneten Gewindenuten (1a, 102a, 202a, 302a) der Spindel (1) und des Mutternelementes beaufschlagt sind und diese Vorspannung (102, 202, 302) aufgehoben ist, wenn die Kugeln (3) die Vertiefung (102c, 202c) passieren.
Kugelumlaufmechanismus nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Mutternelement (302) als zylindrisches Bauteil mit einem abgeflachten Bereich (302e) und zwei Bohrungen (302p) ausgebildet ist, die in dem abgeflachten Bereich (302c) vorgesehen sind, wobei die Bohrungen (302p) zur Gewindenut (302a) des Mutternelementes hin geöffnet sind, so dass die Bohrungen (302p) mit der Gewindenut (302a) in Verbindung (302) stehen, die Kugelrückführeinheit eine Kugelrücklaufleitung (4) umfasst, die mit einem Ende mit der Auslassöffnung und mit dem anderen Ende mit der Einlassöffnung in Verbindung steht, und die Kugelrücklaufleitung an dem abgeflachten Bereich (302c) des Mutternelementes (302) befestigt ist.
Kugelumlaufmechanismus mit Endverschluss aufweisend – eine Spindel (1), in deren Außenumfangsfläche eine Gewindenut (1a) ausgebildet ist, – ein Mutternelement (102, 202), in deren Innenumfangsfläche eine Gewindenut (102a, 202a) ausgebildet ist die der Gewindenut (1a) der Spindel (1) gegenüber angeordnet ist, wobei in einem materialstarken Bereich des Mutternelementes ein Kugelrückführdurchgang vorgesehen ist, der aus einer axialen Durchgangbohrung (12) besteht und – ein Kugelrücklaufelement mit einem gekrümmten Kanal, durch den die Gewindenuten (1a, 102a, 202a) mit dem Kugelrückführdurchgang in Verbindung stehen, wobei das Kugelrücklaufelement mit den Endflächen des Mutternelementes verbunden ist, und – einer Anzahl von Kugeln (3), die drehbeweglich und durch die in Gegenüberstellung angeordneten Gewindenuten (1a, 102a, 202a), den Kugelrückführdurchgang und den Krümmungskanal rückführbar angeordnet sind, wobei die Kugeln die Gewindenuten (1a, 102a, 202a) jeweils an zwei Punkten berühren und mit einer Vorspannung beaufschlagt sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vertiefung (102c, 202c) um die Gewindenut (102a, 202a) im Bereich einer Auslassöffnung des Mutternelementes (102, 202) ausgebildet ist, wodurch die Vorspannung beim Austritt der Kugeln (3) aus der Auslassöffnung unmittelbar aufgehoben ist.