WO2003076832A1 - Wälzkörpergewindetrieb - Google Patents

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WO2003076832A1
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body screw
rolled
housing
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Inventor
Manfred Kraus
Jürgen OSTERLÄNGER
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Ina-Schaeffler Kg
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    • B62LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62DMOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D5/00Power-assisted or power-driven steering
    • B62D5/04Power-assisted or power-driven steering electrical, e.g. using an electric servo-motor connected to, or forming part of, the steering gear
    • B62D5/0442Conversion of rotational into longitudinal movement
    • B62D5/0445Screw drives
    • B62D5/0448Ball nuts
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16CSHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C23/00Bearings for exclusively rotary movement adjustable for aligning or positioning
    • F16C23/06Ball or roller bearings
    • F16C23/08Ball or roller bearings self-adjusting
    • F16C23/082Ball or roller bearings self-adjusting by means of at least one substantially spherical surface
    • F16C23/084Ball or roller bearings self-adjusting by means of at least one substantially spherical surface sliding on a complementary spherical surface
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16HGEARING
    • F16H25/00Gearings comprising primarily only cams, cam-followers and screw-and-nut mechanisms
    • F16H25/18Gearings comprising primarily only cams, cam-followers and screw-and-nut mechanisms for conveying or interconverting oscillating or reciprocating motions
    • F16H25/20Screw mechanisms
    • F16H25/24Elements essential to such mechanisms, e.g. screws, nuts
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F16H25/18Gearings comprising primarily only cams, cam-followers and screw-and-nut mechanisms for conveying or interconverting oscillating or reciprocating motions
    • F16H25/20Screw mechanisms
    • F16H25/24Elements essential to such mechanisms, e.g. screws, nuts
    • F16H2025/2445Supports or other means for compensating misalignment or offset between screw and nut

Definitions

  • the present invention relates to a roller body screw drive as used, for example, in machine tools, but also in electromechanically actuated steering devices of motor vehicles. With such ball screws, a rotational movement can be converted into a linear movement.
  • a ball screw nut has become known, with a threaded spindle which is in screw engagement with balls with a spindle nut.
  • the spindle nut is over two in an X arrangement.
  • Posed angular contact ball bearings rotatably mounted on a housing, the spindle nut for rotation via a motor can be driven.
  • Rolling element screw drives are very sensitive to misalignment and / or tilting between the spindle and the spindle nut. Such misalignments increase friction within the rolling element screw drive, so that the power consumption must be increased in an undesirable manner.
  • the housing in which the spindle nut is rotatably accommodated must be perfectly aligned with the motor shaft of the motor that locks the threaded spindle. Otherwise, transverse forces and bending moments would be undesirably introduced into the spindle nut and / or the threaded spindle.
  • the object of the present invention is therefore to provide a roller body screw drive according to the features of the preamble of claim 1, in which undesired transverse forces and bending loads due to alignment missing between the spindle nut and threaded spindle are at least largely excluded.
  • this object is achieved in that an outer ring of the rolling bearing is accommodated in a spherical spherical cap of the housing in a pendulum manner.
  • the threaded spindle is deflected from its normal position, undesirable transverse forces and bending loads are prevented, because the spindle nut follows the deflection of the threaded spindle due to the oscillating suspension in the housing.
  • the spindle nut swivels in the spherical cap.
  • the rolling elements, in particular balls, which roll between the threaded spindle and the spindle nut are not additionally clamped radially.
  • the rolling element drive according to the invention is particularly suitable for use in electromechanical steering in motor vehicles.
  • the outer ring of the rolling bearing is preferably mounted with its spherical outer surface in the spherical cap.
  • the spherical lateral surface and the bearing surface of the spherical cap of the housing have a radius, the center point of which ideally falls on the axis of rotation of the threaded spindle, as a result of which the threaded spindle, together with the spindle nut, can be pivoted without problems relative to the housing.
  • the spindle nut is preferably rotatably mounted in the housing via a deep groove ball bearing, the balls rolling on a ball groove of an inner ring and on a ball groove of the outer ring. In this way it is ensured that the spindle nut is properly supported and can be driven in radial and axial directions with respect to the housing.
  • the inner ring of the deep groove ball bearing can be formed in one piece with the spindle nut.
  • the spindle nut fulfills a double function: as a gear part, the conversion of a rotary movement into a linear movement and as a roller bearing part, the roller bearing of the spindle nut in the housing.
  • a friction-reducing coating can be provided between the outer ring and the spherical cap.
  • the inner ring or the spindle nut can be designed with an axial end for connection to a drive.
  • a torsionally stiff but flexible coupling is preferably attached to this end, and a drive can be flanged to the coupling. In this way, misalignments between the drive and the spindle nut may also be permissible, since transverse forces and / or bending moments are not transmitted due to the flexible coupling.
  • the roller body screw drive according to the invention shown comprises a threaded spindle 1, which is in engagement with a spindle nut 3 via balls 2 in a known manner.
  • the spindle nut 3 is rotatably mounted on a housing 5 via a single-row deep groove ball bearing 4.
  • the deep groove ball bearing 4 comprises an outer ring 6 with an outer spherical outer surface and a ball groove 6a on the inner circumference, the outer ring 6 being accommodated in a spherical cap 8 of the housing 5 such that it can oscillate via sliding linings 7. That is, the spindle nut 3 can be pivoted out of its position.
  • the spindle nut on its outer circumference with a ball groove 9 is provided
  • the embodiment below the center line of the threaded spindle 1 shows a variant according to the invention: an inner ring 10 of the deep groove ball bearing 4 is placed on the spindle nut 3, rotatably connected to this and axially fixed to it.
  • the inner ring 10 has a ball groove 10a.
  • the balls 2 roll on the ball grooves 6a, 9, 10a.
  • the inner ring 10 or the spindle nut 3 are connected at their one axial end via a torsionally rigid but flexible coupling 11 to a drive shaft 12.
  • the clutch 11 has two annular projections 13, 14, one of which is rotatably mounted on the drive shaft 12 and the other of which is placed on the spindle nut 3 or the inner ring 10. Between these two annular lugs 13, 14 there is provided a flexible elastic bead 15, which on the one hand is made in one piece with the annular lug 13 and on the other hand is made in one piece with the annular lug 14.
  • the bead 15 is designed in such a way that it compensates for misalignment of the drive shaft 12 with respect to the spindle nut 3 without the torque transmission being disturbed.
  • the spindle nut 3 can follow this deflection without undesired transverse forces arising between the threaded spindle 1 and the spindle nut 3.
  • the deep groove ball bearing 4 pivots with respect to the housing 5, the outer ring 6 sliding along the sliding linings 7.
  • the drive shaft 12 can maintain its normal position, since the coupling 11 provided prevents transverse forces or bending moments from being transmitted from the spindle nut 3 to the drive shaft 12.

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Abstract

Ein Wälzkörpergewindetrieb umfasst eine Gewindespindel (1), die über Wälzkörper insbesondere Kugeln (2) mit einer Spindelmutter (3) in Schraubeingriff steht. Ferner ist ein Gehäuse (5) vorgesehen, an dem die Spindelmutter (3) über ein Wälzlager (4) drehbar gelagert ist. Die Spindelmutter (3) ist für Rotation antreibbar. Ein Aussenring (6) des Wälzlagers (4) ist pendelbar in einer Kugelkalotte (8) des Gehäuses (5) aufgenommen.

Description

Bezeichnung der Erfindung
Walzkorpergewindetrieb
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Walzkorpergewindetrieb, wie er beispielsweise in Werkzeugmaschinen, aber auch in elektromechanisch betätigten Lenkeinrichtungen von Kraftfahrzeugen zum Einsatz kommt. Bei derartigen Kugelgewindetrieben kann eine Rotationsbewegung in eine lineare Bewegung umgewandelt werden.
Aus DE 37 00 430 C2 beispielsweise ist eine Kugelumlaufspindel-Mutter bekannt geworden, mit einer Gewindespindel, die über Kugeln mit einer Spindelmutter in Schraubeingriff steht. Die Spindelmutter ist über zwei in X-Anordnung. gestellte Schrägkugellager an einem Gehäuse drehbar gelagert, wobei die Spindelmutter für Rotation über einen Motor antreibbar ist. Wälzkörpergewin- detriebe reagieren sehr empfindlich auf Fluchtungsfehler und/oder Verkippungen zwischen Spindel und Spindelmutter. Solche Fehlstellungen erhöhen eine Reibung innerhalb des Wälzkörpergewindetriebes, so dass die Leistungsauf- nähme in unerwünschter Weise vergrößert werden muss. Das Gehäuse, in dem die Spindelmutter drehbar aufgenommen ist, muss einwandfrei fluchtend mit der Motorwelle des Motors positioniert werden, der die Gewindespindel arretiert. Anderenfalls würden in unerwünschter Weise Querkräfte und Biegemomente in die Spindelmutter und/oder die Gewindespindel eingeleitet werden. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Walzkorpergewindetrieb nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 anzugeben, bei dem unerwünschte Querkräfte und Biegebelastungen infolge von Fluchtungs- fehlem zwischen Spindelmutter und Gewindespindel zumindest weitgehend ausgeschlossen sind.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass ein Außenring des Wälzlagers pendelbar in einer Kugelkalotte des Gehäuses aufgenommen ist. In dem Fall, dass die Gewindespindel aus ihrer Normallage ausgelenkt wird, sind unerwünschte Querkräfte und Biegebelastungen verhindert, denn die Spindelmutter folgt aufgrund der pendelnden Aufhängung im Gehäuse der Auslenkung der Gewindespindel. Das bedeutet, es findet eine Schwenkbewegung der Spindelmutter in der Kugelkalotte statt. Die zwischen der Gewindespindel und der Spindelmutter abwälzenden Wälzkörper, insbesondere Kugeln, werden nicht zusätzlich radial eingespannt. Der erfindungsgemäße Wälzkörpertrieb eignet sich in besonderer Weise für den Einsatz bei elektromechanischer Lenkung in Kraftfahrzeugen. Denn dort kann die Gewindespindel an die quer im Fahrzeug eingebaute Lenkstange angekoppelt sein, wobei Kräfte in einem Raumwinkel an die Spurstange zu den Rädern übertragen werden. Das bedeutet, dass die Lenkstange mit integrierter Gewindespindel aus ihrer Normallage herausgeschwenkt wird. Dadurch, dass die Spindelmutter in dem Gehäuse pendelnd aufgehängt ist, werden ungewünschte Querkräfte und Stützmo- mente infolge Verkippung nicht in den Walzkorpergewindetrieb übertragen.
Vorzugsweise ist der Außenring des Wälzlagers mit seiner balligen Mantelfläche in der Kugelkalotte gelagert. Die ballige Mantelfläche und die Lagerfläche der Kugelkalotte des Gehäuses haben einen Radius, dessen Mittelpunkt idea- lerweise auf die Rotationsachse der Gewindespindel fällt, wodurch ein problemloses Verschwenken der Gewindespindel gemeinsam mit der Spindelmutter gegenüber dem Gehäuse möglich ist.
Die Spindelmutter ist vorzugsweise über ein Rillenkugellager drehbar in dem Gehäuse gelagert, wobei die Kugeln an einer Kugelrille eines Innenringes und an einer Kugelrille des Außenringes abwälzen. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die Spindelmutter in radialen und axialen Richtungen gegenüber dem Gehäuse einwandfrei gelagert und antreibbar ist. Der Innenring des Rillenkugellagers kann einstückig mit der Spindelmutter ausgebildet sein. In diesem Fall erfüllt die Spindelmutter eine Doppelfunktion: Als Getriebeteil die Umwandlung einer Rotativbewegung in eine Linearbewe- gung und als Wälzlagerteil die Wälzlagerung der Spindelmutter in dem Gehäuse.
Zur Erzielung einer möglichst leichtgängigen Pendelbewegung der Spindelmutter gegenüber dem Gehäuse kann zwischen dem Außenring und der Ku- gelkalotte ein reibungsmindemder Belag vorgesehen sein.
Der Innenring oder die Spindelmutter kann mit einem axialen Ende zum An- schluss an einen Antrieb ausgebildet sein. An dieses Ende ist vorzugsweise eine torsionssteife aber biegeelastische Kupplung befestigt, wobei ein Antrieb an die Kupplung anflanschbar ist. Auf diese Weise können auch Fluchtungsfehler zwischen dem Antrieb und der Spindelmutter zulässig sein, da aufgrund der biegeelastischen Kupplung Querkräfte und/oder Biegemomente nicht übertragen werden.
Nachstehend wird die Erfindung anhand eines in einer einzigen Figur dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
Der abgebildete erfindungsgemäße Walzkorpergewindetrieb umfasst eine Gewindespindel 1 , die über Kugeln 2 mit einer Spindelmutter 3 in bekannter Wei- se in Eingriff steht. Die Spindelmutter 3 ist über ein einreihiges Rillenkugellager 4 an einem Gehäuse 5 drehbar gelagert. Das Rillenkugellager 4 umfasst einen Außenring 6 mit äußerer balliger Mantelfläche und am Innenumfang eine Kugelrille 6a, wobei der Außenring 6 über Gleitbeläge 7 in einer Kugelkalotte 8 des Gehäuses 5 pendelbar aufgenommen ist. D. h., die Spindelmutter 3 kann aus ihrer Lage heraus verschwenkt werden.
Während im abgebildeten Ausführungsbeispiel oberhalb der Mittellinie der Gewindespindel 1 die Spindelmutter an ihrem Außenumfang mit einer Kugel- rille 9 versehen ist, zeigt das Ausführungsbeispiel unterhalb der Mittellinie der Gewindespindel 1 eine erfindungsgemäße Variante: Ein Innenring 10 des Rillenkugellagers 4 ist auf die Spindelmutter 3 aufgesetzt, drehfest mit dieser verbunden und axial zu ihr fixiert. Der Innenring 10 weist eine Kugelrille 10a auf. Die Kugeln 2 wälzen an den Kugelrillen 6a, 9, 10a ab.
Der Innenring 10 oder die Spindelmutter 3 sind an ihrem einen axialen Ende über eine torsionssteife, aber biegeelastische Kupplung 11 mit einer Antriebswelle 12 antriebsmäßig verbunden. Die Kupplung 11 weist zwei ringförmige Ansätze 13, 14 auf, von denen der eine auf die Antriebswelle 12 und von denen der andere auf die Spindelmutter 3 oder den Innenring 10 drehfest aufgesetzt ist. Zwischen diesen beiden ringförmigen Ansätzen 13, 14 ist ein biegeelastischer Wulst 15 vorgesehen, der einerseits einstückig mit dem ringförmigen Ansatz 13 und der andererseits einstückig mit dem ringförmigen Ansatz 14 ausgebildet ist. Der Wulst 15 ist so beschaffen, dass er Fluchtungsfehler der Antriebswelle 12 bezogen auf die Spindelmutter 3 ausgleicht, ohne dass die Übertragung eines Drehmomentes gestört würde.
Wenn die Gewindespindel 1 aus ihrer hier abgebildeten Normallage ausge- lenkt wird, kann die Spindelmutter 3 dieser Auslenkung folgen, ohne dass unerwünschte Querkräfte zwischen der Gewindespindel 1 und der Spindelmutter 3 entstehen. Unter der Auslenkung der Spindelmutter 3 verschwenkt das Rillenkugellager 4 gegenüber dem Gehäuse 5, wobei der Außenring 6 an den Gleitbelägen 7 entlang gleitet. Die Antriebswelle 12 kann ihre Normallage bei- behalten, da die vorgesehene Kupplung 11 verhindert, dass Querkräfte oder Biegemomente von der Spindelmutter 3 auf die Antriebswelle 12 übertragen werden. Bezugszahlen
Gewindespindel
Kugeln
Spindelmutter
Rillenkugellager
Gehäuse
Außenring a Kugelrille
Gleitbelag
Kugelkalotte
Kugelrillen 0 Innenring 0a Kugelrille 1 Kupplung 2 Antriebswelle 3 ringförmiger Ansatz 4 ringförmiger Ansatz 5 Wulst

Claims

Patentansprüche
1. Walzkorpergewindetrieb, mit einer Gewindespindel (1 ), die über Wälzkör- per, insbesondere Kugeln (2), mit einer Spindelmutter (3) in Schraubeingriff steht, und mit einem Gehäuse (5), an dem die Spindelmutter (3) über ein Wälzlager (4) drehbar gelagert ist, wobei die Spindelmutter (3) für Rotation antreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Außenring (6) des Wälzlagers (4) pendelbar in einer Kugelkalotte (8) des Gehäuses (5) auf- genommen ist .
2. Walzkorpergewindetrieb nach Anspruch 1 , bei dem der Außenring (6) des Wälzlagers (4) mit seiner balligen Mantelfläche in der Kugelkalotte (8) des Gehäuses (5) pendelbar gelagert ist.
3. Walzkorpergewindetrieb nach Anspruch 1 , bei dem der Mittelpunkt des Kugelradius auf die Rotationsachse der Gewindespindel (1 ) fällt.
4. Walzkorpergewindetrieb nach Anspruch 1 , bei dem das Wälzlager (4) Ku- geln (2) umfasst, die an einer Kugelrille (10a) eines Innenringes (10) und an einer Kugelrille (6a) des Außenringes (6) abwälzen.
5. Walzkorpergewindetrieb nach Anspruch 4, bei dem der Innenring (10) einstückig mit der Spindelmutter (3) ausgebildet ist.
6. Walzkorpergewindetrieb nach Anspruch 1 , bei dem zwischen dem Außenring (6) und der Kugelkalotte (8) ein reibungsmindernder Belag (7) vorgesehen ist.
7. Walzkorpergewindetrieb nach Anspruch 1 , bei dem der Innenring (10) oder die Spindelmutter (3) an einem axialen Ende zum Anschluss an einen Antrieb ausgebildet ist. Walzkorpergewindetrieb nach Anspruch 7, bei dem eine torsionssteife aber biegeelastische Kupplung (11) an diesem Ende befestigt ist, wobei ein Antrieb an die Kupplung (11) anflanschbar ist.
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