DE4340624C2

DE4340624C2 - Kugelumlaufspindel mit Abschlußdeckeln

Info

Publication number: DE4340624C2
Application number: DE4340624A
Authority: DE
Inventors: Hideyuki Sato
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 1992-11-30
Filing date: 1993-11-29
Publication date: 1997-08-07
Anticipated expiration: 2013-11-30
Also published as: DE4340624A1; JPH06174045A; JP3185416B2; US5492036A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kugelumlauf spindel gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genann ten Art.

Eine solche, z. B. aus der US-PS 5 193 409 bekannte Kugelumlauf spindel wird anhand von Fig. 5 näher erläutert.

Eine Kugelumlaufspindel 1 weist eine Spiralnut 1a auf, auf dessen Außenumfangsfläche eine zylin drische Kugelumlaufmutter 2 über ein Gewinde im Eingriff befind lich ist, das an der inneren Umfangsfläche eine Spiralnut 2a aufweist, die der Spiralnut 1a der Kugelumlaufspindel 1 ent spricht, wobei der Eingriff über Kugeln 3 erfolgt, die innerhalb der zwei einander gegenüberliegenden Spiralnuten 1a, 2a abge wälzt werden können. Die Kugelumlaufmutter 2 umfaßt einen Mut ternhauptkörper 4 und zwei scheibenförmige Kugelumlaufelemente (Abschlußdeckel 5), die abnehmbar mit den beiden Endflächen des Mutternhauptkörpers 4 verbunden sind. Der Mutternhauptkörper 4 weist in seinem dickeren Bereich einen Kugelrücklaufdurchgang 6 auf, der aus einer Durchgangsbohrung besteht, die sich in ihrer Axialrichtung erstreckt. Das Kugelumlaufelement 5 weist in der Endfläche, die mit dem Mutternhauptkörper 4 verbunden wird, einen gekrümmten Durchgang 7 auf, der zwei einander sich gegen überliegende Spiralnuten 1a, 2a mit dem Kugelrücklaufdurchgang 6 verbindet.

Wenn die Kugelumlaufspindel 1 und die Kugelumlaufmutter 2 rela tiv zueinander verdreht werden, wälzen sich die Kugeln 3 aus Stahl ab und schieben sich innerhalb der beiden einander gegen überliegenden Kugelumlaufnuten 1a, 2a der Kugelumlaufspindel 1 und der Kugelumlaufmutter 2 vor und durchlaufen den gekrümmten Durchgang 7, der in dem Kugelumlaufelement 5 der Endfläche des Mutternhauptkörpers 4 ausgebildet ist und durchlaufen den Kugelrücklaufdurchgang 6, der in dem Mutternhauptkörper 4 ausge bildet ist, um in ihre ursprüngliche Position zurückzukehren, wobei die Umlaufbewegungen wiederholt werden.

Der gekrümmte Durchgang 7, der in dem Kugelumlaufelement 5 der herkömmlichen Kugelumlaufspindel mit einem Abschlußdeckel ausge bildet ist, hat eine komplizierte Form. Wenn der gekrümmte Durchgang 7 durch Maschinenbearbeitung hergestellt ist, ist es nicht zu umgehen, daß die Arbeitskosten sehr teuer sind. Es ist deshalb vorgesehen, ein Kugelumlaufelement 5 aus Kunstharz zu verwenden, das durch Spritzgießen ausgebildet ist, das als Massenproduktionsteil hergestellt werden kann, und das eine komplizierte Form bei niedrigen Herstellungskosten hat.

Das Kugelumlaufelement 5 aus einem Kunstharz hat jedoch eine re lativ geringe Festigkeit. Wenn die Kugeln 3 umlaufen, kollidie ren aus diesem Grund die Kugeln 3 mit der Innenfläche des ge krümmten Durchganges 7 wiederholt, was ein Schwingen des Kugel umlaufelementes 5 in einer elastischen Deformationsart verur sacht, und was ein ungünstiges starkes Geräusch bei Verwendungen erzeugt, wie z. B. bei einer Büromaschine, einem Meßinstrument und dgl., bei dem eine geringe Geräuschemission erforderlich ist.

Wenn die Kugelumlaufmutter 2 nicht drehbar hin- und zurück bewegt wird durch eine Drehantriebsbewegung der Spindel 1, wenn die Kugelumlaufspindel 2 überläuft, und mit anderen Teilen od. dgl. kollidiert, können die Kugelumlaufelemente 5 auf der End fläche der Mutter 2 leicht brechen. Um dieses Problem zu lösen, wäre es zu erwarten, daß die Kugelumlaufelemente 5 aus einem Ma terial ausgebildet sind, die eine relativ höhere Festigkeit haben, wie z. B. ein Metallmaterial und dgl. In diesem Fall ist es jedoch teuer, den komplizierten gekrümmten Durchgang zu formen, was eine teuere Kugelumlaufspindel mit Abschlußdeckel nachsichzieht.

Aus der DE 39 24 917 A1 ist eine Kugelumlaufspindel bekannt, die an ihren Enden einen Abstreifer aufweist, der mittels einer Kassette gestützt wird.

Aus der EP 0 319 688 A1 ist eine Kugelumlaufspindel bekannt, die Endkappen aus einem nichtmetallischen Material, sowie eine Dichtung und einen Metallring zum Halten der Dichtung aufweist. Die Dichtung ist zwischen dem Metallring und dem Kugelumlaufe lement angeordnet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kugelumlaufspin del mit Abschlußdeckeln zu schaffen, die bei einfacher Bauweise eine geringe Geräuschemission hat sowie gute Festigkeitseigen schaften aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Pa tentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Erfindungsgemäß weisen Kugelumlaufelemente eine Verstärkungs einrichtung auf, die einen Außenbereich der Kugelumlaufelemente direkt kontaktiert und abdeckt. Die Verstärkungseinrichtung hat eine höhere Festigkeit und Dichte, als die Kugelumlaufelemente selbst. Dadurch wird die Grundlage geschaffen, die Kugelumlauf elemente aus einem Material herzustellen, das einem gekrümmten Durchgang in einer komplizierten Form bei einfacher Herstellung unter geringem Kostenaufwand ermöglicht. Da das Verstärkungs element das Kugelumlaufelement in dessen Außenbereichen direkt kontaktiert und abdeckt, können die Schwingungen an den Kugel umlaufelementen verringert werden, so daß insgesamt die Geräu schemission der Kugelumlaufspindel verringert wird. Darüber hinaus ergibt sich der Vorteil, daß die Lebensdauer der Kuge lumlaufelemente auch unter großen Beanspruchungen, z. B. beim Überlaufen der Kugelumlaufspindel, nicht verringert wird.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen ange geben.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dar in zeigen:

Fig. 1 eine Längsschnittansicht einer Ausführungsform einer Kugelumlaufspindel mit Abschlußdeckel entsprechend der Erfindung;

Fig. 2 eine graphische Darstellung einer Wechselbeziehung zwischen dem Vorhandensein und Nichtvorhandensein eines Verstärkungselementes und von Geräuschpegeln in einer Kugelumlaufspindel mit Abschlußdeckel;

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Ergebnisse der Frequenzanalyse des Geräusches, das in Fig. 2 gezeigt ist; und zeigt im besonderen (a) einen Fall, bei dem kein Verstärkungselement vorgesehen ist, und (b) einen Fall, in dem ein Verstärkungselement verwendet wird;

Fig. 4 eine Schnittansicht einer anderen Ausführungsform eines Abschlußdeckels entsprechend der Erfindung; und

Fig. 5 eine Längsschnittansicht einer herkömmlichen Kugelumlaufspindel mit Abschlußdeckel.

Nachstehend wird eine Beschreibung der Ausführungsformen einer Kugelumlaufspindel mit Abschlußdeckel unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gegeben.

Fig. 1 ist eine Schnittansicht einer Ausführungsform einer Kugelumlaufspindel mit Abschlußdeckel entsprechend der Erfin dung. In Fig. 1 haben Teile, die identisch oder äquivalent zu jenen sind, die in der zuvor erläuterten herkömmlichen Kugelum laufspindel verwendet wurden, die gleichen Bezugszeichen erhal ten, und eine doppelte Beschreibung wurde für diese Teile wegge lassen.

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, ist ein zylindrischer Mutternhaupt körper 4 vorgesehen, der aus einem Metall ausgebildet ist und der einen Befestigungsflansch 2f in einem Endbereich aufweist. Abschlußdeckel 15 sind jeweilig mit einer Endfläche des Haupt mutternkörpers 4 und mit der gegenüberliegenden Endfläche 4b über eine Schraube 10 befestigt. In der vorliegenden Ausfüh rungsform besteht jeder Abschlußdeckel 15 aus einem zylindri schen Kugelumlaufelement 5, das aus einem Kunstharz mittels Spritzgießen hergestellt ist und einem Verstärkungselement 16, das aus einem Metall ausgebildet ist, wie z. B. einem rostfreien Stahl od. dgl. zum Abdecken der zylindrischen Fläche 5a des Ku gelumlaufelementes 5 und einer ringförmigen Fläche 5b desselben. Das Verstärkungselement 16 ist in das zylindrische Kugelumlauf element 5 unter Druck eingesetzt.

In Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 18 eine Bohrung für eine Befestigungsschraube, die verwendet wird, um eine Kugelumlauf mutter 2 zu montieren, und ein Abdichtelement 17 weist einen Innendurchmesserabschnitt auf, der in einen Gleitkontakt mit einer Spiralnut 1a kommt, die in eine Kugelumlaufspindel 1 ge formt ist, um somit zu verhindern, daß Pulver, Staub u. dgl., das (der) an der Kugelumlaufspindel 1 anhaftet, in die Abwälzberei che der Kugeln eintritt.

Als nächstes erfolgt untenstehend eine Beschreibung der Arbeits weise der vorliegenden Ausführungsform.

Wenn die Kugelumlaufspindel 1 vorwärts (rückwärts) gedreht wird, wird die Drehbewegung der Kugelumlaufspindel 1 auf die Kugelum laufmutter 2 über die Kugeln 3 übertragen, die jeweils zwischen der Spiralnut 1a der Kugelumlaufspindel 1 und der Spiralnut 2a der Kugelumlaufmutter 2 angeordnet sind, und im Ansprechen da rauf, wird die Kugelumlaufmutter 2 vorwärts (rückwärts) in deren Axialrichtung bewegt. Mit der Bewegung der Kugelumlaufmutter 2 wälzen sich die Kugeln 3 ab und bewegen sich, um in einem End losumlaufdurchgang umzulaufen. In diesem Fall wird die Änderung der Richtung der Kugeln 3 über einen gekrümmten Durchgang 7 aus geführt, der in dem Kugelumlaufelement 5 des Abschlußdeckels 15 vorgesehen ist. Das heißt, wenn die Kugeln 3 sich innerhalb der beiden einander gegenüberliegenden Spiralnuten 1a, 2a mit der Bewegung der Kugelumlaufmutter 2 abwälzen und an der Abschluß kappe 15 ankommen, die in einem Ende des Mutternhauptkörpers 4 angeordnet ist, werden die Kugeln 3 in die gekrümmte Fläche des gekrümmten Durchgangs 7 des Kugelumlaufelementes 5 eingeführt, in ihrer Richtung geändert und treten in einen Kugelrücklauf durchgang 6 ein, der in dem Mutternhauptkörper 4 ausgebildet ist. Wenn dann die Kugeln 3 sich innerhalb des Kugelrücklauf durchgangs 6 abwälzen und an dem Abschlußdeckel 15 in dem gegen überliegenden Endbereich ankommen, werden sie in den gekrümmten Durchgang 7 geführt, in ihrer Richtung geändert und in die Spiralnuten 1a, 2a der Kugelumlaufspindel 1 und der Kugelumlauf mutter 2 rückgeführt.

In der vorliegenden Ausführungsform ist das Kugelumlaufelement 5 ein Spritzgießteil aus einem Kunstharz und kann, obwohl dieses einen gekrümmten Durchgang mit einer komplizierten Form hat, auch leicht in Massenproduktion hergestellt werden. Auch wird der Außenbereich des Kugelumlaufelementes 5 mit dem Verstär kungselement 16 abgedeckt, das aus einem Metall ausgebildet ist und das eine hohe Festigkeit hat, so daß der gesamte Abschluß deckel 15 eine erhöhte Festigkeit erhält. Wenn daher die Kugel umlaufmutter 2 geradlinig entlang der Kugelumlaufspindel 1 be wegt wird, ist es schwierig, das Kugelumlaufelement 5 zu zerbre chen, auch wenn z. B. die Kugelumlaufmutter 2 überläuft und mit anderen Teilen kollidiert, womit die Kugelumlaufmutter 2 eine lange Lebensdauer hat.

Da auch das Metallverstärkungselement 16, das das Kugelumlauf element 5 abdeckt, eine hohe Dichte hat, und somit eine große Schalldämmung bewirkt, wenn eine große Anzahl von Kugeln in dem Umlaufdurchgang umlaufen, der innerhalb der Kugelumlaufmutter 2 ausgebildet ist, wobei die Kugeln 3 aufeinanderfolgend und wie derholt mit der Innenfläche des gekrümmten Durchganges 7 kolli dieren, werden jedoch die Schwingungen bei einer elastischen Verformung, die in dem Kugelumlaufelement 5 erzeugt werden, be grenzt. Als ein Ergebnis dessen kann die vorliegende Kugelum laufspindel mit Abschlußdeckel Geräusche vermindern, verglichen mit einer herkömmlichen Kugelumlaufspindel mit Abschlußdeckel.

In Fig. 2 ist eine graphische Darstellung gezeigt, bei der die Meßergebnisse der Geräuschpegel in der Kugelumlaufspindel mit Abschlußdeckel entsprechend der vorliegenden Erfindung mit Meß ergebnissen einer herkömmlichen Kugelumlaufspindel mit Abschluß deckel verglichen werden. Die Ordinate des Diagramms stellt die Geräuschpegel dB (A) dar, während die Abszisse das Produkt D_m N des Mitteldurchmessers D_m der Kugeln 3 und die Anzahl der Drehungen N der Kugelumlaufspindel darstellen. In Fig. 2 reprä sentiert ein weißer Kreis einen Fall, bei dem kein Verstärkungs element 16 vorgesehen ist, und bei dem nur das Kugelumlaufele ment 5 als Abschlußdeckel verwendet wird, wogegen ein schwarzer Kreis einen Fall darstellt, bei dem das mit dem Verstärkungsele ment 16 abgedeckte Kugelumlaufelement 5 ist, als Abschlußdeckel 15 verwendet wird. Wie klar aus Fig. 2 zu ersehen ist, wurde eine Differenz von 3,5 dB (A) zwischen dem Abschlußdeckel, der mit dem Verstärkungselement abgedeckt war und dem Abschlußdeckel ohne Verstärkungselement bei einer größten Anzahl von Umdrehun gen herausgefunden.

Fig. 3 zeigt eine graphische Darstellung der Ergebnisse der Fre quenzanalyse der Geräusche bei der größten Anzahl von Drehungen bei der obigen Geräuschmessung. Die Ordinate des Diagramms stellt die Geräuschpegel dar, währenddessen die Abszisse die Frequenzen darstellt. Im besonderen ist in Fig. 3(a) ein Fall gezeigt, bei dem der Abschlußdeckel allein aus dem Kugelumlauf element 5 besteht (ohne Verstärkungselement), währenddessen in Fig. 3(b) ein Fall gezeigt ist, bei dem der Abschlußdeckel aus dem Kugelumlaufelement 5 besteht, der mit dem Verstärkungsele ment 16 verstärkt wurde. Aus den beiden Figuren kann ersehen werden, daß, wenn das Verstärkungselement 16 verwendet wird, eine Spitze in der Nachbarschaft von ungefähr 10 KHz niedrig ist. Der Grund dafür liegt darin, daß die elastische Verformung durch das Verstärkungselement 16 begrenzt wurde. Auch kann aus den beiden Figuren entnommen werden, daß die Verwendung des Ver stärkungselementes 16 ebenso Komponenten mit mehr als 10 KHz vermindert. Das liegt an einem Schalldämmungsdefekt (Massenef fekt), der durch die erhöhte Masse des Abschlußdeckels geschaf fen wurde.

In Fig. 4 ist eine andere Ausführungsform des Abschlußdeckels 15 gezeigt. Der vorliegende Abschlußdeckel unterscheidet sich von der zuvor erläuterten ersten Ausführungsform darin, daß das Kugelumlaufelement 5, das aus einem weichen Material, wie z. B. Kunstharz od. dgl. ausgebildet ist, nicht in das Verstärkungs element 16 eingedrückt ist, sondern integral mit der Innenseite des Verstärkungselementes 16, das durch Maschinenbearbeitung oder Pressen ausgebildet ist, hergestellt ist. Die Arbeitsweise und die Wirkungen der zweiten Ausführungsform sind im wesentli chen denen der ersten Ausführungsform gleich.

Wie zuvor beschrieben wurde, ist in einer Kugelumlaufspindel mit Abschlußdeckel entsprechend der Erfindung ein Kugelumlaufelement in dem Endbereich einer Kugelumlaufmutter vorgesehen, deren Außenseite mit einem Verstärkungselement abgedeckt ist, das eine höhere Festigkeit und Dichte hat, als das Kugelumlaufelement. Das kann die Schwingungen bei einer elastischen Verformung be grenzen, die durch den Umlauf der Kugeln erzeugt werden und gleichzeitig wird die Erzeugung von Schwingungen begrenzt durch den erhöhten Masseneffekt des Abschlußdeckels mit dem Ergebnis, daß Geräusche effektiv vermindert werden können.

Auch wird entsprechend der Erfindung die Festigkeit des gesamten Kugelumlaufelementes erhöht, um dadurch zu verhindern, daß die Kugelumlaufmutter bricht, auch wenn diese überläuft.

Außerdem ist es möglich, das Kugelumlaufelement und das Verstär kungselement integral herzustellen, und somit kann die Kugelum laufspindel mit niedrigen Kosten geliefert werden.

Claims

1. Kugelumlaufspindel mit Abschlußdeckeln, mit
einer Kugelumlaufspindel (1), die auf ihrer Außenumfangsfläche eine Spiralnut (1a) aufweist;
einem Mutternhauptkörper (2), der auf seiner Innenumfangsfläche eine Spiralnut (2a) aufweist, die der Spiralnut (1a) der Kugel umlaufspindel (1) gegenüberliegt und der auf seinem dickeren Bereich einen Kugelrücklaufdurchgang (6) aufweist, der aus ei ner Durchgangsbohrung besteht, die sich in Axialrichtung er streckt;
zwei Kugelumlaufelementen (5), die als Abschlußdeckel jeweils mit den zwei Endflächen des Mutternhauptkörpers (2) verbunden sind, und die jeweils einen gekrümmten Durchgang (7) aufweisen zum Verbinden eines Raumes, der durch die beiden einander ge genüberliegenden Spiralnuten (1a, 2a) gebildet sind, mit dem Kugelrücklaufdurchgang (6); und
einer Mehrzahl von Kugeln (3), die in dem Raum, der durch die beiden einander gegenüberliegenden Spiralnuten (1a, 2a), den Kugelrücklaufdurchgang (6) und den gekrümmten Durchgang (7) ge bildet wird, abwälzen und umlaufen können, gekennzeichnet durch eine Verstärkungseinrichtung (16) zum Verstärken der Festigkeit der Kugelumlaufelemente (5) durch direktes Kontaktieren und vollständiges Abdecken des Außenbereichs jedes der Kugelumlauf elemente (5), wobei die Verstärkungseinrichtung (16) eine höhe re Festigkeit und Dichte hat, als die Kugelumlaufelemente (5), und wobei die Verstärkungseinrichtung eine zylindrische Fläche und eine Kreisfläche in dem Außenbereich jedes der Kugelumlauf elemente (5) abdeckt.

2. Kugelumlaufspindel mit Abschlußdeckeln nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugelumlaufelemente (5) aus ei nem weichen Material hergestellt sind und die Verstärkungsein richtung (16) aus Metall hergestellt ist.

3. Kugelumlaufspindel mit Abschlußdeckeln nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Kugelumlaufelemente (5) aus einem Kunstharz hergestellt ist, und daß die Verstärkungs einrichtung (16) aus einem rostfreien Stahl hergestellt ist.

4. Kugelumlaufspindel mit Abschlußdeckeln nach einem der An sprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kugelumlauf element (5) in die Innenseite der Verstärkungseinrichtung (16) eingedrückt ist.

5. Kugelumlaufspindel mit Abschlußdeckeln nach einem der An sprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kugelumlaufe lement (5) integral mit der Innenseite der Verstärkungseinrich tung (16) ausgebildet ist.

6. Kugelumlaufspindel mit Abschlußdeckeln, nach einem der An sprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch ein Dichtungselement (17) zum Verhindern, daß Verunreinigungen in die Abwälz- und Umlaufbereiche der Kugeln (3) eintreten, wo bei das Abdichtelement (17) einen Innendurchmesserbereich auf weist, der in einen Gleitkontakt mit der Spiralnut (1a) ge bracht ist, die in der Kugelumlaufspindel (1) ausgebildet ist, wobei die Verstärkungseinrichtung (16) zwischen dem Abdichtung selement (17) und einem der Kugelumlaufelemente (5) angeordnet ist.

7. Kugelumlaufspindel mit Abschlußdeckeln nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungseinrichtung (16) eine Verstärkungskappe zum Ausbilden einer Außenform von End kappen bildet.