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Mechanisches Transmissionsgetriebe
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Die Erfindung bezieht sich auf ein mechanisches Transmissionsgetriebe
zum Umsetzen vonprehbewegung in lineare Bewegung mit einer Gewindespindel, in deren
schraubenförmige Nut mindestens ein Mitnehmer eingreift, der in eine im Inneren
einer längs der Spindel beweglichen Mutter angebrachte Ausnehmung eingesetzt ist.
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Aus US-PS 3,296,880 ist ein Transmissionsgetriebe dieser Art bekannt,
bei dem die Mutter mehrere Rollen enthält, die in quadratische Gewindenuten einer
Schraubspindel greifen. Die Rollen wurden auf reibungsarrnen Lagern getragen und
waren in ihrer herstellung besonders teuer.
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Aus US-PS 4,031,765 ist eine andere Vorrichtung bekannt, bei der eine
mit Kreuzgewinde versehene Spindel vorgesehen ist, auf der in einer Mutter getragene
Kugeln axial bezüglich der Spindel gleiten können, so daß die Mutter
automatisch
ihre Bewegung umkehren kann, wenn sie die Enden der Spindel erreicht. Die Gewindenuten
waren halbkreisförmig, so daß unter hoher Belastung eine Last ab 6 ragende Kugel
auf den Nutsciten mit erheblichen mechanischen Spannungen laufen muß. Die Nutflächen
lassen die Kugeln nicht gut bezüglich der in die Relativbewegung einbezogenen halbkugelförmigen
Oberflächen abwälzen, und die Last wurde nicht gut abgestützt. Die seitlichen Oberflächen
der Nuten wurden übermäßig verschlissen, ebenso wie die Aufnahmen für die Kugeln
in den Muttern. Diejenigen Bereiche der Nuten, die nahe den Kammlinien, also den
Nuträndern, liegen, waren besonders gegen Verschleiß anfällig.
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Bei Kugeln enthaltenden Transmissionsgetrieben sollten im Idealfall
alle Kugeln sich gleichmäßig an der Lastübertragung beteiligen. Bei den bekannten
Vorrichtungen war dies nicht, zumirl(lest nicht immer gegeben. Von Kugeln enthaltend
Transmissionsgetrieben verlangt man eine große Lebensdauer und möglichst Freiheit
von Wartung und Betriebsfehlern. Die bekannten Vorrichtungen waren nützlich und
gegen Vcrschl.iJ.'. wi.derstandsfähig bis zu einem Belastungspunlct. Stärkere Belastungsverhältnisse
und sich dabei ergebender übermäßiger Verschleiß begrenzte aber die Brauchbarkeit
dieser bekannten Vorrichtungen beträchtlich.
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Vorrichtungen der in Betracht gezogenen Art, die kegelförmige Rollen
enthielten, hatten schon elastische Abstützeinrichtungen mit mindestens einer gewölbten
Federscheibe. Die Vielzahl von Teilen solcher elastischer Abstützeinrichtungen verursachte
aber beträchtliche zusätzliche Kosten, was dort besonders unerwünscht ist, wo eine
größere Anzahl von kegelförmigen Rollen benutzt wurden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die obigen Nachteile der bekannten mechanischen
Transmissionsgetriebe zu vermeiden und einen neuartigen, verbesserten und besonders
einfachen Aufbau eines mechanischen Transmissionsgetriebes vorzuschlagen, der sich
durch Verringerung der Reibung, verbesserte Eignung für Lastübertragung und beträchtlich
herabgesetzte Verschleißneigung an den Teilen auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung durch die Benutzung der folgenden
rkale gelöst: - der Mitnehmer ist als Kugel ausgebildet; - die Ausnehmung im Inneren
der Mutter hat eine kreisringförmige, einen Umfang der Kugel umgebende, Last übertragende
Fläche und eine zu dieser kreisringförmigen Fläche zentrale, weitere last ill)ertragende
Fläche, die stirnseitig von der kreisringförmigen Fläche angeordnet und für Bildung
einer nur kleinen Berührungsfläche mit
der Kugel ausgebildet ist;
- die schraubenförmige Nut der Spindel ist in ihrem Profil durch ein Paar von muldenförmigen
Teilprofilen gebildet, von denen jedes im wesentlichen kreisrunden Querschnitt hat
und die sich im Bodenbereich der Nut schneiden; - die Kurvenradien der muldenförmigen
Teilprofile sind grösser als der Radius der Kugel, derart, daß eine bei Längsbewegung
der Mutter über die Spindel entstehende, rel.,ti.v kleine Berührungsfläche der Oberfläche
eines muldenförmigen Teilprofils an einem Punkt auf der Kugel gegenüber der Resultierenden
der zwischen der Kugel und der Nut herrschenden Kräfte ausgerichtet und entgegengesetzt
ist.
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Durch die Erfindung wird in dem Transmissionsgetriebe die Reibung
weitgehend von abrollender Art mit erhöhten Berührungsflächen und unter Verminderung
der gleitenden Reibung und Wärmeentwicklung.
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Ferner wird ein mechanisches, mit Mitnehmerkugeln ausgestattetes Transmissionsgetriebe
derart ausgebildet, daß die Kugel flächen besser eingebettet und die Belastungskräfte
besser verteilt werden, wodurch der Verschleiß vermittdcrt und diese Lebendaller
des Getriebes erhöht werden.
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Durch die Erfindung ist es mögliche mit besonders einfache Maßnahmen
die Belastung gleichmcissi.g zu verteilen, wenn mehrere Kugeln als Mitnehmer benutzt
werden.
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Ferner ist der Zusammenbau des erfindungsgemässen Transmissionsgetriebes
einfach, und die Wartung wird weitgehend vermindert oder überflüssig.
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Schließlich ist die Arbeitsweise des erfindungsgemässen Transmissionsgetriebes
glatt und frei von übermässigem Verschleiß.
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Bei dem erfindungsgemässen Transmissionsgetriebe übt die Kugel ausgeglichene
Kräfte aus und kann sich um eine eigen Achse drehen, ohne daß übermäßige Drucke
entweder auf einer der Oberflä-chen der die Kugel aufnehmenden Ausnehmung noch auf
einer der Oberflächen der muldenförmigen Teilprofile der Spindel erzeugt werden.
Die Aufnahmeberührung der Nut und der Kugel vermindert die Belastungskraft zwischen
den Seitenwünden der Ausnehmungen, die die Kugel tragen und erhöht solche Kräfte
in den Ausnehmun gen, die radial eirlwälts wirken und bei den bisherigen Transmissionsgetriebcn
nicli-t einen ausreichenden Teil der Last übernehmen konnteti. Die Reaktionskräfte
auf der Kugel werden durch die Erfindung somit wesentlich besser ausgeglichen.
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Zusätzlich können die Aufnahmeelemente in der Mutter in äußerst einfacher
Weise mit elastischer Rückenabstützung unter Benutzung eines einzigen gewölbten
elastisch federnden Schnappringes erfolgen, der nicht nur die Aufnahmeelemente in
der Mutter festhält, sondern auch einen Druck auf die Kugeln ausübt, um sowohl Bewegungsspiel
zu beseitigen, als auch die Last auszugleichen. Weitere Merkmale und Vorteile der
Ereindung ergeben sich aus den anhand der Zeichnung erläuterten Ausführungsbeispielen.
Es zeigen: Fig. 1 einen Vertikalschnitt eines Transmissionsgetriebes mit länglicher
Gewindespindel und damit zusammenwirkender bezüglich der Spindel axial beweglicher
Mutter; Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie 2--2 der Fig. 1; Fig. 3 einen vertikalen
Teilschnitt, stark vergrößert, eines Teiles der Gewindespindel und des Mutterkörpers,
der besonders Details für die Anbringung einer im Mutterkörper getragenen Kugel
wiedergibt; Fif einen Vcrtikalschnitt eines etwas modifizier ten Transmissionsgetriebes
als zweites Ausführungsbeispiel;
Fig. 5 einen Schnitt nach der
Linie 5--5 der Fig. 4; Fig. 6 einen Vertikalschnitt eines weiteren abgewandelten
Transmissionsgetriebes als ein weiteres Ausführungsbeispiel; Fig. 7 einen Schnitt
nach der Linie 7--7 der Fig. 6; Fig. 8 eine Draufsicht auf eine gewölbte Federring-Scheibe,
wie sie in den Transmissionsgetrieben verwendet wird; Fig. 9 eine Seitenansicht
der Federring-Scheibe nach Figur 8; Fig. 10 eine Teilansicht, stark vergrössert,
eines Teil es der Gewindespindel und des Mutternkörpers eines Transmissionsgetriebes
gemäss Figur 1 bis 3, die die auf die Kugel wirkenden Kräfte illustriert, und Fig.
11 eine schaubildliche Wiedergabe des Transmissionsgetriebes bei Benutzung in einer
Fahrkarten-Druckvorrichtung.
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Die Figuren 1 bis 3 zeigen ein Transmissionsgetriebe mit vermindertem
Spiel, das eine Gewindespindel 12, eine ringförmige Mutter 14 und eine von dieser
getragene Kugel 16 enthält. I\uf der Spindel 1? ist eine neuartige Nutform in Zusammenwirlcen
m.t einer einzigartigen Aufnahmeausbildun auf dem Mutterkörper 14 gezeigt,-um die
Kugel 16 für rollende Bewegung um eine eigene Achse zu halten, wenn
die
Mutter 14 über die Spindel 12 läuft. Die Kugel 16 befindet sich in einer Ausnehmung
18 einer Fassung oder Tasse 17, die eine zylindrische Wand 20 und eine Bodenwand
22 aufweist, an denen beiden die Kugel 16 anliegt, wenn sie sich dreht. Die Wand
20 hat eine kreisförmige Oberfläche benachbart und an der Innenseite der Lippe der
Tasse, die auf die Kugel 16 an umfänglichen Punkten von dieter greift. Die Bodenwand
22 ist zentral angeordnet und in seitlichem Abstand von dieser ringförmigen Fläche.
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Die Spindel 12 hat eine schraubenförmige Nut 26, deren Profil durch
ein Paar von schraubenförmigen Mulden 28, 30 gebildet ist, wobei sich diese mulden
in Nachbarschaft des Nutbodens bzw. dem Punkt kleinsten Durchmessers des Nutquerschnittes
schneiden. Beide muldenförmigen Teilprofile 28, 30 sind teilweise kreisrund im Querschnitt
und weisen Kurvenradien auf, die leicht größer als der Radius der Kugel 16 ist,
wodurch die letzte rc eine kleine Berührungsfläche 31 mit der Oberfläche des einen
oder anderen muldenförmigen Teilprofils 28, 30 bildet, je nach dem ob sich die Mutter
14 in der einen oder der anderen Richtung axial bewegt. Die von den Wänden 20, 22
auf die Kugel 16 ausgeübten Kräfte sind (in Figur 10) generell durch Pfeile 32,
34 angedeutet und sind in radialen Richtungen auf den Kugelmittelpunkt gerichtet,
während die Resultierende dieser Kräfte 32, 34 derjenigen
Kraft
entgegenwirkt, die durch die Oberfläche des muldenförmigen Teilprofils 30 auf die
Kugel ausgeübt wird und durch den Pfeil 36 angedeutet ist. Der Berührungspunkt der
Kugel 16 mit dem muldenförmigen Teilprofil 30 liegt längs einer Linie, die mit der
Resulticrenden, der durch die Pfeile 32, 34 wiedergegebenen Kräfte koinzidiert (also
zusammenfällt). Diese Berührung ist mittig zwischen dem Boden der Nut 26 und deren
Seitenkante, nahe der schraubenförmigen Mittellinie des muldenförmigen Teilprofils
30.
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Gemäss Figur 3 ist die Kugel 16 vollständig in die Ausnehmung 18 eingesetzt,
deren Radius leicht grösser ist.
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Der Mutterkörper 14 hat eine radiale Bohrung 38, die das Aufnahmeelement
17 trägt und eine ringförmige Schulter 40, die mit einer ent..r,reellel en Schulter
112 auf dem Aufnahmeelement 17 zusammenwirkt, um die radiale Einwärtsbewegung des
Aufnahmeelementes 17 17 zu begrenzen.
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Eine Ouernut 411 in der Bohrung jb nimtnt den gewölbten Sprengring
46 auf, der als außerordentlich einfache Feder auf das Halteelement 17 greift und
das letztere in einer radialen Einwärtsrichtung drückt, um normalerweise die Schultern
40, 42 in Berührung zu halten. Der Sprengring 46 hat einen Jochbereich 47 erhöhter
Breite und Endteile 49 erhöhter Breite, die dazu ausgebildet sind, das Aufnahmeelernent
17
in dem Mutternkörper zu halten. Es ist dem Aufnahmeteil 17 möglich, etwas in radial
auswärtiger Richtung unter der Wirkung von Kräften nachzugeben, die von der Kugel
auf es ausgeübt werden. Dies würde eintreten wenn ausreichende axiale Belastung
zwischen der Spindel 12 und der Mutter 13 eintritt. Die Schultern 40, 42 trennen
sich dann voneinander. Bei Aufhören dieser Belastung bringt der Sprengring 46 das
Aufnahinestück 17 in seine in Figur 1 gezeigte Lage zurück.
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Die sich gegenüberliegenden Enden des Mutternkörpers 14 haben ringförmige
Ausnehmungen 48, 50, die zentrierte Lager 52, 54 für die Spindel 12 aufnehmen.
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Der Mutternkörper 14 hat Ringnuten 76 zur Aufnahme einer (nicht gezeigten)
Gabel oder Betätigungsarmes.
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Die Spindel 12 wird von einem Motor 6b mit einem Gehäuse 62 und Lager
64 sowie Wicklung 66 angetrieben. Die Motorwelle 68 kann einstückig mit der Spindel
12 sein.
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Die Arbeitsweise ist wie folgt: Die Kugel 16 wird normalerweise von
der Bodenwand 22 der Ausnehmung 18 berührt und kann an dem einen oder anderen der
muldenförmigen Teilprofile 28, 30 laufen unter Berührung der Wand 20 der Ausnehmung
18 an einem dem jeweils
berührten Teilprofil gegenüberliegenden
Punkt. Bei Nichtdrehen der Mutter 14 und Drehen der Spindel im Sinne des in Figur
1 gezeigten Pfeiles wandert die Mutter nach links, wobei die Kugel 16 auf dem trogförmigen
Teilprofil 30 läuft und die Wand 20 an einem dem Teilprofil 28 benachbarten Punkt
berührt.
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Die Pfeile 32, 34 zeigen die auf die Kugel 16 durch die ringförmigen
Wände 20 und 22 ausgeübten Kräfte an. Diese Kräfte sind rechtwinklig zu den Wänden.
Die Kugel 16 erfährt auch eine zusätzliche Kraft 36, die durch einen mittleren Punkt
des Teilprofiles 30 wirkt. Aufgrund der besonderen Lage der durch den Pfeil 36 angedeuteten
Kraft wird die durch den Pfeil 32 angedeutete Kraft vorteilhafte ~ weise vermindert
und die Komponente 34 gegenüber bekannten Vorrichtungen erhöht. Dies vermindert
den Verschleiß der Gewindenut 26 und der Ausnehmung 18. Die auf die Kugel wirkenden
Kräfte sind einheitli.cher und gleichmäßiger verteilt unter Ausschließung von Bereichen
hohen Druckes Mit den drei festgelegten Berührungspunkten tritt ein besonders glattes,
gleichmässiges Wandern ein, das frei ist von Haften und Verklemmen. Die Kugel dreht
sich um eine eigene Achse. Schmiermittel in der Ausnehmung vermindert die Gleitreibung,
und in den Teilprofilen 28, 30 vermeidet es ein Anhaften oder Festfressen.
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Der Zusammenbau ist vereinfacht, und das Einsetzen der Kugel 16 und
des Aufnahmeelementes 17 erleichtert.
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Ein Punkt der Nut 26 wird mit der Bohrung 38 ausgerichtet, die Kugel
16 in die Bohrung eingesetzt und das Aufnahmeelement 16 eingeführt und mit dem Sprengring
46 verankert.
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Der Aufbau ist in hohem Maße widerstandsfähig gegen Beschädigung und
Verschleiß. Derjenige Bereich des Teilprofils 30, der die Kugel 16 berührt, liegt
nahe seines Mittelpulzktes. Das Betreben der Kugel 16 zur Seite des Teilprofiles
aufzulaufen, ist auf ein Mindestmaß herabgesetzt, weil sie jederzeit durch das Aufnahmeelement
in einer unteren Lage im Teilprofil 30 gehalten wird.
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Bei speziell hoher Belastung kann etwas Verschiebung des Aufnahmeelementes
17 in radial auswärtiger Bewegung eintreten.
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Wenn die Drehrichtung der Welle umgekehrt wird, arbeitet die Kugel
mit dem Teilprofil 26 und berührt die Wand 20 an einem diametral gegenüberliegenden
Punkt.
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Die durch die Vielzahl der Berührungspunkte der Kugel gebildete Schraubenlinie
an dem muldenförmigen Teilprofil 1 utid dr Nutrand- Durchmesser der Welle soll tet
konzentrich miteinander gehalten werden i.n einer Toleranz innerhalb von c), 20/
odet besser. Dies bedeutet für eine
Spindel mit 25 mm Durchmesser
die Konzentrizität innerhalb 0,05 mm für zufriedenstellende Ergebnisse.
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Eine andere Ausführungsform ist in Figur 4 und 5 bei 70 gezeigt. Die
Spindel 12 trägt eine Mutter 72 mit radialen Bohrungen 74, 76, die Kugelträger-Aufnahmeelemente
16 enthalten, wie dies bereit beschrieben wurde. Die Bohrungen 74, 76 haben Nuten
78, 80, die Sprengringe von der in Figur 8 und 9 gezeigten Art aufne1imen. Die Trägerelemente
haben Schultern 42, die mit Schultern 82, 84 zum Einstellen der Aufnahmeelemente
17 zusammenwirken. Jedes Aufnahmeelement 17 hat eine Ausnehmung 18, die eine Kugel
16 aufnimmt, die längs einer Umfangslinie mit der kreisringförmigen Belastungsfläche
20 (siehe Figur 3) und mit der Wand 22 in Berührung ist.
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Die Auftiahmeelement:e 17 un<] die Kugel 16 liegen in axialem Abstand
entspreehend der Ganghöhe der Nut 26.
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Der axiale Abstand ist gleich einem Viertel der Gewinde-Ganghöhe,
wenn die Aufnahmeelemente 17 mit 900 Winkelabstand angeordnet sind.
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Die entgegengesetzten Enden des Mutternkörpers 72 haben Ausnehmungen
86 und 88 fiir Lager 52 und 54. Eine andere, mit 90 bezeichnete Ausf.ührungsform
ist in den Figuren 6 und 7 gezeigt, bei der eine Spindel 12 und eine Mutter 92
mit
drei radialen Bohrungen 9, 96 und 98 mit Nuten 100, 104 vorgesehen sind, die die
Sprengringe ll6 tragen.
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In die Bohrungen 94, 96 und 98 sind die Aufnahmeelemente 1 Y mit den
Kugeln 16 16 i.n Berührung mit der Nut ii angeordnet.
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Die drei Aufnahmeelemente 17 und Kugeln 16 sind umfänglich mit Winkelabstand
von 1200 angeordnet und gebeneinen ausgeglichenen Antrieb, wobei die Kugeln 16 sich
gleichmässig an der Lastübertragung beteiligen und den Mutternkörper auf der Spindel
zentrieren. Der Mutternkörper hat außerdem Ausnehmungen 106, 108 und Lager 52, 54.
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Zum Zusammenbau der Vorrichtungen nach Figur 4 und 5 und Figuren 6
und 7 wird die erste Kugel in der bereits oben erläuterten Weise eingesetzt und
dadurch die Nut 26 automatisch in die richtige Lage für die anderen Kugeln gebracht.
Die Vorrichtutigen nach den Figuren 4 - 5 und 6 - 7 ziehen Nuten aus der nachgiebigen
Abstützung der Aufnahrneelemente 17 durch die Sprengringe 46, weil die Kugeln 16
sich an der Übertragung der Last beteiligen und den Vorschub der Mutter gut und
glatt vornehmen, selbst wenn kleine Veränderungen in der Gewindesteigung vorkommen.
Wein eine Kugel eine grössere Last aufnimmt, versclliebt sie sich radial auswärts,
um die Arbeitsbedingung zu korrigieren. Ditis wäre ni.cht der Fall, wenn die Kugeln
1f. starr abgestützt wären.
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Das Transmissionsgetriebe 10 ist besonders gut für eine Fahrkartendruckmaschine
geeignet, wie sie in Figur 11 bei 112 angedeutet ist, und bei der eine Einrichtung
114 der Druckvorrichtung 112 an dieses Transmissionsgetriebe angeschlossen ist.
Das Einschalten des Motors 16 hat die Bewegung der Mutter 14 in einer Richtung und
ein Umkehren des Motors 60 ein Umkehren der Mutter 14 zur Folge.
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Das oben beschriebene Transmissionsgetriebe zeichnet sich durch Herabsetzung
der Reibung, einfachen Aufbau und hohe Betriebssicherheit; aus. Es kann leicht ohne
Benutzung von speziellen Werkzeugen zusammcngebaut werden und stellt so einen beträchtlichen
Fortschritt und eine beträchtliche Verbesserung dar.