DE3402631A1 - Linear-kugellager zum uebertragen von drehmomenten - Google Patents
Linear-kugellager zum uebertragen von drehmomentenInfo
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Description
Linear-Kugellager zum übertragen von Drehmomenten
Die Erfindung betrifft ein Linear-Kugellager zum übertragen
von Drehmomenten.
Derartige Linear-Kugellager, welche gelegentlich auch als Rillenkugellager bzw. als Schulterkugellager bezeichnet
werden, sind bekannt und umfassen typischerweise einen äußeren Lagerring, eine Keilnutwelle und einen
zwischen diesen Elementen angeordneten Kugelkäfig, welcher mehrere Schlitze aufweist, die der Aufnahme von
Kugeln dienen, die im Betrieb belastet sind und bei einer axialen Relativbewegung längs der Schlitze rollen können.
Bei derartigen Linear-Kugellagern beträgt der Kontaktwinkel welcher als Winkel zwischen der Verbindungslinie der
Kontaktpunkte einer Kugel mit den sie führenden Kugelnuten einerseits und einer durch den Mittelpunkt der Kugel
und die Mittelachse des Lagers gehenden Linie definiert ist, etwa 30°.
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Es hat sich gezeigt, daß bei einem Kontaktwinkel von etwa
30° das mit Hilfe des Linear-Kugellagers übertragbare Drehmoment relativ gering ist. Außerdem erhöht die Notwendigkeit für die Verwendung eines Kugelkäfigs bei den bekannten
Ijinear-Kugellägern die Pertigungs- und Montagekosten .
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Linear-Kugellager zum Übertragen von Drehmomenten anzugeben,
welches bei kompaktem, vergleichsweise einfachem Aufbau die übertragung großer Drehmomente ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch ein Linear-Kugellager zum Übertragen
von Drehmomenten gelöst, welches gemäß der Erfindung durch folgende Merkmale gekennzeichnet ist:
es ist ein äußerer Lagerring vorgesehen, der an seiner inneren Mantelfläche mit mehreren, in axialer Richtung
verlaufenden, in Umfangsrichtung in vorgegebenen Abständen
voneinander angeordneten Kugelnuten versehen ist und in dem mehrere, der Aufnahme unbelasteter Kugeln dienende,
in.axialer Richtung verlaufende, in Umfangsrichtung in
vorgegebenen Abständen voneinander angeordnete Kugelkanäle vorgesehen sind; es ist eine Keilnutwelle vorgesehen,
die vom hohlen Inneren des äußeren iagerrings aufgenommen wird, und die an ihrer Mantelfläche mit; mehreren,
in axialer Richtung verlaufenden Keilnuten versehen ist, von denen jede zusammen mit einer.zugeordneten Kugelnut
des äußeren Lagerrings einen Kugelkanal für im Betrieb belastete Kugeln bildet; und es sind zwei ~ Kappen
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vorgesehen, von denen jeweils eine an je einem der beiden
offenen Enden des äußeren Lagerrings angebracht und auf ihrer dem Lagerring zugewandten Innenseite mit einer Anzahl
von Kugel-Umlenknuten versehen ist, die jeweils einen
der Aufnahme von belasteten Kugeln dienenden Kugelkanal mit einem zugeordneten, der Aufnahme von unbelasteten
Kugeln dienenden Kugelkanal derart miteinander verbinden, daß sich geschlossene Umlaufbahnen für Kugelketten ergeben,
welche jweils eine Anzahl von Kugeln umfassen.
Es ist ein wesentlicher Vorteil desLinear-Kugellagers
gemäß der Erfindung, daß auf den üblichen Kugelkäfig verzichtet werden kann, so daß die der Übertragung des Drehmoments
dienenden, im Betrieb belasteten Kugeln tiefer in die Kugelnuten der Keilnutwelle und des äußeren Lagerrings
eingreifen können, wodurch sich ein höherer Kontaktwinkel von etwa 45° ergibt, so daß hohe Drehmomente übertragen
werden können, während gleichzeitig die Produktionskosten verringert werden und die Montage vereinfacht wird.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend anhand von Zeichnungen noch näher erläutert
und/oder sind Gegenstand von ünteranspruchen. Es zeigen:
Fig. 1A eine Stirnansicht einer bevorzugten
Ausführungsform eines Linear-Kugellagers gemäß der Erfindung bei abgenommener
Kappe;
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Fig. 1B einen vergrößerten Ausschnitt der Darstellung
gemäß Fig. 1A;
Fig. 2 einen Längsschnitt durch das Lager gemäß Fig. 1, jedoch ohne die Keilnutwelle;
Fig. 3 einen Querschnitt durch das Lager gemäß
Fig. 1 längs der Linie III-III in Fig.1A;
Fig. 4 eine Stirnansicht des Süßeren Lagerrings des Lagers gemäß Fig. 1;
Fig. 5 einen Längsschnitt durch den Lagerring gemäß Fig. 4 längs der Linie V-V in
dieser Figur;
Fig. 6 einen Längsschnitt durch den Lagerring gemäß Fig. 4 längs der Linie VI-VI in
dieser Figur;
Fig. 7 eine Stirnansicht der Keilnutwelle des Lagers gemäß Fig. 1;
Fig. 8 eine Seitenansicht der Keilnutwelle gemäß Fig. 7;
Fig. 9 eine Draufsicht auf die Außenseite einer Kappe des Lagers gemäß Fig. 1 und 2;
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Fig. 10 eine Draufsicht auf die Innenseite
der Kappe gemäß Fig. 9;
Fig. 11 einen Querschnitt durch die Kappe gemäß Fig. 9 längs der Linie XI-XI
in dieser Figur;
Fig. 12 einen Querschnitt durch die Kappe
gemäß Fig. 10 längs der Linie XII-XII in dieser Figur;
Fig. 13 einen Querschnitt durch die Kappe
gemäß Fig. 10 längs der Linie XIII-XIII in dieser Figur und
Fig. 14 den Darstellungen gemäß Fig. IA und
und 1B entsprechende Stirnansichten eines Fig. 15 konventionellen Linear-Kugellagers.
Ehe nachstehend näher auf die Erfindung eingegangen wird,
soll zunächst anhand von Fig. 14 und 15 noch einmal der
Beschreibungseinleitung angesprochene Stand der Technik näher erläutert werden. Im einzelnen zeigen Fig. 14 und
15 ein typisches/ der Übertragung eines Drehmoments dienendes Linear-Lager mit einem äußeren Lagerring 100
und mit einem Kugelkäfig 102, welcher zwischen dem äußeren
Lagerring 100 und einer Keilnutwelle 101 angeordnet
ist. Der .Kugelkäfig 102 besitzt mehrere axiale Nuten 103,
welche der Aufnahme von mehreren, der Übertragung eines Drehmoments dienenden, im Betrieb belasteten Kugeln 1.04
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dienen, die längs der Nuten 103 entlangrollen können.
Bei diesem konventionellen Linear-Lager beträgt der Winkel θ etwa 30°. Der Winkel θ ist dabei als Winkel
zwischen zwei Geraden X-X und Y-Y definiert, von denen die Gerade X-X den Mittelpunkt O des äußeren Lagerrings
100 bzw. der Keilnutwelle 101 mit dem Mittelpunkt O'
einer Kugel 104 verbindet. Die zweite Gerade X-X ist durch die Verbindungslinie definiert, welche zwei Punkte
P1, P„ miteinander verbindet, an denen die betreffende
Kugel 104 in Kontakt mit den zugeordneten Nuten 105,106 im äußeren Lagerring 100 bzw. in der Keünutwelle 101
steht. Bei einem Kontaktwinkel θ von etwa 30°, wie er sich bei einem konventionellen Linear-Lager ergibt, ist
das mit Hilfe des Linear-Lagers übertragbare Drehmoment in unerwünschter Weise eingeschränkt. Außerdem wird
durch die Notwendigkeit,zwischen dem äußeren Lagerring
100 und der Keünutwelle 101 den Kugelkäfig 102 anzuordnen, die Anzahl der Bauteile in unerwünschter Weise
erhöht, wodurch die Produktionskosten für das Linear-Kugel-Lager steigen und außerdem der Zusammenbau erschwert
wird. Diese Nachteile werden bei einem erfindungsgemäßen Linear-Lager überwunden, welches nachstehend anhand von
Fig. 1 bis 13 detailliert erläutert wird.
Im einzelnen zeigen Fig. 1 bis 13 ein erfindungsgemäßes
Linear-Lager .zur Drehmomentübertragung, bei dem ein äußerer Lagerring 1 eine Keünutwelle 2 unmittelbar umgibt,
bei dem also kein Kugelkäfig vorgesehen ist. Bei dem betrachteten, bevorzugten Ausführungsbeispiel ist
an jedem der beiden offenen Enden des äußeren Lager-
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rings 1 jeweils eine Abdeckung bzw. eine Kappe 3 vorgesehen, wobei die Kappen 3 die Bildung von Kugelketten 4
ermöglichen, von denen jede aus einer Anzahl von Kugeln besteht, die bei einer Axialbewegung zwischen dem äußeren
Lagerring 1 und der Keilnutwelle 2 auf geschlossenen, ringförmigen Bahnen umlaufen können.
Im einzelnen wird aus Fig. 1 bis 6 deutlich, daß der äußere Lagerring 1 ein hohlzylindrisches Bauteil ist,
welches aus einem durch Abschrecken härtbaren Material besteht und an seiner inneren Mantelfläche mit drei in
axialer Richtung verlaufenden Trennstegen 100 versehen ist, die in Umfangsrichtung jeweils um 120° gegeneinander
versetzt sind. Längs beider Seiten jedes der Trennstege 10 sind in der inneren Mantelfläche des äußeren Lagerrings
1 außerdem halbrunde Nuten 11 vorgesehen, die im Betrieb der Aufnahme der belasteten Kugeln dienen. Die
Nuten 11 sind dabei symmetrisch zur radialen Mittelebene
der Trennstege angeordnet. Insgesamt sind also -drei Paare von halbrunden Nuten 11 bzw. sechs Nuten in der inneren
Mantelfläche des äußeren Lagerrings 1 ausgebildet. Dabei ist der Radius der Nuten 11 größer als der Radius
der von ihnen aufzunehmenden Kugeln der Kugelketten 4.
Durch die beschriebene Anordnung wird die Kontaktfläche zwischen den belasteten Kugeln und der Nutfläche, die
sich bei Belastung aufgrund der elastischen Verformung
der Kugeloberflache und der Nutoberfläche ergibt, gegenüber
den bekannten Linear-Lagern.erhöht, so daß die
Belastung pro Flächeneinheit verringert wird, was bedeutet, daß das mit dem erfindungsgemäßen Linear-Lager
übertragbare Drehmoment erhöht wird.
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Der äußere Lagerring 1 ist ferner mit sechs Kugelkanälen 12 versehen, die im Material des Lagerrings 1 ausgebildet
und in ümfangsrichtung in vorgegebenen Abständen voneinander
angeordnet sind und der Aufnahme der im Betrieb nicht belasteten Kugeln der Kugelketten 4 dienen. Um ein
leichtes Rollen der Kugeln in den Kugelkanälen 12 zu gewährleisten, haben diese einen etwas größeren Durchmesser
als die Kugeln. Am Ausführungsbeispiel liegen die Kugelkanäle 12, welche in axialer Richtung verlaufen, jeweils
zu beiden Seiten der einzelnen Trennstege und sind symmetrisch zur Mittelebene der Trennstege angeordnet.
Nachstehend soll unter Bezugnahme auf Fig. 1 näher erläutert werden,wie die halbrunden Nuten 11 in Verbindung
nit den zugeordneten Nuten 21 der Keilnutwelle 2 einerseits als Kanäle für die im Betrieb belasteten Kugeln
mit den Kugelkanälen 12 andererseits für die im Betrieb
unbelasteten Kugeln zusammenwirken, um diese Erläuterung
zu vereinfachen, soll lediglich derjenige Trennsteg 10 betrachtet werden, der in Fig. 1 im oberen, mittleren
Teil des äußeren Lagerrings 1 liegt. Man erkennt, daß eine halbrunde Nut 111 auf der linken Seite des Trenn-.
Stegs 10 liegt und zusammen mit einem Kugelkanal 12.. auf der linken Seite des Trennstegs 10 zu einem geschlossenen
Kugelkanal für eine Kugelkette gehört. In entsprechender
Weise gehören eine Nut H2 und ein Kugelkanal 12_
auf der rechten Seite des Trennstegs 1.0 zu einem anderen geschlossenen Kugelkanal für eine weitere Kugelkette.
Der aus der Nut 11Ί und der zugeordneten Nut 21 gebildete
innere Kugelkanal besitzt einen Mittelpunkt O1, während
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der zugehörige .äußere Kugelkanal 12- einen Mittelpunkt
C>2 besitzt. Der Radius r.. zwischen dem Mittelpunkt O des
äußeren Lagerrings 1 ist dabei kleiner als der Radius r zwischen den Mittelpunkten O und O2, wobei die Differenz
R = r- - r^ so gewählt ist, daß sie kleiner als der
Kugeldurchmesser ist, so daß die Kugelkanäle 12 im Material des äußeren Lagerrings 1 an einer Stelle vorgesehen
werden können, die bezüglich der Lage der zugehörigen Nut 11 relativ dicht am Mittelpunkt 0 des äußeren Lagerrings
1 liegt. Folglich kann der Einfluß der Zentrifugalkraft auf die im Betrieb unbelasteten Kugeln 4 in den
Kugelkanälen 12 bei rotierendem äußeren Lagerring 1 gegenüber
dem Stand der Technik verringert werden, um so ein glattes Umlaufen der Kugeln zu fördern.
Wie aus Fig. 1, 7 und 8 deutlich wird, besitzt die Keilnutwelle 2 einen im wesentlichen kreisrunden Querschnitt
und wird mit geringem Spiel von dem äußeren Lagerring 1 aufgenommen.. An ihrer Mantelfläche ist die Keilnutwelle
2 mit Trennstegen 20 versehen, welche den Trennstegen 10
des äußeren Lagerrings 1 entsprechend und welche in Umfangsrichtung ebenfalls um 120° versetzt sind. Zu beiden Seiten
jedes der.Trennstege 20 ist dabei wieder eine halbrunde
Nut 21 vorgesehen, welche im Betrieb der Aufnahme der belasteten Kugeln 4.. dient, wobei die Nuten 21 symmetrisch
zur radialen Mittelebene jedes Trennstegs 20 angeordnet sind. Am Umfang der Keilnutwelle 2 sind also drei Paare
von Keilnuten 21 vorgesehen. Die halbrunden Nuten 11 und
die Keilnuten 21 bilden also insgesamt 6 Kugelkanäle, wobei auch der Radius der Keilnuten 21 wieder größer ist
als der Radius der Kugeln 4.
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Die Kugeln 4 bestehen aus Stahl und können in den durch die Nuten 11 und 21 gebildeten Kugelkanälen laufen, da
die Nuten 11 und 21 jeweils etwa eine dem Kugelradius entsprechende Tiefe besitzen. Durch den Verzicht auf
den Kugelkäfig ergibt sich bei dem erfindungsgemäßen Linearlager ein deutlich vergrößerter Winkel θ von etwa
45°, wie dies aus Fig. 1B deutlich wird, wo die Verbindungslinie X-X zwischen den Mittelpunkten O und O' eingezeichnet
ist sowie die Verbindungslinie Y-Y zwischen den beiden Berührungspunkten P.. und V , welche die im
Betrieb belastete Kugel 4 mit den Nuten 11 bzw. 21
besitzt.
Die vordere und die hintere Kappe 3 ist jeweils am axial offenen Ende des äußeren Lagerrings 1 befestigt. Die
Kappen 3 werden als Kunststoff-Spritzteile, durch Präzisionsgießen
oder durch Formgießen hergestellt. Wie in Fig. 1 bis 3 sowie in Fig. 9 bis 13 gezeigt, besitzt
jede Kappe 3 auf ihrer Innenseite mehrere Kugel-Umlenknuten 30, wobei jede dieser Umlenknuten jeweils einen
Kugelkanal für die belasteten Kugeln mit einem Kugelkanal 12 für die unbelasteten Kugeln einer Kugelkette
verbindet. Die aus einem inneren Kugelkanal 11,21 austretenden
Kugeln werden also zwangsweise umgelenkt und rollen längs der Umlenknuten 30.ab h bis sie in den betreffenden
Kugelkanal 12 eingeführt sind.. In entsprechender Weise werden die Kugeln aus dem Kugelkanal 12 in den
Kugelkanal .11,21 umgelenkt. An den Enden der Umlenknuten
30 sind dabei angrenzend an den Kugelkanal 11 ,21 für
die belasteten Kugeln Zungen 31 angeformt, welche die
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aus dem angrenzenden Kugelkanal 11,21 austretenden Kugeln 4- glatt und fehlerfrei in die Umlenknuten hineinheben.
Das erfindungsgeinäße Linear-Kugellager arbeitet wie
folgt:
Wenn sich der äußere Lagerring 1 oder die Keilnutwelle 2, während sie eine Drehbewegung ausführen, in axialer Richtung
bewegen, dann laufen die belasteten Kugeln A., die der Drehmomentübertragung dienen, längs des äußeren Lagerrings
1 in axialer Richtung, wobei sie in einem perfekten Rollkontakt mit den Flächen der Kugelkanäle 11,21 stehen.
Dabei werden die Kugeln 4.. nacheinander von den Zungen 31
der Kappen 3 in die betreffenden Umlenknuten 30 gelenkt. Damit endet die Belastung der betreffenden Kugeln und
diese werden nach Passieren der betreffenden Umlenknuten 30 in die zugeordneten Kugelkanäle 12 für die unbelasteten
Kugeln 4„ eingeführt. Auf diese Vieise erreicht man, daß
die Kugeln der einzelnen Kugelketten 4 auf.ihren geschlossenen
Bahnen umlaufen.
Aus der vorstehenden Beschreibung wird deutlich, daß bei dem erfindungsgemäßen Linear-Lager zur· Drehmomentübertragung
auf einen Kugelkäfig verzichtet werden kann, wie er bei den konventionellen Linear-Lagern als wesentliches
Bauteil benötigt wird. Bei dem erfindungsgemäßen Linearlager liegen -sich die Nuten im äußeren Lagerring und in
der Keilnutwelle dagegen unmittelbar gegenüber und definieren gemeinsam Kugelkanäle für die belasteten Kugeln,
so daß diese tief in die Nuten hineinragen, so daß sich ein großer Kontaktwinkel von etwa 45° ergibt," wodurch
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das übertragbare Drehmoment bei sonst gleichen Bedingungen merklich erhöht wird.
Gemäß der Erfindung ist es also möglich, den Durchmesser
des äußeren Lagerrings und der Keilnutwelle gegenüber dem Stand der Technik zu verringern/ ohne daß damit die
Belastbarkeit und das übertragbare .Drehmoment reduziert würden.
Es wird also ein kompaktes Linear-Kugellager geschaffen, welches einer hohen Belastung standhält und ein großes
Drehmoment übertragen kann. Ein derartiges, kompaktes Linear-Kugellager ermöglicht,beispielsweise beim Einsatz
für drehbare Teile eines Industrie-Roboters, eine kompakte Ausbildung des Roboters selbst bei hoher Leistungsfähigkeit
desselben.
Außerdem wird durch den Verzicht auf den Kugelkäfig die
Anzahl der Teile verringert, wodurch auch die Produktionskosten gesenkt, werden. Zusätzlich wird auch die Montage
des Lagers vereinfacht, wodurch die Kosten weiter gesenkt werden. Weiterhin wird durch den Verzicht auf einen Kugel-.käfig
das Gesamtgewicht des Lagers verringert, so daß sich eine geringere träge Masse ergibt, wenn der äußere
Lagerring oder die Keilnutwelle mit hoher Beschleunigung gestartet oder stillgesetzt werden. Das erfindungsgemäße
Linear-Kugellager ist .damit aber besonders für Maschinen geeignet, welche mit hohen Geschwindigkeiten arbeiten
müssen.
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Durch die unterschiedlichen Radien der Kugelnuten 11, 21 wird erfindungsgemäß erreicht, daß die Krümmung der Nutflächen
etwas schwächer ist als diejenige der Kugeloberfläche, so daß die Kugeln leicht in den Kugelnuten laufen.
Außerdem wird die Tiefe der Kugelnuten so gewählt, daß der Lagerring frei gegenüber der Keilnutwelle verschiebbar ist.
Die Kugelnuten haben also kein vollständiges Halbkreisprofil, sondern sind geringfügig flacher.
Während vorstehend ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel erläutert wurde, versteht es sich, daß dem Fachmann,
ausgehend von diesem Ausführungsbeispiel, zahlreiche Möglichkeiten für Änderungen und/oder Ergänzungen zu
Gebote stehen, ohne daß er dabei den Grundgedanken der Erfindung verlassen müsste.
Claims (3)
- Hans Niemeyer 7024ShDiDl Ina ~ Schwalbenstraße 11H y Telefon 0711/772650Dresdner Bank AG Stuttgart Kt.-Nr. 1911934Patentanwalt Dip! -Ing Hans Niemeyer. 7024 Filderstndl-4A 2007 Anmelder: Hiroshi Teramachik - 176 2-34-8, Higashi-Tamagawa,25. Januar 1984 Setagaya-KuTokio / JapanPatentansprücheLinear-Kugellager zum übertragen von Drehmomenten, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: Es ist ein äußerer Lagerring (1) vorgesehen, der an seiner inneren Mantelfläche mit mehreren, in axialer Richtung verlaufenden, in ümfangsrichtung in vorgegebenen Abständen voneinander angeordneten Kugelnuten (11) versehen ist und in dem mehrere, der Aufnahme unbelasteter Kugeln (4„) dienende, in axialer Richtung verlaufende, in Ümfangsrichtung in vorgegebenen Abständen voneinander angeordnete Kugelkanäle (12) vorgesehen sind; es ist eine Keilnutwelle (2) vorgesehen, die vom hohlen Inneren des äußeren Lagerrings (1) aufgenommen wird und die an ihrer Mantelfläche mit mehreren, in axialer Richtung verlaufendem Keilnuten (21) versehen ist, von denen jede zusammen mit einer zugeordneten Kugelnut (11) des äußeren Lagerrings (1) einen Kugelkanal (11,21) für im Betrieb belastete Kugeln (4.) bildet; und-2-A 2007k - 176 - 2 -25. Januar 1984es sind zwei Kappen (3) vorgesehen/ von denen jeweils eine an je einem der beiden offenen Enden des äußeren Lagerrings (1) angebracht und auf ihrer dem Lagerring (1) zugewandten Innenseite mit einer Anzahl von Kugel-Umlenknuten (30) versehen ist, die jeweils einen der Aufnahme von belasteten Kugeln (4-) dienenden Kugelkanal (11,21) mit einem zugeordneten, der Aufnahme von unbelasteten Kugeln (4„) dienenden Kugelkanal (12) derart miteinander verbinden, daß sich geschlossene Umlaufbahnen für Kugelketten (4) ergeben, welche jeweils eine Anzahl von Kugeln umfassen.
- 2. Linear-Kugellager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktwinkel (Θ) für die im^Betrieb belasteten Kugeln H1) in den zugeordneten Kugelkanälen (11,21) etwa 45° beträgt.
- 3. Linear-Kugellager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Kugel-Umlenknuten (30) in jeder der Kappen (3) an ihrem einen Ende mit einer Zunge (31) versehen ist.-3-
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8128 | New person/name/address of the agent |
Representative=s name: KLUNKER, H., DIPL.-ING. DR.RER.NAT. SCHMITT-NILSON |
|
D2 | Grant after examination | ||
8363 | Opposition against the patent | ||
8331 | Complete revocation |