WO2024245488A1

WO2024245488A1 - Rollengewindetrieb

Info

Publication number: WO2024245488A1
Application number: PCT/DE2024/100403
Authority: WO
Inventors: Hans-Joachim Troesch
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2023-05-30
Filing date: 2024-05-03
Publication date: 2024-12-05
Anticipated expiration: 2025-11-30
Also published as: DE102023114093A1; CN121127694A

Abstract

Ein Rollengewindetrieb (1) umfasst mehrere rollenförmige Wälzkörper (5), welche zwischen zwei Gewindetriebselementen (2, 3), nämlich einer Gewindespindel (3) und einer Mutter (2), abrollen. Jeder Wälzkörper (5) weist in seinem mittleren Abschnitt (7) ein mit dem Gewinde (4) der Gewindespindel (3) sowie mit einem Innengewinde (11) der Mutter (2) kämmendes Gewinde (6) sowie an mindestens einem seiner beiden Enden eine Verzahnung (10) auf. Diese Verzahnung (10) greift in der Art eines Stirnradgetriebes in eine Verzahnung mindestens eines der Gewindetriebselemente (2, 3) ein. Die als Element eines Stirnradgetriebes vorgesehene Verzahnung (10) ist in einem einen einheitlichen Durchmesser aufweisenden Abschnitt (8) des Gewindes (6) des Wälzkörpers (5) ausgebildet.

Description

Rollenqewindetrieb

Die Erfindung betrifft einen beispielsweise zur Verwendung in einem elektromechanischen Aktuator geeigneten Rollengewindetrieb nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 .

Ein gattungsgemäßer Rollengewindetrieb ist zum Beispiel aus der DE 92 14 062 U1 bekannt. Der bekannte, als Wälzschraubtrieb bezeichnete Rollengewindetrieb weist mehrere Gewinderollen, das heißt Wälzkörper, auf, welche zwischen einer Schraubenspindel, das heißt Gewindespindel, und einer Wälzmutter angeordnet sind. Die Wälzmutter, das heißt die mit einem Innengewinde versehene Mutter, des bekannten Rollengewindetriebs kann ein- oder mehrteilig aufgebaut sein. In jedem Fall sind in die beiden Enden der Mutter innenverzahnte Zahnkränze eingesetzt. An den Enden der Wälzkörper befinden sich vom Gewinde der Wälzkörper beabstandete Außenverzahnungen, welche in die Innenverzahnungen der Zahnkränze eingreifen.

Ein weiterer Rollengewindetrieb ist in der FR 3 095 487 B1 offenbart. Auch in diesem Fall weisen neben der Gewindespindel und der Mutter des Gewindetriebs auch mehrere rollenförmige Wälzkörper ein Gewinde auf. An den mittleren, gewindeartig strukturierten Abschnitt eines jeden Wälzkörpers schließen sich beidseitig vergleichsweise dünne Abschnitte an, die mit einer Außenverzahnung versehen sind. Zur Führung der Wälzkörper vorgesehene, ringscheibenförmige Elemente weisen C-förmige Aussparungen zur Aufnahme der außenverzahnten Enden der Wälzkörper auf.

Die US 2015/0276030 A1 hat einen Rollengewindetrieb zum Gegenstand, der ebenfalls rollenförmige Wälzkörper umfasst, welche einen Gewindeabschnitt als mittleren Abschnitt und zwei verzahnte äußere Abschnitte aufweisen. Die Verzahnungen der äußeren Abschnitte können hierbei Profile in Form von Hypocykloiden beschreiben. Zu den Stirnseiten der Wälzkörper hin schließen sich an die verzahnten Abschnitte kurze zylindrische Abschnitte an, die in Ausnehmungen von Ringen eingreifen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gegenüber dem genannten Stand der Technik weiterentwickelten, besonders kompakt und fertigungsfreundlich aufgebauten Rollengewindetrieb anzugeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Rollengewindetrieb mit den Merkmalen des Anspruchs 1 . Der Rollengewindetrieb umfasst in an sich bekannter Grundkonzeption eine Mehrzahl an rollenförmigen, zwischen zwei allgemein als Gewindetriebselemente bezeichneten Elementen, nämlich einer Gewindespindel und einer Mutter, abrollende Wälzkörper, wobei beim Betrieb des Rollengewindetriebs eines der genannten Gewindetriebselemente als Antriebselement und das andere Gewindetriebselement als Abtriebselement des Rollengewindetriebs nutzbar ist. Jeder Wälzkörper hat eine zylindrische, längliche Grundform und weist in seinem mittleren Abschnitt ein Gewinde auf, welches sowohl mit dem Gewinde der Gewindespindel als auch mit dem Innengewinde der Mutter kämmt. Die Gewinde können grundsätzlich als ein- oder mehrgängige Gewinde ausgebildet sein. An mindestens einem seiner beiden Enden weist der insgesamt rollenförmige Wälzkörper eine Verzahnung auf, die in der Art eines Stirnradgetriebes in eine Verzahnung mindestens eines der beiden genannten Gewindetriebselemente eingreift.

Gemäß Anspruch 1 ist die als Element eines Stirnradgetriebes vorgesehene Verzahnung des Wälzkörpers in einem einen einheitlichen Durchmesser aufweisenden Abschnitt des Gewindes des Wälzkörpers ausgebildet. Insbesondere ist der Wälzkörper, welcher allgemein auch als Planet bezeichnet wird, in der Art eines Gewindebolzens, optional mit stirnseitigen zapfenförmigen Fortsätzen, gestaltet. Der mindestens eine Abschnitt, in welchem die Verzahnung ausgebildet ist, hat in jedem Fall eine Doppelfunktionalität, nämlich zum einen die Funktionalität eines Gewindes und zum anderen die Funktionalität einer Stirnradverzahnung. Somit liegt eine in ein Gewinde integrierte Planetenritzelverzahnung vor, welche mit einer Verzahnung der Mutter, das heißt des Mutterrings des Rollengewindetriebs, und/oder der Gewindespindel kämmt.

Der komplett oder weitgehend einheitliche Durchmesser des Wälzkörpers stellt eine fertigungstechnische Vereinfachung gegenüber herkömmlichen, mit Durchmesserstufungen versehenen Rollen von Rollengewindetrieben dar. Dies gilt trotz der Tatsache, dass zumindest ein Abschnitt des im anmeldungsgemäßen Rollengewindetrieb zum Einsatz kommenden Wälzkörpers eine, verglichen mit üblichen Ver- zahnungs- oder Gewindegeometrien, deutlich komplexere Form hat. Es existieren keinerlei Freistellungen der Zähne der Verzahnungen der Rollen im Eingriffsbereich des Mutterrings oder der Spindel, weder im Zahnkonturbereich, noch im Außen-Durch- messer, was sowohl eine gute Raumausnutzung ermöglicht als auch eine fertigungstechnisch günstige Gestaltung bedeutet.

Insbesondere erstreckt sich das Gewinde des Wälzkörpers über dessen gesamte Länge, abgesehen von eventuellen stirnseitigen Zapfen, mit denen der Wälzkörper in Führungselementen gelagert ist. Danke der großen Länge des mit einem Gewinde versehenen Abschnitts des Wälzkörpers ist eine besonders gute Relation zwischen aufnehmbaren Kräften und Momenten einerseits und der in Axialrichtung zu messenden Länge des Rollengewindetriebs andererseits gegeben.

Eine in der beschriebenen Weise in das Gewinde des Wälzkörpers integrierte Stirnradverzahnung kann entweder an einem Ende oder an beiden Enden des Wälzkörpers ausgebildet sein. In jedem Fall ist der mittlere Abschnitt des Wälzkörpers frei von einer Strukturierung, welche eine Nutzung in einem Stirnradgetriebe zulassen würde.

Vielmehr ist der mittlere Abschnitt, welcher sich über mehr als die Hälfte, insbesondere über mehr als drei Viertel, der Länge des Wälzkörpers erstrecken kann, ausschließlich als Gewinde ausgebildet. Dieses Gewinde läuft nahtlos in den mindestens einen Abschnitt, welcher zusätzlich als Verzahnung konturiert ist, hinein. Durch die zusätzliche Verzahnungsstruktur ist die Tragfähigkeit des Gewindes in dem entsprechenden Bereich etwas herabgesetzt. Prinzipbedingt entfällt jeglicher axiale Abstand zwischen dem Gewinde des Wälzkörpers und der ebenfalls durch den Wälzkörper bereitgestellten Verzahnungsstruktur. Was die Montage des Rollengewindetriebs betrifft, stellt der Entfall von Störkanten eine Erleichterung gegenüber älteren Lösungen dar. Kinematisch besonders günstige Verhältnisse liegen in Ausgestaltungen vor, in denen der Wirkdurchmesser der mindestens einen als Element eines Stirnradgetriebes vorgesehenen Verzahnung, das heißt Ritzelverzahnung, des Wälzkörpers mit dem Wirkdurchmesser des Gewindes des Wälzkörpers übereinstimmt. Hierbei können sich Flanken der Ritzelverzahnung, welche in Form von Einkerbungen im Gewinde des Wälzkörpers, das heißt der Rolle, vorliegen, jeweils von einer ersten Flanke eines Gewindezahns des Gewindes der Rolle bis zur gegenüberliegenden Flanke desselben Gewindezahns des Gewindes der Rolle erstrecken.

Eine maßgebliche Bedeutung haben hierbei die zwangsläufig übereinstimmenden Umfangsgeschwindigkeiten im Bereich des Gewindes der Rolle und im Bereich der Verzahnung der Rolle. Verspannungen und/oder Reibungsverluste durch unterschiedliche Umfangsgeschwindigkeiten an Konturen ein und desselben Bauteils sind damit prinzipbedingt ausgeschlossen.

Die Art der Zusammenwirkung zwischen den gewindeartig ausgebildeten und zugleich verzahnten Abschnitten des Wälzkörpers und den genannten Gewindetriebselementen, das heißt dem Antriebs- und Abtriebselement des Rollengewindetriebs, unterscheidet sich praktisch nicht von der Zusammenwirkung zwischen dem mittleren, ausschließlich als Gewinde vorliegenden Abschnitt des Wälzkörpers und den beiden eingangs- beziehungsweise ausgangsseitigen Gewindetriebselementen.

Was die Verzahnungspaarungen, welche durch die Rollen des Rollengewindetriebs und dessen ein- und ausgangsseitige Gewindetriebselemente gegeben sind, betrifft, existieren verschiedene Gestaltungsmöglichkeiten.

Es sind verschiedene Bauformen realisierbar, in welchen genau eines der beiden Elemente Gewindespindel und Mutter mindestens eine Verzahnung aufweist, welche mit den Verzahnungen der Rollen in der Art eines Stirnradgetriebes kämmt. Die spindelöder mutterseitige Verzahnung kann hierbei entweder durch das entsprechende Gewindetriebselement direkt oder durch ein gesondertes, mit dem betreffenden Element fest verbundenes Teil ausgebildet sein. In allen Ausführungsformen liegt ein Vorteil der Erfindung insbesondere darin, dass durch die Verschmelzung verschiedener Konturen, nämlich einerseits einer Gewindekontur und andererseits einer Verzahnungskontur, sowohl eine montagetechnische Vereinfachung als auch eine Verbesserung des Verhältnisses zwischen Bauraum und mechanischer Belastbarkeit erzielt wird.

Der Rollengewindetrieb ist dabei Teil eines Aktors einer industriellen Anlage, beispielsweise eines Industrieroboters oder einer Werkzeugmaschine. Ebenso kommen mobile Anwendungen, beispielsweise in Stellantrieben von Kraftfahrzeugen, in Betracht.

Nachfolgend werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen, teilweise vereinfacht:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Rollengewindetriebs in einer Schnittdarstellung,

Fig. 2 eine zweites Ausführungsbeispiel eines Rollengewindetriebs in einer Darstellung analog Fig. 1 ,

Fig. 3 einen Wälzkörper für einen Rollengewindetrieb in perspektivischer Ansicht.

Die folgenden Erläuterungen beziehen sich, soweit nicht anders angegeben, auf beide Ausführungsbeispiele. Einander entsprechende oder prinzipiell gleichwirkende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.

Ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichneter Rollengewindetrieb ist zur Verwendung als Rotativ-Linear-Getriebe in einem nicht weiter dargestellten elektromechanischen Aktor vorgesehen. Hinsichtlich der grundsätzlichen Funktion des

Rollengewindetriebs 1 wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen.

Der Rollengewindetrieb 1 umfasst eine Gewindespindel 3 und eine zugehörige Mutter 2, wobei zum Beispiel die Mutter 2, welche auch als Mutterring bezeichnet wird, als Antriebselement und die Gewindespindel 3 als verdrehgesichert verschiebbares Abtriebselement des Wälzgewindetriebs 1 nutzbar ist. Umgekehrt ist es auch möglich, die Gewindespindel 3 rotativ anzutreiben und die Mutter 2 als linear verstellbares Abtriebselement des Rollengewindetriebs 1 zu nutzen. Die Gewindespindel 3 und die Mutter 2 werden zusammenfassend als Gewindetriebselemente 2, 3 bezeichnet. Die Mittelachse der beiden zueinander konzentrischen Gewindetriebselemente 2, 3, das heißt die Mittelachse des gesamten Rollengewindetriebs 1 , ist mit MG bezeichnet.

Zwischen der Gewindespindel 3 und der Mutter 2 sind Rollen 5 als Wälzkörper des Rollengewindetriebs 1 angeordnet. Das Gewinde der Gewindespindel 3 ist mit 4, das Gewinde der Mutter 2 mit 11 bezeichnet. In nicht dargestellter Weise kann die Mutter 2 mehrteilig aufgebaut sein, wobei insbesondere einzelne Mutterteile gegeneinander verspannt sein können, um den Rollengewindetrieb 1 mit Vorspannung zu betreiben. Mit den Gewinden 4, 11 der An- beziehungsweise Abtriebselemente 2, 3 wirkt ein Gewinde 6 einer jeden Rolle 5 zusammen. Die mit MP bezeichneten Mittelachsen der einzelnen Rollen 5 liegen auf der Oberfläche eines gedachten, zur Mittelachse MG des gesamten Rollengewindetriebs 1 konzentrischen Zylinders.

Jede Rolle 5 weist einen Mittelabschnitt 7 auf, an welchen sich zwei Seitenabschnitte 8 anschließen. Der Mittelabschnitt 7 bildet zusammen mit den hieran nahtlos anschließenden, denselben Durchmesser aufweisenden Seitenabschnitten 8 einen Wirkabschnitt 12 der Rolle 5, welche allgemein auch als Planet bezeichnet wird. Der Wirkabschnitt 12 erstreckt sich über den größten Teil der Länge der Rolle 5. Anders als in den Figuren 1 und 2 vereinfacht skizziert, ist die Summe der Länge beider Seitenabschnitte 8 geringer als die Länge des Mittelabschnitts 7. Die Seitenabschnitte 8 unterscheiden sich vom Mittelabschnitt 7 dadurch, dass sie zusätzlich zum Gewinde 6, welches sich über den gesamten Wirkabschnitt 12 erstreckt, eine Verzahnung 10 in Form einer Ritzelverzahnung aufweisen, die in das Gewinde 6 eingearbeitet ist, wie insbesondere aus Figur 3 hervorgeht. Der Wälzkörper 5 nach Fig. 3 ist sowohl für den Einbau in den Rollengewindetrieb 1 nach Fig. 1 als auch für den Einbau in den Rollengewindetrieb 1 nach Fig. 2 geeignet.

Wie ferner in Figur 3 ansatzweise erkennbar ist, schließt an den Seitenabschnitt 8 ein Zapfen 13 mit vergleichsweise kleinem Durchmesser an. Die Zapfen 13, welche in Figur 1 nicht dargestellt sind, sind in ebenfalls nicht dargestellten Käfigscheiben des Rollengewindetriebs 1 geführt. Anstelle von Zapfen 13 der Rollen 5 können mit gleicher Funktionalität auch Zapfen an der Käfigscheibe vorhanden sein, welche in stirnseitige Bohrungen der Rollen 5 eingreifen. In einem solchen Fall ist die Länge des Wirkabschnitts 12 mit der Länge der Rolle 5 identisch.

Die Verzahnung 10, welche in jedem Seitenabschnitt 8 der Rolle 5 ausgebildet ist, liegt in Form einzelner Einkerbungen 14 vor, die die Helixform des Gewindes 6 unterbrechen. Wie aus Figur 3 hervorgeht, nimmt die Tiefe der Einkerbungen 14 von der Stirnseite der Rolle 5 zum Mittelabschnitt 7 hin ab. Der Mittelabschnitt 7 schließlich ist frei von Einkerbungen. Mit 16 ist ein Gewindezahn des Gewindes 6 der Rolle 5 bezeichnet. Der Gewindezahn 16, welcher an definierten Stellen durch die mehr oder weniger tiefen Einkerbungen 14, welche die Ritzelverzahnung 10 bilden, unterbrochen ist, weist Flanken 17 auf. Mit 18 bezeichnete Flanken der Einkerbungen 14 erstrecken sich von einer Flanke 17 eines Gewindezahns 16 bis zur gegenüberliegenden Flanke 17 desselben Gewindezahns 16.

Die in Form der Einkerbungen 14 vorliegende Verzahnung 10 der Rolle 5 greift im Fall von Fig. 1 in eine Verzahnung 9 der Mutter 2 in der Art einer Stirnradverzahnung ein. Der Wirkdurchmesser der Verzahnung 10 der Rolle 5 stimmt mit dem Wirkdurchmes- ser des Gewindes 6 überein.

Im Unterschied zur Mutter 2 ist die Gewindespindel 3 im Fall nach Fig. 1 nicht mit einer Stirnradverzahnung versehen. Läge eine solche, in das Gewinde 4 eingearbeitete Stirnradverzahnung vor, so arbeiteten die Gewindespindel 3, die Rollen 5 und die Mutter 2, zusätzlich zu ihrer Funktionalität als Rotativ-Linear-Getriebe, in der Art eines

Planetengetriebes zusammen.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig 2 unterscheidet sich von Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 dadurch, dass statt der Mutter 2 die Gewindespindel 3 mit einer hier mit 15 bezeichneten Verzahnung versehen ist. Eine Zusammenwirkung von Getriebeelementen in der Art eines Stirnradgetriebes ist im Fall von Fig. 2 somit zwischen den jeder Rolle 5 und der Gewindespindel 3 gegeben.

Eine definierte Umsetzung einer Rotation in eine lineare Bewegung ist sowohl im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 als auch im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 gegeben. In jedem dieser Fälle ist genau eines der beiden Gewindetriebselemente 2, 3, nämlich die Mutter 2 beziehungsweise die Gewindespindel 3, mit einer Verzahnung 9, 15 versehen.

In beiden Fällen ergibt sich durch die Tatsache, dass sich das Gewinde 6 über den größten Teil oder sogar die gesamte Länge der Rollen 5 erstreckt, eine hohe Tragfähigkeit des Rollengewindetriebs 1 , verglichen mit dessen Außenabmessungen, insbesondere in axialer Richtung.

Bezuqszeichenliste

1 Rollengewindetrieb

2 Mutter

3 Gewindespindel

4 Gewinde der Gewindespindel

5 Rolle, Wälzkörper

6 Gewinde der Rolle

7 Mittelabschnitt der Rolle

8 Seitenabschnitt der Rolle

9 Verzahnung der Mutter

10 Verzahnung der Rolle, Ritzelverzahnung

11 Gewinde der Mutter

12 Wirkabschnitt

13 Zapfen

14 Einkerbung

15 Verzahnung der Gewindespindel

16 Gewindezahn des Gewindes der Rolle

17 Flanke eines Gewindezahns des Gewindes der Rolle

18 Flanke der Ritzelverzahnung

MG Mittelachse der Gewindespindel

MP Mittelachse der Rolle

Claims

Patentansprüche

1 . Rollengewindetrieb (1 ), mit einer Mehrzahl an rollenförmigen, zwischen zwei Gewindetriebselementen (2, 3), nämlich einer Gewindespindel (3) und einer Mutter (2), abrollenden Wälzkörpern (5), wobei jeder Wälzkörper (5) in seinem mittleren Abschnitt (7) ein mit dem Gewinde (4) der Gewindespindel (3) sowie mit einem Innengewinde (11 ) der Mutter (2) kämmendes Gewinde (6) sowie an mindestens einem seiner beiden Enden eine Verzahnung (10) aufweist, die in der Art eines Stirnradgetriebes in eine Verzahnung mindestens eines der Gewindetriebselemente (2, 3) eingreift, dadurch gekennzeichnet, dass die als Element eines Stirnradgetriebes vorgesehene Verzahnung (10) als Ritzelverzahnung in einem einen einheitlichen Durchmesser aufweisenden Abschnitt (8) des Gewindes (6) des Wälzkörpers (5) ausgebildet ist.

2. Rollengewindetrieb (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass sich das Gewinde (6) des Wälzkörpers (5) bis zu stirnseitigen Zapfen (13) des Wälzkörpers (5) erstreckt.

3. Rollengewindetrieb (1 ) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass an beiden Enden des mit dem Gewinde (6) versehenen Bereichs, das heißt Wirkabschnitts (12), des rollenförmigen Wälzkörpers (5) jeweils eine einem Stirnradgetriebe zuzurechnende Verzahnung (10) ausgebildet ist.

4. Rollengewindetrieb (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wirkdurchmesser der als Element eines Stirnradgetriebes vorgesehenen Verzahnung (10) des Wälzkörpers (5) mit dem Wirkdurchmesser des Gewindes (6) des Wälzkörpers (5) übereinstimmt.

5. Rollengewindetrieb (1 ) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich eine Flanke (18) der Ritzelverzahnung (10) von einer ersten Flanke (17) eines Gewindezahns (16) des Gewindes (6) der Rolle (5) bis zur gegenüberliegenden Flanke (17) desselben Gewindezahns (16) des Gewindes (6) der Rolle (5) erstreckt.

6. Rollengewindetrieb (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ausschließlich die Gewindespindel (3) eine Verzahnung (15) aufweist, welche in der Art eines Stirnradgetriebes mit der Ritzelverzahnung (10) eines jeden Wälzkörpers (5) zusammenwirkt.

7. Rollengewindetrieb (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ausschließlich die Mutter (2) eine Verzahnung (9) aufweist, welche in der Art eines Stirnradgetriebes mit der Ritzelverzahnung (10) eines jeden Wälzkörpers (5) zusammenwirkt.