DE4002151A1 - Vorrichtung zur umwandlung von rotationsbewegung in linearbewegung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umwandlung von Rotationsbewegung in Linearbewegung oder umgekehrt, wobei zur Durchführung der Linearbewegung eine Spindel­ mutter einer Spindel für die Rotationsbewegung zuge­ ordnet ist.

Bewegungsgewinde werden seit langem in vielen Bauformen ausgeführt. Für einfache Ansprüche, beispielsweise als Leitspindeln bei Drehbänken, sind Trapezgewindespindeln mit Bronzemuttern gebräuchlich. Bei numerisch gesteuer­ ten Vorschubantrieben, wo große Kraftübertragung bei hohen Geschwindigkeiten gefordert wird, sind Kugel­ umlaufspindeln mit Kugelmuttern oder Gewindespindeln mit Gewinderollmuttern üblich.

Müssen extrem hohe Axialkräfte übertragen werden, so kommen auch hydrostatische Spindel-Mutter-Triebe zum Einsatz.

Die Herstellung von Kugelumlaufspindel-Mutter- und Gewinderollspindel-Mutter-Einheiten sind infolge der hohen Genauigkeitsanforderungen sehr aufwendig. Engste Fertigungstoleranzen müssen eingehalten werden, um die Tragkraft auf alle Kugeln bzw. Gewindegänge gleichmäßig zu verteilen.

Ein Nachteil der Kugelumlaufspindeln liegt darin, daß bei kleinen Steigungen die Kugeln und Kugelbahnen sehr klein werden und deshalb nur noch geringe Kräfte über­ tragen werden. Die Rückführung der Kugeln nach einem oder mehreren Umgängen in die Anfangsbahn ergibt in ihrem Bewegungsablauf eine Unstetigkeit, die bei hohen Geschwindigkeiten zu Problemen führen kann.

Mit Gewinderollspindeln können kleinere Steigungen als mit Kugelumlaufspindeln realisiert werden, aber durch die Bedingung, daß das Spindelgewinde mindestens 3-gängig sein muß, ergeben sich sehr geringe Abmessungen für das Gewindeprofil, wodurch auch bei diesem Typ die Belastbarkeit bei kleiner Steigung stark reduziert wird.

Hydrostatisch gelagerte Gewindetriebe können nur in großen Abmessungen gebaut werden und erfordern eine hydraulische Druckversorgung der Spindelmutter, wodurch der Aufwand so groß wird, daß sie nur in wenigen Maschinen zum Einsatz gelangen.

Einsatzbereiche solcher Spindelmuttern für Bewegungs­ gewinde sind vor allem Vorschubantriebe an numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen, Roboter, Drehbänke und Stellglieder mit axialer Bewegung.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine einfache Bauform der Spindelmutter zu finden, die keine extremen Genauigkeitsanforderungen an die Fertigung stellt, sondern durch Justierung bei der Montage die erforderliche Präzision erzielt und alle Funktionen der Kugelumlauf- und Gewinderoll-Systeme erfüllt. Darüber hinaus soll sie bei kleinen Spindelsteigungen größere Axialkräfte übertragen können und zudem für beliebige Formen des Spindelgewindes, wie Trapez-, Spitz-, Rund- und andere Gewinde gleichermaßen geeignet sein.

Zur Lösung dieser Aufgabe führt, daß die Spindelmutter zumindest aus einem Körper oder Teil besteht, welcher eine Bohrung aufweist, in die ein Kugellager mit einem Kugellagerinnenring eingesetzt ist, dessen Innen­ durchmesser größer als der Außendurchmesser der Spindel ist.

Bevorzugt wird, daß der Innendurchmesser des Kugel­ lagerinnenringes 10-50% größer ist als der Außendurch­ messer der Spindel. Ferner soll der Kugellagerinnenring ein Gewindeprofil aufweisen, welches demjenigen des Gewindes der Spindel entspricht. Allerdings besitzt dieses Gewindeprofil keine Steigung. Durch diese Anordnung wird ein Vorschub der Spindelmutter gegenüber der Gewindespindel bzw. umgekehrt gewährleistet.

Das Lagerzentrum des Kugellagerinnenringes soll gegen­ über der Achse der Spindel so weit radial versetzt sein, daß das Profil jedes Kugellagerinnenringes an einer Stelle des Umfangs mit dem Gewinde der Spindel voll in Eingriff gelangt. Somit greifen Innen­ profilierung des Kugellagerinnenringes und Außengewinde der Spindel nur über einen kurzen Bereich ineinander.

In einer weiteren Ausführungsform ist auch daran gedacht, die Achse des Kugellagerinnenringes sowohl radial versetzt als auch in einem bestimmten Winkel zur Spindelachse selbst anzuordnen.

Diese erfindungsgemäße Spindelmutter kann aus einem Körper mit einem entsprechenden Kugellager bestehen. Es sind aber auch mehrere hintereinandergeschaltete Körper denkbar, wobei bei der Anordnung von nur zwei sich gegenüberliegenden Lagern die Spindel jeweils beidseits der Spindelmutter noch zusätzlich gelagert werden sollte. Eine zusätzliche Lagerung entfällt erst bei der Anordnung von drei und mehr hintereinandergeschalteten Körpern mit Kugellager. Besitzt die Spindelmutter drei oder mehr Lager, so wird die Spindel von der Mutter selbst zentriert, wodurch auch eine einseitige Spindel-Achslagerung ermöglicht wird. Hat die Spindelmutter mindestens zwei Lager, so kann durch gegenseitige Vorspannung der Lager das Gewindespiel aufgehoben werden, ohne daß dazu, wie bei anderen Systemen, eine zweite Mutter erforderlich ist.

Bei der Anordnung von nur einem oder zwei sich gegen­ überliegenden Lager/n ist es ferner auch möglich, das bzw. die Lager gegenüber der Spindel so zu verändern, daß beide Lager außer Eingriff mit der Gewindespindel gelangen, so daß die Mutter entlang der Gewindespindel verschoben werden kann.

Bei drei oder mehr hintereinandergeschalteten Lagern sollen diese jeweils in einem gewissen Verhältnis zueinander verdreht angeordnet sein. Bei drei hinter­ einandergeschalteten Lagern ergibt sich eine jeweilige Verdrehung um 120°. Der Winkelversatz der Gewinde­ eingriffstellen hängt von der Zahl der eingesetzten Lager ab, welche normalerweise in gleichen Abständen auf dem Umfang verteilt sind.

Zwei Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes werden in den Zeichnungen näher erläutert; es zeigen

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Spindel mit kleiner Steigung und Spitzgewinde und eine Spindelmutter entlang Linie I-I in Fig. 2;

Fig. 2 einen Grundriß zu der in Fig. 1 dargestellten Spindelmutter;

Fig. 3 einen Längsschnitt durch ein weiteres Ausfüh­ rungsbeispiel einer Spindelmutter für eine Spindel mit großer Steigung und Trapezgewinde entlang Linie III-III in Fig. 4;

Fig. 4 einen zu Fig. 3 gehörenden Grundriß;

Fig. 5 und 6 eine Antriebseinheit mit zweifach gelagerter Spindel, Führungsbahn und Schlitten mit aus­ kuppelbarer Spindelmutter.

In Fig. 1 und 2 ist eine dreifach gelagerte Spindel­ mutter R für kleine Gewindesteigungen und die dazu­ gehörende Spindel 1 mit Spitzgewinde 6 dargestellt. Das Gehäuse der Mutter R besteht aus drei scheibenförmigen Körpern 2, 3, 4 zur Aufnahme von Kugellager 5a, 5b, 5c. Die Kugellager sind in exzentrischen Bohrungen 7a, 7b, 7c mittels Sprengringen 9 befestigt. Die Achsen B, C, D der Bohrungen bzw. der darin eingebauten Lager 5 laufen, bei der Ausführung für kleine Gewindesteigung, parallel zur Spindelachse A.

Die Exzentrizität der Bohrungen 7a, 7b, 7c entspricht der Radiusdifferenz zwischen Kugellagerinnenring 8a, 8b, 8c und Spindel 1.

Die drei Gehäuseteile 2, 3, 4 sind gegeneinander um einen Winkel von 120° verdreht, so daß die Eingriffstellen des Spindelgewindes 6 in das Gewindeprofil der Kugel­ lagerinnenringe 8a, 8b, 8c eine 3-Punkt förmige Zen­ trierung der Spindelachse A in der Mitte der Mutter R bewirken.

Fig. 3 und 4 zeigen eine Spindelmutter R1 für Trapezgewinde 19 mit großer Steigung. Das Gehäuse besteht aus vier gleichen Teilen 11, 12, 13, 14 zur Aufnahme der Kugellager 15, 16, 17, 18. Die Lager sind auch bei dieser Ausführung exzentrisch eingesetzt. Ihre Achsen , von denen nur die Achse E des Körpers 13 dar­ gestellt ist, laufen aber nicht wie in Fig. 1 parallel zur Spindel 1a, sondern sind um den Steigungswinkel w des Spindelgewindes 19 gegenüber der Spindelachse A geschwenkt. Dadurch entsteht ein günstiger Verlauf des Gewindeeingriffes zwischen Spindel 1a und Kugellager­ innenringen 20, 21, 22, 23 und ermöglicht eine große Kraftübertragung von der Spindel 1a auf die Mutter R1. Durch den Einsatz von vier Lagern entstehen vier um 90° versetzte Kraftübertragungsstellen, welche die Spindel 1a ebenfalls in der Mittellage der Mutter R1 zentrieren. Um möglichst große Kräfte auch über die Lager 15, 16, 17, 18 übertragen zu können, werden vorteil­ haft je zwei gegenseitige Schrägkugellager eingesetzt.

In Fig. 5 und 6 ist eine Antriebseinheit mit einer erfindungsgemäßen Spindelmutter R2 einfachster Bauart dargestellt. Diese Ausführung hat nur einen Gewinde­ profilring 24, der durch ein Doppelschrägkugellager 26 im Zentrum eines Gehäuses 25 gelagert ist. Ein solcher Aufbau ist nur in Verbindung mit einer beidseitig gelagerten und relativ kurzen Spindel 1b möglich.

Diese Mutter R2 bietet die Möglichkeit, den Gewinde­ eingriff zu lösen, indem das Gehäuse 25 gegen eine Anpreßfeder 27 gedrückt wird, bis die Mutter R2 um einen Drehpunkt 28 in eine konzentrische Stellung zur Spindel 1b schwenkt. In dieser Stellung ist eine Ver­ schiebung eines Schlittens 30 ohne Spindeldrehung möglich. Im normalen Betriebsfall wird der Gewinde­ profilring 24 durch die Anpreßfeder 27 an die Spindel 1b so fest angepreßt, daß die gewünschte Axialkraft ohne Ausklinken übertragen werden kann.

Bezugszeichenliste

 1 Spindel
 2 Körper
 3 Körper
 4 Körper
 5 Kugellager
 6 Spitzgewinde
 7 Bohrung
 8 Kugellagerinnenring
 9 Sprengring
10 -
11 Teile
12 Teile
13 Teile
14 Teile
15 Kugellager
16 Kugellager
17 Kugellager
18 Kugellager
19 Trapezgewinde
20 Kugellagerinnenring
21 Kugellagerinnenring
22 Kugellagerinnenring
23 Kugellagerinnenring
24 Gewindeprofilring
25 Gehäuse
26 Doppelschrägkugellager
27 Anpreßfeder
28 Drehpunkt
29 -
30 Schlitten
A Spindelachse
B Spindelachse
C Spindelachse
D Spindelachse
E Spindelachse
R Spindelmutter
w Winkel

Claims (10)

1. Vorrichtung zur Umwandlung von Rotationsbewegung in Linearbewegung oder umgekehrt, wobei zur Durch­ führung der Linearbewegung eine Spindelmutter einer Spindel für die Rotationsbewegung zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Spindelmutter (R) zumindest aus einem Körper (2, 3, 4) oder Teil (11, 12, 13, 14) besteht, welcher eine Bohrung (7) aufweist, in die ein Kugellager (5, 15, 16, 17, 18) mit einem Kugellagerinnenring (8, 20, 21, 22, 23, 24) eingesetzt ist, dessen Innen­ durchmesser größer als der Außendurchmesser der Spindel (1) ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser des Kugellagerinnenringes (8, 20, 21, 22, 23, 24) 10-50% größer ist als der Außen­ durchmesser der Spindel (1).

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Kugellagerinnenring (8, 20, 21, 22, 23, 24) ein Gewindeprofil aufweist, welches dem­ jenigen des Gewindes (6, 19) der Spindel (1) ent­ spricht, jedoch keine Steigung besitzt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse (B, C, D) des Kugellagers (5) parallel zur Achse (A) der Spindel (1) radial versetzt angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse (E) des Kugellagers (13) radial versetzt und um einen Winkel (w) zur Spindelachse (A) angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spindelmutter (R2) nur ein oder zwei Lager (26) aufweist, wobei die Spindel (1b) beidseits gelagert ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Lager (26) bzw. ein entsprechendes, das Lager (26) aufnehmendes Gehäuse (25) ortsveränderbar ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Lager (26) bzw. Gehäuse (25) gegen einen Druckspeicher (27) abstützt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich gegenüber dem Druckspeicher (27) ein Dreh­ punkt (28) befindet, um den das Lager (26) bzw. Gehäuse (25) dreht.

10. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spindelmutter (R, R1) drei oder mehrere Körper (2, 3, 4) oder Teile (11, 12, 13, 14) mit Lager aufweist, wobei die Lager (5a, 5b, 5c bzw. 15, 16, 17, 18) um einen Winkel zuein­ ander verdreht angeordnet sind, so daß sich die ent­ sprechenden Achsen (B, C, D, E) um diesen Winkel ver­ dreht auf einem Kreis um die Achse (A) der Spindel (1) befinden.