DE10044447C2 - Kugelgewindetrieb - Google Patents

Abstract

Kugelgewindetrieb mit einer Kugelrollspindel und einer entlang der Kugelrollspindel verstellbaren Mutter sowie zwischen beiden sich abwälzenden Kugelkörpern, wobei die Kugelrollspindel zur axialen Verstellung der Mutter drehend antreibbar ist und die Kugelkörper auf parallel verlaufenden, in der Kugelrollspindel angeordneten Kugelrollbahnen mit endlicher Steigung abrollen und den Kugelrollbahnen in der Mutter entsprechende Profilnuten zugeordnet sind, wobei die Profilnuten in der Mutter mit Kugelrückführungen zusammenwirken, so daß sich die Kugelkörper auf geschlossenen Bahnen bewegen, wobei zur Trennung und Führung der Kugelkörper Kugelkäfige vorgesehen sind, wobei jeweils zwei Kugelkörper durch einen separaten Kugelkäfig umschlossen sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kugelgewindetrieb mit einer Kugelrollspindel und einer entlang der Kugelrollspindel verstellbaren Mutter sowie zwischen beiden sich abwälzenden Kugelkörpern wobei die Kugelrollspindel zur Axialverstellung der Mutter drehend antreibbar ist und die Kugelkörper auf parallel verlaufenden, in der Kugelrollspindel angeordneten Kugelrollbahnen mit endlicher Steigung abrollen und den Kugelrollbahnen in der Mutter entsprechende Profilnuten zugeordnet sind, wobei die Profilnuten in der Mutter mit Kugelrückführungen zusammenwirken, so daß sich die Kugelkörper auf geschlossenen Bahnen bewegen und wobei zur Trennung und Führung der Kugelkörper Kugelkäfige vorgesehen sind.

Bei jeder Form von Wälzlagern stellt sich das Problem, daß es durch Berührung der Wälzkörper untereinander zu verschiedenen negativen Effekten kommt. Zum einen wird der Abrieb der Wälzkörper durch den Kontakt Metall auf Metall deutlich erhöht, was zu einer Reduzierung der Lebensdauer des gesamten Lagers führt.

Des weiteren entsteht eine erhöhte Schmierstoffbelastung und es wird Reibungswärme erzeugt, wodurch die Lebensdauer weiter reduziert wird.

Aufgrund des Aneinanderstoßens der Kugeln entsteht beim Lauf der Kugellager ein erheblicher Geräuschpegel. Bereits seit Jahren ist es daher üblich, bei Kugellagern sogenannte "Kugelkäfige" einzusetzen, die die Kugeln in einem konstanten Abstand halten und wobei in den Käfigtaschen (teilweise) Schmiermittelkammern vorgesehen sind. Hierdurch wird u. a. ein gleichmäßigerer Lauf der Kugeln erzeugt. Die Wärmeentwicklung innerhalb des Lagers ist geringer, was neben dem geringeren Verschleiß die Lebensdauer erhöht. Bei einem derartigen Lager können daher höhere Drehzahlen verwirklicht werden, wobei gleichzeitig eine niedrigere Geräuschentwicklung zu beobachten ist.

Im Gegensatz zu normalen Kugellagern besitzen Kugelgewindetriebe den Nachteil, daß die Kugeln aufgrund der Rückführungen, die notwendig sind, um die Kugeln auf geschlossenen Bahnen auf der Spindel laufen zu lassen, relativ enge Umlenkungen bewältigen müssen. Im Gegensatz zu normalen Kugellagern, bei denen eine gleichmäßige Krümmung über den gesamten Laufweg der Kugeln vorliegt, existieren bei Kugelgewindetrieben verschieden enge Radien, die durch die Kugeln durchlaufen werden müssen. Darüber hinaus lassen sich aufgrund der erheblichen Umlenkungen nur schwierig gleichmäßige, konstante Abstände zwischen den einzelnen Kugelkörpern sicher gewährleisten.

Um jedoch auch bei Kugelgewindetrieben die Laufeigenschaften, die Laufruhe sowie die Lebensdauer zu verbessern, ist in der Vergangenheit beispielsweise vorgeschlagen worden, zur Trennung der tragenden Kugeln Trennkugeln einzusetzen. Durch die Verwendung der sogenannten "spacer balls" wird zwar die Laufruhe verbessert, da kein direkter Kugel-Kugel-Kontakt der lasttragenden Kugeln mehr vorliegt; nachteilig ist jedoch, daß hierdurch die Anzahl der tragenden Kugeln verringert werden muß, wodurch die Traglastkapazität und damit die Haltbarkeit des Kugelgewindetriebs herabgesetzt wird.

Einen weiterer Versuch zur Verbesserung der Merkmale bei Kugelgewindetrieben ohne Verringerung der Anzahl der tragenden Kugeln stellt die Vorsehung von Distanzstücken dar, die zwischen den einzelnen Kugeln angeordnet sind, jedoch nicht selber an der Drehbewegung teilnehmen. Problematisch bei der Verwendung derartiger Distanzstücke ist jedoch, daß insbesondere wenn die Relativgeschwindigkeit zweier benachbarter Kugeln nicht die gleiche ist, es zu einem Verkanten der Distanzstücke kommen kann. Dies tritt insbesondere beim Eintritt und Austritt in die Rückführungen auf. Kugelgewindetriebe mit derartigen Distanzstücken werden von der Firma NSK, Ltd. vertrieben. Diese Distanzstücke lassen sich jedoch nur mit speziellen Kugelrückführungen verwenden.

Weiter schlägt die Firma THK (US-PS 6,070,479) vor, die Kugelkörper zu Kugelketten zusammenzufassen, wobei die Wälzkörper durch Flächen des Käfigs geführt werden. Dieser Käfig besteht dabei aus einem Spezialkunststoff, wobei nur eine geringe Reibungswärme entsteht und so deutlich höhere Geschwindigkeiten und höhere Lebensdauer erzielt werden. Dabei kann Schmiermittel in den Käfigtaschen auf Vorrat gehalten werden.

Derartige Kugelketten erlauben jedoch nicht den universellen Einsatz in Kugelgewindetrieben, da die Umlenkungen in Kugelgewindetrieben sehr eng sind und derartige Kugelketten nicht die nötige Flexibilität aufweisen. Darüber hinaus ermöglichen Kugelketten nicht die Variabilität des Abstandes der einzelnen Kugeln zueinander, wodurch die Umlenkung durch die Kugelrückführungen erschwert wird. Derartige Kugelketten sind zuverlässig daher nur in Linearführungen einsetzbar.

Darüber hinaus ist die Montage bei derartigen Kugelketten wie auch bei der Verwendung von Distanzstücken aufwendig und es besteht die große Gefahr des Reißens der Kunststoffkette, insbesondere beim Durchlaufen der Rückführungen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Kugelgewindetrieb bereitzustellen, der hinsichtlich Laufeigenschaften, Laufruhe und Lebensdauer deutlich verbessert ist.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch einen Kugelgewindetrieb, bei dem zur Trennung und Führung der Kugelkörper jeweils zwei Kugelkörper durch einen separaten Kugelkäfig umschlossen sind.

Die Verwendung von einer Vielzahl von Kugelkäfigen, die jeweils zwei Kugelkörper umschließen, besitzt den Vorteil der relativen Flexibilität. Der Kugelkäfig bietet dabei folgende Vorteile: So werden die einzelnen Kugeln sicher beabstandet. Durch die Ausführung der Kugelkäfige mit jeweils zwei Kugeln besteht jedoch keine Gefahr des Verkantens bei Veränderung der Relativgeschwindigkeit zwischen den Kugeln. Dadurch, daß jeweils nur zwei Kugeln und nicht eine Vielzahl von Kugeln durch einen Kugelkäfig umfaßt werden, können die Kugeln mitsamt dem Kugelkäfig mühelos die Umlenkungen im Bereich der Kugelrückführungen passieren. Die Kugelkäfige werden dabei nicht wesentlich auf Biegung belastet, so daß eine Zerstörung der Kugelkäfige nicht vorkommt. Die Kugeln können sich hierbei ähnlich wie bei der Verwendung von Distanzstücken mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegen, wobei jeweils nur zwei Kugeln annähernd gleiche Geschwindigkeiten aufweisen müssen. Insbesondere im Bereich der Kugelrückführungen und Umlenkung ist es daher auch möglich, daß die Abstände zwischen den Zweiergruppen von Kugeln, die durch einen Kugelkäfig umschlossen sind, leicht variieren.

Die Kugelkäfige besitzen dabei im wesentlichen eine Form, die dem Aussehen eines Fahrradkettengliedes bzw. eines Ovals entspricht.

Die Kugelkäfige können dabei so gestaltet sein, daß der jeweilige Kugelkäfig die zwei durch ihn umschlossenen Kugelkörper voneinander trennt und es kann weiterhin vorgesehen sein, daß zwei benachbarte, durch verschiedene Kugelkäfige umschlossene Kugelkörper durch die Kugelkäfige voneinander getrennt sind. Es kommt dann weder zu einer Berührung der Kugeln innerhalb eines Kugelkäfigs noch zu der Berührung von Kugeln, die durch verschiedene benachbarte Kugelkäfige umschlossen sind.

Es kann dabei insbesondere vorgesehen sein, daß die Kugelkäfige aus Kunststoffmaterial bestehen, wobei sie insbesondere Spritzgußteile sein können. Die Käfige können dabei aus relativ starrem Material sein.

Es kann insbesondere vorgesehen sein, daß die Kugelkäfige Aufnahmereservoirs für Schmierstoff aufweisen. So können insbesondere in den Bereichen innerhalb eines Kugelkäfigs Schmierstofftaschen vorgesehen sein. Die für einen zuverlässigen Betrieb nötige Schmierstoffmenge kann dadurch deutlich reduziert werden.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, daß die Kugelkäfige aus einem Material, insbesondere einem Kunststoff, hergestellt sind, welches ein Schmierstoffaufnahme- und -speichervermögen besitzt. Derartige Kunststoffe besitzen eine Mikroporosität, in die Schmierstoffe eindringen können, die dann langsam freigegeben werden und eine ständige ausreichende Schmierung des Kugelgewindetriebs sicherstellen.

Der Kugelgewindetrieb kann dabei derart ausgestaltet sein, daß die Profilnuten in der Mutter so ausgebildet sind, daß sie gleichzeitig als Kugelrückführungen dienen. Alternativ können jedoch auch andere Kugelrückführungen wie beispielsweise Direktumlenkungen etc. vorgesehen sein. Die Rückführung kann nach jedem Steigungsgang, aber nach zwei oder mehr Steigungsgängen in der Kugelrollspindel vorgesehen sein.

Die Kugelrollspindel kann dabei einen Durchmesser zwischen 3 und 100 mm aufweisen, wobei Kugelkörper mit einem Durchmesser zwischen 0,5 mm und 20 mm Verwendung finden können.

Der Abstand zwischen zwei durch einen Kugelkäfig umschlossenen Kugelkörpern kann dabei zwischen 0,1 mm und 5 mm im Bereich der Kugelkörperachsen betragen, also im Bereich, in dem sich die Kugeln ohne Käfig berühren würden.

Der Abstand zwischen Kugeln benachbarter Kugelkäfige kann zwischen 0,5 mm und 3 mm ebenfalls der Kugelkörperachsen betragen.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den übrigen Anmeldungsunterlagen.

Die Erfindung soll im folgenden anhand eines Beispiels näher erläutert werden. Das Beispiel ist dabei in der Zeichnung dargestellt. Dabei zeigt:

Fig. 1 einen Kugelkäfig im Schnitt,

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linien A-A der Fig. 1 und

Fig. 3 einen Schnitt durch einen Kugelgewindetrieb.

Fig. 1 zeigt einen Kugelkäfig 10, der aus einem Kunststoff- Spritzgußteil besteht. Der Kunststoff weist dabei die Fähigkeit auf, als Schmierstoffspeicher zu dienen, da Schmierstoff in eine in dem Kunststoff vorgesehene Mikroporosität eindringen kann.

Der Kugelkäfig 10 weist dabei zwei Aufnahmen 12a und 12b für die Kugelkörper (nicht dargestellt) auf. Die Aufnahmen 12a und 12b weisen dabei entsprechend dem Kugelradius gekrümmte Wände 12w auf, so daß die Kugelkörper sicher in den Aufnahmen 12a und 12b gehalten sind. Durch ihre Krümmung umschließen die Wände 12w einen Teil der Kugeln. Um die Kugelkörper in den Kugelkäfig 10 einzuführen wird dabei das Kunststoffmaterial geringgradig elastisch verformt, um so der breitesten Stelle der Kugel Durchtritt zu gewähren. Sobald der Kugelkörper an seinem vorgesehenen Platz sitzt, verformt sich der Kugelkäfig 10 in seine Ausgangsposition zurück und es besteht nur ein geringer Reibungswiderstand zwischen Kugelkörper und Kugelkäfig 10.

Der Abstand d zwischen den beiden Kugelkörpern eines Kugelkäfigs 10 im Bereich der Kugelkörperachsen 32 beträgt dabei in etwa 0,4 mm. Die Randbereiche 14 des Kugelkäfigs 10, mit dem dieser mit einem benachbarten Kugelkäfig 10 in Kontakt steht, besitzen eine Dicke von ca. 0,9 bis 1 mm. Der Abstand zwischen zwei Kugeln zweier benachbarter Kugelkäfige 10 beträgt daher ca. 2 mm.

Fig. 2 zeigt nun einen Kugelkäfig gemäß Fig. 1 entlang der Linie A-A. In Fig. 2 kann gut ersehen werden, daß der Kugelkäfig 10 im wesentlichen die Form eines Fahrradkettengliedes bzw. Ovals aufweist, d. h. zweier halbkreisförmiger Abschnitte 16, die über gerade Abschnitte 18 miteinander verbunden und durch diese beabstandet sind. Die in Fig. 2 gezeigten Aufnahmen 12 für die Kugelkörper besitzen im wesentlichen einen Durchmesser, der dem Durchmesser der einzusetzenden Kugelkörper entspricht.

Durch die Gestaltung der Kugelkäfige 10 mit den gerundeten Seiten 16 werden diese am weitestgehenden der Kugelform der Kugelkörper angepaßt und führen so zu der geringsten Störung.

Fig. 3 zeigt nun einen Ausschnitt eines Schnitts durch einen Kugelgewindetrieb 20 mit einer Kugelrollspindel 22 und einer entlang der Kugelrollspindel 22 verstellbaren Mutter 24 sowie sich zwischen beiden abwälzenden Kugelkörpern 26, wobei die Kugelrollspindel 22 zur Axialverstellung der Mutter 24 drehend angetrieben werden kann und die Kugelkörper 26 auf parallel verlaufenden in die Kugelrollspindel 22 eingearbeiteten Kugelrollbahnen 28, die eine endliche Steigung aufweisen, abrollen. Den Kugelrollbahnen 28 der Kugelrollspindel 22 sind Profilnuten 30 in der Mutter 24 zugeordnet, die mit Kugelrückführungen (nicht dargestellt) zusammenwirken, um die Kugeln 26 auf geschlossenen Bahnen zu bewegen. D. h., die Kugeln 26, die sich mit der Mutter 24 in Bewegungsrichtung der Mutter 24 mitbewegt haben, werden so wieder an das der Bewegungsrichtung der Mutter 24 abgewandte Ende derselben zurückgeführt.

Zwischen Mutter 24 und Kugelrollspindel 22 besteht ein geringer Abstand, der im wesentlichen der Dicke d des Kugelkäfigs 10 entspricht.

Die Kugelkäfige 10 verhindern dabei beim Abrollen der Kugelkörper 26 zwischen Kugelrollspindel 22 und Mutter 24, daß sich die einzelnen Kugelkörper 26 berühren, so daß hohe Drehzahlen für schnell-laufende Spindelwerke erzielt werden können. Beim Umlenken um die Kugelrückführungen verkippt der Kugelkäfig 10 in den Laufbahnen 28 und 30, wobei es nicht zu einer Verbiegung des Kugelkäfigs 10 kommt. Die Kugelkäfige 10 weisen daher eine besonders hohe Dauerfestigkeit auf.

Aufgrund des berührungslosen Laufs der einzelnen Kugeln 26 läuft eine derartige Kugelrollspindel 22 extrem geräuscharm. Das Reibmoment ist vergleichmäßigt und die Wärmeentwicklung durch die geringere Reibung herabgesetzt. Die Lebensdauer einer derartigen Kugelrollspindel 22 bzw. eines derartigen Kugelgewindetriebs kann dadurch gesteigert werden. Durch die Auswahl des Materials des Kugelkäfigs 10 kann die Schmiermittelzuführung verbessert werden.

Claims (12)

1. Kugelgewindetrieb mit einer Kugelrollspindel (22) und einer entlang der Kugelrollspindel (22) verstellbaren Mutter (24) sowie zwischen beiden sich abwälzenden Kugelkörpern (26), wobei die Kugelrollspindel (22) zur axialen Verstellung der Mutter (24) drehend antreibbar ist und die Kugelkörper (26) auf parallel verlaufenden, in der Kugelrollspindel (22) angeordneten Kugelrollbahnen (28) mit endlicher Steigung abrollen und den Kugelrollbahnen (28) in der Mutter (24) entsprechende Profilnuten (30) zugeordnet sind, wobei die Profilnuten (30) in der Mutter (24) mit Kugelrückführungen zusammenwirken, so daß sich die Kugelkörper (26) auf geschlossenen Bahnen bewegen, und wobei zur Trennung und Führung der Kugelkörper (26) Kugelkäfige (10) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei Kugelkörper (26) durch einen separaten Kugelkäfig (10) umschlossen sind.

2. Kugelgewindetrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweilige Kugelkäfig (10) die zwei durch ihn umschlossenen Kugelkörper (26) voneinander trennt.

3. Kugelgewindetrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei benachbarte, durch verschiedene Kugelkäfige (10) umschlossene Kugelkörper (26) durch die Kugelkäfige (10) voneinander getrennt sind.

4. Kugelgewindetrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugelkäfige (10) aus Kunststoffmaterial bestehen und insbesondere Spritzgußteile sind.

5. Kugelgewindetrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugelkäfige (10) Aufnahmereservoirs für Schmierstoffe aufweisen.

6. Kugelgewindetrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugelkäfige (10) aus einem Material bestehen, welches eine Schmierstoffaufnahme- und -speicherfähigkeit aufweist.

7. Kugelgewindetrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Abschnitte der Profilnuten (30) in der Mutter (24) als Kugelrückführungen ausgebildet sind.

8. Kugelgewindetrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugelrollspindel (22) einen Durchmesser zwischen 3 mm und 100 mm aufweist.

9. Kugelgewindetrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugelkörper (26) einen Durchmesser zwischen 0,5 mm und 20 mm aufweisen.

10. Kugelgewindetrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen zwei durch einen Kugelkäfig (10) umschlossenen Kugelkörpern (26) 0,1 mm bis 5 mm im Bereich der Kugelkörperachsen (32) beträgt.

11. Kugelgewindetrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen Kugelkörpern (26) benachbarter Kugelkäfige (10) zwischen 0,5 mm und 3 mm im Bereich der Kugelkörperachsen (32) beträgt.

12. Kugelgewindetrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugelkäfige (10) in einer Draufsicht eine ovale Form aufweisen.