WO2019001612A1 - Spindelelement eines kugelgewindetriebs - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a spindle element of a ball screw, comprising a threaded spindle, which is connected at one axial end with a rod member, wherein the threaded spindle and the rod member are joined together by a friction welding process.
- a generic spindle system is known from DE 10 2008 014 994 A1. It is envisaged here that a threaded spindle with a helical ball groove wound around the spindle axis for the purpose of rolling balls is connected to a spindle head, wherein the spindle head is connected to the threaded spindle by means of a friction-welded connection.
- the present invention is based on the invention to improve a generic spindle element of a ball screw so that the Reibsch spathetic between threaded spindle and rod member is improved.
- the solution to this problem by the invention is characterized in that the threaded spindle has, prior to carrying out the friction welding process, an annular groove running around in the circumferential direction on its end face facing the rod element.
- the annular groove has in accordance with a preferred embodiment of the invention in radial section a V-shaped configuration, wherein the radial thickness of the annular groove increases towards the end side.
- the rod member preferably has at its end facing the threaded spindle to a diameter which is smaller than the inner diameter of the annular groove on the front side or equal to this diameter.
- the space of the annular groove before the friction welding operation is preferably at least partially filled with the material of the threaded spindle and / or with the material of the rod element after the friction welding process has been carried out.
- the rod element is preferably made of stainless steel.
- the steel of the rod element preferably has a low carbon content, preferably a carbon content of less than 1.2%.
- the threaded spindle is preferably made of case hardened steel. It is particularly preferred that the threaded spindle consists of 16MnCr5.
- the spindle element is according to a preferred embodiment of the invention part of an exhaust gas recirculation system of a motor vehicle.
- the rod element is connected to a valve of the exhaust gas recirculation system and actuates it.
- the proposed solution allows a reliable and stable connection between a threaded spindle and a rod element, wherein, as stated, the rod member made of stainless steel and the threaded spindle are preferably made of case hardened steel.
- the threaded spindle consists of a steel with a high carbon content, whereby an enrichment of the carbon content is preferably achieved during the heat treatment (case hardening), wherein the surface of the threaded spindle has a hardness which is preferably above 650 HV.
- the proposed embodiment of the threaded spindle in cooperation with the rod element has the consequence that a deep diffusion during Reibsch procedure can be achieved, so that over the surface area beyond a stable connection of the two Reibsch requirepartner can be achieved and thus a ductile connection of the materials.
- Another advantage of the proposed solution consists of a very compact construction of the spindle element, which makes it possible to keep the space of the element small.
- a further advantage is that it has been shown that a very stable mechanical connection between the two Reibsch diepartnern results, so that relatively high tensile forces can be transmitted.
- a stable and ductile connection between the two Reibsch diepartnern can be achieved, although the starting materials of the two partners are very different and are initially hardly suitable for a welded joint.
- FIG. 1 shows a side view of a spindle element, comprising a threaded spindle and a rod element, which is connected to the threaded spindle by friction welding,
- Fig. 2 is a side view of the threaded spindle, shown partially in section, and an end portion of the rod member prior to the preparation of
- Fig. 3 is a side view of the spindle member shown partially cut after the production of Reibsch spatax.
- FIG. 1 shows a spindle element 1 of a ball screw drive, which has a threaded spindle 2 which is connected to a rod element 3 by means of friction welding.
- the rod element 3 is fastened by the said friction welding process on an end face 4 of the threaded spindle 2.
- the threaded spindle 2 has on its outer circumference at least one ball groove in which in Figure 3 schematically indicated balls 7 run.
- the threaded spindle 2 has a configuration prior to the friction welding operation, as shown in FIG.
- annular groove 5 which rotates in the circumferential direction and in radial section according to a possible embodiment of the proposed solution, as seen in Figure 2, has a V-shape.
- the diameter of the rod element d corresponds essentially to the inner diameter D of the annular groove 5 on the end face 4, as can be seen from FIG.
- the annular groove 5 is preferably introduced by a turning operation in the threaded spindle 2.
- the threaded spindle 2 and the rod member 3 are pressed against each other in the axial direction, at the same time a relative rotational movement between the two components is generated.
- the friction welding process known per se leads to the connection as illustrated in FIG.
- both the threaded spindle 2 and the rod element 3 enters the originally available space of the annular groove 5 by means of the friction welding process.
- the axial end of the rod element 3 may have a slightly conical region in addition to a cylindrical portion, which is indicated in Figure 2.
- the shape of the annular groove 5 - provided in the exemplary embodiment V-shaped - can of course also have other formations that can be used advantageously.
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Spindelelement (1) eines Kugelgewindetriebs, umfassend eine Gewindespindel (2), die an einem axialen Ende mit einem Stangenelement (3) verbunden ist, wobei die Gewindespindel (2) und das Stangenelement (3) durch einen Reibschweißvorgang miteinander stoffschlüssig verbunden sind. Um die Reibschweißverbindung zwischen Gewindespindel und Stangenelement zu verbessern, sieht die Erfindung vor, dass die Gewindespindel (2) vor der Durchführung des Reibschweißvorgangs an ihrer dem Stangenelement (3) zugewandten Stirnseite (4) eine in Umfangsrichtung umlaufende Ringnut (5) aufweist.
Description
Titel
Spindelelement eines Kugelgewindetriebs
Beschreibung
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Spindelelement eines Kugelgewindetriebs, umfassend eine Gewindespindel, die an einem axialen Ende mit einem Stangenelement verbunden ist, wobei die Gewindespindel und das Stangenelement durch einen Reibschweißvorgang miteinander stoffschlüssig verbunden sind.
Hintergrund der Erfindung Ein gattungsgemäßes Spindelsystem ist aus der DE 10 2008 014 994 A1 bekannt. Vorgesehen ist hier, dass eine Gewindespindel mit einer schraubenförmig um die Spindelachse gewundene Kugelrille zum Abwälzen von Kugeln mit einem Spindelkopf verbunden wird, wobei der Spindelkopf mittels einer Reibschweißverbindung mit der Gewindespindel verbunden wird.
Eine mögliche Anwendung eines solchen gattungsgemäßen Kugelgewindetriebs ist der Einsatz in Abgasrückführungssystemen, die in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden. Bei derartigen Systemen muss ein Ventil zur Steuerung des Gasflusses betätigt werden, wozu das Spindelsystem des Kugelgewindetriebs eingesetzt wird. Dabei ist be- sagtes Spindelsystem im Kontakt mit den Abgasen, die chemisch sehr aggressiv sind und korrodierend wirken. Es wird daher angestrebt, das Stangenelement, welches den Abgasen ausgesetzt ist, aus rostfreiem Stahl zu fertigen, wozu ein niedriger Kohlenstoffanteil im Material vorgesehen wird. Indes ist es zumeist erforderlich, dass die
Gewindespindel aus Stahl mit hohem Kohlenstoffanteil besteht. Die Herstellung einer reibgeschweißten Verbindung zwischen Stangenelement und Gewindespindel ist daher nicht unproblematisch.
Aufgabe der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die A u f g a b e zugrunde, ein gattungsgemäßes Spindelelement eines Kugelgewindetriebs so zu verbessern, dass die Reibschweißverbindung zwischen Gewindespindel und Stangenelement verbessert wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Die L ö s u n g dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Gewindespindel vor der Durchführung des Reibschweißvorgangs an ihrer dem Stangenelement zugewandten Stirnseite eine in Umfangsrichtung umlaufende Ringnut aufweist.
Die Ringnut weist dabei gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung im Radialschnitt eine V-förmige Gestalt auf, wobei sich die radiale Dicke der Ringnut zur Stirnseite hin vergrößert.
Das Stangenelement weist bevorzugt an seinem der Gewindespindel zugewandten Ende einen Durchmesser auf, der kleiner ist als der innere Durchmesser der Ringnut an der Stirnseite oder gleich diesem Durchmesser ist. Der vor dem Reibschweißvorgang vorhandene Raum der Ringnut ist bevorzugt nach der Durchführung des Reibschweißvorgangs zumindest teilweise mit dem Material der Gewindespindel und/oder mit dem Material des Stangenelements gefüllt.
Das Stangenelement besteht bevorzugt aus rostfreiem Stahl. Der Stahl des Stangenelements weist dabei bevorzugt einen geringen Kohlenstoffgehalt auf, vorzugsweise einen Kohlenstoffgehalt von weniger als 1 ,2 %. Indes besteht die Gewindespindel bevorzugt aus Einsatzstahl. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Gewindespindel aus 16MnCr5 besteht.
Das Spindelelement ist gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung Bestandteil eines Abgasrückführungssystems eines Kraftfahrzeugs. Hierbei ist insbeson- dere vorgesehen, dass das Stangenelement mit einem Ventil des Abgasrückführungssystems verbunden ist und dieses betätigt.
Die vorgeschlagene Lösung erlaubt eine zuverlässige und stabile Verbindung zwischen einer Gewindespindel und einem Stangenelement, wobei, wie gesagt, das Stangenelement aus rostfreiem Stahl und die Gewindespindel bevorzugt aus einsatzgehärtetem Stahl bestehen.
Die Gewindespindel besteht aus einem Stahl mit einem hohen Kohlenstoffanteil, wobei bevorzugt während der Wärmebehandlung eine Anreicherung des Kohlenstoffan- teils erreicht wird (Einsatzhärtung), wobei die Oberfläche der Gewindespindel eine Härte aufweist, die bevorzugt über 650 HV liegt.
Die vorgeschlagene Ausgestaltung der Gewindespindel im Zusammenwirken mit dem Stangenelement hat zur Folge, dass eine tief liegende Diffusion beim Reibschweiß- Vorgang erreicht werden kann, so dass über den Oberflächenbereich hinaus eine stabile Verbindung der beiden Reibschweißpartner erreicht werden kann und somit eine duktile Verbindung der Materialien.
Ein weiterer Vorteil der vorgeschlagenen Lösung besteht aus einem sehr kompakten Aufbau des Spindelelements, was es möglich macht, den Bauraum des Elements klein zu halten.
Vorteilhaft ist weiterhin, dass sich gezeigt hat, dass eine mechanische sehr stabile Verbindung zwischen den beiden Reibschweißpartnern ergibt, so dass relativ hohe Zugkräfte übertragen werden können. Somit kann eine stabile und duktile Verbindung zwischen den beiden Reibschweißpartnern erreicht werden, wenngleich die Ausgangsmaterialien der beiden Partner sehr unterschiedlich sind und sich zunächst kaum für eine Schweißverbindung eignen.
Kurze Beschreibung der Figuren
In den Figuren ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 eine Seitenansicht eines Spindelelements, umfassend eine Gewindespindel und ein Stangenelement, welches mit der Gewindespindel per Reibschweißen verbunden ist,
Fig. 2 eine Seitenansicht der Gewindespindel, teilweise geschnitten dargestellt, und eines Endabschnitts des Stangenelements vor der Herstellung der
Reibschweißverbindung und
Fig. 3 eine Seitenansicht des teilweise geschnitten dargestellten Spindelelements nach der Herstellung der Reibschweißverbindung.
Ausführliche Beschreibung der Figuren In Figur 1 ist ein Spindelelement 1 eines Kugelgewindetriebs dargestellt, welches eine Gewindespindel 2 aufweist, die mit einem Stangenelement 3 mittels Reibschweißen verbunden ist. Das Stangenelement 3 ist dabei durch den genannten Reibschweißvorgang an einer Stirnseite 4 der Gewindespindel 2 befestigt.
Die Gewindespindel 2 weist an ihrem äußeren Umfang mindestens eine Kugelrille auf, in der in Figur 3 schematisch angedeutete Kugeln 7 laufen. Damit die Reibschweißverbindung zwischen der Gewindespindel 2 und dem Stangenelement 3 in oben erläutertem Sinne stabil ist, weist die Gewindespindel 2 vor der Durchführung des Reibschweißvorgangs eine Ausgestaltung auf, wie sie in Figur 2 dargestellt ist. Hiernach ist in die Stirnseite 4 der Gewindespindel 2 eine Ringnut 5 eingearbeitet, die in Umfangsrichtung umläuft und im Radialschnitt gemäß einer möglichen Ausgestaltung der vorgeschlagenen Lösung, wie in Figur 2 zu sehen, eine V-förmige Gestalt aufweist. Der Durchmesser des Stangenelements d entspricht dabei im wesentlichen dem inneren Durchmesser D der Ringnut 5 an der Stirnseite 4, wie es sich aus Figur 2 ergibt.
Die Ringnut 5 wird dabei bevorzugt durch einen Drehvorgang in die Gewindespindel 2 eingebracht. Bei der Durchführung des Reibschweißvorgangs werden die Gewindespindel 2 und das Stangenelement 3 in axiale Richtung gegeneinander gedrückt, wobei gleichzeitig eine relative Drehbewegung zwischen den beiden Bauteilen erzeugt wird. Der an sich bekannte Reibschweißvorgang führt zur Verbindung, wie sie in Figur 3 illustriert ist. Hiernach ist zu sehen, dass durch den Reibschweißvorgang aufgeschmolzenes Material sowohl der Gewindespindel 2 als auch des Stangenelements 3 in den ursprünglich zur Verfügung stehenden Raum der Ringnut 5 eintritt.
Für die Durchführung des Reibschweißvorgangs steht ein gewisser axialer Bereich zur Verfügung, wie er durch die Bezugsziffer 6 in Figur 3 angedeutet ist.
Das axiale Ende des Stangenelements 3 kann dabei neben einem zylindrischen Abschnitt einen leicht konischen Bereich aufweisen, was in Figur 2 angedeutet ist.
Mit der vorgeschlagenen Lösung kann eine stabile Verbindung zwischen Stangenelement 3 und Gewindespindel 2 hergestellt werden, die sich aus einer duktilen Verbindung der Materialien der beiden Bauteile ergibt. Demgemäß ist eine vorteilhaft dauer- haft stabile Verbindung zwischen den beiden Bauteilen gewährleistet.
Die Form der Ringnut 5 - im Ausführungsbeispiel V-förmig vorgesehen - kann natürlich auch andere Ausformungen aufweisen, die vorteilhaft zum Einsatz kommen können.
Hinsichtlich der Dimensionierung der Ringnut 5 sei darauf hingewiesen, dass die Größenverhältnisse in Figur 2 maßstabsgetreu dargestellt sind und hier eine vorteilhafte Ausgestaltung der Dimensionen der geometrischen Größen angegeben ist.
Bezugszeichenliste
1 Spindelelement
2 Gewindespindel
3 Stangenelement
4 Stirnseite der Gewindespindel
5 Ringnut
6 möglicher Bereich, der für
das Reibschweißen zur Verfügung steht 7 Kugel
d Durchmesser des Stangenelements D innerer Durchmesser der Ringnut
Claims
Patentansprüche
Spindelelement (1 ) eines Kugelgewindetriebs, umfassend eine Gewindespindel (2), die an einem axialen Ende mit einem Stangenelement (3) verbunden ist, wobei die Gewindespindel (2) und das Stangenelement (3) durch einen Reibschweißvorgang miteinander stoffschlüssig verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewindespindel (2) vor der Durchführung des Reibschweißvorgangs an ihrer dem Stangenelement (3) zugewandten Stirnseite (4) eine in Umfangs- richtung umlaufende Ringnut (5) aufweist.
Spindelelement nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Ringnut (5) im Radialschnitt eine V-förmige Gestalt aufweist, wobei sich die radiale Dicke der Ringnut (5) zur Stirnseite (4) hin vergrößert.
Spindelelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Stangenelement (3) an seinem der Gewindespindel (2) zugewandten Ende einen Durchmesser (d) aufweist, der kleiner oder gleich ist als der innere Durchmesser (D) der Ringnut (5) an der Stirnseite (4).
Spindelelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der vor dem Reibschweißvorgang vorhandene Raum der Ringnut (5) nach der Durchführung des Reibschweißvorgangs zumindest teilweise mit dem Material der Gewindespindel (2) und/oder mit dem Material des Stangenelements (3) gefüllt ist.
Spindelelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Stangenelement (3) aus rostfreiem Stahl besteht.
Spindelelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl des Stangenelements (3) einen geringen Kohlenstoffgehalt aufweist, vorzugsweise einen Kohlenstoffgehalt von weniger als 1 ,2 %.
Spindelelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewindespindel (2) aus Einsatzstahl besteht.
Spindelelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewindespindel (2) aus 16MnCr5 besteht.
Spindelelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es Bestandteil eines Abgasrückführungssystems eines Kraftfahrzeugs ist.
Spindelelement nach einem Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Stangenelement (3) mit einem Ventil des Abgasrückführungssystems verbunden ist und dieses betätigt.
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