DE2835127A1

DE2835127A1 - Linearfuehrungselement durch kugelberuehrung auf einer welle

Info

Publication number: DE2835127A1
Application number: DE19782835127
Authority: DE
Inventors: Denis Borel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-08-16
Filing date: 1978-08-10
Publication date: 1979-02-22
Also published as: CH618242A5; FR2400639A1; FR2400639B1

Description

#·. Denis BOREL, Colombier (Schweiz)

linearführungselement durch Kugelberührung auf einer Welle

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Linearführungselement (Führungselement für axiale Verschiebung) durch Kugelberührung auf einer Welle, mit einer äusseren, rohrförmigen Hülse und mit einem rohrförmigen Käfig im Inneren der Hülse, welche in sich geschlossene Kugelumlaufwege mit Kugeln aufweist, wobei in der Bohrung der Hülse Arbeitsbereiche, in denen Kugeln in Berührung mit der Hülse und auch der Welle stehen, sowie Freigabebereiche für den Rücklauf der Kugeln angebracht sind.

Man kennt bereits Linearführungselemente mit Kugeln unter den verschiedensten Bezeichnungen, beispielsweise Axiallager, 1&.geT mit unbegrenzter linearer Verschiebbarkeit, Hülsenlager mit Kugeln oder mit Kugelumlauf, Kugellager usw. Diese Bezeichnungen beruhen sämtliche auf der gleichen Funktion, nämlich der Führung eine$ zylindrischen Elementes mittels eingesetzter Kugeln auf einer Welle, wobei die Kugeln auf einer oder mehreren endlosen Bahnen umlaufen, wodurch eine unbegrenzte

Verschiebbarkeit der Vorrichtung erreicht wird. Dieses System verleiht der Bewegung der seitlichen Verschiebung Vorteile, die denen der. Kugellager analog sind, welche lediglich für die Rotation vorgesehen sind, beispielsweise die niedrigen Reibungskoeffizienten, die Betriebssicherheit und die hohe Lebensdauer.

Diese Axiallager sind seit einigen Jahrzehnten bekannt. Sie wurden ständig weiterentwickelt und ersetzen heute mit Vorteil andere Führungsformen, beispielsweise Gleitlager, geschabte oder geschliffene Gleitlager und Rollenlager. Dabei unterscheidet man zwei Sorten von Axiallagern, nämlich die geschlossenen Ausführungen und die offenen Lager, wobei letztere zum Betrieb auf einer Welle vorgesehen sind, die über die ganze Länge der Bewegung des Elementes unterstützt ist. Das Führungselement weist über seine ganze Länge eine Längsöffnung auf, welche das Hindurchgehen der Träger der Welle gestattet. Bei der vorliegenden Erfindung handelt es sich um eine solche Art von Führungselementen.

Das Prinzip, die Welle auf der ganzen Länge des Arbeitsbereiches der Führungselemente mit Kugelführung zu unterstützen, ist nicht neu; diese Lösung gestattet lange Arbeitswege, ohne dass eine Verformung der Welle eintritt. Diese kann dabei auf ihrer ganzen Länge oder nur an bestimmten Stellen unterstützt sein; es besteht daher keine Gefahr einer Verbiegung durch irgend eine resultierende Kraft.

Diese bekannte grundsätzliche Lösung weist aber bestimmte wichtige Nachteile auf. Zunächst muss der Wellenträger bzw. die Wellenträger genauestens ausgerichtet sein; aus diesem Grunde müssen als Tragelemente relativ teure Präzisionsteile verwendet

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werden, die überdies oft nicht die genaue Länge aufweisen, _λ welche der Konstrukteur benötigt. Sie müssen daher auf den jeweiligen Fall angepasst werden, was stets zu Zeitverlusten bei der Montage führt. Andererseits wurde gefunden, dass diese Unterstützungselemente die Welle zwar nach unten, jedoch nicht ausreichend seitlich unterstützen, weil die Welle durch die Führungselemente in einem relativ trossen Abstand vom Grundaufbau gehalten wird, auf dem sich die Unterstützungselemente erheben. Weiterhin ist der Zentrumswinkel der Welle, der durch die Berührungsbreite der Träger auf dieser Welle gegeben ist, ebenfalls zu klein. Schliesslich ist die ganze Anordnung viel zu raumaufwendig. Die zu grosse Bauhöhe der Vorrichtung veranlasst nämlich sehr oft den Konstrukteur, eine andere Führungslösung zu suchen, und dieser Nachteil ist in vielen Fällen augenscheinlich, beispielsweise beim Aufbau von Tischen, die sich in den zwei Richtungen der Ebene bewegen müssen.

Aufgabe der Erfindung war die Ausschaltung dieser Nachteile und demgemäss die Schaffung eines Linearführungselementes mit unbegrenzter Verschiebbarkeit, welches auf einer Welle arbeitet, die über die Arbeitslänge unterstützt ist, und welches die bereits bestehenden Vorrichtungen ersetzt und deren Nachteile vermeidet. Die Eigenschaften die das zu schaffende Führungselement aufweisen sollte, sind insbesondere die folgenden:

- günstiger Preis der Gesamtanordnung aus Führungselement, Welle und ihrer Befestigungen,

- grosser Raumgewinn,

- grössere Einfachheit bei der Auslegung der Konstruktionen,

- einfachere Montage,

- gute Festigkeit des Ganzen und

- ansprechendes Aussehen.;

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Diese Aufgaben werden nun durch die Erfindung gelöst, die ein neues Linearführungselement der oben angegebenen Art betrifft; das Element ist dadurch gekennzeichnet, dass es auf seiner ganzen Länge in einer zur Längsachse des Elementes paralellen Ebene aufgeschnitten ist, wobei die Schnittebene • auf der äusseren Oberfläche der Hülse zwei Mantellinien definiert, -'die mit dem Mittelpunkt der Längsachse des Elementes einen Zentrumswinkel et-bilden, der kleiner als 170° ist.

Die Achsen der geradlinigen Arbeitswege der Kugeln mit der Welle, die in der Nähe der Ränder der genannten Schnittebene liegen, können sich ungefähr auf den Geraden befinden, die den Winkel cCbegrenzen.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der Mittelpunktswinkel cC , gemessen durch den Schnittbereich zwischen den Achsen der beiden ersten geradlinigen Kugelarbeitsbereiche, die in der Nähe des Schnittbereiches liegen, höchstens 135 · Das Führungselement weist vo:
geschlossene Kugelumlaufbahnen auf.

135 · Das Führungselement weist vorzugsweise mindestens vier

In der Zeichnung sind als Beispiel eine Ausführungsform des erfindungsgemässen Linearführungselementes mit Kugelberührung und verschiedene Möglichkeiten der Montage dieses Elementes dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 eine teilgeschnittene Seitenansicht einer Ausführungsform mit vier geschlossenen Kugelumlaufwegen eines erfindungsgemässen Linearführungselementes,

Fig. 2 einen radialen Querschnitt der Ausführungsform gemäss Fig. l_f

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Fig. 3 die Vorderansicht eines solchen Führungselementes in einem Aufbau mit einer Schraube, welche die Halterung des Elementes in seinem Gehäuse in radialer Richtung verstärkt, und mit einer Einstellschraube für das Spiel auf der Welle. Dabei liegt die Welle in einer konkaven Nute;

Fig. 4 die Befestigung einer Welle in einer Rechtecknut;

Fig. 5 die Befestigung einer Welle in einer Nut, die durch zwei Schrägflächen gebildet ist;

Fig. 6 die Vorderansicht einer teilzylindrischen Welle, deren Abplattung als Befestigungsfläche dient,

Fig. 7 die Befestigungsart einer Welle mit mehreren, über ihre Länge angebrachten Abflachungen zur Befestigung;

Fig. 8 eine Befestigungsart einer Welle unmittelbar auf einer ebenen Fläche,

Fig. 9, 10 und 11 als Vergleichsbeispiele die Einsparung an Bauhöhe und die Einfachheit von Einbau und Befestigung des erfindungsgemässen Elementes (Fig. 9) gegenüber den bisher üblichen Systemen mit offenen Axiallagern (Fig. 10 und 11), wobei sich die Fig. 9-11 auf die Lagerung eines Führungstisches beziehen; und

Fig.12 eine vereinfachte Variante der Montage mit linearer Verschiebbarkeit zwischen zwei Platten.

Das Axialführungselement durch Kugelberührung auf einer Welle 1 und mit unbegrenzter linearer Verschiebbarkeit, welches, in Fig. 1 und 2 dargestellt ist, weist eine äussere rohrförmige Hülse 2 aus gehärtetem'' Stahl, Kugeln 3, die in geschlossenen Umlaufwegen 4 eines im Inneren der Hülse 2 befindlichen rohrförmigen Käfige 5 angebracht sind, auf. In der Bohrung der Hülse

sind geschliffene Bereiche 6 vorgesehen, die die Arbeitswege der Kugeln 3 bilden, sowie radial abgesetzte Bereiche 7, die den Rücklauf der. Kugeln gestatten, und der innere Kugelkäfig 5 ist gegenüber der äusseren Hülse 2 axial mittels eines Sprengringes 8 gesichert, der einerseits in eine Nut 9 in den Arbeitsbereichen6 der Hülse 2 und in eine geschlossene Nut 10 an der Aussenseite des Käfigs eingreift. Die äussere Hülse 2 weist wegen der Anwesenheit der Arbeitsbereiche 6 und der Freigabebereiehe 7 ein solches Innenprofil auf, dass der Kugelkäfig 5 damit verankert werden kann, welcher an den Aussenflachen eine dazu passende Form aufweist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform besteht der Kugelkäfig 5 aus Kunststoff-Spritzguss, beispielsweise aus graphitiertem Polyamid.

Das vollständige Element aus der Aussenhülse 2, dem Innenkäfig 5> den Kugeln 3 und dem Sprengring 8 bildet eine rohrförmige, offene Gesamtheit, welche erfindungsgemäss die Eigenschaft aufweist, auf einer Welle verschiebbar zu sein, welche unmittelbar auf einem Chassis oder auf sehr einfachen Trägern befestigt ist, und zwar in einer Ebene, die die Welle berührt oder sogar leicht anschneidet. Der Vorteil der Erfindung besteht im Wegfall der üblichen Wellenträger, die für offene Axiallager vorgesehen waren, so dass man einen bedeutenden Gewinn an Bauhöhe, eine merkliche Verminderung der Zahl der Bauteile (niedriger Preis) und eine höhere Festigkeit des Ganzen erzielt.

Um diese Eigenschaft aufweisen zu können, besitzt das Element erfindungsgemäss eine ganz besonders geformte Öeffnung. Diese Öeffnung wird so gebildet, dass mäh das Element über seine ganze länge in einer Ebene aufschneidet, die parallel zu seiner Liigsachse liegt, und diese Öeffnung in Form des geschnittenen

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Bereiches 11 reicht aus, damit die zugehörige Welle über die Schnittebene hinausragt. Dadurch wird es möglich, die Welle unmittelbar auf einem oder mehreren Trägern zu befestigen, die in der gleichen Ebene liegen. Da diese Träger in ihren seitlichen Dimensionen nicht mehr begrenzt sind, kann man die Welle unmittelbar auf der allgemeinen Trägerebene der Maschine befestigen oder andererseits die Wellen als Befestigungsträger des Werkstückes benutzen, welches sich verschieben soll, indem man beispielsweise die Welle an der Unterseite eines Maschinentisches oder eines anderen Apparates anbringt.

Das Führungselement weist mindestens zwei geradlinige Arbeitswege für die Kugeln im Bereich der erzeugten Schnittöffnung auf, und auf beiden Seiten dieser Oeffnung liegt je einer der geradlinigen Arbeitswege. Der Mittelpunktswinkel oL in Fig. 2, der über diese Oeffnung ausgehend von den durch den Schnitt erzeugten Mantellinien gemessen ist, kann von ungefähr 115 bei grossen Modellen bis zu ungefähr 125° bei kleineren Modellen schwanken. Er beträgt jedoch höchstens 170°. Es soll nochmals daraufhingewiesen werden, dass der Zentrumswinkel cL zwischen den beiden Mantellinien der Aussenfläche der Hülse, die durch die Schnittebene erzeugt werden, und dem Mittelpunkt, d.h. der Längsachse des Elementes,gemessen wird. Aus den Zeichnungen geht ohne weiteres hervor, dass die Schnittmantellinien an der Innenfläche des Käfigs einen viel kleineren Zentrumswinkel bilden. Der Schnitt in einer Ebene, die zur Längsaches des Elementes parallel ist, wirkt sich dahingehend aus, dass der Käfig die Welle vollständiger umgibt als die Hülse. Es ist demgemäss möglich, im Inneren des Elementes eine grössere Anzahl von Kugelumlaufwegen anzubringen als in den bisher bekannten offenen Elementen, welche radial aufgeschnitten sind.

Der Schnitt des Elementes in einer Ebene, die zu dessen

Längsachse parallel ist, erlaubt weiterhin die Befestigung der Wellen, auf denen sich die Elemente verschieben, unmittelbar auf einer Befestigungsfläche, wie weiter unten in Beispielen gezeigt wird, da sich die abgeschnittenen Seitenteile der Hülse nicht mehr nach unten erstrecken, wie es bei den bisher bekannten geöffneten Führungselementen der Fall war.

Wie in den Fig. 3 bis 8 dargestellt ist, geschieht die Befestigung der Wellen mittels Schrauben 12, die senkrecht zur Längsachse der Welle liegen und deren Längsachsen durch den Wellenmittelpunkt hindurchgehen. Diese Schrauben können in einer G-ewindebohrung 13 befestigt sein, die sich in der Welle befindet, oder aber in einer nicht dargestellten Gewindebohrung in denjenigen Maschinenteilen, auf denen die Welle ruht. Im letzteren Falle wird jedoch an den Einführungs st eilen der Schraubenköpfe in der Welle die Anzahl der Berührungsstellen der Kugeln beim Durchgang des Elementes verringert, und es kann in manchen Fällen ein geringer Rückgang der Belastbarkeit der gesamten Anordnung eintreten.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die radiale Halterung des Elementes in seiner Befestigungsausnehmung mit Hilfe einer Schraube 15 verbessert, welche in eine Gewindebohrung 16 in der Hülse des E.lementes gegenüber dem abgeschnittenen Bereich eingeschraubt ist (siehe Fig. 3).

Die äussere Hülse besteht aus gehärtetem Stahl mit einer Härte von ungefähr 62 RC, und die Arbeitswege der Kugeln im Inneren der Hülse und der Aussendurchmesser derselben sind mit einer Genauigkeit in der Grössenordnung -von 0,01 mm geschliffen. Die geometrische Konzentrizität des Elementes liegt in der gleichen Genauigkeits-Grössenordnung. Der innere Kugelkäfig gestattet die Einarbeitung von mindesten vier geschlossenen, mit

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Kugeln bestückten Kugelumlaufwe^en. Diese Kugeln haben eine Genauigkeit in der Grössenordung von 0,003 mm. Trotz seiner Einfachheit kann das erfindungsgemässe Element als. Präzisionsführung angesehen werden und gestattet es, mit geringen Kosten das prinzipielle Konstruktionselement der offenen Radiallager unter Bedingungen anzuwenden, die bezüglich Raumbedarf, Festigkeit und O-estehungspreis der mit diesem Konstruktionselement aufgebauten Anordnungen sehr interessant sind. Dabei ist die geometrische Präzision der Lager und ihre gegenseitige Lage genau so gross wie diejenige der üblichen offenen Axiallager. Es soll weiterhin darauf hingewiesen werden, dass man zusätzlich eine Präzisionsjustierung durch Deformation mittels einer oder mehrerer Schrauben 17 (siehe Fig. 3) vorsehen kann.

Das erfindungsgemässe Element kann für Wellendurchmesser von 12 mm bis zu 60 mm gebaut werden, wobei die angegebenen Grenzen sich nicht auf die Technik, sondern auf die wirtschaftlichste Häufigkeit der Anwendung beziehen. In Elementen für Wellen bis zu 30 mm Durchmesser sind im allgemeinen vier geschlossene Kugelumlaufwege und in Elementen für grössere Wellendurchmesser sechs Kugelumlaufwege vorgesehen. Der Kugeldurchmesser beträgt ungefähr ein Fünftel des Wellendurchmessers bei den kleinsten Modellen bis zu etwa ein Neuntel des Wellendurchmessers bei den grössten Modellen. Die Verhältnisse zwischen Wellendurchmesser und Aussendurchmesser sowie Länge des Elementes sind die gleichen wie bei den bisher bekannten offenen Axiallagern, die handelsüblich sind.

Wenn man kleinere Kugeln verwenden will, wodurch ein günstigeres Verhältnis von Wellendurchmesser zu Aussendurchmesser des Elementes erhalten wird und die Anzahl der Kugelumlaufwege grosser gemacht werden kann, ist es in anderen AusfUhrungsformen

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möglich, den inneren Kugelkäfig aus Materialien herzustellen, welche biegefester sind, beispielsweise Stahl oder Messing, wobei es ausserdem möglich ist, die geradlinigen Stücke des gleichen Kugelumlaufweges die beiden Wandungen des Käfigs durchsetzen zu lassen.

Mit Hilfe des erfindungsgemässen Führungselementes ist es nunmehr einfach, beispielsweise einen Maschinentisch mit grosser Linearverschiebung zu bauen, wobei die Wellen die einzigen Bauteile sind, deren Länge je nach der gewünschten Verschiebung zu verändern ist. Weiterhin beschränkt sich die Einstellung des Abstandes zwischen zwei Wellen bei der Montage auf eine einzige, sehr einfache Operation. Man legt beispielsweise bei der Montage zunächst die erste Welle in eine geradlinige Nut 18 (siehe Pig. 3, 4, 5 und 9). Die zweite Welle wird anschliessend durch das bewegliche Maschinenelement selbst auf ihren genauen Abstand gebracht, indem man die Schrauben der zweiten Welle bei der Verschiebung des Maschinenteils entsprechend anzieht. Diese zweite Welle wurde zuvor mit Abflachungen 19 versehen (siehe Fig. 6, 7 und 9), welche eine Befestigungsebene bilden, und die einzige Bearbeitungsoperation zur Befestigung der gesamten Anordnung beschränkt sich in diesem Falle auf das Anbringen der Längsnut, in die die erste Welle zu liegen kommt.

Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel, nämlich der Herstellung eines Maschinentisches, der sich in den beiden Richtungen der Ebene bewegt, erhält man die gleichen Vorteile bezüglich Aufbau und Justierung. Nach einer Variante kann man weiterhin vorsehen, die beiden sich kreuzenden Wellengruppen an den Stellen miteinander zu verbinden,.an denen sie gegenseitig befestigt sind, und die beiden Tische umzudrehen, so dass sie sich mit ihren Breitseiten gegenüberliegen.

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Aus Fig. 9, 10 und 11 geht ohne weitere Erklärung zunächst die Platzersparnis hervor, die man mit den erfindungsgemässen Führungselementen (Fig. 9) gegenüber den bekannten Elementen erhält (Fig. 10 und 11). In Fig. 9 ist die Schraube 12 in eine Gewindebohrung der Welle 1 (links in Fig. 9) eingeschraubt, während die Welle la (Fig. 9, rechte Seite) durch eine durchgehende Schraube 12 befestigt ist, die in eine Gewindebohrung 14 der Befestigungsplatte eingeschraubt ist. Aus Fig. bis 11 geht weiterhin der Platzbedarf durch die Wellenträger hervor.

Eine bevorzugte Befestigungsart ist in Fig. 12 dargestellt. Daraus geht hervor, dass die Befestigung der Elemente besonders einfach ist. Eine untere Platte 22 ist mit einer Längsnut 23 aus zwei schrägen Ebenen versehen, und in regelmässigen Abständen angeordnete Bohrungen 24 durchsetzen die Platte 22, in welche die Schrauben 25 eingesetzt werden. Die Welle 1 weist auf seiner ganzen Länge entsprechende Gewindebohrungen 26 auf. Die obere Platte 27 besitzt in ähnlicher Weise eine Längsnut 28 mit zwei schrägen Flächen, welche die Hülse 29 des Elementes 30 aufnimmt. Diese ist mit einer Schraube 31 auf ähnliche Weise wie die Welle 1 in der unteren Platte 22 befestigt. Der Aufbau zwischen den zwei Platten 22 und 27 stellt eine Ausführungsform mit linearer Verschiebbarkeit dar, die den geringsten Platzbedarf aufweist.

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Leerseite

Claims

PATENTANSPRUECHE

1. Linearführungselement durch Kugelberührung auf einer Welle und mit unbegrenzter linearer Verschiebbarkeit, mit einer äusseren, rohrförmigen Hülse und einem rohrförmigen Käfig im Inneren der Hülse, der in sich geschlossene Kugelumlaufwege mit Kugeln aufweist, wobei die Hülse in ihrer Bohrung Arbeitsbereiche, in denen Kugeln in Berührung mit der Hülse und der Welle stehen, sowie radial abgesetzte Freigabebereiche für den Kugelrücklauf aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass es auf seiner gesamten Länge einen in einer zur Längsachse des Elementes parallelen Ebene abgeschnittenen Bereich aufweist, wobei die Schnittebene auf der Aussenfläche der Hülse zwei Mantellinien definiert, die mit der Längsachse des Elementes einen Zentrumswinkel cA. bilden, der kleiner als 170° ist.

2. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Achsen der geradlinigen, Arbeitsbereichs bildenden Kugelumlaufwege, welche sich in der Nähe der Ränder der Schnittebene befinden, angenähert auf den Geraden liegen, welche den Winkel cC begrenzen.

3. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnittebene parallel zu einer Tangentialebene der zugehörigen Welle des Elementes liegt.

4· Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ebene durch die Achsen der beiden ersten geradlinigen Arbeitswege der Kugeln auf beiden Seiten des abgeschnittenen Bereiches parallel zur Schnittebene liegt.

5. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zentrumswinkel oC, gemessen über den geschnittenen Bereich

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zwischen den Achsen der beiden ersten geradlinigen Kugelarbeitswege beidseitig der Ränder des geschnittenen Bereiches, höchstens 135° beträgt.

6. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es auf Grund seines abgeschnittenen Bereiches radial im Abstand über einen Träger der Welle, mit der es zusammenarbeitet, führbar ist, wobei dieser Träger durch eine Ebene gebildet wird, die von der Achse der Welle einen Abstand hat, der gleich oder kleiner als der Halbmesser der Welle ist.

7. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die genannte Schnittfläche in einem Abstand von der Längsachse der Welle befindet, der kleiner ist als der Halbmesser dieser Welle.

8. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Schnittflache in einem Abstand von der parallelen Tangentialebene an die Welle befindet, welche ein Zwölftel bis ein Sechstel des Wellendurchmessers beträgt.

9. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es vier bis sechs geschlossene Kugelumlaufwege aufweist.

10. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Kugeln zwischen ein Zehntel und ein Fünftel des Wellendurchmessers liegt.

11. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden geradlinigen Abschnitte jedes" geschlossenen Kugelumlaufweges die beiden Wandlungen des inneren Kugelkäfigs durchrsetzen.

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12. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es Mittel zur radialen Befestigung in dem Bereich aufweist, welcher dem abgeschnittenen Bereich gegenüberliegt.

13. Element nach Anspruch 1 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsmittel aus mindestens einer
Gewindebohrung bestehen, die radial in die äussere Hülse eingelassen ist und senkrecht zur genannten Schnittebene steht.

14· Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Kugelkäfig aus Kunststoff besteht.

15· Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die äussere Hülse massiv ist und aus einem Stahl besteht, der durch Wärmebehandlung gehärtet ist.

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