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Die
Erfindung betrifft einen Spindelantrieb mit Antriebselementen in
Form einer Spindel und einer darauf aufsitzenden Spindelmutter sowie
mit wenigstens einem Wälzkörper, der
zwischen der Spindel und der Spindelmutter angeordnet ist und einen den
oder die Wälzkörper lagernden
Wälzkörperkäfig mit
einer Käfigführung aufweist,
wobei die Spindel und die Spindelmutter relativ zueinander und der oder
die Wälzkörper und
der Wälzkörperkäfig relativ zu
der Spindel und der Spindelmutter in Umfangsrichtung um eine Spindeltriebachse
drehbar und in axialer Richtung in Richtung der Spindeltriebachse verlagerbar
sind und dabei der oder die Wälzkörper spindelseitig
und spindelmuttersei tig auf einer wendelartig in Richtung der Spindeltriebachse
verlaufenden Führungsbahn
abrollen und wobei die Käfigführung zur
Führung
des Wälzkörperkäfigs gegenüber der
Spindel und der Spindelmutter eine spindelseitige Führungseinheit
sowie eine spindelmutterseitige Führungseinheit jeweils mit einem
käfigseitigen
Führungselement
sowie einem antriebselementseitigen Führungselement umfasst, von
denen das eine als Führungskurve
und das andere als Kurvenfolger ausgebildet ist, wobei die Führungskurven
der Führungseinheiten
zueinander gegensinnig verlaufen und das antriebselementseitige
Führungselement
der ersten Führungseinheit
der Käfigführung als
einseitig bewegungsgekoppeltes Führungselement
mit seinem Bewegungszustand dem Bewegungszustand des zugeordneten
Antriebselementes in Umfangsrichtung sowie in axialer Richtung entspricht.
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An
Spindelantrieben der beschriebenen Art dienen die Wälzkörper zwischen
der Spindel und der Spindelmutter zur Minimierung der bei der Relativbewegung
von Spindel und Spindelmutter wirksamen Reibung. Insbesondere bei Übertragung
großer
Kräfte
und bei häufiger
Umkehrung der Antriebsrichtung können
sich undefinierte Bewegungen der auf einer spindelseitigen sowie
einer spindelmutterseitigen Führungsbahn
abrollenden Wälzkörper ergeben. Etwa
infolge von bei der Abrollbewegung auftretendem Schlupf gelangen
Wälzkörper nach
einer gewissen Betriebsdauer des betreffenden Spindelantriebes in
Positionen, bei denen sie die ihnen zugedachte Funktion nicht mehr
oder nicht mehr hinrei chend übernehmen
können.
Schäden
an dem Spindelantrieb sind eine mögliche Folge.
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Zur
Vermeidung irregulärer
Bewegungen und Positionen der Wälzkörper werden
bekanntermaßen
Wälzkörperkäfige eingesetzt,
welche die Wälzkörper lagern
und ihrerseits an der Spindel sowie an der Spindelmutter des Spindelantriebes
geführt
sind.
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Ein
derartiger Spindelantrieb mit den eingangs genannten Merkmalen ist
in
US 2,690,683 A (
14,
15) offenbart.
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Im
Falle des Standes der Technik ist als Wälzkörperkäfig ein Kugelkäfig vorgesehen,
der Kugeln in Langlöchern
lagert. Die längere
Achse der Langlöcher
verläuft
in Richtung der Spindeltriebachse. Zumindest in dieser Richtung
besitzen die Langlöcher
ein Übermaß gegenüber den
von ihnen aufzunehmenden Kugeln. Damit einher geht ein Spiel zwischen
den Kugeln einerseits und dem Kugelkäfig andererseits. Ungeachtet
der außerdem
vorgesehenen Käfigführung sind
aufgrund des genannten Spieles bei Betrieb des Spindelantriebes
unkontrollierte und die Funktionsfähigkeit der Gesamtanordnung
gefährdende
Bewegungen der Kugeln in erheblichem Ausmaß möglich. Die vorbekannte Käfigführung umfasst Führungsleisten
an Spindel und Spindelmutter sowie Führungsnuten, die an dem Kugelkäfig zur
Aufnahme der Führungsleisten
vorgesehen sind.
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Eine
möglichst
umfassend definierte Bewegung der Wälzkörper gattungsgemäßer Spindelantriebe
zu gewährleisten,
hat sich die vorliegende Erfindung zum Ziel gesetzt.
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Erfindungsgemäß gelöst wird
diese Aufgabe durch den Spindelantrieb gemäß Anspruch 1. Im Falle der
Erfindung ist demnach die Lagerung des oder der Wälzkörper durch
den Wälzkörperkäfig allseitig im
Wesentlichen spielfrei. Unkontrollierte Wälzkörperbewegungen gegenüber dem
Wälzkörperkäfig werden
dadurch in sämtlichen
Richtungen der Wälzkörperlagerung
verhindert. Gleichzeitig wird der Wälzkörperkäfig wirksam geführt. Zu
diesem Zweck vorgesehen sind antriebselementseitige, d.h. der Spindel
und der Spindelmutter zugeordnete Führungselemente, die mit Führungselementen
an dem Wälzkörperkäfig zusammenwirken.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Führungskonfiguration
verlagern sich die antriebselementseitigen Führungselemente der Käfigführung einerseits
und die käfigseitigen Führungselemente
der Käfigführung andererseits
bei Betrieb des Spindelantriebes aufeinander abgestimmt. Diese bewegungsmäßige Abstimmung
bewirkt, dass während
der gesamten Relativbewegung von Spindel und Spindelmutter eine
wirksame Zwangsführung
des Wälzkörperkäfigs und
somit auch eine wirksame Zwangsführung
der an diesem spielfrei gelagerten Wälzkörper sichergestellt ist. Undefinierte
Wälzkörperbewegungen
sind weitestgehend ausgeschlossen.
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Besondere
Ausführungsarten
des Spindelantriebes nach Anspruch 1 ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen 2 bis
9.
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Ausweislich
Anspruch 2 sind in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung die Spindel
und die Spindelmutter des Spindelantriebes gegeneinander vorgespannt.
Auch eine derartige Vorspannung leistet einen Beitrag zur Gewährleistung
einer stets definierten Wälzkörperbewegung.
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Die
Ansprüche
3 und 4 beschreiben Erfindungsbauarten, im Falle derer die Kopplung
der Bewegungen der antriebselementseitigen Führungselemente mit den Bewegungen
der Antriebselemente auf konstruktiv einfache Art und Weise bewerkstelligt ist.
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Ebenfalls
aus konstruktiven bzw. fertigungstechnischen Gründen empfiehlt es sich, das
zweiseitig bewegungsgekoppelte Führungselement
an einer mit dem zugeordneten Antriebselement koaxialen Hülse anzubringen
(Anspruch 5).
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Anspruch
6 betrifft eine Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Spindelantriebes,
der sich durch eine flexible Betriebsweise auszeichnet. Aufgrund
der anspruchsgemäßen, in
axialer Richtung wirksamen Verbindung zwischen dem zweiseitig bewegungsgekoppelten
Führungselement
und dem mit diesem bezüglich
der Bewegung in axialer Richtung bewegungsgekoppelten Antriebselement
ist eine Übertragung
des in axialer Richtung gegebenen Bewegungszustandes des genannten
Antriebselementes auf das zweiseitig bewegungsgekoppelte Führungselement
unabhängig
davon möglich,
welches der Antriebselemente bei Betrieb des Spindelantriebes in
Richtung der Spindeltriebachse bewegt wird.
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Eine
weitere in konstruktiver bzw. fertigungstechnischer Hinsicht vorteilhafte
Erfindungsbauart ergibt sich aus Anspruch 7.
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Der
erfindungsgemäße Spindelantrieb
nach Anspruch 8 zeichnet sich überdies
durch eine kompakte Bauweise aus.
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Anspruch
9 schließlich
beschreibt eine Ausführungsform
der Erfindung, im Falle derer der Kurvenfolger wenigstens einer
Führungseinheit
der Käfigführung auf
besonders einfache Art und Weise, nämlich als Führungsstift, gestaltet ist.
Die Verwendung eines stiftartigen und somit verhältnismäßig wenig lastaufnahmefähigen Führungselementes
wird nicht zuletzt durch die allseitig im Wesentlichen spielfreie
Lagerung der Wälzkörper an
dem Wälzkörperkäfig ermöglicht.
Infolge der im Wesentlichen spielfreien Anordnung der Wälzkörper in
dem Wälzkörperkäfig wird
dieser bei der Relativbewegung von Spindel und Spindelmutter weitgehend
durch die Wälzkörper geführt. Die
erfindungsgemäß vorgesehenen
antriebselementseitigen Führungseinheiten treten
in erster Linie dann in Funktion, wenn die durch die Wälzkörper bewirkte
Führung
des Wälzkörperkäfigs infolge
von einsetzenden undefinierten Wälzkörperbewegungen
nicht funktionsgerecht ist. Die Führungsfunktion der antriebselementseitigen
Führungseinheiten
und somit auch die Führungsfunktion
des oder in Anspruch 9 genannten Führungsstifte kann sich dementsprechend
auf korrigierende Eingriffe beschränken.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand der schematischen Darstellung eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert.
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Die
Darstellung zeigt einen Spindelantrieb 1 mit Antriebselementen
in Form einer Spindel 2 sowie einer darauf aufsitzenden
Spindelmutter 3. Der Spindelantrieb 1 kann beispielsweise
als Stanzantrieb an einer Stanzmaschine eingesetzt werden.
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Die
Spindel 2 ist mit einer gewindeartigen Führungsbahn 4,
die Spindelmutter 3 mit einer gewindeartigen Führungsbahn 5 versehen.
Beide Führungsbahnen 4, 5 verlaufen
wendelförmig
in Richtung einer Spindeltriebachse 6. Die Spindel 2 und
die Spindelmutter 3 sind gegeneinander vorgespannt.
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Zwischen
der Spindel 2 und der Spindelmutter 3 ist als
Wälzkörperkäfig ein
Kugelkäfig 7 angeordnet.
Dieser ist rohrartig ausgebildet und mit Kugelaufnahmen 8 versehen.
Jede der Kugelaufnahmen 8 lagert einen Wälzkörper in
Form einer Kugel 9. Der Einfachheit halber ist in der Zeichnung
nur ein Teil der Kugeln 9 dargestellt. Die Kugeln 9 liegen
einerseits auf der gewindeartigen Führungsbahn 4 der Spindel 2 und
andererseits auf der gewindeartigen Führungsbahn 5 der Spindelmutter 3 auf.
In den Kugelaufnahmen 8 sind die Kugeln 9 in axialer
Richtung sowie in Richtung um die Spindeltriebachse 6 allseitig
spielfrei gelagert.
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An
dem Kugelkäfig 7 sind
außerdem
Führungsschlitze 10, 11 vorgesehen.
Der Führungsschlitz 10 wird
beidseits von jeweils einer Führungskurve 12,
der Führungsschlitz 11 von
jeweils einer Führungskurve 13 begrenzt.
Die Führungsschlitze 10, 11 bzw.
die Führungskurven 12, 13 verlaufen wendelartig
und dabei gegensinnig in Richtung der Spindeltriebachse 6.
Die Führungskurven 12, 13 bilden
käfigseitige
Führungselemente.
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In
den Führungsschlitz 10 greift
passgenau ein Führungsstift 14 ein.
Dieser ist fest mit einer Hülse 15 verbunden,
die ihrerseits auf der Spindel 2 aufsitzt und dort mittels
einer Passfeder 16 drehfest gelagert ist. In Richtung der
Spindeltriebachse 6 sind die Spindel 2 und die
Hülse 5 relativ
zueinander verschiebbar.
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Mit
der Spindelmutter 3 überlappt
die Hülse 15 in
Richtung der Spindeltriebachse 6. In dem Bereich der gegenseitigen Überlappung
sind die Spindelmutter 3 und die Hülse 15 in Richtung
der Spindeltriebachse 6 wirksam miteinander verbunden und
relativ zueinander um die Spindeltriebachse 6 drehbar gelagert.
Als Drehlager ist dabei ein Rillenkugellager 17 vorgesehen.
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Der
Führungsstift 14 an
der Hülse 15 und
die Führungskurven 12 an
dem Kugelkäfig 7 bilden
eine spindelseitige Führungseinheit 18.
Entsprechend bildet ein in den Führungsschlitz 11 eingreifender
Führungsstift 19 gemeinsam
mit den Führungskurven 13 an
dem Führungsschlitz 11 eine
spindelmutterseitige Führungsein heit 20.
Der Führungsstift 19 ist
dabei fest mit der Spindelmutter 3 verbunden. Sowohl die spindelseitige
Führungseinheit 18 als
auch die spindelmutterseitige Führungseinheit 20 wären mit
lediglich einer Führungskurve 12, 13 funktionsfähig. Die Führungsstifte 14, 19 dienen
als antriebselementseitige Führungselemente.
Im Zusammenwirken mit den gegenläufigen
Führungskurven 12, 13 sorgen sie
für eine
Zwangsführung
des Kugelkäfigs 7 und somit
auch der an diesem spielfrei abgestützten Kugeln 9.
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In
dem gezeigten Beispielsfall ist die Spindelmutter 3 mittels
eines nicht gezeigten Elektromotors in Umfangsrichtung um die Spindeltriebachse 6 antreibbar.
In Richtung der Spindeltriebachse 6 ist die Spindelmutter 3 ortsunveränderlich.
Ihre Drehrichtung ist umkehrbar. Die Drehrichtungen der Spindelmutter 3 werden
durch Pfeile 21, 22 veranschaulicht.
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Die
Spindel 2 des Ausführungsbeispiels
ist mittels einer gleichfalls nicht gezeigten Verdrehsicherung gegen
Drehung um die Spindeltriebachse 6 fixiert und gleichzeitig
mittels der umlaufenden Spindelmutter 3 in axialer Richtung,
d.h. in Richtung der Spindeltriebachse 6, verlagerbar.
Pfeile 23, 24 symbolisieren die Bewegungsrichtungen
der Spindel 2.
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Wird
ausgehend von den dargestellten Verhältnissen die Spindelmutter 3 in
Richtung des Pfeils 21 angetrieben, so verlagert sich die
Spindel 2 in Richtung des Pfeils 24. Bei der Relativ bewegung
von Spindelmutter 3 und Spindel 2 rollen die Kugeln 9 einerseits
auf der gewindeartigen Führungsbahn 4 der Spindel 2 und
andererseits auf der gewindeartigen Führungsbahn 5 der Spindelmutter 3 ab.
Die Kugeln 9 nehmen dabei den sie spielfrei umgebenden
Kugelkäfig 7 mit.
Durch die Abrollbewegung der Kugeln 9 wird die Drehgeschwindigkeit
der Spindelmutter 3 in eine Drehgeschwindigkeit des Kugelkäfigs 7 umgesetzt,
die betragsmäßig halb
so groß ist
wie die Drehgeschwindigkeit der Spindelmutter 3.
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Infolge
der Drehbewegungen der in axialer Richtung ortsfesten Spindelmutter 3 sowie
des Kugelkäfigs 7 gegenüber der
drehfest angeordneten Spindel 2 ergibt sich eine axiale
Verlagerung der Spindel 2 in Richtung des Pfeils 24 sowohl
gegenüber
der Spindelmutter 3 als auch gegenüber dem Kugelkäfig 7.
Aufgrund der unterschiedlichen Drehgeschwindigkeiten der Spindelmutter 3 und
des Kugelkäfigs 7 verlagert
sich die Spindel 2 gegenüber der Spindelmutter 3 in
Richtung des Pfeils 24 doppelt so schnell wie gegenüber dem
Kugelkäfig 7.
Außerdem verlagert
sich der Kugelkäfig 7 gegenüber der
Spindelmutter 3 in Richtung des Pfeils 24. Die
Geschwindigkeit der axialen Verlagerung des Kugelkäfigs 7 gegenüber der
Spindelmutter 3 entspricht der Geschwindigkeit der gleichgerichteten
Verlagerung der Spindel 2 gegenüber dem Kugelkäfig 7.
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Damit
die beschriebenen Relativbewegungen ausführbar sind und dabei eine wirksame
Führung
des Kugelkäfigs 7 und
der Kugeln 9 durch die Führungseinheiten 18, 20 erhalten
bleibt, sind die Steigungen der Führungskurven 12, 13 an
dem Kugelkäfig 7 auf
die Steigung der Führungsbahn 4 an der
Spindel 2 sowie auf die damit übereinstimmende Steigung der
Führungsbahn 5 an
der Spindelmutter 3 abgestimmt. Im gezeigten Beispielsfall
verlaufen die Führungskurven 12, 13 an
dem Kugelkäfig 7 dementsprechend
zwar gegensinnig, aber beide mit derselben Steigung wie die Führungsbahnen 4, 5 an
der Spindel 2 sowie an der Spindelmutter 3.
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Der
Bewegungszustand des einen, nämlich des
Führungsstiftes 19,
entspricht aufgrund der festen Verbindung mit der Spindelmutter 3 deren
Bewegungszustand sowohl in Umfangsrichtung um die Spindeltriebachse 6 als
auch axial in Richtung der Spindeltriebachse 6. Der andere,
nämlich
der Führungsstift 14,
befindet sich in Umfangsrichtung um die Spindeltriebachse 6 in
demselben Bewegungszustand wie die Spindel 2, mit welcher
er über
die Hülse 15 und
die Passfeder 16 drehfest verbunden ist. In axialer Richtung
stimmt der Bewegungszustand des Führungsstiftes 14 mit
dem Bewegungszustand der Spindelmutter 3 überein.
Hierfür
sorgt die in axialer Richtung wirksame Lagerung der mit dem Führungsstift 14 versehenen
Hülse 15 an
der im gezeigten Beispielsfall axial ortsunveränderlichen Spindelmutter 3. Den
genannten Bewegungszuständen
beider Antriebselemente kann der Bewegungszustand des Führungsstiftes 14 deshalb
entsprechen, weil der Füh rungsstift 14 aufgrund
der relativen Axialverschieblichkeit der Spindel 2 einerseits
sowie der mit dem Führungsstift 14 versehenen
Hülse 15 andererseits
von der Axialbewegung der Spindel 2 entkoppelt ist. Alles
in allem ist der Führungsstift 14 mit
beiden Antriebselementen, also zweiseitig bewegungsgekoppelt, während der
Führungsstift 19 nur
mit einem Antriebselement und somit einseitig bewegungsgekoppelt
ist.
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Den
vorstehend beschriebenen Abläufen entsprechende
Verhältnisse
ergeben sich im Falle von Betriebsweisen des Spindelantriebes 1,
die von der vorstehenden Betriebsweise abweichen.
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Wird
die Spindel 2 um die Spindeltriebachse 6 angetrieben
und in Richtung der Spindeltriebachse 6 ortsunveränderlich
gelagert und ist gleichzeitig die Spindelmutter 3 in Umfangsrichtung
um die Spindeltriebachse 6 drehfest, aber in Richtung der
Spindeltriebachse 6 verlagerbar, so entspricht nach wie
vor der Bewegungszustand des Führungsstiftes 19 dem Bewegungszustand
der Spindelmutter 3 sowohl in Umfangsrichtung als auch
in axialer Richtung. Der Bewegungszustand des Führungsstiftes 14 stimmt auch
in diesem Fall in axialer Richtung mit dem Bewegungszustand der
Spindelmutter 3 und in Umfangsrichtung mit dem Bewegungszustand
der Spindel 2 überein.
Im Zusammenwirken mit den sich gemeinschaftlich mit dem Kugelkäfig 7 relativ
zu der Spindel 2 sowie relativ zu der Spindelmutter 3 bewegenden
Führungskurven 12, 13 ergibt
sich eine wirksame Zwangsführung
des Kugelkäfigs 7 sowie
der Kugeln 9. In gleicher Weise stellen sich die Verhältnisse
dar, wenn sowohl die Spindel 2 als auch die Spindelmutter 3 jeweils
eine Drehbewegung um die Spindeltriebachse 6 sowie eine
lineare Bewegung in Richtung der Spindeltriebachse 6 ausführen.
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Die
Montage des Spindelantriebes 1 gestaltet sich ausgesprochen
einfach. Die einzelnen Antriebskomponenten sind zu diesem Zweck
von innen nach außen
aufeinander aufzubringen. Sind die Spindelmutter 3 und
die Hülse 15 mit
entsprechenden Durchtritten versehen, so lassen sich die Führungsstifte 14, 19 nach
dem Aufbringen der Spindelmutter 3 und der Hülse 15 auf
den Kugelkäfig 7 durch diese
Durchtritte hindurch jeweils mit einem Stiftende in den zugeordneten
Führungsschlitz 10, 11 an
dem Kugelkäfig 7 einstecken.
Zuvor sind lediglich noch die Spindelmutter 3 und die Hülse 15 gegenüber dem Kugelkäfig 7 in
Umfangsrichtung entsprechend auszurichten.