DE3308149A1

DE3308149A1 - Kugel-gewinde-antrieb zur umwandlung einer rotationsbewegung in eine translatorische bewegung oder umgekehrt

Info

Publication number: DE3308149A1
Application number: DE19833308149
Authority: DE
Inventors: P.-Gerhard Dr.-Ing. 3000 Hannover Althaus
Original assignee: ALTHAUS P GERHARD DR ING
Current assignee: ALTHAUS P GERHARD DR ING
Priority date: 1983-03-08
Filing date: 1983-03-08
Publication date: 1984-09-13

Description

Kuael-Gewinde-Antrieb zur Umwandlung einer Rotationsbewegung
in eine translatorische Bewegung oder umgekehrt.
Die Erfindung bezieht sich auf einen Kugel-Gewinde-Antrieb zur Umwandlung einer Rotationsbewegung in eine translatorische Bewegung oder umgekehrt, im wesentlichen bestehend aus einer Gewinde spindel, einer Mutter und zwischen den Gewindegängen laufenden Kugeln.
Derartige Eugel-Gewinde-Antriebe wurden aus den gleichen Uberlegungen heraus entwickelt, wie das Kugellager aus dem Gleitlager. So wie in vielen Fällen das Kugellager dem Gleitlager überlegen ist, so ist auch in vielen Fällen die Kugel-Gewinde spindel einer herkömmlichen Gewinde spindel überlegen. Aus diesem Grunde setzt sich die Kugel-Gewindespindel als Bauelement im Maschinenbau immer mehr durch.
Die kleine Rollreibung der Kugeln garantiert ein ruckfreies gleichmäßiges Anfahren, wodurch auch kleinste Verstellwege eingehalten werden können. Bedingt durch die kleine Reibung besitzen die Kugel-Gewinde-Antriebe einen hohen Wirkungsgrad. Die hohe Verschleißbeständigkeit der gehärteten und geschliffenen Kugelrollbahn und Kugeln sowie die große dynamische Tragfähigkeit lassen eine hohe Lebensdauer der Kugel-Gewinde spindel erwarten.
Um große Verfahrwege der Mutter zu erreichen, werden die Kugeln nach Durchlauf der gesamten Gewindesteigung in der Mutter durch eine Axial-Umlenkung in den Ausgangspunkt zu- rückgeführt. Dabei liegt die Umlenkung je nach der gewünschten Belastbarkeit innerhalb des Muttern-Außendurchmessers oder innerhalb einer vorspringenden Paß feder. Derartige Muttern müssen eine sehr große Genauigkeit aufweisen, die oft nur durch manuelle Nacharbeit erzielt werden kann. Durch die Axial-Umlenkung treten bei hohen Drehzahlen der Spindel große Beschleunigungskräfte auf. Dieses allein läßt schon keine sehr hohen Drehzahlen zu. Weiterhin ist bei der bekannten Axial-Rückführung von Nachteil, daß die Kugeln im Rückführungskanal einer Schiebebewegung unterliegen und damit große Reibkräfte aufweisen. Besonders groß sind die Reibkräfte in den Umlenkungspunkten in dem Rückführungskanal.
Vorteilhaft bei den Kugel-Gewinde-Antrieben, die eine Axial-Umlenkung der Kugeln aufweisen, ist, daß die Muttern über große Wege, z. B. vier Meter und mehr, verfahren werden können. Bei zahlreichen translatorischen Bewegungen an Werkzeugmaschinen, aber auch in vielen anderen Bereichen, beschränken sich die notwendigen Verfahrwege jedoch auf relativ kurze Strecken. Aufgabe der Erfindung ist es, für diese Anwendungsfälle einen Kugel-Gewinde-Antrieb zu schaffen, bei dem die Mutter wesentlich einfacher ausgeführt und bei dem mit wesentlich höheren Drehzahtlen gefahren werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kugeln in einem zylindrischen, die Gewindespindel umgebenden und sich zusätzlich zu der Breite der Mutter über die halbe Länge des maximalen Verfahrwegs der Mutter erstreckenden Kugelkäfig gelagert sind. Bei dieser Ausführungsform eines Kugel-Gewinde-Antriebs werden die Kugeln nach Erreichen des Gewindeendes in der Mutter nichtan den Gewindeanfang wieder zurückgeführt, sondern verbleiben in ihrer Position im Gewindekäfig. Mit der erfinderischen Ausgestaltung des Kugel-Gewinde-Antriebs wird aufgrund der geringeren Reibung ein höherer Wirkungsgrad erzielt, der Antrieb erwärmt sich weniger hoch, wodurch in der Spindel auch eine geringere Wärmedehnung auftritt, so daß auch die Genauigkeit des Antriebs erhöht wird. Weiterhin läßt sich die Drehzahl steigern, ohne daß dadurch der Wirkungsgrad verringert wird. Da bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform die Gleitreibung der Kugeln im Führungskanal, bedingt durch das gegenseitige Schieben der Kugeln, entfällt, wird auch der "Stick-Slip-Effekt" vermieden oder zumindest bis auf ein sehr geringes Maß herabgesetzt.
Durch die starke Herabsetzung der Reibung gegenüber den bekannten Ausführungen erhöht sich auch die Lebensdauer des erfindungsgemäßen Kugel-Gewinde-Antriebs.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist an die Mutter beidseitig je eine zylindrische Hülse angebracht, welche den Kugelkäfig umschließen und eine Verlängerung des von der Mutter gebildeten Lagerteils bilden, das die Kugeln in dem Kugelkäfig hält. Dadurch ist einmal sichergestellt, daß die Kugeln nach dem Austritt aus der Mutter nicht aus dem Kugelkäfig herausfallen und zum anderen wird die Gewindespindel gegen Schmutz abgedeckt.
Bei einer weiteren Ausgestaltung er Erfindung ist die Gewindespindel als Hohlwelle ausgeführt. Die Wandungsstärke der Hohlspindel beträgt zweckmäßigerweise etwa 1/6 des Außendurchmessers der Hohlspindel. Dadurch wird das Massenträgheitsmoment auf ca. 50 % reduziert bzw. das dynamische Verhalten um den Faktor 2 verbessert. Aufgrund der geringen Materialquerschnitte ist eine einfachere Wärmebehandlung ç möglich. Man ist nicht mehr auf ein Oberflächenhärten begrenzt, sondern die Spindel kann durchgehärtet werden. Dadurch ist auch die Verwendung von Wälzlagerstahl möglich.
Die Zeichnung veranschaulicht ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die Gewindespindel 1 ist aus einer Hohlwelle hergestellt, deren Wandungsstärke etwa 1/6 des Außendurchmessers beträgt.
Die Wandungsstärke kann sich je nach Auswahl des Werkstoffes oder nach Anwendung verschiedener Härtungsverfahren vergrößern und insbesondere auch bei kurzen und weniger belaste- ten Spindeln verringern. Zwischen der Gewindespindel 1 und der auf die Gewinde spindel aufgesetzten Mutter 2 ist ein Kugelkäfig 3 angeordnet, der die zwischen der Gewindespindel 1 und Gewindemutter 2 laufenden Kugeln einfaßt. Die Länge des Kugelkäfigs 3 wird bestimmt durch den maximalen Verfahrweg und durch die Breite der Gewindemutter 2. Die Mindestlänge setzt sich zusammen aus dem halben maximalen Verfahrweg der Mutter 2 plus der Breite der Mutter. Beidseitig der Mutter 2 sind zylindrische Hülsen 4 angeflanscht.
Diese Hülsen haben die Aufgabe, die außerhalb der Mutter 2 liegenden Kugeln -5 zu halten. Sie bilden somit praktisch eine Verlängerung des von der Mutter gebildeten Lagerteils der Kugeln. Außerdem sind sie gleichzeitig ein Schutz gegen eine Verschmutzung der Spindeln und der Kugeln.
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Claims

Patentansprüche: 01.;Kugel-Gewinde-Antrieb zu eb zur Umwandlung einer Rotationsbewegung in eine translatorische Bewegung oder umgekehrt, im wesentlichen bestehend aus einer Gewindespindel, einer Mutter und zwischen den Gewindegängen laufenden Kugeln, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugeln (5) in einem zylindrischen, die Gewindespindel (1) umgebenden und sich zusätzlich zu der Breite der Mutter (2) über die halbe Länge des maximalen Verfahrwegs der Mutter erstreckenden Kugelkäfigs (3) gelagert sind.
2. Kugel-Gewinde-Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an die Mutter (2) beidseitig je eine zylindrische Hülse (4) angebracht ist, welche den Kugelkäfig (3) umschließen und eine Verlängerung des von der Mutter (2) gebildeten Lagerteils bilden, das die Kugeln (5) in dem Kugelkäfig (3) hält.
3. Kugel-Gewinde-Antrieb insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spindel (1) als Hohlwelle ausgeführt ist.

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4. Kugel-Gewinde-Antrieb nach Anspruch 3, dadurch gekeenzeichnet, daß die Wandungsstärke der Hohlspindel (1) etwa 1/6 des Außendurchmessers beträgt.