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Hintergrund
der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf eine Kugelumlaufspindel, die insbesondere eine Struktur
aufweist, die Kugeln, welche sich in einem Rollkanal unter Last
bewegen, der zwischen einer Spindelwelle und einem Mutternelement
ausgebildet ist, durch ein im Mutternelement eingebautes Rückführrohr in
Umlauf setzt.
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Ein bekanntes Beispiel einer solche
Kugelumlaufspindel besteht aus einer Spindelwelle, an der eine Kugelrollnut
ausgebildet ist, und einem Mutternelement, an der eine Rollnut für Kugeln
unter Last ausgebildet ist, die der Kugelrollnut der Spindelwelle entspricht.
Diese Kugelrollnut und diese Rollnut für Kugeln unter Last bilden
in Verbindung einen Rollkanal für
Kugeln unter Last, in dem Kugeln gerollt werden. Das eine und das
andere Ende des Rollkanals für
Kugeln unter Last sind durch ein Rückführrohr verbunden, das an dem
Mutternelement derart angebracht ist, dass die in dem Rollkanal
für Kugeln
unter Last rollenden Kugeln an dessen einem Ende durch das Rückführrohr aufgenommen
werden und an dessen anderen Ende in den Rollkanal für Kugeln
unter Last wieder zurückgeführt werden.
Die Kugelumlaufspindel mit der obigen Struktur wird z. B. im der
Veröffentlichung
zur Offenlegung (KOKAI) des japanischen Gebrauchsmusters Nr. HEI
6-69502 gezeigt.
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9 zeigt
ein bekanntes Beispiel des Rückführrohrs 1 mit
offenen Enden, an denen ein Paar Zungenstücke 2a, 2b so
ausgebildet sind, dass sie in den Rollkanal für Kugeln unter Last passen
können. Die
Kugeln, die in dem Rollkanal für
Kugeln unter Last gerollt werden, der an der Umfangsfläche der Spindelwelle
ausgebildet ist, stoßen
mit den Zungenstücken 2a, 2b zusammen
und werden dann dadurch so aufgenommen, dass sie in das Rückführrohr 1 eingeführt werden.
Danach laufen die Kugeln durch das Rückführrohr 1 und kehren
dann wieder in den Rollkanal für
Kugeln unter Last zurück.
Auch Einkerbungen oder Ausschnitte 3 sind an beiden offenen
Enden des Rückführrohrs 1 nahe
an den Zungenstücken 2a, 2b ausgebildet,
um zu verhindern, dass die Kugeln mit der an der Spindelwelle gestalteten
Kugelrollnut in Konflikt geraten.
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Es ist in den letzten Jahren jedoch
erforderlich geworden, einen Hochgeschwindigkeitsbetrieb eines Maschinenwerkzeugs
oder eines ähnlichen Mechanismus
auszuführen
und daher die Kugelumlaufspindel zu veranlassen, mit einer hohen
Umdrehungsgeschwindigkeit zu rotieren. In einem Fall wo die Kugelumlaufspindel
mit einem steigenden D/N-Wert genutzt wird (das ist ein Wert, der
durch Multiplizieren der Umlaufzahl der Spindelwelle pro Minute
mit dem Drehdurchmesser der Kugel erhalten wird), gibt es Befürchtungen,
dass wegen wiederholten Zusammenstoßens der Kugeln Spannungsspitzen
an den Wurzelabschnitten der Zungenstücke 2a, 2b auftreten
könnten,
die an diesen Wurzelabschnitten zu Materialermüdung führen, wodurch sie geschädigt werden.
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US-A-2.780.943 legt eine Kugelumlaufspindel
mit einer Spindelwelle und einem Mutternelement offen, die die Merkmale
des Oberbegriffs des Anspruchs zeigt.
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Ein Ziel der vorliegenden Erfindung
ist es, die oben erwähnten
Schäden
und Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und eine Kugelumlaufspindel
zur Verfügung
zu stellen, die die Kugeln wirkungsvoll aufnehmen kann, ohne eine
spezifische Kugelaufnahmeeinrichtung am Rückführrohr wie solche Zungenstücke auszubilden.
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Dieses und andere Ziele kann nach
der vorliegenden Erfindung erreicht werden, durch Bereitstellung
einer Kugelumlaufspindel, die umfasst:
eine Spindelwelle, an
deren Außenumfangsfläche eine
spiralenförmige
Kugelrollnut ausgebildet ist;
ein Mutternelement mit einer
Innenumfangsfläche, auf
der eine Spiralrollnut für
Kugeln unter Last entsprechend der spiralenförmigen Kugelrollnut der Spindelwelle
ausgebildet ist, wobei beide Spiralnuten in Verbindung einen Rollkanal
für Kugeln
unter Last bilden, wenn die Spindelwelle in das Mutternelement eingesetzt
ist;
ein Anzahl von Kugeln, die in dem Rollkanal für Kugeln
unter Last rollen; und
mindestens ein Rückführrohr, dessen ein Ende mit
einem Ende des Rollkanals für
Kugeln unter Last verbunden ist und dessen anderes Ende mit dem
anderen Ende des Rollkanals für
Kugeln unter Last so verbunden ist, dass die in dem Rollkanal für Kugeln
unter Last rollenden Kugeln an dem einem Ende des Rückführrohres
aufgenommen und die Kugeln am anderen Ende des Rückführrohres dem Rollkanal für Kugeln
unter Last wieder zurück
gegeben werden, wobei das Rückführrohr zwei
offene Endabschnitte aufweist, an denen Ausschnitte ausgebildet
sind, die alle eine allmählich
abnehmende Breite haben
dadurch gekennzeichnet, dass
der
Querschnitt des Rückführrohres
an seinen Endabschnitten eine halbkreisförmige Gestalt besitzt, wobei
beide Seitenenden leicht über
die Mittellinie des Rückführrohres
vorstehen und der Querschnitt sich kontinuierlich verändert, um
sich einer Kreisform so anzunähern,
dass die Kugeln durch beide Seiten der Ausschnitte geführt werden,
wenn sie in den Endabschnitt des Rückführrohres eintreten.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
ist das Rückführrohr so
angeordnet, dass seine beiden Endabschnitte mit einem Steigungswinkel
der Spindelwelle übereinstimmen.
Das Rückführrohr ist
so angeordnet, dass seine beiden Endabschnitte in eine Richtung
tangential zu einer Spur der Kugeln ausgerichtet sind.
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Die Breite des Ausschnitts verringert
sich allmählich
vom Endabschnitt des Rückführrohrs
zu seinem Inneren.
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Das Rückführrohr ist an der Innenfläche mit einem
Paar Führungsnuten
so ausgebildet, dass sie sich über
dessen ganze axiale Richtung erstrecken.
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Da die Ausschnitte, nach der vorliegenden Erfindung
der oben erwähnten
Art, an beiden Enden des Rückführrohres
so ausgebildet sind, dass die Weite jedes Ausschnitts allmählich abnimmt,
können die
in dem Rollkanal für
Kugeln unter Last rollenden Kugeln durch beide Seiten des Ausschnitts
geführt werden.
Und die durch beide Seiten des Ausschnitts geführten Kugeln werden allmählich in
das Innere des Rückführrohres
gelenkt. Nach dieser Struktur können
die Kugeln sanft aufgenommen werden, ohne einen spezifischen Abschnitt
zur Kugelaufnahme, wie Zungenstücke
in der herkömmlichen
Struktur, auszubilden.
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Da nach der bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung beide Enden des Rückführrohres so angeordnet sind,
dass sie mit dem Steigungswinkel der Spindelwelle übereinstimmen,
können
die Kugeln mit der Steigungswinkelrichtung aufgenommen werden, d.
h. die Bewegungsrichtung der Kugeln wird beibehalten. Es ist daher
möglich
die starke Einwirkung zu vermeiden, die auf das Rückführrohr wirkt,
wenn die Kugeln in das Rückführrohr gelenkt
werden. Die Beibehaltung der Kugelbewegungsrichtung erlaubt es,
eine sanfte Aufnahme der Kugeln auszuführen, ohne die Kugeln auf eine
Seite des Ausschnitts zu verlagern, und die Kugeln werden in einem
ausgewogenen Zustand sanft aufgenommen.
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Da die Kugeln ferner vom Rückführrohr in
einer tangentialen Richtung aufgenommen werden, werden sie sanft
aufgenommen, was folglich auch die Einwirkkraft aus dem Zusammenstoß mit dem
Rückführrohr verringert.
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Die Art und Weise, sowie weitere
charakteristische Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus
den folgenden Beschreibungen mit Bezug zu den beigefügten Zeichnungen
noch deutlicher.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Für
die beiliegenden Zeichnungen gilt:
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1 ist
eine perspektivische Ansicht einer Kugelumlaufspindel nach einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2 ist
eine perspektivische Ansicht von einem Mutternelement der Kugelumlaufspindel
aus 1;
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3 ist
eine perspektivische Ansicht eines Beispiels eines Rückführrohrs
der Kugelumlaufspindel von 1;
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4 ist
eine Ansicht, die einen Aufnahmevorgang einer Kugel durch ein Rückführrohr zeigt;
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5 enthält verschiedene
Ansichten, die die Veränderung
der Querschnittsfläche
des Rückführrohres
zeigen;
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6 ist
eine Seitenansicht in vergrößertem Maßstab vom
Rückführrohr und
der Spindelwelle als Baugruppe;
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7 ist
die Ansicht eines Schnittes vom Rückführrohr und der Spindelwelle
als Baugruppe;
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8 ist
eine perspektivische Ansicht eines anderen Beispiels des Rückführrohres
nach der vorliegenden Erfindung; und
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9 ist
eine perspektivische Ansicht eines Rückführrohrs mit herkömmlicher
Struktur.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsform
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1 und 2 zeigen eine bevorzugte
Ausführungsform
einer Kugelumlaufspindel 5 nach der vorliegenden Erfindung.
Die Kugelumlaufspindel 5 ist grundsätzlich zusammengesetzt aus
einer Spindelwelle 6 mit einer Außenumfangsfläche, an
der eine spiralenförmige
Kugelrollnut 6a ausgebildet ist, einem Mutternelement 7 mit
einer Innenumfangsfläche,
an der eine Spiralrollnut für
Kugeln unter Last 7a entsprechend und in Ausrichtung mit
der Kugelrollnut 6a der Spindelwelle 6 ausgebildet
ist, und eine Anzahl von Kugeln 8, ..., 8 die
in einem Rollkanal für
Kugeln unter Last rollen, der aus der Verbindung der Kugelrollnuten 6a und 6b gebildet
wird. Zwei Rückführrohre 9, 9 sind
an das Mutternelement 7 montiert und die Rückführrohre 9, 9 sind
so angeordnet, dass sie das eine und das andere der Enden des Rollkanals für Ku geln
unter Last verbinden und dadurch einen lastfreien Rückführkanal
bilden. Beide Endabschnitte jedes Rückführrohres 9 sind gekrümmt und
in den Rollkanal für
Kugeln unter Last mit einem Abstand von mehreren Ganghöhen eingepasst.
Die Rückführrohre 9, 9 sind
an dem Mutternelement 7 mittels Rohrhalter 10 befestigt.
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Die Kugelrollnut 6a ist
an der Außenumfangsfläche der
Spindelwelle 6 durch Schleifen oder Walzen so ausgebildet,
dass ein im Wesentlichen halbkreisförmiger Querschnitt in einer
durchgängigen Spiralform
mit konstanter Steigung vorgesehen wird.
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Das Mutternelement 7 weist
im Wesentlichen eine zylindrische Gestalt mit einem inneren hohlen Abschnitt
auf und ist an seinem einen Ende mit einem Flansch 11 versehen,
um die Kugelumlaufspindel an einer Maschine oder ähnlichem
zu befestigen. Die Rollnut für
Kugeln unter Last 7a ist an der Innenfläche des Mutternelements 7 ausgebildet,
wobei die Rollnut für
Kugeln unter Last 7a einen im Wesentlichen halbkreisförmigen Querschnitt
entsprechend der Kugelrollnut 6a der Spindelwelle 6 aufweist,
wenn die Spindelwelle 6 in das Mutternelement 7 eingebaut ist.
Das Mutternelement 7 ist wie in 1 oder 2 zu sehen
mit einem oberen flachen Abschnitt 12 versehen, in den
vier Passlöcher 13, 13, 13, 13 für die Rückführrohre
so ausgebildet sind, dass sie sich zu der Rollnut für Kugeln
unter Last 7a hin erstrecken, die an der Innenfläche des
Mutternelements 7 gestaltet ist. Beide Endabschnitte der
jeweiligen Rückführrohre 9, 9 werden
durch diese Passlöcher
für die Rückführrohre 13, 13, 13, 13, 13 eingeführt.
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3 bis 5 zeigen die Details des
Rückführrohres 9.
Wie in 3 gezeigt hat
das Rückführrohr 9 zuerst
einen kreisförmigen
Querschnitt und beide Endabschnitte des Rückführrohres 9 sind gekrümmt. D.
h. das Rückführrohr 9 setzt
sich zusammen aus einem Paar gekrümmter Beinabschnitte 9a, 9b und
einem horizontalen Mittelabschnitt 9c, der die beiden Beinabschnitte
so verbindet, dass über
die gesamte Länge
etwa eine U-Form entsteht. Die Querschnittsform des Rückführrohrs 9 ist
nicht auf die Kreisform und andere Formen wie Dreieck, Rechteck
oder andere nicht kreisförmige
Querschnitte beschränkt,
solange der Querschnitt eine Fläche
oder Abmessung hat, die die Kugeln durchlassen und Schmierstoff oder
-mittel speichern kann. Beide Endabschnitte der Beinabschnitte 9a, 9b sind
jeweils mit ausgeschnittenen Abschnit ten (nachfolgend als Ausschnitte
bezeichnet) 15 so ausgebildet, dass jeder Ausschnitt eine
Bogenform mit eine horizontalen Weite aufweist, die allmählich zum
Inneren des Rückführrohres 9 hin verringert
wird.
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Wie in 4 gezeigt
ist der Beinabschnitt 9a (9b) in einer Richtung
tangential zu der Mittellinie S der Spur der Kugeln 8,
..., 8 angeordnet und das vordere Ende des Beinabschnitts 9a (9b)
erstreckt sich bis zu einer Stelle der horizontalen Ebene L der
Achse der Spindelwelle 6. Die Ausschnitte 15 der
Beinabschnitte 9a, 9b sind gestaltet, um etwas
innerhalb der Mittellinie S der Spur der Kugeln 8, ..., 8 platziert zu
werden. Das entfernte (vordere) Ende des Ausschnitts 15 ist
um den Betrag h etwas innerhalb der Mittellinie D des Beinabschnitts 9a (9b)
positioniert.
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5 enthält verschiedene
Ansichten, die den Wandel der Querschnittsform des Beinabschnitts 9a (9b)
zeigen, in denen die Querschnittsform des Beinabschnitts 9a (9b)
an seinem vorderen Endabschnitt durch die Zahl „0" dargestellt wird. Danach ändert sich
die Querschnittsform so, dass sie durch die Zahlen „1" bis „9" dargestellt wird,
jeweils in Richtung des oberen Teils des Beinabschnitts, d. h. vom offenen
Ende der Rückführrohrs 9 zum
dessen horizontalen Abschnitt 9c hin. Das bedeutet, an
der Stelle „0" hat der Querschnitt
eine Halbkreisform, wobei beide Seitenenden um den Betrag h leicht über die Mittellinie
D des Rückführrohrs 9 vorstehen.
Die Form dieses Schnittes nähert
sich in Richtung auf den oberen Teil des Beinabschnittes 9a (9b)
einer Kreisform an und die Weite W (d. h. die Weite der Schnittöffnung des
Beinabschnitts im Querschnitt) zwischen beiden Schnittseitenenden
des Ausschnitts 15 nimmt allmählich ab.
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Mit Bezug zu 4 werden die Kugeln 8, ..., 8 auf
der Außenumfangsfläche der
Spindelwelle 6 gerollt, dann am oberen Abschnitt über die
horizontale Ebene L der Achse der Spindelwelle 6 gerollt
und danach in das Innere der Beinabschnitte 9a, 9b gerollt.
Wie in 5 gezeigt ist
an den Querschnittsstellen „0" bis „4" die Weite W zwischen
beiden Seitenenden des Ausschnitts 15 größer als
der Durchmesser der Kugel 8 und dementsprechend rollen
die Kugeln 8, ..., 8 auf dem Außenumfang
der Spindelwelle 6, ohne durch beide Seitenenden des Ausschnitts 15 geführt zu werden.
Wenn die Kugel 8 von der Stelle „0" zur Position „4" rollt, öffnet sich allmählich ein Spalt 20 zwischen
der inneren Umfangsfläche
des Beinabschnitts 9a (9b) und der rückseitigen
Oberfläche
(innere Fläche)
der Kugel B. Wenn die Kugel weiter rollt und die Position „5" erreicht, beginnen
die beiden Enden des Ausschnittes 15 die Kugel 8 zu
führen,
und da die Weite W in Richtung des oberen Abschnitts des Rückführrohres 9 allmählich verringert wird
(d. h. vom offenen vorderen Ende des Beinabschnitts zum horizontalen
Abschnitt 9c des Rückführrohrs 9),
werden die Kugeln 8, ..., 8 in das Rückführrohr 9 gerollt,
während
sie durch die beiden Seitenenden des Ausschnittes 15 von
Querschnittsposition „6" zur Querschnittsposition „10" gelenkt werden.
Gemäß der Struktur
des Ausschnitts 15 mit abgeschnittenen Seitenenden der
Weite W, die zum oberen Teil des Beinabschnitts 9a (9b)
des Rückführrohres 9 hin allmählich enger
wird, können
die Kugeln 8, ..., 8 durch beide Seitenenden des
Ausschnitts 15 aufgenommen werden, ohne wie bei in 9 gezeigten herkömmlichen
Strukturen ein Zungenstück
am Beinabschnitt auszubilden. Daher kann die Kugelumlaufspindel 5 bei
einer hohen Geschwindigkeit mit einem gesteigerten D/N-Wert gedreht
werden.
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Da ferner nach der vorliegenden Ausführungsform
die Beinabschnitte 9a, 9b in der Richtung tangential
zur Mittellinie S der Spur der Kugeln 8, ..., 8 angeordnet
sind, können
die Kugeln entlang ihrer Bewegungsrichtung durch die Beinabschnitte 9a (9b) sanft
und wirksam aufgenommen werden. Folglich können die Kugeln 8,
..., 8 aufgenommen werden, ohne plötzlich ihre Rollrichtung ändern zu
müssen,
so dass die zur Zeit der Kugelaufnahme durch die Beinabschnitte 9a, 9b des
Rückführrohrs 9 verursachte Einwirkkraft
wirksam verringert werden kann.
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6 zeigt
die gegenseitige Anordnung der Spindelwelle 6 und des Rückführrohres 9,
in dem die Beinabschnitte 9a, 9b der Rückführrohres 9 so
geneigt sind, dass sie mit dem Steigungswinkel der Spindelwelle 6 übereinstimmen.
Nach dieser Anordnung werden die Kugeln 8, ..., 8 durch
die Beinabschnitte 9a, 9b aufgenommen, wobei die
Steigungswinkelrichtung, d. h. Kugelvorschubrichtung, der Spindelwelle 6 beibehalten
wird. Dementsprechend ist es nicht erforderlich, dass die Kugeln
ihre Rollrichtung in den Beinabschnitten 9a, 9b ändern, wodurch das
Auftreten der Einwirkkraft aus starkem Zusammenprall vermieden wird.
Da ferner die Kugeln 8, ..., 8 durch die Beinabschnitte 9a, 9b unter
Beibehaltung der Kugelbewegungsrichtung aufgenommen werden können, werden
die Kugeln niemals zu einer Seite des Aus schnitts 15 gedrängt und
könne daher
in einem wohl ausgewogenen Zustand aufgenommen werden.
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Wenn wie in 6 und 7 gezeigt
die Spindelwelle 6 rotiert, rollen die Kugeln 8,
..., 8 in der Kugelrollnut 6a der Spindelwelle 6 in
deren Umfangsrichtung, wobei die auftretende Axiallast vom vorderen Endabschnitt
des Beinabschnittes 9a aufgenommen werden kann, und die
so aufgenommenen Kugeln laufen durch das Rückführrohr 9. Danach werden
die Kugeln 8, ..., 8 vom Beinabschnitt 9b wieder
in die Kugelrollnut 6a zurückgeführt, nun von dem Beinabschnitt 9a durch
mehrere Ganghöhen
versetzt, und zirkulieren dann durch die Kugelrollnut 6a.
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8 zeigt
eine perspektivische Ansicht eines anderen Beispiels des Rückführrohrs 21 nach der
vorliegenden Erfindung. Mit Bezug zu 8 besitzt
das Rückführrohr 21 Beinabschnitte 21a, 21b, die
mit Ausschnitten 15 wie in Rückführrohr 9 des vorigen
Beispiels ausgebildet sind. Dieser Ausschnitt 15 hat eine
horizontale Weite, die sich allmählich
zum Inneren des Rückführrohres 9 verringert.
Ein Paar Führungsnuten 22a, 22b sind
an der Innenfläche
des Rückführrohres 9 so
ausgebildet, dass sie sich in dessen ganzer axialer Richtung erstrecken.
In einer bestimmten Anordnung können
die Kugeln 8, ..., 8 durch einen bandförmigen Halter
mit einem vorgegebenen Abstand gehalten werden, um zur Vermeidung gegenseitiger
Reibung der Kugeln drehbar und verschiebbar zu sein. In dieser Anordnung
können
beide Seitenkanten des Halters geführt werden, indem das oben
erwähnte
Paar Führungsnuten 22a, 22b ausgebildet
wird. Im Falle wo die Kugeln 8, ..., 8 mittels
Halter gehalten werden, kann der Halter so wirken, dass er die Kugeln
zusätzlich
zu dem Kugelaufnahmevorgang des Ausschnitts 15 hoch zieht.
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Da, wie oben erwähnt, nach der vorliegenden
Erfindung die Ausschnitte an beiden Endabschnitten des Rückführrohres
so ausgebildet sind, dass sich die Weite der Öffnung zwischen beiden Seitenenden
des Ausschnitts allmählich
zum Inneren des Rückführrohres
verringert, können
die in dem Rollkanal für
Kugeln unter Last rollenden Kugeln in das Rückführrohr gelenkt werden, während sie durch
beide Seitenenden des Ausschnitts 15 mit verringerter Weite
geführt
werden. Dementsprechend können
die Kugeln sanft aufgenommen werden, ohne irgendeine spezifische
Kugelaufnahmeeinrichtung wie ein Zungenstück in der herkömmlichen Struktur
auszubil den, und daher kann die Kugelumlaufspindel mit dem erhöhten D/N-Wert
verwendet werden.
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Es muss festgestellt werden, dass
die vorliegende Erfindung nicht auf die beschriebene Ausführungsform
begrenzt ist, und es können
andere Änderungen
oder Modifikationen gemacht werden, ohne den Rahmen der beigefügten Ansprüche zu verlassen.