DE2544755A1

DE2544755A1 - Kugelrillenspindel

Info

Publication number: DE2544755A1
Application number: DE19752544755
Authority: DE
Inventors: Helmut Korthaus
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1975-10-07
Filing date: 1975-10-07
Publication date: 1977-08-25
Also published as: FR2327458A1; FR2327458B1; HU178376B; US4080011A; DE2544755C3; IT1062473B; GB1548040A; HK61380A; DE2544755B2; ES451081A1; CH622071A5; SE7608750L; PL114089B1; DD127116A5

Description

WUPPERTAL 2 JtATENTANWÄLTE

STRESEMANNSTR. 6-8 DIPL.-ING. H. SONNET

Postfach 2013 27 2544755 DIPL..ING. H. OSTRIGA

DIPL.-ING. B. SONNET

m/h

Dipl.-Ing. Richard Wilke, 583 Schwelm, Am Weißenfeld 4

und
Helmut Korthaus, 56 Wuppertal-Barmen, Fernblick 5

Kugelrillenspindel.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Spindel-Mutteranordnung hoher Steigungsgenauigkeit nach dem Kugelgewindespindelsystem mit zwischen Spindel und Mutter Torgesehenen Kugeln als Wälzkörper, die in Schraubengangartig in Spindel und Mutter eingearbeiteten Kugelführungen gleicher Steigung aufgenommen und durch Mittel zur Über- bzw. Rückführung der Kugeln umlenkbar sind.

Kugelgewindespindeln sind bekanntlich aus den Gleitschraubtrieben, bei welchen eine Gewindespindel und eine Gewindemutter unter gegenseitiger Berührung direkt aufeinander arbeiten derart entstanden, daß man zwischen die Gewindegänge von Spindel und Mutter Wälzkörper in Form von Kugeln anordnete. Hierdurch konnte dann die Reibungszahl in der Kugelgewindespindel stark herabgesetzt werden. Außerdem

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HAUFTKONTO:

FERNSPRECHER CREDIT-u. VOLKSBANK eGmbH POSTSCHECKKONTO COMMERZBANK AG

553888 u 551866 WUPPERTAL-BARMEN, 15824 ESSEN 44504-431 WUPPERTAL-BARMEN, 4034823

wurde eine höhere Lebensdauer bei gleichzeitig beständigerer Genauigkeit ebenso erzielt, wie auch der Verschleiß herabgesetzt werden konnte.

Bei den vorbekannten Spindel-Mutteranordnungen werden als Kugelführungen Gewindeprofile benutzt, die τοη Spitzprofilen über Trapezgewinde bis zu dem sogenannten gotischen Profil mit definierter Traglinie für die Kugeln reichen. Das gotische Profil findet bevorzugt bei hochgenauen Kugelgewindespindeln Anwendung.

Die Beschaffenheit der Gewindeprofilform sowie die Härte der Kugellaufbahnen innerhalb der Kugelführungen sind jedoch wichtige Voraussetzungen für eine lange Lebensdauer und die Erhaltung insbesondere der Anfangsgenauigkeit einer Kugelgewindespindel. Es ergeben sich für die Praxis besonders günstige Voraussetzungen dann, wenn einerseits eine genaue, gleichbleibende Profilform über die gesamte Spindellänge vorhanden ist, wobei die Profilführung mit nur geringstmöglichen Steigungsfehlern behaftet ist und wenn anderseits eine gleichbleibend hohe Härte von 62-64 HR_ in den tragenden Gewindeflanken ebenso vorhanden ist, wie eine ausreichende Härtetiefe zur Erhaltung der Steifigkeit.

Diese besonders günstigen Eigenschaften können bei hochgenauen Kugelgewindespindeln vorbekannter Art jedoch

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nur durch, eine höchst aufwendige fertigung mit einer Vielzahl von einzelnen Arbeitsgängen erreicht werden, die wie folgt beschrieben werden.

In einem ersten Arbeitsgang ist es erforderlich, daß eine Probehärtung eines glatten zylindrischen Stabs aus derselben Charge des Spindelmaterials durchgeführt wird, damit die Werte des Längenverzuges festgestellt werden können. Unter Berücksichtigung des ermittelten Längenrerzuges erfolgt dann in einem zweiten Arbeitsgang ein korrigiertes Vordrehen oder Vorwirbeln des Gewindes auf dem Spindelabschnitt, um hierdurch das zeitaufwendige Schleifen des Gewindes ins Vollmaterial einer gehärteten Stange mit den dabei freiwerdenden Spannungen und Verzügen in der Spindel zu vermeiden. Nach Abschluß dieser Arbeiten wird dann die Spindel in einem dritten Arbeitsgang einem Härteprozess unterzogen, in welchem sie vorzugsweise flamm- oder induktivgehärtet wird. Nachfolgend wird dann in einem vierten Arbeitsgang die Spindel angelassen, gereinigt und einer Kontrolle unterzogen, in welcher eine Rissprüfung ebenso vorgenommen wird, wie der Längenverzug festgestellt wird. Ein fünfter Arbeitsgang besteht dann darin, daß die Spindel gerichtet wird. Nach dem Richten wird in einem weiteren, dem sechsten Arbeitsgang, die Spindel außen rund geschliffen, während schließlich in einem siebten Arbeitsgang das Gewindeprofil geschliffen wird, wobei, falls dies

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erforderlich, ist, Korrekturen infolge längenverzugs beim Härten durchgeführt werden müssen.

Im Ablauf dieser Herstellung ist besonders das Härten der Spindel im dritten Arbeitsgang mit besonderer Sorgfalt durchzuführen, da der zu härtende stangenartige Körper außen keine ununterbrochen durchgehende zylindrische Gestalt mehr aufweist, vielmehr sind G-ewindeprofile - bezogen auf die einzelnen Durchmesser der Spindeln - mit anderer Gewindetiefe und Steigung vorgesehen. Es bestent daher die Gefahr von Härteunterschieden in den Gewindeflanken, die zu Spannungsrissen führen. Aus dem Grunde bereitet dann auch der letzte Arbeitsgang, in welchem das Gewindeprofil geschliffen wird, besondere Schwierigkeiten, wenn die Härte und die Härtetiefe nicht gleichmäßig ist, so daß unkontrollierbare Spannungen beim Fertigsehleifen auftreten können. Die Folge davon ist, daß Abweichungen hinsichtlich der Stei— gungsgenauigkeit eintreten, so daß der Rundlauf der Spindel beeinträchtigt wird. Selbst nachträglich durchgeführte Riohtarbeiten können diese Nachteile nicht ausschalten, vielmehr treten dabei erneut Spannungen auf.

Zusammenfassend ist festzustellen, daß bei den vorbekannten Kugelgewindespindel-Anordnungen im Zuge der Herstellung, bedingt durch die relativ tief ausgelegten

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Kugelführungen, ein relativ hoher Anteil an Zerspanungsarbeit gebracht werden muß, und daß außerdem zur Erreichung der erforderlichen Festigkeit relativ große Härtetiefen vorhanden sein müssen. Außerdem ergibt sich im Rahmen der Präzisionsherstellung aus dem Grunde eine unvermeidbare Ausschußquote, weil jeder einzelne Arbeitsgang mit äußerster Sorgfalt durchgeführt werden muß, wenn eine optimale Ausführung erreicht werden soll, was jedoch naturgemäß erhebliche Schwierigkeiten bereitet·

Demzufolge besteht nun die Aufgabe der Erfindung darin, eine Spindel-Mutteranordnung zu schaffen, die insbesondere bei einer wenig voluminösen Bauweise eine hochgenaue Kugelgewindespindel-Anordnung bildet, die mit erheblich herabgesetztem und darüber hinaus problemloserem Pertigungsaufwand erstellbar ist.

Erreicht wird das Ziel der Erfindung dadurch, daß die Kugelführungen in Spindel und Mutter hinsichtlich ihrer geometrischen Gestaltung, des Bewegungsspiels für die Kugeln, der werkstoffliohen Härte und der Qualitätsbeschaffenheit ihrer Oberfläche - Rauhtiefe - Kugelrillenlaufbahnen in Form von hochgenauen Axial-Rillenkugellagern darstellen, wobei die Randhärten der Kugelrillenlaufbahnen die gleichen Härtewerte "besitzen, wie die Kugelrinnenlauf-

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bahn selbst, wobei außerdem die Härtetiefe in der Spindel und der Mutter mindestens gleich oder größer als der Durchmesser der Kugeln ist, und wobei ferner die Mutter hinsichtlich ihrer Wandstärke und deren Einhärtetiefe derart bemessen ist, daß Radialkräfte der Kugeln keine wesentliche elastische Verformung des Innendurchmessers der Mutter bewirken.

Die von Axial-Rillenkugellagern her bekannte Lehre auf eine Spindel-Mutteranordnung anzuwenden bringt es somit mit sich, daß deren Fertigung aus dem Grunde vereinfacht werden kann, weil die sonst bei der Fertigung hochgenauer Kugelgewindespindel-Anordnungen unumgänglichen Arbeiten, die im Zusammenhang mit der Probehärtung, der Feststellung des Längenverzugs und dem Vordrehen oder Vorwirbeln des Gewindes auf der Spindel stehen, und den ersten und zweiten Arbeitsgang der bekannten Herstellung betreffen, entfallen können. Vielmehr kann bei der Anordnung des Erfindungsgegenstandes die Laufflächenform der Kugelführungen mit der gewünschten Steigung direkt in die gehärtete, glatte Oberfläche sowohl der Spindel als auch der Mutter eingeschliffen werden, so daß durch diese Möglichkeit trotz Beibehaltung der gewünschten Genauigkeit eine nicht unerhebliche Vereinfachung erzielt wird. Ein weiterer Vorteil, der im Zusammenhang mit dem direkten Einschleifen der Laufflächenform in die gehärtete Oberfläche eintritt, ist darin zu sehen, daß auch

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nunmehr die bei vorbekannten Kugelgewindespindeln unumgänglichen Arbeitsaufwendungen für die längenverzugskontrolle, für das Reinigen der gehärteten und angelassenen vorgedrehten Spindel und auch sogar das korrigierte Schleifen des Gewindeprofils, welches den vorbekannten letzten Arbeitsgang betrifft, entfallen können.

Gemäß dem Vorschlage der Erfindung soll die Härtetiefe mindestens gleich oder größer als der Durchmesser der Kugeln sein und an der Oberfläche nicht unter HR 62-64

liegen. Bei dieser Ausgestaltung wird garantiert, daß die Kernzone die notwendige Zähigkeit beibehält. Beim Vorliegen der angegebenen Härtewerte werden beim Erfindungsgegenstand optimale Verhältnisse erzielt.

Ein weiterer Vorteil besteht auch darin, daß die Entstehung von freiwerdenden Spannungen bei dem Schleifen der Kugelrillen wegen der gleichbleibenden, im Vergleioh zur Kugelrillentiefe großen Härtetiefe ausgeschaltet ist. Die erzielbare Steigungsgenauigkeit ist daher nur noch von der Schleifmaschinengenauigkeit abhängig und es können somit ohne besonderen Aufwand Spindelpaare gleicher Genauigkeit geschliffen werden.

Ferner ergibt die Übertragung der bekannten Toleranzen bei der Fertigung von Genauigkeits-Rillenkugellagern

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auf das Schleifen der Kugelrillen eine Mindestradialbelastung der Kugelrillen und der Kugeln, die überraschenderweise noch erheblich vermindert wird, weil im Gegensatz zum ebenen Rillenkugellager die Kugeln innerhalb der Steigung abrollen können. Dies trägt ebenfalls zur Begünstigung der Lebensdauer derartiger Anordnungen bei.

Die Erfindung schlägt ebenfalls vor, die Kugelrillentiefe im Verhältnis zum Durchmesser der Kugeln und der Steigung im wesentlichen etwa 1 : 4 bis 1 : 7 auszulegen. Beispielsweise sollte die Rillentiefe in Spindel und Mutter 0,7 mm betragen,und zwar bei einem Kugeldurchmesser von 4,762 mm und einer Steigung von 6 mm. Bedingt durch diese relativ niedrige Eindringtiefe der Kugelrillen in den Werkstoff sowohl der Spindel als auch der Mutter ergibt sich zwischen der Spinfelaußen- und der Mutterinnenfläche ein erheblich größerer freier Raum, als bei Kugelgewindespindel-Anordnungen vorbekannter Art, so daß dieser Raum vorteilhaft als Fettkammer für Dauerschmierung benutzt werden kann. Dabei stellt diese Fettkammer eine nach außen hin durch lettdichtungen und Abstreifer abgedichtete Einheit dar, wobei der geringen Eindringtiefe der Kugelrillen wegen auf der Spindel keinerlei Schwierigkeiten für eine gute und dauerhafte Abdichtung bestehen. Es hat sich gezeigt, daß dann ein fast lastunabhängiges Reibungsmoment zwisohen Spindel und Mutter eintritt, wenn der Pettraum

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mit einem Schmiermittel geeigneter Menge und Viskosität gefüllt ist.

Beim Erfindungsgegenstand handelt es sich aber nicht nur allein um die Übertragung der Lehre von Axial-Rillenkugellagern auf ein Spindel-Muttersystem, sondern es entsteht eine besonders gebrauchsgünstige Anordnung dann, wenn die Kugelrillentiefe in der Mutter entsprechend ihrem höheren Abnutzungsgrad die Tiefe der Kugelrillen in der Spindel übersteigt, zweckmäßig das Ganze derart, daß beispielsweise die Kugelrillentiefe in der Spindel im Verhältnis zum Durchmesser der Kugeln etwa angenähert 1:5 ausgelegt ist, während die Kugelrillentiefe in der Mutter im Verhältnis zum Durehmesser der Kugeln etwa angenähert 1 : 4»5 ausgelegt ist.

Mit einer derart vorgeschlagenen Anordnung wird mit Rücksicht auf die höheren Kugelumlaufzahlen in der über die normalerweise viel längere Spindel bewegte und damit höheren Belastung unterliegende Mutter den Anforderungen der Praxis besonders zufriedenstellend gerecht, was sich auch im Hinblick auf die Gesamtsteifigkeit des Spindel-Muttersystems auswirkt. Es entsteht außerdem durch die gegenüber der Spindel tiefer liegenden Kugelrillen in der Mutter für die Kugeln eine besonders großflächige Anlage, so daß hier eine kleinere Plächenpressung und eine Herab-

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Setzung des Versohleisses sowie eine höhere Tragfähigkeit erwirkt wird.

Neben der durch den Erfindungsgegenstand "bewirkten Fertigungsvereinfachung τοη Spindel-Mutteranordnungen ergeben sioh zusätzlich jedoch auch noch Vorteile hinsichtlich einer besonders gebrauchsgerechten Bauausführung insofern, weil insbesondere die Mutter hinsichtlich ihrer Wandstärke nur derart dünn gestaltet zu sein braucht, daß die nötige Steifigkeit des Spindel-Muttersystems vorhanden ist. Diese Wandstärke sollte zweckmäßig so gewählt werden, daß eine durch Radialkräfte der Kugeln bewirkte elastische Verformung nur so gering wie eben möglich gehalten werden kann. Somit läßt sich eine relativ leichte Mutter für höchste Ansprüche wirkungsvoll ausnutzen.

Im übrigen ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes auf der beiliegenden Zeichnung wiedergegeben; dabei zeigen :

Pig. 1 eine Spindel-Mutteranordnung im Längsschnitt wiedergegeben,

Pig. 2 eine vergrößerte Wiedergabe der Einzelheit ^wx^H gemäß der Mg. 1.

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Bei der wiedergegebenen Spindel 1 sind Kugelrillen 2 in den Umfang der Spindel Schraubengangartig eingeschliffen. Ebenfalls sind in einer Mutter 5 Kugelrillen 4 in der gleichen Weise eingeschliffen, so daß die Kugelrillen 2 der Spindel 1 und die Kugelrillen 4- der Mutter 5 gleiche Steigung besitzen. Die Kugeln 3 rollen zwischen diesen Kugelrillen 2 der Spindel und den Kugelrillen 4 der Mutter 5 ab. Zwischen der Spindel 1 und der Mutter 5 ist ein freier Ringraum 6 vorgesehen, welcher als Fettraum genutzt werden kann und nach außen hin durch mutterseitige Abstreifer 7 axial abgedichtet ist.

Bei der vorliegenden Ausführungsform soll die Rauhtiefe der Kugelrillen 2 und 4 gleich bzw. kleiner als 1 Jim sein. Ferner sollen die Kugelrillen 2 und 4 über ihre gesamte Ausdehnung bis in die Rinnenränder 2a und 4a Härtewerte aufweisen, die 62 bis 64 HR nicht unterschreiten. Diese Forderung ist bei Kugellagerstählen unschwer zu erfüllen. Ferner sollte die Härtetiefe in Spindel 1 und Mutter 5 zur Erzielung hoher Steifigkeit des Spindel-Muttersystems mindestens gleich oder größer sein als der Durchmesser der Kugeln 3«

Insbesondere ist in der vergrößerten Einzelheitdarstellung nach Fig. 2 das Verhältnis von Tiefe der Kugelrillen 2 und 4 zum Durchmesser der Kugeln 3 erkennbar.

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Wenn die Tiefe der Kugelrille 2 in der Spindel 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel 0,6 mm beträgt, die Kugel jedoch einen Durchmesser von 3,175 mm aufweist, ergibt sich ein Verhältnis von etwa angenähert 1 : 5. Im G-egensatz hierzu ist die Tiefe der Kugelrille 4 in der Mutter 5 mit etwa 0,7 mm angegeben, so daß hier eine größere Tiefe vorherrscht. Die Tiefe von 0,7 mm entspricht ins Verhältnis zum Kugeldurchmesser gesetzt etwa einem Wert von 1 : 4,5. Hat die Spindel eine größere Länge, dann kann die Tiefe auch größer sein, z.B. 0,8 mm betragen,und zwar entsprechend einem Verhältnis von 1 : 4.

In allen Fällen der gewählten Rillentiefe ist der

entsprechend
Schmiegungsfaktor/der Lehre bei Axial-Rillenkugellagern zu wählen.

Durch diese im Beispiel geschilderte Anordnung ergeben sich für die Praxis besonders günstige Verhältnisse hinsichtlich der Gesamtanordnung, so daß diese beschriebene Ausführung eine besonders praxisgerechte Anordnung darstellt. Es ist in diesem Zusammenhang noch zu erwähnen, daß für einen ungestörten Kugelumlauf in der Mutter 5 noch - nicht dargestellte - Mittel vorgesehen sind, die eine Über- bzw. Rückführung der Kugeln gestatten, beispielsweise könnte man sich hier bekannter Einzelüberlauf-Einsatzstücke bedienen oder sonstige, eine reibungslose Kugelumlenkung durchführenden

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Mittel anwenden.

Außerdem sind auch durch die geringe Tiefe der Kugelrillen die Schwierigkeiten der Kugelrückführung über die Gewindeflanken einer bekannten Kugelgewindespindel bei der Torgeschlagenen Kugelrillenspindel fast problemlos. Und schließlich ist es ebenfalls möglich, die Kugeln mittels Kugelkäfigen in der Gewindesteigung zu halten. Auch besteht noch die Möglichkeit, ein axiales Restspiel durch vorgespannte Doppelmuttern in bekannter Weise einstellbar zu machen und damit auch die Gesamtsteifigkeit des Spindelmuttersystems zu unterstützen.

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Leerseite

Claims

A η s ό r ϋ c h e

üpindel-'i;:iitter-anorünuni'; hoher üteigungsgen&.uigkeit nach dem IIugelgewindespindels3^jstem iait zwischen üpinael und cutter vorgesehenen iaigeln als Wälzkörper, die in schraubenganKartig in Spindel und !futter eingeai'beiteten Lugelführungen gleicher Steigung aufgenommen und durch iJ-ttel zur i.iber- bzv/. üäcJcführung der Kugeln unleiikbar sind, dadurch g e k e η η ζ e i c h η et , daß die Kugelflihrungen (2 und 4) in Spindel (1) und liutter (:i) hinsichtlich ihrer geometrischen Gestaltung, des Bewegungsspielε für die Kugeln, der werkstofflichen härte und der Qualitätsbeschaffenheit ihrer Oberfläche - rtauhtiefe - Kugelrillenlaufbahnen in Form von hochgenauen ^:ial-Fiillenicugellagern darstellen, wobei die Randhärten der Kugelrillenlaufbahnen die gleichen Härtewerte besitzen wie die Kugelrinnenlaufbahn selbst, v/obei außerdem die Härtetiefe in der üpindel und der Mutter mindestens gleich oder größer als der Durchmesser der Kugeln ist, und wobei ferner die Mutter hinsichtlich ihrer Wandstärke und deren Kinhärtetiefe derart bemessen ist, daß Radialkräfte der Kugeln keine wesentliche elastische Verformung des Innendurchmessers der Mutter bewirken.

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ORIGINAL !NSPECTEO

COPY
2. Spindel-I-iutteranordnung nach Anspruch 1, dadu rch gekennzeichnet, daß die Kugelrillentiefe im Verhältnis zum Durchmesser der Kugeln (3) im wesentlichen 1 : 4 bis 1:7 ausgelegt ist.
3. öpindel-Kutteranordnung nach Anspruch 1 und 2, dad ure h gekennzei chnet, daß die Kugelrillentiefe in der Mutter (5) entsprechend ihrem höheren Abnutzungsgrad die Tiefe der Kugelrillen (2) in der Spindel (1) übersteigt.
4. Spindel-i'iutteranordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gele ennzeich.net, dai3 der zwischen der Spindel (1) und der Mutter (5) vorhandene Hingraum (6) mit einem Dauerschraiermittel gefüllt und an beiden Enden durch mutterseitige Dichtmittel (7) - Fettdichtungen und Abstreifer - abgedichtet ist.

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