DE8311008U1 - Wälzringschraubentrieb - Google Patents

Description

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P 231 08.04,1983

Patentanaei dung

der Firma

AMD Vertriebsgesellschaft GmbH für Antriebstechniki Vogelherd 3, 5800 Hagen Wälzringschraubentrieb

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wälzringschraubentrieb mit zur Spindelachse schräggestellten Wälzringmutter-Umlaufachsen, (wobei sich die Achsen nicht schneiden) und die Spindel zum Muttergehäuse radial geführt ist, und die Wälzringmuttern einen in einem Außenring frei drehbar gelagerten Innenring-aufweisen, der einen oder mehrere radial nach innen ragende Wälzringe trägt

Die Versuche mit Wälzringschraubentrieben, durch die die bekannten Kugelumlaufmuttertriebe ersetzt werden sollen, haben über mehrere Jahrzehnte noch nicht zu wirklich positiven Ergebnissen geführt. Ein breit gefächerter, gravierender Stand der Technik zeigt eine Fülle von Ausführungsvarianten, denen jeweils einige entscheidene Eigenschaften fehlen, die den Schlüssel zum

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Erfolg bilden wurden* Die Erfindung will derartige Triebe " optimieren, und vor allen Dingen für eine konkurrenzfähige Massenproduktion so gestalten, daß selbst bei Verwendung einfacher Wälzlager für die Herstellung von ί Wälzringmuttern eine ausreichende Steifigkeit des Triebes* eine einfache Montage und eine billige Fertigung möglich • ist. Dabei soll gleichzeitig die Erkenntnis ausgenutzt werden, daß letztlich bei allen diesen Wälzringschraubentrieben in jeder Lastrichtung nur ein Wälzring die axialen Kräfte aufnehmen kann. Dies bedingt die zusätzliche Aufgabe, die auftretenden Flächenpressungen zu reduzieren.

Ausgehend von dieser Aufgabenstellung bringt der Anspruch in der Kombination seiner Merkmale den entscheidenen Schritt zur Lösung dieser Aufgabe.

In die Fassungen, die praktisch einseitig offen sind, werden die Wälzringmuttern, die aus einfachen Wälzlagern bestehen, und an ihrem Innenring einen Wälzring tragen, schublandenartig hineingeschoben, und dann werden die Fassungen gegeneinander gerichtet in das Gehäuse axial gleitend eingeführt und nach Einsetzen der Spindel festgelegt.

Nach Anspruch 2 kann nun der Durchmesser des Wälzringmuttergehäuses erheblich reduziert werden, wenn bei den Wälzringmuttern auf den Außenring verzichtet wird, und die Funktion des Außenringes durch entsprechende Führungsbahnen in den nur über 180° reichenden Führungsflächen der Fassungen eingearbeitet sind. Der Anspruch 3 löst die Aufgabe, wie eine ausreichende Steifigkeit erzielbar ist, so daß das axiale Spiel zwischen der Spindel und dem Muttergehäuse, in das das Spiel zwischen den Fassungen und dem Muttergehäuse, den Fassungen und den Wälzringmutteraußenringen, das Spiel zwischen Außenring und Innenring der Wälzringmutter und das Spiel zwischen dem Wälzring und der Spindel letztlich addierend eingeht. Nur eine

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entsprechende Vorspannung der Fassungen gegeneinander sorgt für eine Beseitigung dieser Spiele, und dabei fur eine besonders steife Funktion.

Durch den Anspruch 4 wird die Lehre nach Anspruch 3 ergänzt.

• Von besonderer Bedeutung ist die radiale Führung zwischen Spindel und dem Wälzring bzw. dem Wälzringmuttergehäusej da damit die Eingriffstiefe des Wälzringes in das Spindelgewinde sichergestellt wird.

Für diese radialen Führungen können natürlich kleinere Wälzringmuttern eingesetzt werden, oder aber es werden Nadellager verwendet, die mehrere Gewindegänge der Spindel überdecken. Die bekannten Lösungen haben bisher zu keinen sehr positiven Ergebnissen geführt. Es treten unvermeidliche Mischreibungen ein, die sich letztlich negativ auf den Wirkungsgrad schlagen.

Der Anspruch 6 löst die Aufgabe der radialen Führung

in sehr vorteilhafter Weise. Es wird nämlich als radiale

Führung einfach eine Kunststoffmutter eingesetzt. Natür-

lieh kann diese auch durch Bronze oder andere Materialien

!^; ersetzt werden. Wichtig ist jedoch, daß, wie auch in

^f den Ansprüchen 5 bis 7 niedergelegt, diese Muttern axial

\ frei beweglich sind, und möglichst geringe Reibungs-

widerstände verursachen. Da sie keinerlei axiale Kräfte übertragen sollen, können die Reibungsverluste bei Ver-

J? Wendung des bekannten PTFE-Kunststoffes ungewöhnlich

* gering gehalten werden.

Der Anspruch 8 bezieht sich auf eine besondere Ausbildung der Spindel und/oder des Wälzringes und legt gewisse bedeutungsvolle Kriterien für deren Gestaltung und Auswahl fest, um die Flächenpressung zu vermindern.

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Der Anspruch 9 ergänzt die Lehre nach Anspruch 8. f Für die Erfindung von funktioneller Bedeutung ist auch t

die radiale Beweglichkeit der Wälzringrnutter innerhalb |·

des Gehäuses, bzw. innerhalb der Fassungen, die zur '.

Erzielung eines einwandfreien Eingriffs erforderlich \

ist. Derartige radiale Beweglichkeiten von Wälzringinuttern _; sind bekannt, und es ist auch bekannt, elastische Mittel zwischen entsprechende Stellglieder und die Wälzring- ψ

muttern einzuschalten. Die Erfindung verwendet besonders |„

geeignete Gummikugeln, die einen hohen elastischen Andruck der Wälzringeingriffsbereiche in das Innengewinde erzeugen, und die in ihrem elastischen Spiel durch entsprechende Stellschrauben begrenzt werden können.

Insgesamt bringt die Erfindung nunmehr einen Wälzringschraubentrieb, der für die Praxis geeignet ist, und in der Lage ist, die Probleme zu lösen. Die bekannten Kugelumlaufmuttern, machen trotz ausgefeilter Technik, immer noch erhebliche Schwierigkeiten.

Die Zeichnung zeigt mit

Figur 1 einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes (Blatt 1) Muttergehäuse für Wälzringmuttern eines WsIzringschraubentriebes,

Figur 2 einen entsprechend versetzten Schnitt des (Blatt 2) wälzringmuttergehäuses ^nacn Figur 1,

Figur 3 unterschiedliche radiale Führungen zwischen (Blatt 3) wälzringmuttergehäuse und Spindel,

Figur 4 einen Querschnitt durch das Wälzringmutterge-(Blatt 4) _nvj_use .j_{n 2wei}· verschiedenen Schnittebenen,

Figur 5 einen Querschnitt durch eine Fassung mit einem (Blatt 5) _{Einblick in die} Führungsflächen und in das für eine Gummikugel vorgesehene Loch,

Figur 6 eine ungeschnittene Außenansicht der Fassung ^{Blatt 6} nach Figur 5,

Figur 7 einen weiteren Schnitt durch die Fassung mit (Blatt 7) _{Blick auf die} Führungsbahnen für den Außenring,

Figur 8 den Eingriff zwischen Wälzring und Spindel. (Blatt 8)

Der Schnitt nach Figur 1 zeigt ein Muttergehäuse 4, (praktisch ein zylindrischer Topf) der einerseits durch seinen Boden an der anderen Stirnseite 20 und an seiner offenen Seite durch den Schraubdeckel 18 verschlossen ist. Die andere Stirnseite 20 weist eine zentrale Bohrung auf. Das Gleiche gilt für den Spanndeckel 18. In diese

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Bohrungen sind radiale Führungen für die Spindel 19 eingesetzt, in dem gezeigten Beispiel Nadellager 32. Die Spindel 3 durchsetzt das Gehäuse, und ist durch die Nagellager 32 radial in ihrer Position zu diesem Gehäuse fixiert. In die öffnung des Muttergehäuses 4 ist bei abgenommenem Schraubdeckel 18 eine der beiden Fassungen 9 gemeinsam mit der von ihr gehaltenen Wälzringnjutter 5 eingeschoben, und damit mit ihrer Mutterumlaufebene 11 dem Steigungswinkel des Spindelgewindes angepaßt. Jetz.t wird die zweite Fassung mit ihrer öffnung nach unten in das Gehäuse eingeschoben, so daß nunmehr zwei Wälzringmuttern 5 eingesetzt sind. Die Gewindespindel läßt sich durch die Nadellager 32 einschieben und ohne weiteres auch durch die Wälzringe, da diese noch radial nicht festgelegt sind.

Als Montagehilfe können elastische Zwischenlager für einen gewissen Abstand zwischen den beiden Fassungen zur Belassung eines Luftspaltes 17 verwendet werden.

Jetzt wird der Schraubdeckel 18 aufgeschraubt, und es wird durch Einsetzen von Mitteln, die die radiale Position der Wälzringmuttern 5 bestimmen, sowie Mitteln (Schrauben 34, Drehmomentenschlitze 31), die ein Verdrehen der Fassungen 9 verhindern, für einen richtigen Eingriff der Wälzringe 8 gesorgt.

Wird nun der Schraubdeckel 18 weiter gedreht, so erfolgt eine Verspannung der oberen Fassung in Richtung auf die untere Fassung 9, und die Wälzringe legen sich einmal von oben nach unten drückend und von unten nach oben drückend in das Spindelgewinde ein. Daraus ergibt sich, daß je nach Kraftrichtung, d.h. Drehrichtung der Spindel 3, immer nur eine der beiden Wälzringmuttern als Transportmutter dient, und somit die gesamten Kräfte überträgt.

Das Spiel zwischen den Außenringen 6 und der Fassung 9, sowie zwischen den Außenringen 6 und den Innenringen 7,

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ist nun nach Beseitigung des Spiels zwischen dem Wälzring 8, bzw. den Wälzringen 8 und der Spindel 3 ebenfalls beseitigt. Der Wälzringschraubentrieb ist somit ein sehr steifer Trieb geworden, ohne daß ungewöhnlich hohe Präzision an die Fertigung gestellt wird. Die bei den bekannten Kugelumlaufmuttern erforderliche Verspannung zweier Mutterteile gegeneinander ist wesentlich schwieriger.

Die Figur 2 zeigt nun praktisch die gleiche Ausführungsform der Erfindung, wie Figur 1. Es ist lediglich ein Schnitt in einer anderen Ebene dargestellt, so daß der Eingriff des Wälzringes 8 in die Spindelgewindenut 26 sichtbar ist. Die Darstellung ergänzt daher die Beschreibung zu Figur 1, die radiale Festlegung der Position der Wälzringmuttern 5 durch Gummikugeln 28 und den Luftspalt zwischen den beiden Fassungen 9.

Die Figur 3 ist bis auf die radialen Führungen für die Spindel 19 anstelle eines Nagellagers 32, (wie in Figuren 1 und 2) durch eine Mutter 21 oder durch eine Axialführungs-Wälzringmutter 29 unverändert. Die Mutter 21 kann aus einem besonderen gleitreibungsarmen Kunststoff, der sich PTFE nennt, und der DIN-Norm unterliegt, so reibungsarm gestaltet werden, daß auf die weniger günstigen Nadellager 32 und die aufwendigere Axialführungs-Wälzringmutter 29 verzichtet werden kann. Hierbei ist zu beachten, daß diese Axialfübrungs-Wälzringmutter 29 ebenfalls in einer Fassung 9 eingesteckt sein kann. Sowohl bei der Lösung mit Mutter 2I₉ als auch bei der Lösung mit Axialführungs-Wälzringmutter 29, ist es von ausschlaggebender Bedeutung, daß diese Radialführungen freies Bewegungsspiel in axialer Richtung haben. Es treten sonst Überbestimmungen ein, die uich in Reibungs-Verlusten und Hemmungen auswirken.

Die Darstellung zeigt durch den Querschnitt der Wälzringmuttern 5, daß Innenring 7 'jnd Außenring 6 einem normalen

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Kugellager entsprechen, und der Wälzring 8 als getrennt hergestellter Einsatzring 33 ausgebildet ist. Es ist aber durchaus auch möglich, bei ausreichenden Stückzahlen den Innenring eines Kugellagers entsprechend auszubilden.

Der Gedanke, die Außenringe der Wälzringmutter 5 wegzulassen, und die Wälzkörper 15 unmittelbar in FUhrungsbahnen (14, nicht dargestellt) laufen zu lassen, in die vertikalen Wandflächen (Nut 13) eingearbeitet sind, macht auch in dieser Darstellung deutlich, daß dann der Durchmesser des Muttergehäuses 4 erheblich kleiner dimensioniert sein kann.

Im Querschnitt nach Figur 4 kann die Beschreibung zu den Figuren 1, 2 und 3 durch die dargestellten beiden Schnitte deutlich gemacht werden, soweit dies nicht schon aus den vorbeschriebenen Darstellungen eindeutig hervorgeht. Besondere Beachtung muß dem Umstand geschenkt werden, daß die Festlegung der Fassungen 9 in Umfangsrichtung durch die Schrauben 34 erfolgt, die gleichzeitig die radiale Bewegungsmöglichkeit bzw. das elastische Spiel der Wälzringmuttern 5 in den Fassungen 9 festlegen. Für die Herstellung des Andruckes und der Elastizität, sind Gummikugeln 28 vorgesehen. Das verbliebene Spiel soll so gering bemessen sein, daß es ausreicht, die zu erwartenen radialen Toleranzen aufzufangen.

Der Wälzringeingriffsbereich 12 ist in seiner Sichelform deutlich zu sehen. Auch geht aus dieser Darstellung eindeutig die erforderliche Versetzung der Wälzringmutter-Umlaufachse 2 zur Spindelachse 1 hervor, wobei sich diese Achsen zwar theoretisch unter Umständen gelegentlich schneiden können, aber nicht unbedingt schneiden sollen. Die Anordnung der Umlaufebene ist tunlichst so gelegt, daß dies nicht geschieht.

Die Darstellung nach Figur 5 ist ein Querschnitt durch die Fassung 9, und gestattet einen Blick auf die in schräger Ebene, und zwar im .Steigungswinkel der Spindel verlaufende Flihrungsflache 10 mit den vertikal darauf stehenden Fiihrungsflachen 10 der Nut 13, das Loch für die Gummikugel 30 und ein Spindeldurchtrittsloch 35.

Die Figur 6 zeigt nun eine Fassung 9 als Seitenansicht ungeschnitten mit dem Loch 30 und dem Drehmomentenschlitz 31, in den die Schrauben 34 eingreifen können. Die Fassung

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nach Figur 7, ist die in den Figuren 1 bis 3 oben dargestellte Fassung 9, und so geschnitten, daß man die Führungsflächen (Führungsbahnen 14, nicht dargestellt) in der Nut 13 mit 90° ihrer Länge noch sieht. Die Darstellung nach Figur 8 soll die besonders vorteilhafte Ausbildung des Wälzringquerschnittes 27 des Wälzringes 8 bei Verwendung einer kreisrunden Spindelgewindenut 26 zeigen.

Sind zwei Wälzrirtge gegeneinander verspannt, so wird im Wechsel, je nach Wechsel der Kraftrichtung, der Wälzring 8 immer an der gleichen Seite belastet, so daß eigentlich nur eine der beiden Krümmungen des Wälzringquerschnittes 27 tragt. Trotzdem ist es zweckmäßig, den Querschnitt 27 des Wälzringes 8 mit zwei Krümmungen zu versehen, deren Mittelpunkte zueinander und zum Mittelpunkt der Spindelgewindenutkrümmung im Abstand angeordnet sind. Dabei soll die Dimensionierung gerade so erfolgen, daß die axiale Schmiegung 24 in einem Winkel, Pos. etwa bei 45° liegt. Es ergibt sich dann die günstigste Tragfläche.

Wählt man den Radius für die Krümmungen des Wälzringquerschnittes 27 nach den Angaben der Erfindung, so kann die Flächenpressung durch die bei eintretender elastischer Verformung sich bildende größere Fläche, erheblich reduziert werden. Dabei wirkt sich der große Vorteil des Wälzringtriebes .aus, daß der bei Kugelumlaufmuttern auftretende sogenannte Trampeleffekt, der durch die ständige Folge durchlaufender Kugeln mit sich wiederholenden elastischen Verformungen entsteht, vermieden wird. Die Fachwelt glaubt zwar noch immer, daß die Zahl der Kugeln die Zahl der Tragpunkte bestimmt, doch setzt sich langsam die Erkenntnis durch, daß diese Theorie nicht stimmt. Bei einer Kugelumlaufmutter kann es durchaus vorkommen, daß gelegentlich nur eine Kugel trägt, und dann ist die elastische Verformung und Beanspruchung der Oberfläche ungewöhnlich groß, i

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Bei der Erfindung wird von vornherein darauf verzichtet_s mehrere Tragbereiche gleichzeitig im Eingriff zu halten, so daß niemals ein Gegeneinanderwirken mehrerer Tragbereiche auftreten kann.

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08.04.1983

Bezugszeichenliste

1 Spindelachse

2 Wälzringmutter-Umlaufachse

3 Spindel

4 Muttergehäuse

5 Wälzringmutter

6 Außenring

7 Innenring 3 Wälzring

9 Fassungen

10 Führungsflächen

11 Mutterumlaufebene

12 Wälzringeingriffsbereich

13 Mut (in Fassung)

14 Führungsbahn

15 Wälzkörper

16 Spannglied

17 Luftspalt

18 Schraubdeckel

19 radiale Führungen für Spindel

20 andere Stirnseite

21 Mutter

22 Spindelgewinde

23 Muttergewinde

24 axiale Schmiegung

25 Winkel

26 Spindelgewindenut

27 Wälzringquerschnitt

28 Gummikugel

29 Axialführungs-Wälzringmutter

30 Loch für Gummikugel

31 Drehmomentenschlitz

32 Nadellager

33 Einsatzring

34 Schrauben

35 Spindeldurchtrittsloch

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   anspräche

   1. Wälzringschraubentrieb mit zur Spindelachse (1) schräggestellten Wälzringmutter-Umlaufachsen (2), (wobei sich die Achsen nicht schneiden) und die Spindel (3) zum Muttergehäuse (4) radial geführt ist, und die Wälzringmuttern (5) einen in einem Außenring (6) frei drehbar gelagerten Innenring (7) aufweisen, der einen oder mehrere radial nach innen ragende Wälzringe (8) trägt, dadurch gekennzeichnet, daß die Wälzringmuttern (5) in Fassungen (9) gehaltert sind, die relativ gegeneinander und gegenüber den sie aufnehmenden Muttergehäuse (4) axial verschiebbar sind, und als Auflager und Führung für die Außenringe (6) in den Fassungen (9) nur über 180° reichende Führungsflächen vorgesehen sind, die die Mutterlaufebene (11) auf den Steigungswinkel der Spindel festlegen, wobei der Walzringeingriffsbereich (12) in der Mitte der nur über 180° reichenden Führungsflächen (10) liegt.

   2. Wälzringschraubentrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsflächen (10) (Nut 13) der Fassungen (9) über 180° Führungsbahnen (14) für die Wälzkörper (15) bilden, und den Außenring (6) ersetzen, wobei die Wälzkörper (15) mit Hilfe des Innenrings (7) und einem Käfig außerhalb dieser Führungsflächen (14) geführt sind.

   3. Wälzringschraubentrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet^ daß Fassungen (9) von zwei, je nur in einer Richtung tragende Wälzringmuttern (5), unter Belassung eines Luftspaltes (17) zwischen ihnen, von einem auf die Fassungen (9) wirkenden Spannglied (16) axial gegeneinander spannbar sind.

   4. Wälzringschraubentrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannglied (16) ein Schraubdeckel (18) des Muttergehäuses (4) ist und radiale Führungen (19) für die Spindel (3) trägt, die auch an der anderen Stirnseite (20) des Muttergehäuses (4) angeordnet sind.

   5. Wälzringschraubentrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden an den Stirnseiten des Muttergehäuses (4) ?orgesehenen radialen Führungen (19) axial in Grenzen frei verschieblich gehaltert sind.

   6. Wälzringschraubentrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder beide radiale Führungen (19) aus einer die Spindel (3) um 360° umschließenden Mutter (21) mit einem dem Spindelgewinde (22) angepaßten Muttergewinde (23) bestehen.

   7. Wälzringschraubentrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Muttern (21) aus Kunststoff, Vorzugsweise aus PTFE bestehen.

   8. Wälzringschraubentrieb mit Wälzringmutter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine derartige Bemessung der Krümmungsradien der Spindelgewindenut (26) und des Wälzringquerschnittes (27;, daß die axiale Schmiegung (24) etwa bei 45° (25) zur Spindeiachse(i)Üegt.

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   9i Wälzringschratlbentrieb nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Wälzring (8) beidseitig je eine etwa 1/10 - 1/4 kleinere Krümmungsradien aufweist* als der Spindelnutfadiüs.

   10. Wälzringschraubentrieb nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Wälzringmutter (5) beliebig ist.