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Kugelumlauf-Spindel-Antriebsvorrichtung
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Die Erfindung betrifft eine Kugelumlauf-Spindel-Antriebsvorrich-tung
mit Spindel und Mutter,sowie Kugeln als Zwischenglieder,die durch ihre Abwälzbewegung
an den Gewindegängen der Spindel und der Mutter die Relativbewegung von Mutter und
Spindel vermitteln.
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Antriebsvorrichtungen dieser Art werden z.B.im Rahmen von Werkzeugmaschinen
als Vorschubvorrichtungen für Maschinentisch oder in Fördereinrichtungen der verschiedensten
Art benötigt.
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Bei bekannten Antriebsvorrichtungen dieser Art bestehen die Spindel
und die Gewindemutter aus einem härtbaren Stahl,wobei die Gewinderje nach den Genauigkeitsanforderungen
durch Roll-Verformung hergestellt oder geschliffen sind.Derartige bekannte Rugelumlauf-Spindel-Antriebsvorrichtungen
sind sowohl wegen des uerwendeten Materials als auch wegen der anzuwendenden Bearbeitungstechniken
aufwendig und teuer in der Herstellung.Es kommt hinzu,daß wegen unvermeidbarer Fertigungstoleranzen
nur eine begrenzte Anzahl der zwischen den Gewindegängen der Spindel und der Spindelmutter
umlaufenden Kugeln
im Lastfall zum Tragen kommt.Daher ist die Belastbarkeit
von üblichen Kugelumlauf-Spindel-Antriebsvorrichtungen relativ gering;außerdem besteht
eine verhältnismäßig große Empfindlichkeit gegen Stoßbelastungen.
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Um diese Nachteile wenigstens teilweise zu vermeiden wurden mit Reibrollen
arbeitende Kugelumlauf-Antriebsvorrichtungen entwickelt(DE OS 2 153 023),bei denen
anstelle einer Gewindespindel eine glatte,gehärtete Welle vorhanden ist und als
Gewindemutter eine vorgespannte Schrauben-bzw.Wendelfeder verwendet wird,die durch
ihre Vorspannung die sich an ihren Wendeln abwälzenden Umlaufkugeln mit der für
den erforderlichen Reibschluß notwendigen Kraft gegen die Abwälzfläche der zentralen
Welle drückt.Solche Reibrollen-Umlauf-Antriebsvorrichtungen sind im Aufbau zwar
einfacher,haben aber den Nachteil, daß nur vergleichsweise geringe Vorschubkräfte
zuverlässig übertragen werden können,und daß die Verschleißanfälligkeit im Vergleich
zu formschlüssig wirkenden Kugelumlauf-Spindel-Antriebsvorrichtungen eher größer
ist,sodaß der durch die einfachere Fertigung erzielte Vorteil großenteils wieder
aufgehoben wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher,eine Kugelumlauf-Spindel-Antriebsvorrichtung
der eingangs genannten Art zu schaffen,die hinsichtlich der übertragbaren Vorschubkräfte
und der Einfachheit der Herstellung die günstigen Eigenschaften der insoweit erläuterten
form- bzw.reibungsschlüssig arbeitenden Vorrichtungen in sich vereinigt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil
des Patentanspruchs 1 genannten Merkmale auf einfache Weise gelöst.
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Hierdurch werden zumindest die folgenden Vorteil erzielt:
1.
Die Herstellung einer die Gewindegänge der Spindel bildenden Schraubenfeder und
deren Aufbringen auf einen zylindrischen Spindelkern ist wesentlich einfacher als
eine Herstellung einer Spindel durch spanabhebende oder rollierende Bearbeitung
einer Stahlwelle.
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2. Der Spindelkern muß nicht aus einem teuren,härtbaren, hochfesten
Stahl bestehen,sondern kann aus vergleichsweise billigem Material gefertigt sein.
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3. Als Spindelkern kann ein übliches Rohr verwendet werden, wodurch
sich das Trägheitsmomentder Spindel deutlich vermindern läßt.
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4. Ein durch aufgetretenen Verschleiß erforderliches Auswechseln der
die Gewindegänge der Spindel bildenden Schraubenfeder ist ohne weiteres möglich
und nur mit einem geringen Kostenaufwand verknüpft.
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Durch die Merkmale der Unteransprüche 2-5 sind einfache,alternativ
oder in Kombination einsetzbare Maßnahmen zur sicheren Fixierung der Schraubenfeder
der Spindel mit der vorgesehenen Steigung am Spindelkern angegeben.
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Durch eine gemäß Anspruch 6 vorgesehene Profilierung des Federstahldrahtes'aus
dem die Schraubenfeder der Spindel hergestellt ist,läßt sich eine günstig niedrige
Hertz'sche Pressung zwischen den umlaufenden Kugeln und den Gewindegängen der Spindel
erzielen.
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Durch die Gestaltung des Spindelkerns und der Spindel-Schraubenfeder
gemäß Anspruch 7 wird eine gleichsam selbsttätige Einstellung der Gewindeflanken
der Spindel erreicht.
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In bevorzugter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kugelumlauf-Spindel-Antriebsvorrichtung
sind auch die Gewindegänge der Spindelmutter durch eine Schraubenfeder gebildet,die
in einer zur Fixierung der Spindel-Schraubenfeder am Spindelkern analogen Weise
am Innenmantel einer die Spindel koaxial umgebenden Mutterhülse festgelegt sein
kann.
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Wenn die das Muttergewinde bildende Schraubenfeder eine andere Steigung
hat als die das Spindelgewinde bilden dc Schraubenfeder,läßt sich,eine hinreichende
axiale Beweglichkeit und gegebenenfalls radiale Aufweitbarkeit der Mutter-Schraubenfeder
relativ zur Befestigungsstelle bzw.zur Federachse vorausgesetzt,ein besonders günstiges
Tragverhalten erzielen'derart,daß die meisten der zwischen der Mutter-und der Spindel-Schraubenfeder
umlaufenden Kugeln an der Kraftübertragung beteiligt sind.Dabei wird mit Vorteil
ausgenutzt,daß aus dem durch die Umlaufkugeln vermittelten formschlüssigen Eingriff
des Mutter- und des Spindelgewindes eine axiale Vorspannung der Mutterfeder resultiert,und
dadurch die überwiegende Zahl der Kugeln in Anlage mit den Gewindegängen gehalten
wird.
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Um diesen Effekt zu erzielen,können je nach den Fertigungstoleranzen,mit
denen die Schraubenfedern und die Kugeln behaftet sind und je nach der Federkonstanten
der Mütterfeder bereits geringfügige,z.B.zwischen 0,5 und 5% liegende Gangunterschiede
ausreichend sein.
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Wenn die Steigung des Muttergewindes,wie gemäß Anspruch 10 vorgesehen,etwas
größer ist als diejenige des Spindelgewindes,wird ein. besonders günstiges Anfahrverhalten
der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzielt,derart,daß aufeinanderfolgende Gewindegänge
sukzessive in die Kraftübertragung einbezogen werden und eine besonders gleichmäßige
Lastverteilung über die Länge des wechselseitigen Eingriffs von Mutter und Spindel
erzielt wird.
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Dabei ist es vorteilhaft,wenn die Steigung des Muttergewindes im fertig
montierten Zustand der Vorrichtung einstellbar ist und somit auf den für den jeweiligen
Gebrauchsfall günstigsten Wert einjustiert werden kann.
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Durch die Merkmale des Anspruchs 12 ist eine hierzu geeignete, mit
einfachen konstruktiven Mitteln realisierbare Einstellvorrichtung angegeben.
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Schließlich ist durch die Merkmale des Anspruchs 13 eine interessante,hohlrohrförmige
Gestaltung der Mutter- Schraubenfeder angegeben,die auch die Rücklaufbahn für die
Umlaufkugeln mit umfaßt und den Vorteil hat,daß ein die Mutter-Schraubenfeder stützender
Mutterkörper entfallen kann.
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Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung spezieller Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung.Es
zeigen: Fig.1 den grundsätzlichen Aufbau einer erfindungsgemäßen Kugelumlauf-Spindel-Antriebsvorrichtung
im Längsschnitt, Fig2 Einzelheiten der Fixierung der Spindel-Schraubenfeder bis
am Spindelkern,und Fig.5 Fig.6 eine spezielle Gestaltung einer im Rahmen der erz
in dungsgemäßen Vorrichtung geeigneten Spindelmutter mit Hohlrohr-förmiger Spindelmutter.
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Die in der Fig'1 dargestellte,erfindungsgemäße Kugelumlauf-Spindel-Antriebsvorrichtung
umfaßt eine Spindel 11,deren Gewindegänge durch die einzelnen Windungen 12 einer
insgesamt mit 13 bezeichneten Schraubenfeder gebildet sind,und eine Mutter 14,deren
Gewinde ebenfalls durch eine insgesamt mit 16 bezeichnete Schraubenfeder gebildet
ist,die im Inneren eines als rohrfOrmige Hülse 17 ausgebildeten Mutterkörpers angeordnet
ist,der einen Abschnitt der Spindel 11 koaxial umgibt.
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Die durch die Schraubenfedern 13 und 16 der Spindel 11 bzw.der Mutter
14 gebildeten Gewinde stehen über Umlaufkugeln 18 in formschlüssigem Eingriff miteinander.Die
Schraubenfedern 13 und 16,die denselben,runden Windungsquerschnitt haben,sind aus
gehärtetem Federstahldraht gefertigt.
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Die Windungen 19 der Mutter-Schraubenfeder 16 sind in Nuten 21 des
Mutterkorpers 17 angeordnet,die einen im wesentlichen rechteckigen lichten Querschnitt
haben.Die in Richtung der Längsachse 22 der Vorrichtung 10 gemessene lichte Weite
der Nuten 21 ist geringfügig größer als der Durchmesser des Schraubendrahtes.
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Am einen, gemäß Fig.1 linken Ende des Mutterkörpers 17 ist an diesem
drehbar und in verschiedenen Drehlagen reibungsschlüssig festlegbar ein in der Art
einer Uberwurfmutter ausgebildeter radialer Flansch 23 angeordnet,an dem das eine
Ende 24 der Mutter-Schraubenfeder 16 befestigt ist.Am gegenüberliegenden Ende ist
ein am Mutterkörper 17 schraubbar geführter Gegenflansch 26 angeordnet,an dessen
radialer Flanschfläche 27 das andere Ende 28 der Mutter-Schraubenfeder 16,unter
axialer Vorspannung stehend, abyestützt ist.Durch Einschrauben des Gegenflansches
26 und kompensatorisches Verdrehen des radialen Flansches 23 zur Kompensation einer
möglichen Aufweitung der Mutter-Schraubenfeder 17 läßt sich in den durch die lichte
Weite der Nuten 21 vorgegebenen Grenzen die Steigung der Mutter-Schraubenfeder 16
variieren und damit in der einleitend bereits erläuterten Weise ein optimales Tragverhalten
der Umlaufkugeln 18 in Verbindung mit den durch die Schraubenfedern 13 und 16 gebildeten
Gewindegängen erzielen.
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Der Einfachheit der Darstellung halber ist eine von' jeweiligen, Ende
der Umlaufbahn der Kugeln 18 zum Beginn der Umlaufbahn innerhalb des Mutterkörpers
17 vorgesehene Rücklaufbahn nicht dargestellt.
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Um eine sichere Fixierung der Spindel-Schraubenfeder 13 mit der vorgesehenen
Steigung am Spindelkern 15 zu gewährleisten, kann diese,wie in Fig.2 dargestellt,mit
V-förmigen Nuten 29 versehen sein,in welche die unter radialer Vorspannung stehenden
Wendeln 12,deren Querschnitt hier als kreisrund vorausgesetzt sei,einrasten können.Die
von der Achse der Feder aus gemessene Neigung a der Nutflanken 34 und 36 ist zweckmäßigerweise
geringfügig steiler gewählt als die entsprechend gemessene Neigung der gemeinsamen
Tangentialebenen 25 von Umlaufkugeln 18 und Wendeldraht 12 im Abwälzpunkt,damit
aus der normal zu dieser Tangentialebene 25 angreifenden,vom Gewinde aufzunehmenden
Lastkomponente,die in der Fig.2 durch den Pfeil 30 repräsentiert ist,stets eine
die Wendel in die Nut 29 hineindtängende Kraftkomponente resultiert.Alternativ können
die Wendeln 12 der Spindel-Schraubenfeder 13 auch,wie in der Fig.3 dargestellt,
mit einem Teil ihres Querschnitts in eine auf den Spindelkern 15 aufgebrachte Schicht
31 aus einem aushärtbaren Kunststoff oder einem geeigneten Duroplasten eingebettet
sein.Anstelle einer solchen,den korrekten Windungsabstand stabilisierenden Kanststoffschicht
31 kann zwischen den einzelnen Windungen 12 auch ein Stahlband mit entsprechend
gewundener Verlegung vorgesehen sein.
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Um eine sichere Fixierung der Spindel-Schraubenfeder 13 am Spindelkern
15 zu erzielen kann die Querschnittsform des Spindeldrahtes und einer entsprechend
gestalteten Spiralnut 32 des Spindelkerns so gewählt sein,daß die Wendeln 12 formschlüssig
in diese Spiralnut einrasten können,wie in der Fig.4 dargestellt.
Beim
Ausführungsbeispiel gemäß Fig.4 ist der Wendeldraht mit konkav gewölbten Flanken
33 versehen,deren Krümmungsradius etwas größer ist als der Radius der Rollkugeln
18,wodurch im Lastfall ein günstig niederer Wert der Hertz'schen Pressung erzielt
wird.Die solchermaßen gewölbten Flanken 33 konnen entweder schon beim Ziehen des
Drahtes oder aber durch Anschleifen des bereits auf dem Spindelkern 15 fixierten
Drahtes erzielt werden.
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Wenn solche gewölbten Draht- bzw.Gewindeflanken 33 vorgesehen sind,kann
in Verbindung mit einer V-förmigen Spiralnut am Spindelkern 15 auch eine in der
Fig.5 dargestellte Gestaltung des Drahtes vorgesehen sein,der hier mit einem halbkreisförmigen
Querschnittsbereich an den Nutwangen 34 und 36 anliegt.Bei dieser Gestaltung der
Wendeln 12 kann sich im Lastfall die günstigste Neigung der Gewindeflanken 33 selbsttätig
einstellen.
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Die in der Fig.6 dargestellte Kugelumlauf-Spindel-Antriebsvorrichtung
40 unterscheidet sich von derjenigen gemäß Fig.1 durch die spezielle Gestaltung
der Mutter 41,deren Gewindegänge 42 durch ein Schraubenfeder-förmig verlaufendes
Rohr 43 gebildet sind,dessen innere Mantelfläche 44 als äußere Abwälzfläche für
die Umlaufkugeln 18 ausgenutzt ist.Dieses Rohr 43 kann z.B. ein entsprechend gewickeltes
Federstahlrohr oder ein aus einem anderen,geeignet harten oder härtbaren Material
bestehendes,mit dem genannten Verlauf herstellbares Rohr sein.
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An der der Spindel 11 zugewandten inneren Seite der Gewindegänge 42
hat dieses Rohr 43,dessen lichter Innendurchmesser geringfügig größer ist als der
Durchmesser der Umlaufkugeln t8, einen Schlitz 46,aus dem ein Kalottenbereich der
Laufkugeln 18 herausragt,mit dem sich diese an den Wendeln 12 der Spindel-Schraubenfeder
13 abstützen;der Schlitz 46 kann z.B.durch Abschleifen des inneren Mantelbereichs
von dem bereits mit dem Schraubenfeder-förmigen Verlauf vorliegenden Rohr 43 geschaffen
werden;der
die Umlaufkugeln 18 außenseitig umschließende Mantelsektorbereich des Rohres 43
ist zweckmäßigerweise gerade 0 so groß,d.hetwas größer als 180 gewählt,daß die Umlaufkugeln
18 nicht aus dem Schlitz 46 des Rohres 43 herausfallen können.
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Die sich an den zentralen Gewinde-abschnitt 42 anschließenden, nicht
mehr geschlitzten Endabschnitte 47 und 48 des Rohres 43 sind,z.B.mittels einer Muffe
49 zur Bildung des Rückführkanals für die Umlaufkugeln 18 miteinander verbunden.Eine
zur Bestückung der Mutter 41 mit den Umlaufkugeln 18 vorgesehene öffnung 51 ist
zweckmäßigerweise im Bereich der Muffe 49 angeordnet und z.B.durch Drehen oder Verschieben
derselben freigebbar und verschließbar.
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Es versteht sich,daß auch die Mutter 41 mit der Einfachheit halber
nicht dargestellten Einstelleinrichtungen zur Veränderung und Anpassung der Steigung
der Gewindegänge 42 versehen sein kann,und daß anstelle eines Rohres 43 mit rundem
Querschnitt auch ein Hohlprofil mit quadratischem oder einem anderen geeigneten
polygonalen lichten Querschnitt zur Herstellung der Mutter 41 verwendet werden kann.
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