DE4204304A1 - Spindelmutter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Spindelmutter, die insbesondere bei Linearführungen und Linearelementen eingesetzt wird.

Im Bereich des Maschinen- und Apparatebaus finden derartige Linearführungen und Linearelemente häufig Anwendung. Sie wei­ sen im allgemeinen eine drehbare Spindel sowie eine darauf aufgeschraubte Spindelmutter auf, die durch Drehen der Spindel verfahren wird. Mit dieser Spindelmutter ist häufig ein Li­ nearschlitten oder ein Kreuzschlitten verbunden, der somit beim Verfahren der Spindelmutter ebenfalls verfahren und auf diese Weise zur gewünschten Position bewegt wird. Auf diesen Schlitten kann ein Werkstück oder ein Werkzeug befestigt sein.

Bei der Herstellung von derartigen Spindeln und den zugehöri­ gen Muttern treten häufig Schwierigkeiten auf. So sind bei­ spielsweise die Steigungsfehler von Mutter und Spindel nicht identisch. Daher kann in verschiedenen Bereichen der Spindel ein unterschiedliches Spiel auftreten, das zu einer Umkehrlose unterschiedlicher Größe führt.

Diese unerwünschte Umkehrlose führt nun einerseits zu einem unruhigen Verhalten von Linearelementen. Andererseits ist sie bei positionsüberwachten Linearelementen auch für Positionier­ fehler verantwortlich, wenn diese Linearelemente mit einem Po­ sitioniersystem ausgestattet sind, dessen Wegmeßsystem in Ab­ hängigkeit von der Antriebsspindel arbeitet, in dem beispiels­ weise der von der Spindel zurückgelegte Weg auf Basis der Um­ drehungen der Antriebsspindel berechnet wird. Eine derartige Umkehrlose kann bei positionsüberwachten Linearelementen außerdem zu der unerwünschten Erscheinung führen, daß der Reg­ ler bei geschlossenem Regelkreis ständig arbeitet.

Um die geschilderten Probleme zu lösen, hat man hochpräzise Spindeln und zugehörige Muttern hergestellt und zum Einsatz gebracht. Die Herstellung derartiger hochpräziser Teile ist jedoch mit einem erheblich höheren Kostenaufwand verbunden. Selbst bei Systemen, deren Positioniersystem unabhängig von der Antriebsspindel arbeitet, so daß der Steigungsfehler bei der Berechnung der Position keine Rolle spielt und somit im Prinzip ein Transportgewinde niedrigerer Qualität eingesetzt werden könnte, muß eine sehr hohe Qualität von Spindel und Mutter gewährleistet werden. Auch dies führt zu einem nicht mehr vertretbaren Kostenanstieg.

Um den genannten Problemen zu begegnen, sind auch bereits vor­ gespannte Muttern bei Kugelrollspindeln in gerollter Ausfüh­ rung zum Einsatz gebracht worden. Bei derartigen Kugelroll­ spindeln wird jedoch die Vorspannung mechanisch fest erzeugt. Mit anderen Worten, das Spiel in der Spindel bei auftretenden Steigungsfehlern wird zwar unterdrückt, jedoch wird die Mutter bei unterschiedlichem Fehler in verschiedenen Bereichen der Spindel mit einer kleineren bzw. größeren Vorspannung beauf­ schlagt. Eine derartige Kugelrollspindel ist zudem wesentlich aufwendiger und somit kostenträchtiger als eine gewöhnliche Trapezspindel.

Qualifizierte Antriebe bedienen sich heute meistens eines Weg­ meßsystemes, mit dessen Hilfe eine exakte Positionsüberwachung erreicht wird. Bei derartigen qualifizierten Antrieben dient die Antriebsspindel nur noch als Antriebselement. Von dieser Antriebsspindel ist lediglich zu fordern, daß sie keine Um­ kehrlose aufweist. Der Steigungsfehler ist dabei unerheblich, da die Positionierung grundsätzlich über den Regelkreis er­ folgt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine umkehrlose Spindelmutter bereitzustellen, die einfach und somit kosten­ günstig herstellbar ist.

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Spindelmutter gemäß der Lehre des Anspruchs 1.

Die erfindungsgemäße Spindelmutter ist somit aus zwei Endtei­ len und einem zwischen diesen beiden Endteilen angeordneten, in Axialrichtung federnd sowie ansonsten torsionssteifen Mit­ telteil aufgebaut. Durch diese Endteile und das Mittelteil er­ streckt sich die in etwa mittige axiale Längsbohrung. Beide Endteile weisen im Bereich der Wandung der Längsbohrung ein Gewinde auf. Mittels dieser Gewinde greift die erfindungsge­ mäße Spindelmutter in das korrespondierende Gewinde der Spin­ del ein, auf die sie aufgeschraubt wird. Im Bereich des axial federnden Mittelteils ist die erfindungsgemäße Spindelmutter jedoch nicht mit der Spindel im Eingriff und steht auch nicht damit in Verbindung, so daß die beiden Endteile beim Drehen der Spindel sich in axialer Richtung aufeinander zu bzw. in axialer Richtung voneinander wegbewegen können, wenn die Spin­ delmutter beim Drehen der Spindel Bereiche der Spindel mit un­ terschiedlicher Steigung durchläuft. Das Mittelteil darf sich dabei jedoch nicht in sich verdrehen, sondern muß torsions­ steif sein.

Bei der erfindungsgemäßen Spindelmutter ist es ferner wichtig, daß die Gewinde derart in den Endteilen angebracht sind, daß das Mittelteil unter einer Vorspannung steht oder unter eine Vorspannung gebracht werden kann, wenn die Spindelmutter auf die Spindel aufgeschraubt ist. Unter einer Vorspannung wird in diesem Fall sowohl eine Kompression als auch eine Dehnung ver­ standen. Mit anderen Worten, das Mittelteil ist im Betriebszu­ stand entweder komprimiert oder gedehnt.

Eine derartige Vorspannung kann dadurch erzielt werden, daß das Gewinde (z. B. die Gewindegänge) in einem Endteil nur dann quasi eine Fortsetzung des Gewindes bzw. der Gewindegänge im anderen Endteil darstellen, wenn das Mittelteil um einen bestimmten Betrag komprimiert oder gedehnt ist.

Um zu gewährleisten, daß die erfindungsgemäße Spindelmutter beim Drehen der Antriebsspindel gedehnt bzw. komprimiert wer­ den kann, ist lediglich ein Endteil mit dem mit Hilfe der Spindel zu verfahrenden Teil (beispielsweise Außenteil, Ge­ häuse, Tisch etc. ) verbunden.

Der Kern der erfindungsgemäßen Spindelmutter, die eine Spiel­ freiheit bei gleichzeitiger Torsionssteife garantiert, ist so­ mit u. a. darin zu sehen, daß der Gewindeverlauf innerhalb der Mutter unterbrochen ist. Außerdem wird bei der erfindungsge­ mäßen Spindelmutter eine Axialkraft bzw. Vorspannung erzeugt, die dazu führt, daß beide Endteile der Spindelmutter auf ent­ gegengesetzten Flanken der Spindel wirken. Dadurch ist in je­ dem Bereich unabhängig von dem Steigungsfehler in der Spindel eine Spielfreiheit gewährleistet.

Die erfindungsgemäße Spindelmutter ist im übrigen möglichst homogen, denn sie besteht im wesentlichen nur aus drei Elemen­ ten. Die erfindungsgemäße Spindelmutter ist zudem einfach und kostengünstig herstellbar und wird hinsichtlich ihres Arbeits­ verhaltens allen gängigen, bei Positioniersystemen eingesetz­ ten Reglern gerecht.

Die erfindungsgemäße Spindelmutter kann beispielsweise in sol­ chen Fällen Anwendung finden, bei denen lediglich eine Spiel­ freiheit bzw. eine Ausführung ohne Umkehrlose gewünscht ist. Aufgrund der Eigenschaften der erfindungsgemäßen Spindelmutter können in solchen Fällen wesentlich billigere Spindeln zur An­ wendung gebracht werden, deren Steigungsgenauigkeit nicht mehr innerhalb der bisher erforderlichen niedrigen Toleranzgrenzen liegt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind sowohl das Gewinde des ersten Endteiles als auch das Gewinde des zweiten Endtei­ les direkt in diesen Endteilen ausgebildet. So kann beispiels­ weise ein Gewinde jeweils in die Wandung der Längsbohrung der Endteile eingeschnitten etc. sein. Zur Montage der Spindelmut­ ter auf einer Spindel schraubt man dann zuerst ein Endteil mit Hilfe seines zugehörigen Gewindes auf die Spindel auf. Er­ reicht die Spindel dann beim weiteren Aufschrauben der Spin­ delmutter das zweite Endteil, dann muß man die Spindelmutter (genauer das Mittelteil) um einen gewissen Betrag in axialer Richtung komprimieren oder dehnen, um das Gewinde des zweiten Endteiles aufschrauben zu können, so daß das Gewinde des zwei­ ten Endteiles quasi die Fortsetzung des Gewindes des ersten Endteiles darstellt. Mit anderen Worten, die Gewinde der bei­ den Endteile sind in der Nullage des Mittelteils (steht somit unter keiner Vorspannung) um einen gewissen Betrag axial ver­ setzt.

Nach einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform ist das Ge­ winde des ersten Endteiles und/oder das Gewinde des zweiten Endteiles in einem in das jeweilige Endteil koaxial eingesetz­ ten Einsatz ausgebildet. Dieser insbesondere hohlzylinderför­ mige Einsatz wird bei der Montage der erfindungsgemäßen Spin­ delmutter in eine der Außenkontur des Einsatzes entsprechenden Ausnehmung in dem jeweiligen Endteil eingesetzt. Dieser Ein­ satz besitzt eine mittige Bohrung, in dessen Wandung ein Ge­ winde eingeschnitten etc. ist; der Durchmesser dieser Bohrung des Einsatzes entspricht natürlich dem Durchmesser der Längs­ bohrung in dem jeweiligen anderen Endteil.

Zur Festlegung der Vorspannung wird dieser Einsatz in Axial­ richtung in die gewünschte Axialstellung bezüglich des dazugehörigen Endteils bewegt und dann fixiert. Bei der Fixierung kann es sich um eine feste Fixierung (beispielsweise Einschrumpfen, Klebverbindung) oder um eine lösbare Fixierung handeln.

Die Vorspannung wird bei dieser Ausführungsform durch die axiale Position des Einsatzes festgelegt. Durch eine mehr oder weniger große Vorspannung bzw. durch einen mehr oder weniger großen Vorspannweg kann das dynamische Verhalten der erfin­ dungsgemäßen Spindelmutter entsprechend den Anforderungen des jeweiligen Einsatzfalles angepaßt werden.

Nach einer weiterhin bevorzugten erfindungsgemäßen Ausfüh­ rungsform ist der in etwa hohlzylinderförmige Einsatz auf sei­ ner Außenmantelfläche mit einem Außengewinde ausgestattet, das in ein korrespondierendes Gewinde eingeschraubt werden kann, welches in einer korrespondierenden Ausnehmung in dem Einsatz vorhanden ist. Durch Drehen des Einsatzes kann dieser in die gewünschte axiale Position bewegt werden. Bei dieser Ausfüh­ rungsform kann die Vorspannung somit auch nach Montage des Einsatzes verändert werden.

Das Mittelteil der erfindungsgemäßen Spindelmutter ist vor­ zugsweise zylindrisch und besitzt quer zu seiner Längsachse sowie in mehreren axial beabstandeten Querschnittsebenen min­ destens zwei Schlitze, die sich bis in die Längsbohrung er­ strecken. Zwischen den Querschnittsebenen sind Federscheiben ausgebildet, die miteinander bzw. mit den Endteilen über eine der Zahl der Schlitze pro Querschnittsebene entsprechende Anzahl von radial verlaufenden, in den jeweiligen Querschnittsebenen liegenden Stegen verbunden sind.

Es handelt sich somit vorzugsweise um eine Art Federscheiben­ mittelteil. Eine derartige Federscheibenstruktur ist bei­ spielsweise in der EP-A 03 18 669 beschrieben. Eine weitere axial federnde sowie torsionsstabile geschlitzte Struktur, die als Mittelteil der erfindungsgemäßen Spindelmutter zur Anwen­ dung kommen kann, ist ferner beschrieben in der US-PS 31 50 506.

Bevorzugte erfindungsgemäße Ausführungsformen der Spindelmut­ ter sind in den nicht maßstabsgetreuen und skizzenhaften Zeichnungen näher dargestellt. Von diesen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungs­ form einer erfindungsgemäßen Spindelmutter und

Fig. 2 einen der Fig. 1 analogen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform.

Die in der Fig. 1 gezeigte Spindelmutter 1 besteht aus einem ersten Endteil 2, einem Mittelteil 4 und einem zweiten Endteil 3. Durch alle diese Endteile erstreckt sich eine mittige zen­ trale Längsbohrung 5. Die Längsbohrung 5 besitzt im Bereich des Mittelteils 4 einen größeren Durchmesser als im Bereich des Endteiles 2.

In die Wandung der durch das Endteil 2 verlaufenden Längsboh­ rung ist ein Gewinde 6 eingeschnitten. Die Längsbohrung 5 im Bereich des zweiten Endteiles 3 besitzt einen Durchmesser, der dem Durchmesser der Längsbohrung 5 im Bereich des Mittelteils 4 entspricht. In das Endteil 3 ist ein Einsatz 8 eingesetzt, der eine durchgehende Bohrung besitzt, welche an ihrer Wandung mit einem Gewinde 7 ausgestattet ist. Um die Spindelmutter 1 auf eine nicht gezeigte Spindel aufschrauben zu können, müssen die beiden Endteile um einen gewissen Betrag zusammengedrückt oder voneinander entfernt werden. In diesem Zustand stellt das Gewinde 7 des Endteiles 3 quasi die Fortsetzung des Gewindes 6 des ersten Endteiles 2 dar. Durch das in Axialrichtung und so­ mit in Richtung der Längsachse 9 (durch einen Doppelpfeil an­ gedeutet) komprimierte Mittelteil wird auf die Endteile 2,3 eine Vorspannung ausgeübt, wodurch eine Umkehrlose der erfin­ dungsgemäßen Spindelmutter vermieden wird.

Das Gewinde 6 ist im übrigen direkt in dem ersten Endteil aus­ gebildet; die Längsbohrung 5 stellt eine zylindrische Bohrung dar.

Der Einsatz 8 ist fest in das zweite Endteil 3 montiert.

Das Mittelteil 4 weist mehrere Schlitze 10 auf, die sich bis in die Längsbohrung 5 erstrecken. Dabei sind in einer Quer­ schnittsebene mindestens zwei Schlitze 10 vorhanden. Zwischen den die Schlitze 10 aufweisenden Querschnittsebenen sind Fe­ derscheiben 12 ausgebildet, die mit benachbarten Federscheiben 12 bzw. mit den Endteilen 2,3, sofern sie diesen benachbart sind, über sich radial erstreckende Stege 12 verbunden sind. Die Anzahl der Stege 12 pro Querschnittsebene entspricht dabei der Anzahl der Schlitze 10 pro Querschnittsebene. Die radial verlaufenden Stege benachbarter Querschnittsebene sind dabei um einen gewissen Winkelbetrag, z. B. 90° bei zwei Schlitzen und zwei Stegen pro Querschnittsebene, zueinander versetzt.

Die in der Fig. 1 gezeigte Spindelmutter ist einstückig und aus einem Metall, beispielsweise Aluminium, gefertigt.

Zur Herstellung einer derartigen Spindelmutter kann man wie folgt vorgehen. Man bohrt in einen zylindrischen Körper eine mittige zentrale durchgehende Längsbohrung 5 und schneidet in deren Wandung im Bereich des ersten Endteils 2 ein Gewinde 6.

Anschließend bohrt man die Längsbohrung 5 von der Seite des zweiten Endteiles 3 auf und zwar bis einschließlich des Mit­ telteils 4, so daß der Durchmesser der Längsbohrung 5 im Be­ reich des Mittelteils 4 größer ist als im Bereich des ersten Endteiles 2.

In die Längsbohrung 5 im Bereich des Endteiles 3 setzt man dann einen hohlzylindrischen Einsatz 8 ein. Diesen hohlzylin­ drischen Einsatz 8 versieht man zweckmäßigerweise vorher mit einer Bohrung, welche nach dem Einbau quasi die Längsbohrung 5 im Bereich des zweiten Endteiles 3 darstellt, und schneidet in die Wandung dieser Bohrung ein Gewinde 7 ein.

Der Einsatz 8 wird soweit in das zweite Endteil 3 in Axial­ richtung eingeschoben, daß die erfindungsgemäße Spindelmutter 1 nach Aufschrauben auf die damit korrespondierende Spindel unter der gewünschten Vorspannung steht. Der Einsatz 8 wird dann dauerhaft in dem zweiten Endteil 3 fixiert.

Die in der Fig. 2 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich von der in der Fig. 1 gezeigten Ausführungsform durch den in das zweite Endteil 2 eingesetzten Einsatz 8.

Der in das erste Endteil 2 der in der Fig. 2 gezeigten Spin­ delmutter eingesetzte Einsatz 8 entspricht in etwa dem in das zweite Endteil 3 eingesetzten Einsatz 8, ist allerdings auf seiner Außenmantelfläche mit einem Außengewinde 14 ausgestat­ tet, das in ein in das erste Endteil 2 ausgenommenes Gewinde 15 eingreift. Durch Drehen des Endteiles 8 kann dieses und so­ mit auch das Gewinde 6 in Axialrichtung verschoben werden, wo­ durch die Vorspannung (bezogen auf die gesamte Spindelmutter) auch nach der Montage des Einsatzes 8 in das zweite Endteil sowie nach Aufschrauben der in der Fig. 2 gezeigten Spindel­ mutter auf eine Spindel verändert werden kann. Der Einsatz 8 bei dieser Ausführungsform kann mittels einer lösbaren und so­ mit auch nach Drehen des Einsatzes gegenüber dem Endteil 2 wieder feststellbaren Fixierung ortsfest lokalisiert werden. Bei einer derartigen Fixierung kann es sich um einen Gewinde­ stift oder um eine Klemmung (nicht gezeigt) handeln.

Bei der in der Fig. 2 gezeigten Ausführungsform wird der Ein­ satz 8 mittels einer Tellerfeder 16 axial auswärts mit Druck beaufschlagt, so daß der Einsatz 8 gegenüber dem Endteil 2 vor­ gespannt wird. Das Außengewinde 14 und das damit korrespondie­ rende Gewinde 15 des Einsatzes 2 hat somit kein Spiel. Mit an­ deren Worten, der Einsatz 8 ist gegenüber dem Endteil 2 vorge­ spannt. Dadurch ist es auch möglich, die Vorspannung der Spin­ delmutter insgesamt in definierter Weise festzulegen.

Die Tellerfeder 16 kann im übrigen anstelle einer Fixierung der oben beschriebenen Art oder zusätzlich zu einer derartigen Fixierung vorhanden sein. Die Tellerfeder 16 ist an der axial einwärts gerichteten Stirnseite des Einsatzes 8 angebracht, der einen nach radial außen und axial einwärts offenen Ring­ falz 17 besitzt, in dem die Tellerfeder 16 zu liegen kommt, die eine Art Ring darstellt. Diese Tellerfeder 16 liegt axial einwärts gegen einen ringförmig radial umlaufenden Steg 18 an.

Die erfindungsgemäße Spindelmutter kann mittels eines radial vorspringenden, umlaufenden Vorsprunges 13 an einem Außenteil, Gehäuse, Tisch o. ä. befestigt werden.

Claims (9)

1. Spindelmutter mit einer durchgehenden, in etwa mittigen axialen Längsbohrung und einem Gewinde, das mit dem kor­ respondierenden Gewinde einer Spindel zusammenwirkt, wenn die Spindelmutter auf die Spindel aufgeschraubt ist, dadurch gekennzeichnet,
daß die Spindelmutter (1) aus einem ersten Endteil (2), einem zweiten Endteil (3) und einem zwischen diesen End­ teilen (2, 3) angeordneten, in Axialrichtung federnden so­ wie ansonsten torsionssteifen Mittelteil (4) aufgebaut ist und nur über ein Endteil (2, 3) mit einem Außenteil, Gehäuse, Tisch oder ähnlichem verbunden ist, wobei sich die Längsbohrung (5) durch die Endteile (2, 3) und das Mittelteil (4) erstreckt,
daß das erste Endteil (2) und das zweite Endteil (3) über jeweils ein Gewinde (6 bzw. 7) mit dem Gewinde der Spindel zusammenwirken, während das Mittelteil (4) nicht mit dem Gewinde der Spindel im Eingriff steht, und
daß diese Gewinde (6, 7) derart in den Endteilen (2, 3) an­ gebracht sind, daß das Mittelteil (4) im auf die Spindel aufgeschraubten Zustand unter einer Vorspannung steht oder vorgespannt werden kann.

2. Spindelmutter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl das Gewinde (6) des ersten Endteiles (2) als auch das Gewinde (7) des zweiten Endteiles (3) direkt in diesen ausgebildet sind.

3. Spindelmutter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewinde (6) des ersten Endteiles (2) und/oder das Gewinde (7) des zweiten Endteiles (3) in einem in das je­ weilige Endteil koaxial eingesetzten und in einer gewähl­ ten Axialstellung fest oder lösbar fixierbaren Einsatz (8) ausgebildet ist.

4. Spindelmutter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (8) hohlzylinderförmig ist und mittels eines Außengewindes (14) auf seiner Außenmantelfläche in ein korrespondierendes Gewinde (15) in dem dazugehörigen Endteil (2) durch Drehen in Axialrichtung bewegbar eingesetzt ist.

5. Spindelmutter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewinde (6,7) Normalgewinde, beispielsweise Tra­ pezgewinde sind.

6. Spindelmutter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewinde der Endteile (2, 3) Kugelgewinde sind.

7. Spindelmutter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß das Mittelteil (4) zylindrisch ist und quer zu seiner Längsachse (9) sowie in mehreren axial beabstandeten Querschnittsebenen mindestens zwei Schlitze (10) be­ sitzt, die sich bis in die Längsbohrung (5) erstrecken,
daß zwischen den Querschnittsebenen Federscheiben (11) ausgebildet sind, die miteinander bzw. mit den Endteilen (2,3) über eine der Zahl der Schlitze (10) pro Quer­ schnittsebene entsprechende Anzahl von radial verlaufen­ den, in den jeweiligen Querschnittsebenen liegenden Ste­ gen (12) verbunden sind, und
daß die Stege (12) benachbarter Querschnittsebenen zuein­ ander winkelversetzt sind.

8. Spindelmutter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze (10) und die Stege (12) zumindest in einer Querschnittsebene und insbesondere in allen Quer­ schnittsebenen jeweils die gleiche geometrische Form und Abmessung besitzen.

9. Spindelmutter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Endteile (2, 3) und das Mittelteil (4) einstückig und insbesondere aus einem Metall gefertigt sind.