DE19637526A1

DE19637526A1 - Rollengewindetrieb

Info

Publication number: DE19637526A1
Application number: DE1996137526
Authority: DE
Inventors: Gerd Hoermansdoerfer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-09-15
Filing date: 1996-09-15
Publication date: 1998-03-19

Description

Die Erfindung betrifft einen speziellen Rollengewindetrieb für die Umsetzung einer schnellen Drehbewegung mit niedrigem Moment in eine langsame Linearbewegung mit hoher Kraft. Derartige Rol lengewindetriebe sind im allgemeinen Maschinenbau als sogenannte Planetenrollengewindetriebe mit Zwangssynchronisation bestens be kannt. Diese Bauform zeichnet sich nicht nur durch eine sehr hohe Tragfähigkeit und eine sehr lange Lebensdauer aus, sondern ermög licht auch hohe Drehzahlen und hohe Beschleunigungen. Die robuste Konstruktion widersteht hohen Stoßbelastungen. Wegen der Unanfäl ligkeit gegen Schmutz, Eis, chemische Ablagerungen oder unzuläng liche Schmierung wird dieser Typ als der zuverlässigste Präzi sionsgewindetrieb angesehen.

Diese bekannten Planetenrollengewindetriebe haben jedoch den Nachteil, daß ihre Untersetzung von dem ganzzahligen Gangzahlver hältnis der beteiligten Gewinde und den damit im Zusammenhang stehenden Durchmesserverhältnissen abhängt, so daß keine beliebig kleinen wirksamen Steigungen pro Relativdrehung zwischen Gewinde mutter und Spindel realisierbar sind. Gewöhnlich liegen kleine Nennsteigungen etwa bei 4 bis 5 Millimeter pro Umdrehung. Um zu noch kleineren Nennsteigungen zu kommen, wurden zwar in jüngster Zeit Bauformen mit sehr feinem Gewinde auf den Markt gebracht, jedoch sind hier die Tragzahlen drastisch reduziert. Außerdem sind die so erzielbaren maximalen Untersetzungsverhältnisse für bestimmte Anwendungen immer noch zu klein. Deshalb müssen bisher für solche Zwecke überdimensionierte Antriebsmotoren eingesetzt oder entsprechende Untersetzungsgetriebe vorgeschaltet werden.

Es bestand daher die Aufgabe zur Schaffung eines Planetenrollen gewindetriebes der oben genannten Art, bei welchem mittels belie big großer Untersetzungsverhältnisse kleinste resultierende Stei gungen bei unverminderten Tragzahlen realisierbar sein sollten.

Die beschriebene Aufgabe wird nach der Erfindung durch die Bil dung eines Differentialgewindetriebs aus den ansonsten bekannten Komponenten eines Planetenrollengewindetriebes mit Zwangssynchro nisation gelöst. Danach besteht der Kern der Erfindung darin, als Ausgangsversion jeweils eine Bauform mit "Null"-Steigung heranzu ziehen und die Flankenwinkel der mit Gewinde aufeinander abrol lenden Bauteile so abzustimmen, daß auf den Planetenrollen zwei Wälzkreise mit unterschiedlichen Durchmessern gebildet sind, von denen der eine mit der Gewindemutter und der andere mit der Ge windespindel korrespondiert. Da die Gewindeflanken der Planeten rollen wegen der angestrebten Kontaktellipsen in der Regel ohne hin ballig ausgeführt sind, ist eine praktische Umsetzung ausge sprochen einfach. Die Gewindeflanken der Gewindemutter bzw. der Gewindespindel bilden dann im Prinzip Tangenten zu den balligen Flanken des Gewindes der Planetenrollen, und lassen daher mittels Veränderung ihres Winkels die breitbandige Einstellung der Wälz kreisdurchmesser zu. Zur Schaffung des angestrebten Differential triebs ist es dabei erforderlich, daß Gangzahlverhältnis zwischen zwei Rollpartnern ungleich dem Verhältnis der Wälzkreisdurchmes ser zu gestalten. Da gewöhnlich beabsichtigt wird, eine axiale Relativbewegung der Planetengewinderollen zur Gewindemutter zu unterbinden, wird in diesen Fällen der Differentialtrieb zwischen den Planetengewinderollen und der Gewindespindel hergestellt. Die wirksame Steigung pro Relativumdrehung berechnet sich für den er findungsgemäßen Rollengewindetrieb gemäß der Formel:

Hierin sind:
z = Resultierende Steigung (Vorschub)
D_M = Wälzkreisdurchmesser der Gewindemutter
D_S = Wälzkreisdurchmesser der Gewindespindel
D_PS = Wälzkreisdurchmesser der Planetenrolle zur Gewindespindel
T = Teilung (Steigungssprung)
G_S = Gangzahl der Gewindespindel
G_P = Gangzahl der Planetenrolle.

Anhand der Formel ist leicht nachrechenbar, daß sich sehr große bis größte Untersetzungen trotz grober Gewindeteilung verwirkli chen lassen. Bei Wälzkreisdurchmessern von z. B. 60 mm für die Ge windemutter, 40,4 mm für die Gewindespindel und 9,8 mm für die Planetenrolle in Bezug zur Gewindespindel ergibt sich für den er findungsgemäßen Rollengewindetrieb bei einer Teilung von 5 mm und einem Gangzahlverhältnis von 6 : 4 : 1 für den Vorschub z ein Wert von 0,2464. . . mm pro Umdrehung.

Bei der Einsetzung von Zahlenwerten in die oben gegebene Formel ist zu berücksichtigen, daß bestimmte Gesetzmäßigkeiten für den hier vorliegenden Typ des Rollengewindetriebs bestehen, welche die freie Auswahl limitieren. Da ja die Planetenrollen gegenüber einem der beiden Rollpartner - in der Regel der Gewindemutter - axial unveränderlich festgelegt werden sollen, muß bezüglich die sem Rollpartner eine Übereinstimmung bezüglich des Verhältnisses der Verzahnung zur Zwangssynchronisation, der Gangzahl und dem Wälzkreisdurchmesser bestehen. Bei einem Gangzahlverhältnis von z. B. 6 : 1 zwischen Gewindemutter und Planetenrolle muß daher auch das Verhältnis der zwischen beiden Rollpartnern wirksamen Wälz kreisdurchmesser genau 6 : 1 betragen. Mit der Entscheidung für ein bestimmtes Wälzkreisdurchmesserverhältnis zwischen Gewindemutter und Planetenrolle wird gleichzeitig die Anzahl der Planetenrollen festgelegt. Dabei gelten z. B. für die Ausgangssituation der Null steigung folgende Verhältnisse:

Die Erfindung soll im folgenden anhand der beiden Zeichnungsfigu ren näher erläutert werden. Fig. 1 zeigt das Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rollengewindetriebs in teilweise aufge schnittener bzw. zerlegter Form. In Fig. 2 wird an einem stark vergrößerten Schema die Wälzkreissituation zwischen den Rollpart nern dargestellt.

Das in Fig. 1 gezeigte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rollengewindetriebs wurde zum besseren Verständnis teilweise zerlegt bzw. geschnitten gezeichnet. Dabei wurde die perspektivi sche Verzerrung des Gewindes aus Vereinfachungsgründen nicht be rücksichtigt. Die Gewindespindel 1 verfügt über ein viergängiges linksgewundenes Dreiecksgewinde 2 mit einem festlegbaren Flanken winkel, welcher in dem gezeigten Beispiel auf 86° festgelegt wur de. Die sechsgängige Gewindemutter 9 besitzt ein rechtsdrehendes Innengewinde 10 mit einem ebenfalls festlegbaren Flankenwinkel, welcher hier auf 94° festgelegt wurde. Die zehn Planetenrollen 3 (nur eine dargestellt) zwischen dem Mutternkörper 9 und der Ge windespindel 1 sind mit einem eingängigen rechtsdrehenden Gewinde 4 und einem Flankenwinkel von um die 90° ausgestattet. Die Gewin deflanken sind ballig ausgeführt, um mittels großer Kontaktellip sen zu großer Tragfähigkeit und Steifigkeit zu gelangen. Der Steigungswinkel des Gewindes der Planetenrollen (3) stimmt bezüg lich des mit der Gewindemutter gebildeten Wälzkreises mit demje nigen der Gewindemutter überein. Folglich bewegen sich die Plane tenrollen nicht in axialer Richtung, wenn sie in der Gewindemut ter rollen. Es ist also auch keine Rückführung erforderlich. Die Zapfen 5, 6 der Planetenrollen sind an beiden Mutternenden in Kä figringen 11, 12 gelagert und halten die Planetenrollen auf dem Mutternumfang in gleichen winkelmäßigen Abständen. Die Käfigrin ge, welche von Sprengringen 13, 14 in Position gehalten werden, nehmen keine Belastungen auf.

Um eine korrekte Rollbewegung der Planetenrollen sicherzustellen und eine Gleitbewegung und damit eine axiale Bewegung relativ zur Gewindemutter auszuschließen, sind diese an beiden Enden mit ei ner Verzahnung 7, 8 ausgestattet, die in die Verzahnung 17, 18 von zwei Hohlrädern 15, 16 eingreift. Dabei entspricht das Zahnzahl verhältnis von 8 zu 48 genau dem Verhältnis der Wälzkreisdurch messer von 1 zu 6. Die beiden Hohlräder werden jeweils in eine entsprechende Passung der Gewindemutter spielfrei eingebaut und durch kleine Gewindestifte 19, 20 gesichert.

Der mit der Erfindung geschaffene Differentialtrieb wird dadurch realisiert, daß abweichend von dem Gangzahlverhältnis zwischen Gewindespindel 1 und Planetenrolle 3 von 4 : 1 das Verhältnis zwi schen den beiden korrespondierenden Wälzkreisen nicht genau die sem Zahlenwert entspricht. Ist diese Abweichung sehr klein, wird die Untersetzung extrem große Werte annehmen, d. h. daß pro Rela tivumdrehung sehr kleine Vorschübe entstehen. Die auf der einzel nen Planetenrolle unterschiedlich großen Wälzkreise sind durch die Einstellung bestimmter voneinander abweichender Flankenwinkel an der Gewindemutter bzw. der Gewindespindel verwirklicht.

Zum besseren Verständnis dieser wichtigen Einzelheiten ist in der Zeichnungsfigur 2 die Situation stark vergrößert schematisch dar gestellt. Die Planetenrolle 22 befindet sich in Rollkontakt mit den Gewinden der jeweils geschnitten dargestellten Rollpartner Gewindemutter 23 und Gewindespindel 21. Der mittlere Flankenwin kel des Gewindes der Planetenrolle beträgt um die 90°, wobei die ballige Kontur gut zu erkennen ist. Der Flankenwinkel α des Mut terngewindes ist mit 94°, der Flankenwinkel β des Spindelgewindes mit 86° eingezeichnet. Dadurch sind bezüglich der beiden Roll partner auf der Planetenrolle Wälzkreise 24, 25 mit unterschiedli chen Durchmessern gebildet. Der entsprechende Radius des Wälz kreises 24 zur Gewindemutter ist als R_PM, derjenige des Wälzkrei ses 25 zur Gewindespindel als R_PS eingetragen.

Aus der Beschreibung wird deutlich, daß der erfindungsgemäße Rol lengewindetrieb sehr einfach und ohne erhöhten Fertigungsaufwand aus herkömmlichen Rollengewindetrieben ableitbar ist. Dabei blei ben generell die bekannten Vorteile erhalten, wobei nunmehr sehr hohe Untersetzungen bzw. kleinste Vorschubraten pro Relativumdre hung realisierbar sind. Wegen der Möglichkeit, auch sehr grobe Teilungen des Gewindes heranzuziehen, sind dabei sehr hohe Trag fähigkeiten erzielbar. Mit dem neuen Rollengewindetrieb können vorgeschaltete Untersetzungsgetriebe eingespart bzw. Antriebsmo toren kleinerer Leistung eingesetzt werden. Daneben werden völlig neue Anwendungen erschlossen.

Diesbezüglich wird insbesondere vorgeschlagen, den erfindungsge mäßen Rollengewindetrieb in ein elektrisches Bremssystem zu inte grieren, wie es z. B. momentan für die Betätigung von Scheiben bremsen für Kraftfahrzeuge in Entwicklung ist. Wegen der hohen Untersetzung bei gleichzeitig hohem Wirkungsgrad wird es so mög lich, den erforderlichen Anpreßdruck der Belagträger bzw. der Bremsbeläge mittels relativ kleiner Antriebsmotoren aufzubauen. Als Konsequenz sind sehr kleine Ansteuerleistungen und damit sehr niedrige elektrische Ströme erforderlich. Damit sind elektrische Kabel mit sehr kleinen Querschnitten verwendbar. Gleichzeitig kann aufgrund der kompakten Auslegung und der reduzierten Bau größe der verschiedenen Komponenten Baugewicht eingespart werden.

Claims

1. Rollengewindetrieb mit einer Gewindespindel 1, einer Gewinde mutter 9 und mindestens einer Planetenrolle 3 mit Gewinde 4 und Verzahnung (z. B. 7, 8), wobei die Planetenrolle zwischen der Ge windespindel und der Gewindemutter abrollbar ist und mittels ei ner Verzahnung wahlweise mit der Gewindespindel bzw. der Gewinde mutter zwangsweise synchronisiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Gewindeflanken der Planetenrolle zwei Wälzkreise 24, 25 unterschiedlichen Durchmessers gebildet sind, von denen der eine auf dem Wälzkreis der Gewindespindel und der andere auf dem Wälzkreis der Gewindemutter abwälzt.

2. Rollengewindetrieb gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Flankenwinkel β des Spindelgewindes ungleich dem Flanken winkel α des Mutterngewindes ist.

3. Rollengewindetrieb gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, da durch gekennzeichnet, daß die Zahnflankenkontur mindestens einer der Rollpartner Gewindespindel, Gewindemutter bzw. Planetenrolle ballig gestaltet ist.

4. Rollengewindetrieb gemäß einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, wobei eine in axialer Richtung unveränderliche Lage der Planetenrolle relativ zur Gewindemutter angestrebt ist, da durch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen der Gangzahl des Gewindes der Planetenrolle und der Gangzahl des Gewindes der Gewindemutter sowohl dem Zahnzahlverhältnis als auch dem Verhält nis der Wälzkreisdurchmesser zwischen diesen beiden Rollpartnern entspricht, während das Verhältnis der Wälzkreisdurchmesser zwi schen Planetenrolle und Gewindespindel ungleich ihrem Gangzahl verhältnis ist.

5. Rollengewindetrieb gemäß einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, wobei eine in axialer Richtung unveränderliche Lage der Planetenrolle relativ zur Gewindespindel angestrebt ist, da durch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen der Gangzahl des Gewindes der Planetenrolle und der Gangzahl des Gewindes der Gewindespindel sowohl dem Zahnzahlverhältnis als auch dem Ver hältnis der Wälzkreisdurchmesser zwischen diesen beiden Rollpart nern entspricht, während das Verhältnis der Wälzkreisdurchmesser zwischen Planetenrolle und Gewindemutter ungleich ihrem Gangzahl verhältnis ist.

6. Elektrisches Bremssystem, insbesondere Scheibenbremssystem für Räder an Flugzeugen, Schienenfahrzeugen bzw. Kraftfahrzeugen, mit einem elektrischen Antriebsmotor und einem Stellglied zur Um wandlung der Drehbewegung des Antriebsmotors in eine translatori sche Bewegung hoher Kraft zwecks Aufbaus eines Anpreßdrucks der Bremsbeläge gegenüber Bremsscheibe bzw. Bremstrommel, dadurch ge kennzeichnet, daß in den Kraftübertragungsweg vom Antriebsmotor zu mindestens einem der Belagträger ein Rollengewindetrieb gemäß einem oder mehreren der oben genannten Ansprüche eingefügt ist.