DE60203984T2

DE60203984T2 - Kugelgewindetrieb mit hoher Lebendsdauer und reduziertem Geräusch

Info

Publication number: DE60203984T2
Application number: DE60203984T
Authority: DE
Inventors: Francesca Pacieri; Luciano Pizzoni; Federico Perni
Original assignee: Umbra Cuscinetti SpA
Current assignee: Umbra Cuscinetti SpA
Priority date: 2001-12-11
Filing date: 2002-10-25
Publication date: 2006-01-19
Anticipated expiration: 2022-10-26
Also published as: ITRM20010725A1; ATE294938T1; EP1319869A1; US20030106386A1; EP1319869B1; DE60203984D1; ES2241982T3

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Kugelgewindetrieb mit reduziertem Verschleiss der Umlaufelemente, reduziertem Betriebsgeräusch, also mit den Eigenschaften einer langen Lebensdauer und hohen Umdrehungsgeschwindigkeiten, insbesondere geeignet für Anwendungen in Industrie und Luftfahrt, entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Es ist bekannt, dass bei einer normalen Schrauben-Mutterschrauben-Verbindung die Reibung der Schraube an der Mutterschraube die Leistung reduziert. Bei einem Kugelgewindetrieb sind zwischen dem Gewinde der Schraube und dem der Mutterschraube (oder Leitspindel) Kugeln eingesetzt, welche durch ihr Rollen die vorgenannte Reibung verhindern.
Bis jetzt haben die Hersteller von Umlaufschrauben, allgemein Kugelgewindetriebe, versucht, den Verschleiss der sich im Kontakt miteinander befindenden Teile durch die Reduzierung der Reibung zwischen den Kugeln und den Laufrillen zu mindern. Dies ist der Zweck des US-Patentes 5,782,135, welches in einem Kugelgewindetrieb für ein Vakuumgerät die Verwendung einer ersten Gruppe von Kugeln vorsieht, die aus einem Kunststoffmaterial hergestellt sind, das als Hauptkomponente Polytetrafluoräthylen (PTFE) hat, und einer zweiten Gruppe von Kugeln, hergestellt aus metallenem oder Keramikmaterial. Die vorgesehene Verbesserung durch die obengenannte Lösung ist begrenzt auf die Freigabe eines Schmierfilms aus kristallinem PTFE, vorgesehen an der Oberfläche der Kugeln der genannten zweiten Gruppe, welcher das Abrollen der Kugeln begünstigt. Ausserdem ist der Durchmesser der Kugeln einer jeden der beiden Gruppen im Verhältnis zu der Menge des Schmiermaterials, das beim Betrieb freizugeben ist.
Das Dokument des nächstliegenden Standes der Technik, DE 42 35 842 C2 , sieht die Verwendung von belastbaren Kugeln aus Keramikmaterial vor, die sich mit Abstandskugeln von kleinerem Durchmesser abwechseln, hergestellt aus einem herkömmlichen, bei Kugelgewindetrieben verwendeten Material (Stahl). Die Anwendung der abwechselnden Konfiguration der Kugeln, wobei zwischen den Kugeln keine Reibung entsteht, und das Fehlen der Affinität zwischen den Materialien im Kontakt miteinander, hat die Reduzierung des Verschleisses der Teile zur Folge. Diese Lösung verhindert jedoch nicht, insbesondere bei hohen Umdrehungsgeschwindigkeiten, die normalerweise in vielen Anwendungsgebieten der Kugelgewindetriebe vorkommen, speziell in industriellen, die Erzeugung von starken Stosskräften der Abstandsku geln (allgemein aus Stahl) gegen die Umlaufelemente, zurückzuführen auf die wirkenden Zentrifugalkräfte.
Ein Hauptzweck der vorliegenden Erfindung ist, die Schäden an den Umlaufelementen in einem Kugelgewindetrieb zu reduzieren.
Ein anderer Zweck der vorliegenden Erfindung ist, Stösse von hoher Intensität der Kugeln gegen die Umlaufelemente zu verhindern, um die Erregung von solchen Resonanzfrequenzen der Gruppe zu vermeiden, die Vibrationen von hoher Amplitude hervorrufen. Solche Vibrationen, ausser dass sie einen hohen Geräuschpegel erzeugen, können die eigentliche Funktionalität des Kugelgewindetriebs beeinträchtigen. Ein Zweck ist daher, das Geräusch des Kugelgewindetriebs zu reduzieren, insbesondere bei hohen Betriebsgeschwindigkeiten.
Ein weiterer Zweck der vorliegenden Erfindung ist, die Umdrehungsgeschwindigkeit der sich in entsprechender Bewegung befindlichen Teile der Schraube zu erhöhen: folglich wird der Kugelgewindetrieb auf solche Weise verbessert, dass das Produkt D*n der Gruppe gesteigert wird, wo D den Mittendurchmesser der Kugel bezeichnet und n die Umdrehungszahlen pro Minute.
Ein noch anderer Zweck der Erfindung ist, die Betriebstemperaturen zu reduzieren.
Die Zwecke werden erreicht in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung, bei gleicher Geometrie der Teile und der Umdrehungsgeschwindigkeit eines Kugelgewindetriebs, durch eine Reduzierung der Stösse der Kugeln gegen die Umlaufelemente und eine Reduzierung der Zentrifugalkräfte, die von den rollenden Elementen auf die Laufrillen entladen werden.
Daher sieht die Erfindung, so wie sie durch die nachstehenden Ansprüche gekennzeichnet ist, einen Kugelgewindetrieb vor, enthaltend belastbare Kugeln aus Keramikmaterial, die sich mit Abstandskugeln von einem kleineren Durchmesser als jener der belastbaren Kugeln abwechseln, und der vom allgemeinen Gesichtspunkt her dadurch gekennzeichnet ist, dass jede Abstandskugel in geordneter Weise zwischen zwei belastbaren Kugeln positioniert ist und aus einem Material besteht, welche eine Volumenmasse oder Dichte hat, die nicht über 3 g/cm³ hinausgeht.
Das genannte Material kann vorteilhafterweise ein Kunststoffmaterial oder ein metallenes Material sein. Als ein Kunststoffmaterial kann Polyetheretherketon verwendet werden, ein thermoplastisches Polymer, erhalten durch die Polymerisierung einer Ether-Etherketon-Gruppe.
Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung gehen deutlicher aus der nachstehenden detaillierten Beschreibung einer vorgezogenen Ausführung hervor, dargestellt durch ein nicht begrenzendes Beispiel in den beiliegenden Zeichnun gen, von welchen:
1 eine schematische Teilansicht von der Seite, teilweise im Schnitt, eines Kugelgewindetriebes nach der vorliegenden Erfindung zeigt; und
2 zeigt eine schematische Teilansicht in Plandarstellung von zwei belastbaren Kugeln und einer Abstandskugel des Kugelgewindetriebes aus 1.
Unter Bezugnahme auf die 1 bezeichnet die Nummer 1 eine Schraube, die Nummer 2 eine Mutterschraube oder Leitspindel, die Nummer 3 bezeichnet allgemein eine belastbare Kugel und die Nummer 4 bezeichnet eine Abstandskugel in einer Laufrille 5 der Mutterschraube 2.
Die 2 zeigt in einer Laufrille 5 der Mutterschraube zwei belastbare Kugeln 3 und eine zwischengesetzte Abstandskugel 4. Die belastbaren Kugeln 3, hergestellt aus Keramikmaterial, vorteilhafterweise zum Beispiel Siliziumnitrid, unterliegen Umdrehungen in den durch den Pfeil in 2 angezeigten Richtungen, zurückzuführen auf die verhältnismässige Bewegung von Schraube und Mutterschraube, dargestellt schematisch jeweils durch die Pfeile F und F'. Der Pfeil G zeigt die entgegengesetzte Drehrichtung der Abstandskugel 4, die einen kleineren Durchmesser hat als jener der belastbaren Kugeln 3. Vorzugsweise hat die Abstandskugel 4 einen kleineren Durchmesser als jener der belastbaren Kugeln um eine solche Menge, dass sie niemals und unter keinen Betriebsbedingungen des Kugelgewindetriebes nach der Erfindung belastet wird. Auf diese Weise bleiben die Abstandskugeln 4 unbelastet, auch bei Vorhandensein der von aussen auf die Mutterschraube angewandten Höchstbelastung, so dass sie niemals gleichzeitig die Laufrillen der Schraube und der Mutterschraube berühren und frei bleiben, sich ohne zu schleifen oder zu reiben zwischen den angrenzenden belastbaren Kugeln 3 zu drehen, ungeachtet der angebrachten Belastung.
Alle Kugeln sind durch Zentrifugalkraft Schlägen oder Stössen gegen die Umlaufelemente unterzogen, aber nach der Erfindung sind die Abstandskugeln 4, welche einzelnen abwechselnd mit den belastbaren Kugeln 3 angeordnet sind, aus einem Material hergestellt, das eine niedrige Volumenmasse oder Dichte hat, auf jeden Fall nicht mehr als 3 g/cm³, gemessen unter Standardbedingungen, und bewirken dank ihrer niedrigen Volumenmasse stark begrenzte Stösse.
Die Abstandskugeln 4, in Verbindung mit der Verwendung von belastbaren Kugeln 3 aus Keramikmaterial, sind nach der vorliegenden Erfindung aus Kunststoffmaterial oder auf jeden Fall aus einem synthetischen Material hergestellt, vorzugsweise aus einem Kunststoffmaterial, dessen Volumenmasse nicht über 2.5 g/cm³ hinausgeht. Vorteilhafterweise ist die Volumenmasse des genannten Materials nicht grösser als 2.0 g/cm³. Insbesondere hat man als vorteilhaft gefunden, die Abstandskugeln 4 aus Polyetheretherketon herzustellen, ein thermoplastisches Polymer, das aus der Polymerisierung einer Ether-Etherketon-Gruppe erhalten ist, üblicherweise bezeichnet mit peek, und welches eine Volumenmasse von 1.3–1.4 g/cm³ hat, sowie mechanische Eigenschaften, die es für diese Verwendung geeignet machen; es ist somit möglich, bei gleicher Umdrehungsgeschwindigkeit, Stosskräfte auf die Umlaufelemente zu erhalten, die um mehr als 80% geringer sind als die mit gleich grossen Stahlkugeln. Somit ist es möglich, die Umdrehungsgeschwindigkeit zu erhöhen, bis zum Erhalten eines Produktes D*n bis wenigstens 350.000, welcher ein besonders bedeutender Wert ist, wenn man berücksichtigt, dass Kugelgewindetriebe, welche herkömmliche Stahlkugeln verwenden, nur schwer den Wert von 100.000 überschreiten.
Ausserdem sind keine Stösse von hoher Intensität auf die Umlaufelemente vorhanden. Das Geräusch ist reduziert, wie folglich auch die Betriebstemperaturen reduziert sind.
Dieselben Vorteile können durch die Verwendung von Abstandskugeln aus metallenem Material erreicht werden, zum Beispiel Aluminiumlegierungen, die ebenfalls eine Volumenmasse von nicht mehr als 3.0 g/cm³ haben. In diesem Falle ist die mindeste Reduzierung der Stosskräfte der Kugeln auf die Laufrillen von Schraube und Mutterschraube und auf die Umlaufelemente mehr als 60% im Verhältnis zu gleichen Stahlkugeln.
Natürlich kann die so ausgelegte Erfindung zahlreichen Änderungen und Varianten unterliegen, ohne dabei aus dem Zweckbereich desselben erfinderischen Konzeptes herauszugehen, welches sie in Übereinstimmung mit den nachstehenden Ansprüchen kennzeichnet.

Claims

Kugelgewindetrieb mit hoher Lebensdauer und reduziertem Geräusch, enthaltend belastbare Kugeln (3) aus Keramikmaterial, die sich mit Abstandskugeln (4) abwechseln, welche einen kleineren Durchmesser haben als die belastbaren Kugeln, wobei jede Abstandskugel (4) in geordneter Weise zwischen zwei belastbaren Kugeln (3) angeordnet ist und eine neben der anderen zwischen zwei belastbaren Kugeln (3); dadurch gekennzeichnet, dass jede Abstandskugel (4) aus einem Kunststoffmaterial hergestellt ist, welches eine Volumenmasse oder Dichte hat, die nicht über 2 g/cm³ hinausgeht.
Kugelgewindetrieb nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Kunststoffmaterial Polyetheretherketon ist.
Kugelgewindetrieb nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten belastbaren Kugeln (3) aus Quarznitrid hergestellt sind.
Kugelgewindetrieb nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Abstandskugeln (4) einen kleineren Durchmesser haben als die belastbaren Kugeln (3), und zwar um eine solche Menge, dass die Abstandskugeln keinerlei Belastung aushalten müssen, unter welchen Arbeitsbedingungen des Kugelgewindetriebs auch immer.