DE2061101A1

DE2061101A1 - Drehantrieb mit kugelgelagerter Schubmutter

Info

Publication number: DE2061101A1
Application number: DE19702061101
Authority: DE
Inventors: Akira Suzuki; Tamaki Tomita
Original assignee: Toyoda Koki KK
Current assignee: Toyoda Koki KK
Priority date: 1969-12-13
Filing date: 1970-12-11
Publication date: 1971-06-16
Also published as: DE2061101B2; CA922129A; JPS4819828B1; FR2073145A5; GB1326588A

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. R Weickmänn,

BlPt,-iN'G. Η» WeI-CKMANN, DIPL.-PhYS. D&. K-FlNCKE·

Dipl.-Ing. F. A-Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

20611Of

8 MÜNCHEN 86, DEN POSTFACH 860 820

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 4839 21/22 - SAHA <98 3921/22>

ΪOZODA KOKI KABÜSHIKI KAISHA, Uo. 1-1, Asahi-machi, Kariya-shi,·. Aichi-ken, Japan

Drehantrieb mit kugelgelagerter Schubmutter

Die Erfindung betrifft einen Drehantrieb mit einem G-ewindeschaft und einer Schubmutter, bei dem der Gewindeschaft und die Schubmutter mit sohraubengangartigen Rillen versehen und durch einen Satz von Kugeln miteinander verbunden sind, die in den Rillen lagern«

Antriebe dieser Art werden als Vorschubmechanismus bei Werkzeugmaschinen verwendet und bei verschiedenen lypen von Antriebsvorrichtungen einschließlich von motorisch angetriebenen Lenkungen«

Ein üblicher, aus■ Gewindeschaft und Schubmutter bestehender Drehantrieb besitzt gewöhnlich eine charakteristische Selbsthemmung, da sein statischer Reibungswinkel größer ist als " sein Anschnittwinkelρ Ein Drehantrieb mit kugelgelagerter Schubmutter hingegen hat seiner Hatur nach keinerlei Eigenschaft einer Selbsthemmung, da sein Reibungawinkel außeror·-» dentlich klein ist. Deshalb werden Drehantriebe mit kugelgelagerter Schubmutter weithin zum Antrieb von Schraubein«*·

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BAD OBiQINAL

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riohtungen Oodglo verwendet, da die Antriebsdrehkraft für den Gewindeschaft bei solch einer üblichen Anwendung beträchtlich herabgesetzt ist, bei der durch die Drehung des Gewindesohaftes die Schubmutter axial bewegt wirdo Wird indessen die Anordnung in der Weise gebraucht, daß durch eine axiale Verschiebung der Sohubmutter der Gewindesohaft gedreht wird, dann hat die Lagerkugel jedoch die Tendenz, von ihrem vorbestimmten Drehort wegzulaufen (abzuweichen)₀

Eine übliche Profilkurve senkrecht zur Steigung des die Kugel tragenden Gewindes wird von einem Paar bisymmetrisoher Bögen gebildet, die unterschiedliche Mittelpunkte besitzen

W und manchmal ihrer Form naoh als "gotische Bögen" definiert werdeno Wenn in den schraubengangartigen Rillen, welche Profilkurven von einer solchen gotischen Bogenform besitzen, eine Lagerkugel anfängt, in ihrer Bewegung aus dem vorbe« stimmten Drehort herauszulaufen, dann tendiert sie mehr und mehr dazu, sich in Richtung der Abweichung weiter zu bewegen, wenn nicht eine Richtkraft auf die Kugel einwirkte Wenn sich daher dieses Phänomen der Lagerkugelbewegung in einem übllohen Drehantrieb mit kugelgelagerter Schubmutter ereignet, dann fluktuiert der Berührungspunkt der Lagerkugel relativ zum Gewindesohaft und zur Schubmutter, so daß der Satz von Kugeln, die in den vom Gewindβschaft und der Schub«

fe mutter gebildeten Gängen eingeschlossen sind, einander bei ihrer Rollbewegung stören, da jede von ihnen mit ihrer eigenen Rollgesohwindlgkeit fluktuieren» Dabei entsteht zunehmend eine Reibungskraft und erzeugt beim Betrieb des Drehantriebs Pulsationsbewegungen, wie man sie beim Auftreten ruokartiger Verzögerungen (stiok slip) feststellen kann₀ Daduroh wird ZoB· der Lenker einer motorisch angetriebenen Lenkung verunsichert und die Lebensdauer des kugelgelagerten Drehantriebes wird verringerte

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BADOFIIQINM«,

Es ist demzufolge die Aufgabe der Erfindung, einen kugelgelagerten, aus Gewindeschaft und Sohubmutter bestehenden Drehantrieb zu schaffen mit schraubengangförmigen Rillen, deren Profilkurven ein derartiges Richtmoment erzeugen, daß keine Lagerkugel bei-ihrer Bewegung vom Ort ihrer vorbestimmten Ablaufbahn abweiohen kanne

Dazu ist erfindungsgemäß ein kugelgelagerter Drehantrieb mit Gewindeschaft und Schubmutter vorgesehen, bei dem der Gewindeschaft mit einer außengewindeartigen Rille versehen ist und die Sohubmutter eine dazu komplementäre innengewindeartige Rille aufweist, und bei dem in dem durch diese RiI-len gebildeten Gang ein Satz yon Kugeln eingeschlossen istο Diese Kugeln sind in der Schnittebene senkrecht zum Anstellwinkel der gewindeartigen Rillen von vier miteinander ver« bundenen Profilkurven eingehüllt« Mindestens eines dieser Profile wird von einem ersten Profilteil eines konkaven kursen Bogens gebildet, der die Kugeln berührt, und von einem zweiten Profilteil, der mit dem ersten Profilteil zusammenhängt und vom Kugelmittelpunkt weg über an beiden Enden des ersten Profilteiles gezogene tangentiale Linien hinausläuft·

Weil gemäß der Hertz'sehen formel das Berührungsgebiet relativ zum Kugelmittelpunkt durch das erwähnte Berührungs- λ profil unsymmetrisch ist, wenn die Kugel aus' einem Ort ihrer vorbestimmten Ablaufbahn herausläuft, wirkt auf die Kugel eine exzentrisohe Reibungskraft, wobei ein Moment erzeugt wird, das die Kugel an den vorbestimmten Ort ihrer Ab« laufbahn zurückdrängte

Die Erfindung wird nunmehr zum besseren Verständnis anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Zeichnungen beschrieben«

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Figo1 zeigt einen Längsschnitt durch eine erste Ausbildung eines aus Gewindeschaft, Schubmutter und Lagerkugeln bestehenden Drehantriebes;

Pig·2 zeigt eine Vergrößerte Schnittansicht längs der Linie H-II der Figdj

Figo3 zeigt eine vergrößerte schematische Ansicht ohne Lagerkugeln, in der ein längs der Linie H-II der Figoi abgenommenes Profil zu sehen ist;

Figo4 zeigt eine vergrößerte schematische Schnittansicht, geschnitten längs der Linie IV-IV der Figo2, die den Ablauf der Hollbewegung der Lagerkugeln veransohau- * licht;

Figo5 zeigt in einer Schnittansicht eine zweite Ausführungsform der Erfindung anstelle derjenigen gemäß Figo3$ und

Figo6 zeigt in einer Sohnittansioht eine dritte Ausführungsform der Erfindung anstelle derjenigen gemäß Fig.3·

In Figoi ist ein Gewindeschaft 10 mit einer schraubengewindeartigen Rille 11 an seiner Außenfläche versehen· Eine Sohubmutter 12 hat eine zu der Rille 11 komplementäre innengewindeartige Rille 13· In dem durch die Rillen 11 und 13 , gebildeten Gang ist ein Satz von Kugeln 14 eingeschlossen, w der nach Art eines Schraubengewindes den Gewindesohaft 10 mit der Sohubmutter 12 verbindet₀ An der Sohubmutter sind in einem bestimmten Abstand zwei nicht dargestellte Bohrungen radial eingebracht, die tangential au der innengewinde«· artigen Rille 13 verlaufen und untereinander duroh ein Rüoklaufrohr 15 verbunden sind. Durch das Rücklaufrohr 15 und die gewindeartigen Rillen 11 und 13 zusammen wird ein Umlaufweg für die Kugeln 14 gebildet, auf dem diese duroh die relative Drehung von Qewindeeohaft 10 und Sohubmutter 12 befördert werden·

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Die Figo 2 und 3 zeigen Profile entsprechend einem Schnitt senkrecht zur Steigung der gewindeartigen Rillen 11 und 13o Diese Profile sind Msymmetrisch gebildet von einem multiplexer. Bogen«. Die Berührungsflächen oder Profile 20 und 21 der Rille 11 werden durch konkave kurze Bögen 22 mit dem Radius R1 gebildet, die mit der Kugel 14 an Stellen in Berührung stehen, die in einer Richtung von etwa 45° zur Senkrechten vom Kugelmittelpunkt zur Achse des G-ewindeschaf« tes 10 liegen, vglc Fig_o2o Die Profile 20 und 21 werden weiterhin durch Bögen 25 und 26 mit den Radien R2 bzw₀ R3 gebildet, die sich an den konkaven kurzen Bogen 22 anschließen und über tangentiale Linien 23 und 24 an den bei- ( den Enden der Bögen 22 hinaus vom Mittelpunkt der Kugel weg nach außen laufen. Die Berührungsflächen oder Profile 30 und 31 der innengewindeartigen Rille 13 der Schubmutter 12 wer« den durch konkave kurze Bögen 32 gebildet, die den Radius R4 besitzen und in einer Richtung von etwa 45° zur Senkrechten von der Kugelmitte aus zur Achse des Gewindebolzens 10 mit den Kugeln 14 in Berührung stehen₀ Die Profile 30 und

31 werden weiterhin gebildet durch Bögen 35 und 36 mit den Radien R5 und R6, die sich an die konkaven kurzen Bögen 32 anschließen und über tangentiale Linien 33 und 34 an den beiden Enden der Bögen 32 hinaus vom Mittelpunkt der Kugel 14

weg nach außen laufen_e An dem Gewindeschaft 10 bilden die |

Bögen 22 - nunmehr als erster Profilteil definiert - und die Bögen 25 und 26 « nunmehr als zweiter Profilteil definiert <Zwlachenabsohnitte 27 und 28, wie dies aus Pigo4 ersichtlich iste In der Schubmutter 12 hingegen bilden die Bögen

32 - nunmehr als erster Profilteil definiert - und die Bögen 35 und 36 - nunmehr als zweiter Profilteil definiert «· Zwisohenabsohnitte 37 und 38, wie man aus Figo 3 sieht. Wenn nun, wie in fig·2 dargestellt, auf die Sohubmutter 12 eine axiale Kraft F einwirkt, dann treten die Berührungsflächen 20 und 30 in Kontakt mit der Kugel 14 (mgo2), während die Berührungsflächen 21 und 31 ein leichtes Spiel gegenüber

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SAD QttftHMttO CJAa

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der Kugel 14 aufweisen, so daß diese in diesem Gebiet einer Fluktuation ihres jeweiligen Ortes auf der Bewegungsbahn fähig istο

Die Rollbewegung der Kugel 14 in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform wird nunmehr anhand der Figo4 erläutert ρ Eine Lagerkugel 14a, die gerade auf ihrem vorbestimmten Bahnort in Richtung A rollt, steht in Kontakt mit der Oberfläche der gewindeartigen Rille in dem durch die gestrichelte Linie C dargestellten ovalen Bereich des Bogens 22 des ersten Profilteiles entsprechend der Hertz'sohen Formelo Eine durch den ovalen Kontakt verursachte Reibungskraft B wirkt in einer Richtung, die der Bewegungsrichtung A der Lagerkugel 14a auf der gemeinsamen Operationslinie entgegengesetzt ist, da das Gebiet der elastischen Deformation der Lagerkugel 14a symmetrisch zu ihrem Mittelpunkt 0 ist₀

Auf eine solche Kugel 14b wirkt ein Rlohtmoment, wenn Z₀B. die Kugel 14a aus später beschriebenen Gründen nach links von ihrer vorbestimmten Lage abweichte Dies heißt, daß die Kugel 14b in Richtung A1 relativ zu dem Gewindebolzen 10 rollt, wobei kein Gebiet einer elastischen Deformation in der linken Seite über dem Zwischenabschnitt 28 wirksam wird, da der Bogen 26 des zweiten Profilteiles so geschwungen ist, daß er sioh vom Mittelpunkt der Kugel 14b über die an beiden Enden des Bogens 22 gezogene Tangentiallinie hinaus erstreckte In Übereinstimmung damit berührt die Kugel 14b die duroh den Bogen 22 dargestellte Oberfläche der gewindeähnliohen Rille in dem ovalen Gebiet, dem teilweise der linke Teil fehlt und das mit der gestrichelten Linie C1 bezeichnet ist«, Demzufolge wird eine Reibungskraft B1 entgegen der Rollriohtung A1 und an der reohten Seite über dem Mittelpunkt der Lagerkugel 14b erzeugt» Die schräge Reibungskraft B1 wirkt als ein Moment im Uhrzeigersinn exzentrisch auf die

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Lagerkugel Hb ein, die eine Tendenz besitzt, in Richtung A1 relativ zum Gewindeschaft zu rollen (:Fig«4)·

Da das im Uhrzeigersinn wirkende Moment als Richtkraft die Rollrichtung A1 der Kugel Hb gerade richtet, wird die abgewichene Kugel Hb auf ihren vorbestimmten Ort der Rollbahn gerichtet. Mit anderen Wörtern weil die Richtkraft auf die Kugel Hb sogleich einwirkt, wenn die Lagerkugel Hb anfängt, von ihrem vorbestimmten Rollpunkt abzuweichen, wird eine solche Abweichung verhinderte Im Gegensatz dazu ist bei einem üblichen Drehantrieb mit kugelgelagerter Sohubmutter nichts vorhanden, um die erwähnte elastische Deformation·- unsymmetrie relativ zum Mittelpunkt der Lagerkugel zu erzeu·* gen_e Daher ist eine solche übliche Anordnung nicht imstande, die Kugel auf den vorbestimmten Ort ihrer Ablaufbahn auszurichten, derart, daß eine Reibungskraft zwangsläufig das Richtmoment auf die Kugel aufbringt.

In der oben beschriebenen Ausführungsform erscheint in gleicher Weise dieselbe Richtkraft zwischen dem oberen Teil der Lagerkugel Hb und der Schubmutter 12, um die Kugel Hb auf den vorbestimmten Ort ihrer Bahn auszurichten zusammen mit der vorher erwähnten Riohtkraft«,

Pig·5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel, das anstelle desjenigen nach Figo3 Verwendung finden kann_e Rechte und linke Berührungsflächen oder Profile eines Gewindeschaftes 10a für Lagerkugeln werden hier durch ein Paar bisymmetri*» scher Einzelbögen mit dem Radius R1 gebildet, der ein wenig größer ist als der Radius R der Lagerkugel· Die rechten und linken Berührungsflächen oder Profile der zugehörigen Sohubmutter 12a werden duroh kurze konkave Bögen 32a mit dem Radius R4 gebildet, welche mit den Lagerkugeln in einer Riοhtung von etwa 45° relativ zur Senkrechten vom Kugelmittel« punkt aur Achse des Gewindebolzene 10a in Berührung stehen«

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Weiterhin werden sie gebildet von Bögen 35a und 36a mit den Radien R5 bzw. R6, die vom Kugelmittelpunkt über die an den beiden Enden der Bögen 32a gezogenen tangentialen Linien naoh außen laufen.

Durch die zwischen der Schubmutter 12a und der Kugel entstehende Reibungskraft werden auch hier die rollenden Kugeln auf den jeweils vorbestimmten Punkt ihrer Ablaufbahn gebrachte

Figo6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem eine rechte Berührungsfläche bzw« ein rechtes Profil einer schraubenlinienförmigen Rille auf einem Gewindeschaft 10b von einem Bogen 22b gebildet ist, der denselben Radius R aufweist wie die Lagerkugel und der sich längs der geraden Linien 25b und 26b erstreckt mit Aussohwingungen vom Kugelmittelpunkt über tangentiale Linien nach außen, die an den beiden Enden des Bogens 22b gezogen sind. Die linke Berührungsfläche bzw«, das linke Profil wird hingegen durch eine geneigte Gerade 28b gebildet. In der zugehörigen Schubmutter 12b wird die linke Berührungsfläche bzw. das linke Profil der schraubenlinienartigen Rille durch einen Bogen 32b gebildet, mit dem Radius R4, der ein wenig größer ist als der Radius R der Kugel. Das linke Profil wird weiterhin von Linien 35b und 36b gebildet, die vom Kugelmittelpunkt stark nach außen laufen. Die rechte Berührungsfläche bzw» das rechte Profil der schraubenlinienförmigen Rille wird dagegen von einer schrägen Linie 38b gebildet. Der erfindungsgemäße Drehantrieb in seiner dritten Ausführungsform, der verwendet wird, wenn die Druckkraft nur von der Schubmutter 12b auf den Gewindeschaft 10b wirksam wird, hat den gleichen Effekt wie das erste Ausführungsbeispielo

Unter den vier Berührungsprofilen, die senkrecht zur Gewin«

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desteiguhg der Schraubenrillen verlaufen und axe Kugel umgeben, wird mindestens ein Berührungsprofil von dem ersten Profilteil der konkaven kurzen Bögen, die mit den Kugeln im Kontakt stehen, und den zweiten Profilteilen gebildet, die an beiden Enden des ersten Profilteiles angeordnet sind und vom Kugelmitt'elpunkt über von den beiden Enden des ersten Profilteiles ausgehende tangentiale linien weglaufen. Dadurch ist der Kontaktbereich zwisohen der Kugel und dem Gewindeschaft oder der Sohubmutter zur Kugelmitte unsymmetrisch, wenn die rollende Kugel aus der vorgegebenen Rollbahn ausbricht. Da die Reibungskraft an der Kugel exzentrisch angreift, tritt eine Richtkraft auf, die die Kugel in dem vorgegebenen Rollort ausrichtete Auf diese Weise wird die Kugel am Ausbrechen aus ihrer vorgegebenen Ablaufbahn gehindert. Der erfindungsgemäße Drehantrieb mit kugelgelagerter Schubmutter ist daher zu seinem ursprünglichen glatten, stoßfreien Vortrieb bei der notwendigen Stabilität befähigt und hat außerdem eine erhöhte Lebensdauer ₀

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Claims

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Ansprüche

.j Drehantrieb mit kugelgelagerter Schubmutter, bestehend aus einem Gewindeschaft, der eine schraubenlinienförmi~ ge Rille trägt, einer Schubmutter mit einer zu dem Gewinde des Gewindeschaftes komplementären innengewindeartigen Rille, und einem Kugelsata, der in dem von den Gewinderillen gebildeten Gang eingeschlossen und von mehreren Berührungsprofilen der Gewinderillen umfaßt ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Berührungsprofile von einem ersten Profilteil in Form eines konkaven kurzen Bogens (22, 22b, 32, 32a, 32b), der mit den Kugeln (H, Ha, Hb) in Kontakt steht, und einem zweiten Profilteil (25, 25b, 26, 26b, 35, 35a, 35b, 36, 36b, 36a) gebildet ist, der an den ersten Profilteil anschließt und vom Kugelmittelpunkt weg über an beiden Enden des ersten Profilteiles angelegte tangentiale Linien nach außen läuft»
2. Drehantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Profilteil aus zwei konkaven Bögen (25, 26, 35, 35a, 36, 36a) besteht.
3. Drehantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Profilteil aus zwei geraden Linien (25b, 26b, 35b, 36b) besteht.

Drehantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Berührungsprofile vier an der Zahl 8ind_o

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