EP3107795A1 - Kugelumlaufmutter, baugruppe für einen kugelgewindeantrieb und verfahren zur herstellung einer kugelumlaufmutter - Google Patents

Kugelumlaufmutter, baugruppe für einen kugelgewindeantrieb und verfahren zur herstellung einer kugelumlaufmutter

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EP3107795A1
EP3107795A1 EP15702429.0A EP15702429A EP3107795A1 EP 3107795 A1 EP3107795 A1 EP 3107795A1 EP 15702429 A EP15702429 A EP 15702429A EP 3107795 A1 EP3107795 A1 EP 3107795A1
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EP
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ball nut
ball
recirculating ball
recirculating
assembly
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Withdrawn
Application number
EP15702429.0A
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Inventor
Peter Urban
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ZF Automotive Germany GmbH
Original Assignee
TRW Automotive GmbH
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Filing date
Publication date
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    • F16H2025/2481—Special features for facilitating the manufacturing of spindles, nuts, or sleeves of screw devices

Definitions

  • the invention relates to a recirculating ball nut and an assembly for a ball screw drive. Furthermore, the invention relates to a method for producing a recirculating ball nut.
  • Ball screw drives are used for example in power steering systems in vehicles.
  • the ball nut is mounted on the steering linkage of the vehicle, wherein the ball nut is held stationary in the longitudinal direction of the steering linkage and rotatably supported relative to the steering linkage.
  • co-rotating threads are provided in the ball nut and the steering linkage.
  • transmission means such as balls, are provided which engage in both threads and thus couple the ball nut and the steering linkage together. If the recirculating ball nut is rotated relative to the steering linkage, for example by a belt drive acting on the outer circumference of the recirculating ball nut, the steering linkage is displaced over the balls in the longitudinal direction relative to the recirculating ball nut.
  • the ball screw drive for example, an additional steering force can be applied to the steering linkage.
  • the ball orbits are manufactured with a very low manufacturing tolerance, so that the balls have a very low clearance in the ball orbits, but still low friction can roll in the ball tracks.
  • forging processes have been used, whereby the known forging processes do not ensure sufficient accuracy for the production of the ball tracks or the production outlay for the desired accuracy is very high.
  • the inner ball orbits difficult to reach, whereby the manufacturing cost is increased.
  • Alternative manufacturing methods such as milling have the disadvantage that a very high material usage is required.
  • the object of the invention is to provide a recirculating ball nut and an assembly for a ball screw drive, which are easier and faster to manufacture and have a lower manufacturing tolerance.
  • the object of the invention is furthermore to provide a material-saving method for producing such a recirculating ball nut.
  • a ball nut for a ball screw drive with a base body having at least one ball orbit, wherein the base body is a forging component and the ball orbit is made by a machining production process.
  • the basic body is produced by forging, which makes a material-saving production possible.
  • the ball orbits can already be roughly introduced into the base body in the forging process. Subsequently, the production or the post-processing of the ball orbits with a machining process, by which the ball orbits can be made with a very high accuracy.
  • the production of the ball orbit with a machining production method also has the advantage that this is easier to implement in a one-piece ball nut.
  • a forging process it is difficult to machine the internal recirculating ball tracks, so that the recirculating ball nut is often divided circumferentially into several segments, which are manufactured separately and then joined together.
  • the inner surface of the base body is first smooth in the forging process, whereby the recirculating ball nut can also be made in one piece, as no undercuts on the inner surface of the body are required. Subsequently, the ball orbits can be introduced with a very high precision machining process.
  • the base body can be produced by a precision forging method, so that it already has very low manufacturing tolerances.
  • the amount of material that is subsequently removed by the machining process can be kept very low.
  • the ball orbit can be made for example by milling, so that a very high accuracy of the ball orbit is possible.
  • a module for a ball screw drive a power steering is further provided with a pulley and a ball nut according to the invention, wherein the pulley is rotatably connected to the ball nut.
  • This two-part construction allows for easy manufacture of the assembly, since both the pulley and the recirculating ball nut can be made separately. Only after the components are made with the desired accuracy, they are joined together. For both components, a separate manufacturing process can be used.
  • flanges can be provided for connecting the two components, which are rotatably connected with fastening means, in particular rivets or screws.
  • fastening means in particular rivets or screws.
  • the pulley and the ball nut are preferably abutted against each other with these flanges, so that mutual displacement in the longitudinal direction by the flanges and the fastening means is prevented.
  • a method for producing a recirculating ball nut for a ball screw drive having a base body having at least one ball orbit having the following manufacturing steps: -
  • the base body is produced by a forging method, and the ball orbit is reworked after the preparation of the body with a machining process.
  • the ball orbit is milled after the production of the body.
  • FIG. 1 is a partially cut and perspective view of an assembly according to the invention for a ball screw drive with a ball screw according to the invention
  • FIG. 2 is a schematic representation of a power steering with an assembly according to the invention
  • FIGS. 3a and 3b show a schematic representation of various method steps of a method according to the invention for producing a recirculating ball nut according to the invention.
  • Figure 2 shown in partial detail power steering 14 shown.
  • the assembly 10 has in addition to the ball nut 12 a pulley 16 which is rotatably connected to the ball nut 12.
  • the ball nut 12 has a substantially cylindrical body 13. On the main body 13 of the ball nut 12 and on the pulley 16 flanges 18, 20 are provided which abut one another in a longitudinal direction L and are fixedly connected to one another with a plurality of fastening means 22, in the embodiment shown here rivets, in the longitudinal direction L and also in the circumferential direction. On the inner surface 24 of the ball nut 12 a plurality of thread-like recirculating ball tracks 26 are provided. On the outside of the pulley tooth profile 27 is provided.
  • the power steering system 14 shown in FIG. 2 has a steering linkage 28 with a thread 30 whose orientation and pitch coincide with the recirculating ball tracks 26 of the recirculating ball nut 12.
  • the assembly 10 is rotatably mounted relative to the steering linkage 28 and shear-resistant in the longitudinal direction L. held. Between the ball nut 12 and the steering linkage 28 a plurality of transmission means, in particular balls, are provided, which engage both in the ball tracks 26 as well as in the thread 30 of the steering linkage 28, whereby the ball nut 12 is coupled to the steering linkage 28.
  • the pulley 16 of the assembly 10 is coupled via a belt 32 to a drive 34 of the power steering 14. If the assembly 10 is rotated by the drive 34, the steering linkage 28 is displaced by the coupling over the balls in the longitudinal direction L, whereby a steering assist force acts on the steering linkage 28.
  • the recirculating ball nut 12 or the base body 13 of the recirculating ball nut 12 is produced in a forging method, in particular a precision forging method (FIG. 3 a). Subsequently, the ball tracks 26 are produced or reworked by a machining production method, for example by milling (FIG. 3b).
  • the forging method allows a material-saving production of the base body 13, so that very little material waste arises.
  • producing the entire main body 13 or the recirculating ball nut 12 using a metal-cutting manufacturing process would result in a very high material consumption.
  • this method by which very small manufacturing tolerances are possible to use exclusively for the production and / or post-processing of areas of the ball nut 12, in which this accuracy is required, so the ball orbits 26.
  • By reducing the machining process exclusively on the ball orbits is a material-saving production of the ball nut 12 possible.
  • any other suitable machining process for producing the ball orbits 26 may be used.
  • the assembly 10 is formed in two parts, with a pulley 16 and a ball nut 12. Depending on the structure of the assembly 10 but these components can also be integrally formed with each other.
  • the pulley 16 may be part of the main body 13 of the ball nut 12.
  • the rotationally fixed connection between the pulley 16 and the ball nut 12 can also be produced in other ways, for example by a suitable torque transmission profile.
  • screws or other suitable fastening means 22 may be used instead of the rivets.

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Abstract

Bei einer Kugelumlaufmutter (12) für einen Kugelgewindeantrieb, mit einem Grundkörper (13), der zumindest eine Kugelumlaufbahn (26) aufweist, ist der Grundkörper (13) ein Schmiedebauteil und die Kugelumlaufbahn (26) ist durch ein spanabhebendes Herstellungsverfahren hergestellt. Gegenstand der Erfindung ist des Weiteren eine Baugruppe (10) für einen Kugelgewindeantrieb einer Servolenkung (14) mit einer Riemenscheibe (16) und einer erfindungsgemäßen Kugelumlaufmutter (12), wobei die Riemenscheibe (16) drehfest mit der Kugelumlaufmutter (12) verbunden ist. Gegenstand der Erfindung ist des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung einer Kugelumlaufmutter (12).

Description

Kugelumlaufmutter, Baugruppe für einen Kugelgewindeantrieb und Verfahren zur Herstellung einer Kugelumlaufmutter
Die Erfindung betrifft eine Kugelumlaufmutter und eine Baugruppe für einen Kugelgewindeantrieb. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Kugelumlaufmutter.
Kugelgewindeantriebe werden beispielsweise bei Servolenkungen in Fahrzeugen eingesetzt. Die Kugelumlaufmutter ist auf dem Lenkgestänge des Fahrzeugs gelagert, wobei die Kugelumlaufmutter in Längsrichtung des Lenkgestänges stationär gehalten und relativ zum Lenkgestänge drehbar gelagert ist. In der Kugelumlaufmutter und am Lenkgestänge sind gleichlaufende Gewinde vorgesehen. Zwischen der Kugelumlaufmutter und dem Lenkgestänge sind Übertragungsmittel, beispielsweise Kugeln, vorgesehen, die in beide Gewinde eingreifen und so die Kugelumlaufmutter und das Lenkgestänge miteinander koppeln. Wird die Kugelumlaufmutter relativ zum Lenkgestänge verdreht, beispielsweise durch einen am Außenumfang der Kugelumlaufmuttter angreifenden Riemenantrieb, wird das Lenkgestänge über die Kugeln in Längsrichtung relativ zur Kugelumlaufmutter verschoben. Somit kann durch den Kugelgewindeantrieb beispielsweise eine zusätzliche Lenkkraft auf das Lenkgestänge aufgebracht werden. Um sowohl eine möglichst effektive Lenkkraftunterstützung als auch eine zuverlässige Kraftübertragung vom Antrieb auf das Lenkgestänge zu gewährleisten, ist es erforderlich, dass die Kugelumlaufbahnen mit einer sehr geringen Herstellungstoleranz hergestellt werden, so dass die Kugeln ein sehr geringes Spiel in den Kugelumlaufbahnen haben, aber dennoch reibungsarm in den Kugelumlaufbahnen abrollen können. Bisher werden zur Herstellung der Kugelumlaufmuttern Schmiedeverfahren verwendet, wobei die bekannten Schmiedeverfahren keine ausreichende Genauigkeit für die Herstellung der Kugelbahnen gewährleisten oder der Herstellungsaufwand für die gewünschte Genauigkeit sehr hoch ist. Zudem sind die innenliegenden Kugelumlaufbahnen schwer erreichbar, wodurch der Herstellungsaufwand erhöht wird. Alternative Herstellungsverfahren wie Fräsen haben den Nachteil, dass ein sehr hoher Materialeinsatz erforderlich ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kugelumlaufmutter sowie eine Baugruppe für einen Kugelgewindeantrieb bereitzustellen, die einfacher und schneller herzustellen sind und eine geringere Herstellungstoleranz aufweisen. Aufgabe der Erfindung ist es des Weiteren, ein materialsparendes Verfahren zur Herstellung einer solchen Kugelumlaufmutter bereitzustellen.
Zur Lösung der Aufgabe ist eine Kugelumlaufmutter für einen Kugelgewinde- antrieb vorgesehen, mit einem Grundkörper, der zumindest eine Kugelumlaufbahn aufweist, wobei der Grundkörper ein Schmiedebauteil ist und die Kugelumlaufbahn durch ein spanabhebendes Herstellungsverfahren hergestellt ist.
Erfindungsgemäß werden die Vorteile verschiedener Verfahren, des Schmiedeverfahrens einerseits und des spanabhebenden Verfahrens andererseits, kombiniert. Der Grundkörper wird im Schmiedeverfahren hergestellt, wodurch eine materialsparende Herstellung möglich ist. Die Kugelumlaufbahnen können im Schmiedeverfahren bereits grob in den Grundkörper eingebracht werden. Anschließend erfolgt die Herstellung bzw. die Nachbearbeitung der Kugelumlaufbahnen mit einem spanabhebenden Verfahren, durch das die Kugelumlaufbahnen mit einer sehr hohen Genauigkeit hergestellt werden können.
Die Herstellung der Kugelumlaufbahn mit einem spanabhebenden Herstellungsverfahren hat zudem den Vorteil, dass dieses bei einer einstückigen Kugelumlaufmutter einfacher zu realisieren ist. Bei einem Schmiedeverfahren ist es schwierig, die innen liegenden Kugelumlaufbahnen zu bearbeiten, so dass die Kugelumlaufmutter häufig in Umfangsrichtung in mehrere Segmente unterteilt ist, die separat hergestellt und anschließend zusammengefügt werden. Dadurch ergeben sich aber im Bereich der Fügestellen Absätze, die einen runden Lauf der Übertragungsmittel in der Kugelumlaufmutter behindern. Bei einer erfindungsgemäßen Kugelumlaufmutter ist es möglich, dass die innen liegende Fläche des Grundkörpers zunächst im Schmiedeverfahren glatt ausgebildet ist, wodurch die Kugelumlaufmutter auch in einem Stück hergestellt werden kann, da keine Hinterschnitte auf der Innenfläche des Grundkörpers erforderlich sind. Anschließend können die Kugelumlaufbahnen mit einem spanabhebenden Verfahren mit einer sehr hohen Genauigkeit eingebracht werden.
Vorzugsweise kann der Grundkörper durch ein Präzisionsschmiedeverfahren hergestellt werden, sodass dieser bereits sehr geringe Herstellungstoleranzen aufweist. Die Materialmenge, die anschließend durch das spanabhebende Verfahren entfernt wird, kann so sehr gering gehalten werden.
Die Kugelumlaufbahn kann beispielsweise durch Fräsen hergestellt werden, sodass eine sehr hohe Genauigkeit der Kugelumlaufbahn möglich ist. Zur Lösung der Aufgabe ist des Weiteren eine Baugruppe für einen Kugelgewindeantrieb einer Servolenkung vorgesehen, mit einer Riemenscheibe und einer erfindungsgemäßen Kugelumlaufmutter, wobei die Riemenscheibe drehfest mit der Kugelumlaufmutter verbunden ist. Dieser zweiteilige Aufbau ermöglicht eine einfache Herstellung der Baugruppe, da sowohl die Riemenscheibe wie auch die Kugelumlaufmutter separat hergestellt werden können. Erst nachdem die Bauteile mit der gewünschten Genauigkeit hergestellt sind, werden diese zusammengefügt. Für beide Bauteile kann auch ein separates Herstellungsverfahren verwendet werden.
An der Riemenscheibe und an der Kugelumlaufmutter können zum Verbinden beider Bauteile korrespondierende Flansche vorgesehen sein, die mit Befestigungsmitteln, insbesondere Niete oder Schrauben, drehfest verbunden sind. In Längsrichtung des Lenkgestänges liegen die Riemenscheibe und die Kugelumlaufmutter vorzugsweise mit diesen Flanschen aneinander an, sodass eine gegenseitige Verschiebung in Längsrichtung durch die Flansche und die Befestigungsmittel verhindert ist.
Zur Lösung der Aufgabe ist des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung einer Kugelumlaufmutter für einen Kugelgewindeantrieb vorgesehen, mit einem Grundkörper, der zumindest eine Kugelumlaufbahn aufweist, das die folgenden Herstellungsschritte aufweist: - der Grundkörper wird mit einem Schmiedeverfahren hergestellt, und die Kugelumlaufbahn wird nach der Herstellung des Grundkörpers mit einem spanabhebenden Verfahren nachbearbeitet.
Vorzugsweise wird die Kugelumlaufbahn nach der Herstellung des Grundkörpers gefräst. Weitere Vorteile und Merkmale finden sich in der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen. In diesen zeigen:
- Figur 1 eine teilgeschnittene und perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Baugruppe für einen Kugelgewindeantrieb mit einer erfindungsgemäßen Kugelumlaufmutter, - Figur 2 eine schematische Darstellung einer Servolenkung mit einer erfindungsgemäßen Baugruppe
- die Figuren 3a und 3b eine schematische Darstellung verschiedener Verfahrensschritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Kugelumlaufmutter. In Figur 1 ist eine Baugruppe 10 mit einer Kugelumlaufmutter 12 für eine in
Figur 2 ausschnittsweise gezeigte Servolenkung 14 gezeigt. Die Baugruppe 10 weist neben der Kugelumlaufmutter 12 eine Riemenscheibe 16 auf, die drehfest mit der Kugelumlaufmutter 12 verbunden ist.
Wie in Figur 1 zu sehen ist, weist die Kugelumlaufmutter 12 einen im Wesentlichen zylindrischen Grundkörper 13 auf. Am Grundkörper 13 der Kugelumlaufmutter 12 sowie an der Riemenscheibe 16 sind Flansche 18, 20 vorgesehen, die in einer Längsrichtung L aneinander anliegen und mit mehreren Befestigungsmitteln 22, in der hier gezeigten Ausführungsform Niete, in Längsrichtung L und auch in Umfangsrichtung fest miteinander verbunden sind. Auf der Innenfläche 24 der Kugelumlaufmutter 12 sind mehrere gewindeartig ausgebildete Kugelumlaufbahnen 26 vorgesehen. Auf der Außenseite der Riemenscheibe ist ein Zahnprofil 27 vorgesehen.
Die in Figur 2 gezeigte Servolenkung 14 weist ein Lenkgestänge 28 auf, mit einem Gewinde 30, dessen Ausrichtung und Steigung mit den Kugelumlauf- bahnen 26 der Kugelumlaufmutter 12 übereinstimmt. Die Baugruppe 10 ist relativ zum Lenkgestänge 28 drehbar gelagert und in Längsrichtung L schubfest gehalten. Zwischen der Kugelumlaufmutter 12 und dem Lenkgestänge 28 sind mehrere Übertragungsmittel, insbesondere Kugeln, vorgesehen, die sowohl in die Kugelumlaufbahnen 26 wie auch in das Gewinde 30 des Lenkgestänges 28 eingreifen, wodurch die Kugelumlaufmutter 12 mit dem Lenkgestänge 28 gekoppelt ist.
Die Riemenscheibe 16 der Baugruppe 10 ist über einen Riemen 32 mit einem Antrieb 34 der Servolenkung 14 gekoppelt. Wird die Baugruppe 10 durch den Antrieb 34 gedreht, wird das Lenkgestänge 28 durch die Koppelung über die Kugeln in Längsrichtung L verschoben, wodurch eine Lenkunterstützungskraft auf das Lenkgestänge 28 wirkt.
Um eine zuverlässige Funktion der Baugruppe 10 und somit der Servolenkung 14 zu gewährleisten, ist es erforderlich, dass die Kugelumlaufbahnen 26 mit einer sehr hohen Genauigkeit hergestellt werden, sodass die Übertragungsmittel mit einem sehr geringen Widerstand in diesen abrollen können und dennoch ein möglichst geringes Spiel aufweisen.
Erfindungsgemäß wird die Kugelumlaufmutter 12 bzw. der Grundkörper 13 der Kugelumlaufmutter 12 in einem Schmiedeverfahren, insbesondere einem Präzisionsschmiedeverfahren, hergestellt (Figur 3a). Anschließend werden die Kugelumlaufbahnen 26 durch ein spanabhebendes Herstellungsverfahren, beispielsweise durch Fräsen, hergestellt oder nachbearbeitet (Figur 3b).
Durch dieses Herstellungsverfahren ist ein schnelles und einfaches Herstellen der Kugelumlaufmutter 12 möglich. Das Schmiedeverfahren ermöglicht eine materialsparende Herstellung des Grundkörpers 13, so dass sehr wenig Materialabfall entsteht. Eine Herstellung des gesamten Grundkörpers 13 bzw. der Kugelumlaufmutter 12 mit einem spanabhebenden Herstellungsverfahren hätte dagegen einen sehr hohen Materialverbrauch zur Folge. Aus diesem Grund wird dieses Verfahren, durch das sehr geringe Herstellungstoleranzen möglich sind, ausschließlich zur Herstellung und/oder zur Nachbearbeitung von Bereichen der Kugelumlaufmutter 12 verwenden, bei welchen diese Genauigkeit erforderlich ist, also den Kugelumlaufbahnen 26. Durch die Reduzierung der spanabhebenden Herstellungsverfahren ausschließlich auf die Kugelumlaufbahnen ist eine materialsparende Herstellung der Kugelumlaufmutter 12 möglich. Statt einem Fräsverfahren kann auch jedes andere geeignete spanabhebende Herstellungsverfahren zur Herstellung der Kugelumlaufbahnen 26 verwendet werden.
In der hier gezeigten Ausführungsform ist die Baugruppe 10 zweiteilig ausgebildet, mit einer Riemenscheibe 16 und einer Kugelumlaufmutter 12. Abhängig vom Aufbau der Baugruppe 10 können diese Bauteile aber auch einstückig miteinander ausgebildet sein. Insbesondere kann die Riemenscheibe 16 Teil des Grundkörpers 13 der Kugelumlaufmutter 12 sein.
Die drehfeste Verbindung zwischen der Riemenscheibe 16 und der Kugel- umlaufmutter 12 kann auch auf andere Weise, beispielsweise durch ein geeignetes Drehmomentübertragungsprofil, hergestellt werden. Insbesondere können statt der Niete auch Schrauben oder andere geeignete Befestigungsmittel 22 verwendet werden.

Claims

Patentansprüche
1 . Kugelumlaufmutter (12) für einen Kugelgewindeantrieb, mit einem Grundkörper (13), der zumindest eine Kugelumlaufbahn (26) aufweist, wobei der Grundkörper (13) ein Schmiedebauteil ist und die Kugelumlaufbahn (26) durch ein spanabhebendes Herstellungsverfahren hergestellt ist.
2. Kugelumlaufmutter nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (13) durch ein Präzisionsschmiedeverfahren hergestellt ist.
3. Kugelumlaufmutter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugelumlaufbahn (26) durch Fräsen hergestellt ist.
4. Baugruppe (10) für einen Kugelgewindeantrieb einer Servolenkung (14), mit einer Riemenscheibe (16) und einer Kugelumlaufmutter (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Riemenscheibe (16) drehfest mit der Kugelumlaufmutter (12) verbunden ist.
5. Baugruppe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass an der Riemenscheibe (16) und an der Kugelumlaufmutter (12) korrespondierende
Flansche (18, 20) vorgesehen sind, die mit Befestigungsmitteln (22), insbesondere Niete oder Schrauben, drehfest verbunden sind.
6. Verfahren zur Herstellung einer Kugelumlaufmutter (12) für einen Kugelgewindeantrieb, mit einem Grundkörper (13), der zumindest eine Kugelumlauf- bahn (26) aufweist, mit folgenden Herstellungsschritten: der Grundkörper (13) wird mit einem Schmiedeverfahren hergestellt, und die Kugelumlaufbahn (26) wird nach Herstellung des Grundkörpers (13) mit einem spanabhebenden Verfahren nachbearbeitet.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugel- Umlaufbahn (26) gefräst wird.
EP15702429.0A 2014-02-19 2015-01-27 Kugelumlaufmutter, baugruppe für einen kugelgewindeantrieb und verfahren zur herstellung einer kugelumlaufmutter Withdrawn EP3107795A1 (de)

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