DE10200878A1

DE10200878A1 - Mutter für Kugelgewindegetriebe

Info

Publication number: DE10200878A1
Application number: DE2002100878
Authority: DE
Inventors: Klaus Becker; Gunther Fischbach; Joerg Wahrmann; Michael Zuehlke
Original assignee: Mannesmann Plastics Machinery GmbH
Current assignee: Mannesmann Plastics Machinery GmbH
Priority date: 2002-01-11
Filing date: 2002-01-11
Publication date: 2003-03-06

Abstract

Beschrieben wird eine Mutter für ein Kugelgewindegetriebe, wobei die Mutter einen Rückführungskanal (2) zur Rückführung von Lagerkugeln (3) von einem Axialende der Mutter zum anderen Axialende der Mutter aufweist. DOLLAR A Erfindungsgemäß ist der Rückführungskanal so ausgebildet, daß er entlang einer Raumkurve verläuft, die im wesentlichen keine unstetige Änderung der Krümmung aufweist. Dadurch werden sprungartige Tangentialkräfte auf die Lagerkugeln während der Rückführung vermieden. Um eine möglichst glatte Übergabe der Kugeln zwischen Laufbahn und Rückführungskanal zu erreichen, wird ferner vorgeschlagen, plattenartige Übergabeelemente (32, 36) an den Stirnseiten des Hauptkörpers (1) der Mutter vorzusehen, die Übergabekanäle (36) aufweisen und sich einerseits an die Laufbahn innerhalb der Mutter, andererseits an den Rückführungskanal (2) anschließen.

Description

Mutter für Kugelgewindegetriebe

Die Erfindung bezieht sich auf eine Mutter für Kugelgewindegetriebe gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 bzw. 2.
Bei derartigen Muttern laufen Lagerkugeln in einer wendelförmigen Laufbahn im Inneren der Mutter und werden über einen Rückführungskanal von einer Position der Laufbahn, in der Regel ein Ende, zu einer anderen Position der Laufbahn, in der Regel das andere Ende, rückgeführt. Dabei ist der Rückführungskanal aus aneinandergereihten geraden und kreisförmigen Teilstücken ausgebildet.

Es hat sich gezeigt, daß im Betrieb, insbesondere bei Rückführungen der Kugeln in sogenannten Umlaufstücken in schnellem Umlauf, Probleme hinsichtlich der Laufruhe, der Geräuschentwicklung und damit der Lebensdauer auftreten. Bei Umlenkstücken, die aus Stahl gefräst werden und in passend gefräste Taschen der Mutter eingefügt werden, werden die Kugeln durch eine Art Zunge als Lenkhilfe in ihrer Laufrichtung rechtwinklig umgelenkt. Die Folge ist eine rasche Zerstörung der Zunge und Beschädigungen der Kugeln, die an den mehrfachen Umlenkpunkten erhebliche Stöße erleiden. Bei der Rückführung der Kugeln in Umlenkrohren sind zwar Laufruhe und Lebensdauer verbessert worden, aber diese Rohre sind ebenfalls nicht stetig und erzeugen eine Unwucht der Mutter, und sie neigen zum Verstopfen.

Erfindungsgemäß werden diese Probleme durch eine Mutter für Kugelgewindegetriebe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw. 2 gelöst; die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß eine abrupte Umleitung und ein geometrischer Aufbau des Rückführungskanals aus geraden Teilstücken und Kreisbögen wie bei Umlenkstücken und -rohren für die Führung der Lagerkugeln unvorteilhaft ist. Bei jedem Übergang von einem geraden Teilstück in ein kreisbogenförmiges Teilstück ändert sich die auf die Kugeln wirkende Seitenbeschleunigung sprungartig vom Wert 0 auf dem geraden Teilstück auf einen durch die Geschwindigkeit und den Krümmungsradius des kreisbogenförmigen Teilstücks bestimmten Wert. Dadurch resultieren Kräfte quer zur Laufrichtung der Kugeln, die den Verschleiß des rollenden Körpers und/oder des Rückführungskanals nachhaltig beeinflussen und zur Geräuschentwicklung beitragen.

Demgegenüber wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, den Kurvenverlauf des Rückführungskanals so zu gestalten, daß im wesentlichen keine unstetige Änderung der Krümmung auftritt. Dadurch werden Diskontinuitäten in den auf die Kugeln wirkenden Kräften quer zur Laufrichtung vermieden, so daß Verschleiß und Geräuschentwicklung vermindert sind.

Entsprechende Effekte können bei einer eingangs genannten Mutter dadurch erzielt werden, daß an jeder Stirnseite der Mutter ein Übergabeelement mit einem Übergabekanal vorgesehen ist, der einen Teil des Rückführungskanals bildet und in die Laufbahn mündet. Durch diese Anordnung ist es möglich, die Laufbahn direkt in den Übergabekanal übergehen zu lassen, und dann die Kugeln umzulenken, ohne daß beim Eintritt in den Übergabekanal wesentliche Stöße auftreten. Somit kann auf Zungen gänzlich verzichetet werden oder, falls dennoch Zungen eingesetzt werden, unterliegen diese einem geringeren Verschleiß. Entsprechendes gilt auch für die Kugeln, die während des Umlaufs durch nachfolgende Kugeln in den Übergabekanal gepreßt werden, da die dabei wirkenden Kräfte geringer sind.

Vorzugsweise sind die Übergabeelemente als Abstreif- und Dichtelemente ausgebildet, die das Mutterinnere gegen Austritt von Schmiermittel wie Fett od. dgl. abdichten.

Eine einfache Ausgestaltung ergibt sich, wenn die Übergabeelemente als Platten ausgebildet sind, in denen die Übergabekanäle als Ausnehmungen gefertigt sind.

Vorteilhafterweise verläuft der Übergabekanal ebenfalls entlang einer Raumkurve, die im wesentlichen keine unstetige Änderung der Krümmung aufweist.

Die Raumkurve des Rückführungskanals und der Übergabekanäle wird vorteilhafterweise abschnittsweise durch kubische oder höhere Splines gebildet.

Zur erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Mutter eignet sich insbesondere ein Rückführungskanal mit U-förmigem Querschnitt, vorzugsweise aus einer U-förmigen Rinne, die über der Außenfläche des Hauptkörpers verläuft. Dies hat einerseits den Vorteil, daß der Rückführungskanal einfach in einer gewünschten Geometrie hergestellt werden kann; andererseits neigt eine solche Querschnittsform nicht zum Verstopfen und bietet gegenüber einem kreisförmigen Querschnitt im Bereich der Ecken zusätzlich Raum für eine Schmierreserve.

In besonders einfacher Weise kann eine gewünschte Geometrie für die stetige Raumkurve der Rinne dadurch erreicht werden, daß die Länge der Schenkel des U-förmigen Querschnitts, die an der Außenfläche eines (zylindrischen) Hauptkörpers der Mutter anliegen, über den Verlauf der Rinne kontinuierlich variiert wird.

Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Querschnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Mutter;
Fig. 2 einen Querschnitt durch den Rückführungskanal der Mutter der Fig. 1;
Fig. 3 eine Querschnittsdarstellung einer bekannten Mutter,
Fig. 4 eine Perspektivdarstellung der erfindungsgemäßen Mutter,
Fig. 5 eine Perspektivdarstellung einer erfindungsgemäßen Mutter mit Übergabeelementen und
Fig. 6 eine teilweise geschnittene Seitendarstellung eines Hohlwellenmotors mit der erfindungsgemäßen Mutter.
Gemäß Fig. 1 umfaßt eine Mutter einen Hauptkörper 1 einer sog. Mehrstoffmutter, die aus mehreren Materialien zusammengesetzt ist, wobei der Hauptkörper 1 einer Außenverzahnung, Befestigungsmittel u. dgl. (nicht dargestellt) aufweisen kann. Durch den Hauptkörper erstreckt sich in Axialrichtung eine Längsbohrung 7 mit einer wendelförmig verlaufenden Laufbahn 5 (vgl. Fig. 4) für Lagerkugeln 3. Durch die Längsbohrung 7 erstreckt sich eine Gewindespindel 4 mit einer komplementären Laufbahn 8 (vgl. Fig. 4) für die Lagerkugeln.
Bei diesem Aufbau sind die Mutter und die Gewindespindeln 4 relativ zueinander verdrehbar, wobei im Betrieb zur Umsetzung einer Drehbewegung in eine translatorische Bewegung eins der Elemente drehfest gehalten wird, das andere verdreht wird. Dabei passieren die Lagerkugeln 3 die Laufbahn 5 und werden an einem Ende der Laufbahn von einem Rückführungskanal 2 aufgenommen und dem gegenüberliegenden Ende der Laufbahn der Mutter wieder zugeführt. Dabei umläuft der Rückführkanal 2 einen Winkelbereich von etwa 180° und erstreckt sich in Längsrichtung im wesentlichen über mehrere Gänge der Mutter.
Insoweit entspricht der Aufbau der erfindungsgemäßen Mutter dem Aufbau einer konventionellen Mutter mit Umlenkrohren, der in Fig. 3 dargestellt ist. Bei dieser konventionellen Mutter ist der Rückführungskanal 12 aus mehreren Teilabschnitten, nämlich geraden Teilabschnitten 10, 18, 20 und kreisbogenförmigen Teilabschnitten 14, 16, aufgebaut. Dadurch ergeben sich Unstetigkeitsstellen hinsichtlich der Änderung der Krümmung, wie durch die Pfeile 22 angedeutet ist. Bei einem Kugelumlauf im Gegenuhrzeigersinn wirken Tangentialkräfte insbesondere an den Übergängen zwischen den Abschnitten 20 und 14 sowie 18 und 16; beim Umlauf im Uhrzeigersinn zwischen den Abschnitten 10 und 16 sowie 18 und 14.
Demgegenüber ist der Rückführkanal 2 gemäß den Fig. 1 und 4 so ausgebildet, daß über dem Kurvenverlauf im wesentlichen keine Unstetigkeit in der Änderung der Krümmung auftritt und somit keine diskontinuierlichen Tangentialkräfte auf die Lagerkugeln 2 ausgeübt werden.
Gemäß Fig. 2 hat der Rückführungskanal vorzugsweise einen U-förmigen Querschnitt, wobei der Rückführungskanal entsprechend den erforderlichen Krümmungen aus einer U- förmigen Rinne, die unmittelbar auf der Außenseite des Hauptkörpers aufliegt, hergestellt werden kann. Daneben hat dies den Vorteil, daß ein solcher Kanal weniger als ein rohrförmiger Kanal zur Verstopfung neigt und daß Schmiertaschen 6 zur Aufnahme von Schmiermittel gebildet werden.
Die Herstellung des Rückführkanals kann beispielsweise durch Kaltpressung eines Blechbands zu einer Rinnenform in exakt gefertigten Pressenwerkzeugen entsprechend der Bahngeometrie erfolgen. Alternativ kann zur Herstellung auch Feinguß in Betracht gezogen werden.
Wie durch einen Vergleich der Bemaßungen in den Fig. 1 und 3 ersichtlich ist (50 bzw. 60), hat der vorgeschlagene Aufbau des Rückführkanals 2 eine geringere Radialabmessung als der bekannte Rücklaufkanal 12. Dies folgt insbesondere daraus, daß die Rinne direkt am Hauptkörper aufliegt und keine zusätzliche Wandstärke wie bei einem Rohr erforderlich ist. Daraus folgt eine geringere Massenträgheit der Spindelmutter sowie eine geringere statische und dynamische Unwucht, was insbesondere bei höheren Drehgeschwindigkeiten vorteilhaft ist. Desweiteren können zum Auswuchten geringere Gegengewichte aufgebracht werden.
Erfindungsgemäß wird ein Rückführungskanal mit einer Bahnkurve geschaffen, die im wesentlichen keine unstetigen Änderungen der Krümmung aufweist. Als Bahnkurve im Sinne dieses Textes kann eine Linie verstanden werden, die sich durch den Mittelpunkt des Kanalquerschnittes oder durch den Scheitelpunkt der U-förmigen Rinne o. dgl. erstreckt.
Als Beispiel für eine ebene Kurve, die eine sich stetig ändernde Krümmung aufweist, sei auf die Klothoide oder Cornu-Spirale, die insbesondere im Gleis- oder Straßenbau angewendet wird, hingewiesen. Bei der Klothoide ist der Krümmungsradius r der Länge eines Kurvenbogens umgekehrt proportional, d. h.

r = a² : s

wobei a ein Parameter ist. Ausgehend von einer Krümmung 0 (r = ∞) kann mit wachsender Länge s eine beliebige Krümmung r in stetiger Weise erreicht werden, wobei sich an der Stelle mit der Krümmung r beispielsweise ein Kreisbogen an die Klothoide anschließen kann. Klothoidenabschnitte sind somit geeignete Verbindungen zwischen Geraden und Kreisbögen oder auch zwischen mehreren Kreisbögen mit unterschiedlichen Radien.
Andererseits wird zur Realisierung der räumlichen Bahngeometrie das sog. "Straken" eingesetzt. Dabei wird die Raumkurve abschnittsweise aus polynomen dritten oder höheren Grades (kubische oder höhere "Splines") zusammengesetzt.
Als Beispiel für einen kubischen Spline sei auf die folgende Gleichung verwiesen.

y = (a₀₁+ a₀₂+ a₀₃z²+ a₀₄z³) + (a₁₁+ a₁₂z + a₁₃z²+ a₁₄z³) x +
(a₂₁+ a₂₂z + a₂₃z²+ a₂₄z³)X²+ (a₃₁+ a₃₂z + a₃₃z²+ a₃₄z³) x³

In dieser Gleichung bezeichnen die a_ij Koeffizienten und x, y, z die Raumkoordinaten.
Zur Bildung der Raumkurve werden die Koeffizienten all derartig bestimmt, daß an den "Nahtstellen" der Abschnitte keine Unstetigkeiten in der Krümmung auftreten.
Fig. 5 zeigt in teilweise weggebrochener Perspektivdarstellung eine erfindungsgemäße Mutter in einem weiteren Ausführungsbeispiel. Bei der Mutter gemäß Fig. 5 sind an der Stirnseite des Hauptkörpers 2 Übergabeelemente 32, 34 vorgesehen, in denen Umlenkkanäle 36 ausgebildet sind, die sich einerseits an die Rinne 2 des Rückführungskanals anschließen, andererseits in die Laufbahn 38 für die Kugeln münden. Die beiden Übergabeelemente ragen die an positiven Gewindeabschnitten in den Gewindegang der Spindel hinein und erfüllen damit zwei Aufgaben. Einerseits werden die Kugeln in den Rückführungskanal 2 übergeben, andererseits kann der Schmierfilm im Gewindegang der Mutter zurückgehalten werden, d. h. das Innere der Mutter wird gegen Austritt von Schmiermittel abgedichtet. Die Laufbahn kann auch hier vorteilhaft so gestaltet werden, daß keine Unstetigkeiten in der Krümmung auftreten.
Bei dem erfindungsgemäßen Übergabeelement muß eine nachfolgende Kugel wesentlich weniger Kraft aufwenden als bei bekannten Systemen, um die vorauslaufende Kugel in den Rückführungskanal zu bringen bzw. wieder in den Gewindegang zu transportieren. Dies macht sich durch verminderte Geräuschentwicklung und durch verminderte Beschädigungen an den Kugeln bemerkbar.
Die Übergabeelemente können als Gußteil, aus Stahl oder aus faserverstärktem Kunststoff hergestellt werden und in einfacher Weise an die Enden des Hauptkörpers 1 geschraubt werden. Die erleichtert auch die Montage und Demontage von Kugelgewindegetrieben.
Bei den erfindungsgemäßen Übergabeelementen ist der Teil des Übergabekanals, der an der Laufbahn angeordnet ist, vorzugsweise entsprechend der Steigung des Gewindes geneigt angeordnet, um eine möglichst glatte Übergabe der Kugeln zu erzielen.
Bei der erfindungsgemäßen Mutter kann der den Hauptkörper 1 aus Stahl umgebende Raum zwischen den beiden Übergabeelementen beispielsweise mit Kunststoff aufgefüllt sein. Dies ist aus der Fig. 6 ersichtlich, bei der eine erfindungsgemäße Mutter zusammen mit einem Hohlwellenmotor H dargestellt ist. Aus dieser Darstellung ist ferner ersichtlich, daß die Übergabeelemente 32, 34 auch mehrteilig gefertigt sein können.
Zwar wurde die Erfindung anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels mit einer Laufbahn und nur einem Rückführungskanal dargestellt. Eine entsprechende Ausgestaltung ist aber auch bei mehreren Laufbahnen und/oder mehreren Rückführungskanälen bei mehrgängigen Muttern möglich.
Kugelgewindegetriebe mit einer erfindungsgemäßen Mutter können in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden. Beispielsweise sei ein Kugelgewindegetriebe für den Antrieb einer beweglichen Formaufspannplatte in einer Spritzgießmaschine genannt.

Claims

1. Mutter für ein Kugelgewindegetriebe mit einem Hauptkörper (1) mit einer zylindrischen Öffnung (7) entlang einer Längsachse, einer wendelförmigen Laufbahn (5) für Lagerkugeln (3) und einem Rückführungskanal zum Rückführen der Lagerkugeln von einer Position der Laufbahn in eine andere, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückführungskanal (2) entlang einer Raumkurve verläuft, die im wesentlichen keine unstetige Änderung der Krümmung aufweist.

2. Mutter für ein Kugelgewindegetriebe mit einem Hauptkörper (1) und einer zylindrischen Bohrung (7) entlang einer Längsachse, einer wendelförmigen Laufbahn (5) für Lagerkugeln und einem Rückführungskanal (2) zum Rückführen der Lagerkugel von einer Position der Laufbahn in eine andere, dadurch gekennzeichnet, daß an jeder Stirnseite der Mutter Übergabeelemente (32, 34) mit einem Übergabekanal (36) angeordnet sind, der einen Teil des Rückführungskanals bildet und in die Laufbahn (5) mündet.

3. Mutter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergabeelemente als Abstreif und Dichtelemente ausgebildet sind.

4. Mutter nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Übergabeelement (32, 34) als Platte ausgebildet ist und daß der Übergabekanal (36) eine Ausnehmung in der Platte ist.

5. Mutter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergabekanal entlang einer Raumkurve verläuft, die im wesentlichen keine unstetige Änderung der Krümmung aufweist.

6. Mutter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Raumkurve abschnittweise aus kubischen oder höheren Splines gebildet wird.

7. Mutter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückführungskanal (2) einen etwa U-förmigen Querschnitt aufweist.

8. Mutter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückführungskanal eine im Querschnitt U-förmige Rinne ist, die über der Außenfläche des Hauptkörpers verläuft.

9. Mutter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der am Hauptkörper (1) anliegenden Beine des U-förmigen Querschnitts entlang der Rinne variiert.

10. Kugelspindelgetriebe mit einer Gewindespindel (4) und einer Mutter nach einem der vorstehenden Ansprüche.

11. Spritzgießmaschine mit mindestens einem Kugelspindelgetriebe nach Anspruch 10.