DE4118189C2 - Kugelgelagerte Spindeleinrichtung mit wendelförmiger Nut - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine kugelgelagerte Spindeleinrichtung mit wendelförmiger Nut und geht aus von einer Einrichtung mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmalen.

Eine typische beispielsweise aus der US-PS 31 32 719 bekannte Einrichtung dieser Art enthält eine Spindel- oder Gewindewelle, welche in ihrer Umfangsfläche eine wendelförmige Nut aufweist, ferner eine äußere Muffe, welche die Spindel mit einem gewissen Abstand umgibt, und eine Mehrzahl von Kugeln, die zwischen der Spindel und der äußeren Muffe angeordnet sind, um einen rollenden Kontakt zwischen diesen beiden Bauteilen herzustellen. Die äußere Muffe ist typischerweise mit mindestens einem endlosen Kugelumlaufweg versehen, in dem die Kugeln umlaufen während sich die Spindel bezüglich der äußeren Muffe in Längs­ richtung bewegt. Einrichtungen dieser Art werden für die verschiedensten Anwendungen gebraucht, die bekannten Ein­ richtungen sind jedoch im allgemeinen sperrig, da der end­ lose Umlaufweg durch die äußere Muffe verläuft, außerdem sind sie teuer, da ihre Herstellung schwierig ist. Da außerdem die Kugeln sich in körperlichem Kontakt sowohl mit der Spindel als auch mit der äußeren Muffe befinden, ist auch der Widerstand zwischen der Gewindewelle und der äußeren Muffe verhältnismäßig groß, was eine Feineinstellung der Position der Gewindewelle bezüglich der äußeren Muffe erschwert.

Bei einer typischen bekannten kugelgelagerten Spindelein­ richtung muß der Zwischenraum zwischen der Umfangsfläche der Gewindewelle und der äußeren Oberfläche der äußeren Muffe ungefähr das Doppelte des Durchmessers der verwendeten Kugeln sei, so daß sich Schwierigkeiten bei der Herstellung ergeben, wenn die kugelgelagerte Spindeleinrichtung klein bauen soll, da man in diesem Falle nicht genügend Raum für den endlosen Umlaufweg zur Verfügung hat.

Für viele Anwen­ dungen, wie z. B. die in jüngerer Zeit in großem Umfange eingesetzten Industrieroboter, werden jedoch Spindelein­ richtungen benötigt, die kompakt, präzise und leistungsfähig sind.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch eine gattungs­ gemäße Einrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen und vorteilhafte Aus­ gestaltungen der erfindungsgemäßen Einrichtung sind Gegen­ stand von Unteransprüchen.

Eine kugelgelagerte Spindeleinrichtung gemäß der Erfindung enthält eine Gewindewelle oder Spindel mit einer wendel­ förmigen Nut in ihrer Umfangsfläche, ferner eine auf der Spindel mit einem vorgegebenen Zwischenraum angeordnete äußere Muffe, und eine Mehrzahl von Kugeln, die zwischen der Spindel und der äußeren Muffe im Eingriff mit der wendel­ förmigen Nut angeordnet sind. Die äußere Muffe ist mit Lager- oder Halterungsvorrichtungen versehen, um jede Kugel in ihrer Position zu halten, so daß bei einer Rotation der Spindel bezüglich der äußeren Muffe eine longitudinale Relativbewegung zwischen der Spindel und der äußeren Muffe eintritt. Wenn beispielsweise die Spindel angetrieben wird, so daß sie bezüglich der äußeren Muffe rotiert, bewegt sich die Spindel längs ihrer Längsachse bezüglich der äußeren Muffe.

Es ist ferner eine Einrichtung zum Zuführen eines Druckmittels zu den Halterungsvorrichtungen vor­ gesehen, so daß im Betrieb ein Film oder eine Schicht des Druckmittels zumindest teilweise zwischen jeder der Kugeln und den Halterungsvorrichtungen gebildet wird. Die Halterungsvor­ richtungen enthalten jeweils eine konkave Vertiefung zur Aufnahme mindestens eines Teiles einer Kugel und die Einrichtung zum Zuführen des Druckmittels enthält einen Kanal, der zu einer Oberfläche der konkaven Vertiefung führt. Vorzugsweise wird Luft als Druckmittel verwendet. Eine solche Einrichtung hat den Vorteil, daß der Reibungswiderstand zwischen der Spindel und der äußeren Muffe gegenüber dem Stand der Technik erheblich verringert ist, da ein Fluidlager oder ein im wesentlichen schwimmender Zustand zumindest zwischen den Kugeln und der äußeren Muffe vorhanden ist. Da außerdem kein endloser Umlaufweg für die Kugeln vorhanden ist, kann die äußere Muffe sehr dünn gemacht werden, wodurch wiederum die ganze Einrichtung sehr kompakt gebaut werden kann. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Einrichtung wird mindestens ein festes Schmiermittel in der äußeren Muffe so vorgesehen, daß es normalerweise in Berührung mit der wendelförmigen Nut gedrückt wird. Da sich die Kugeln immer in rollendem Kontakt mit der wendelförmigen Nut der Spindel befinden, ist es wichtig, die wendelförmige Nut immer gut geschmiert zu halten. Die Schmierung kann zwar durch Verwendung irgendeines gewöhnlichen Schmiermittels erfolgen, gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird jedoch mindestens ein fester Schmiermittel­ körper vorgesehen, der normalerweise gegen die wendelförmige Nut der Spindel gedrückt wird. Typischerweise ist in der äußeren Muffe eine Halterungsausnehmung, wie eine radiale Bohrung, vorgesehen, in die ein fester Schmiermittelkörper verschiebbar eingepaßt ist, und eine Andruckvorrichtung, wie eine Feder, ist zwischen dem Boden der Halterungsausnehmung und dem festen Schmiermittelkörper angeordnet, welch letzterer zum Teil in die wendelförmige Nut der Spindel eingreift. Durch diese Maßnahme ist gewährleistet, daß die wendelförmige Nut dauernd einwandfrei geschmiert ist. Vor­ zugsweise ist eine Mehrzahl solcher fester Schmiermittel­ körper vorgesehen.

Die vorliegende kugelgelagerte Spindeleinrichtung zeichnet sich also durch einen kompakten Aufbau, eine einfache Konstruktion und ein ausgezeichnetes Betriebsverhalten aus. Ferner kann der Reibungswiderstand zwischen der Spindel und der Muffe außerordentlich klein gehalten werden und es ist eine hohe Genauigkeit gewährleistet. Bei bevorzugten Aus­ führungsformen ist jederzeit eine einwandfreie Schmierung gewährleistet.

Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen etwas vereinfachten Längsschnitt einer kugel­ gelagerten Spindeleinrichtung gemäß einer Aus­ führungsform der Erfindung;

Fig. 2 einen vereinfachten Querschnitt der Einrichtung gemäß Fig. 1 und

Fig. 3 eine etwas vereinfachte, teilweise geschnittene und in einem etwas größeren Maßstab gezeichnete Dar­ stellung einer Kugelhalterung, die in der äußeren Muffe der Einrichtung gemäß Fig. 1 vorgesehen ist.

In Fig. 1 ist etwas vereinfacht eine kugelgelagerte Spindeleinrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dargestellt, die eine Gewindewelle oder Spindel 1 enthält, die in ihrer Umfangsfläche eine sich in Längsrichtung der Spindel erstreckende wendelförmige Nut 1a aufweist. Bei der dargestellten Ausführungsform hat die wendelförmige Nut 1a einen im wesentlichen kreissegmentförmigen Querschnitt. Die Einrichtung enthält ferner eine äußere Muffe 2, welche die Spindel 1 mit einem vorgegebenen Zwischenraum umgibt.

Zwischen der Spindel 1 und der äußeren Muffe 2 sind mehrere Kugeln 3 angeordnet. Die Kugeln 3 sind, wie dargestellt, durch die äußere Muffe 2 an bestimmten Stellen gehaltert und greifen in die wendelförmige Nut 1a der Spindel 1 ein.

Bei der dargestellten Ausführungsform sind die Kugeln 3 mit gleichen gegenseitigen Abständen an Stellen B_1a, B_1b, B_2a, B_2b, B_2c usw. in longitudinaler als auch in azimutaler Richtung angeordnet. In der Einrichtung gemäß Fig. 1 sind ferner an Stellen A_1a, A_1b, A_1c, A_2a, A_2b, A_2c usw., die voneinander sowohl in longitudinaler als auch in Umfangs­ richtung gleich beabstandet sind, feste Schmiermittelkörper 10 vorgesehen, welche in gleitendem Kontakt mit der wendel­ förmigen Nut 1a stehen. Wie Fig. 2 zeigt, stehen also in einer Windung der wendelförmigen Nut 1a der Spindel drei Kugeln 3 und drei feste Schmiermittelkörper 10 alternierend mit der wendelförmigen Nut 1a in Berührung. Da die Kugeln 3 durch die äußere Muffe 2 drehbar in ihrer Position gehaltert sind, stehen die Kugeln 3 in rollendem Kontakt mit der wendelförmigen Nut 1a. Die festen Schmiermittelkörper 10 stehen andererseits in gleitendem Kontakt mit der wendel­ förmigen Nut 1a, um diese geschmiert zu halten.

Die äußere Muffe 2 hat eine Mehrzahl von radialen Löchern 4, die längs einer hypothetischen Wendellinie entsprechend der wendelförmigen Nut 1a der Spindel 1 angeordnet sind. Bei der dargestellten Ausführungsform reichen die Löcher 4 in radialer Richtung durch die Wand der äußeren Muffe 2 und sie sind mindestens teilweise mit einem Innengewinde versehen. In jedes zweite (B) Loch 4 ist jeweils ein Kugelhalter 5 eingeschraubt. Die Kugelhalter 5 haben jeweils ein konkaves Ende 11, welches an seinem Boden vorzugsweise im wesentlichen sphärisch geformt ist, so daß das konkave Ende 11 zumindest einen Teil der entsprechenden Kugel 3 drehbar aufzunehmen vermag. Wie am besten aus Fig. 3 ersichtlich ist, hat das konkave Ende 11 ein spitzes Endteil 7, 8, das etwas nach innen gebogen ist, so daß es die entsprechende Kugel 3 in dem durch das konkave Ende 11 begrenzten Raum etwas einschließt. Die Anordnung ist so getroffen, daß der Abstand zwischen den gegenüberliegenden spitzen Enden 7, 8 geringfügig kleiner ist als der Durchmesser der Kugel 3. Die Kugel 3 kann dann durch die vom spitzen Endteil 7, 8 gebildete Mündung in den vom konkaven Endteil 11 gebildeten Raum hineingedrückt werden und nachdem sie einmal in diesem Raum angeordnet ist, wird die Kugel durch den spitzen End­ teil 7, 8 am Herausfallen gehindert. Die Kugeln 3 fallen also auch dann nicht aus dem Kugelhalter 5 heraus, wenn dieser so wie in Fig. 3 orientiert ist.

Der Ballhalter 5 hat ein äußeres oder Kopfende, das einen Schlitz 5a aufweist, mit dem der Kugelhalter mittels eines Schraubendrehers oder dergleichen in das entsprechende Loch 4 eingeschraubt werden kann. Bei dem dargestellten Aus­ führungsbeispiel werden die Kugelhalter in die Löcher 4 eingeschraubt, bis ihre äußeren Enden im wesentlichen mit der äußeren Umfangsfläche der äußeren Muffe 2 bündig sind. Gewünschtenfalls können die Kugelhalter 5 jeweils so ein­ gestellt werden, daß sich ein gewünschter rollender Kontakt oder Anpreßdruck zwischen den Kugeln 3 und der wendel­ förmigen Nut 1a der Spindel 1 ergibt.

Wie Fig. 3 am deutlichsten zeigt, ist das konkave Ende 11 der Kugelhalter 5 so geformt, daß ein gewisser Spalt oder Zwischenraum 11a zwischen der Oberfläche des konkaven Endes 11 und der Kugel 3 verbleibt, die sich in dem durch das konkave Ende 11 gebildeten Raum befindet. Bei der in Fig. 3 dargestellten Anordnung wird die Kugel 3 durch das spitze Endteil 7, 8 des konkaven Endes 11 gehalten. Bei einer Aus­ führungsform kann das spitze Endteil 7, 8 nach dem Einführen der Kugel 3 in den durch das konkave Ende 11 gebildeten Raum zusammengedrückt oder verstemmt werden, bis die Mündung des spitzen Endes 7, 8 kleiner als der Durchmesser der Kugel 3 ist. Es sei darauf hingewiesen, daß die Kugelhalterungs­ vorrichtung nicht auf die oben beschriebene Konstruktion beschränkt ist sondern daß irgendwelche geeigneten Mittel verwendet werden können, solange die Kugel in ihrer Position und in rollendem Kontakt mit der wendelförmigen Nut 1a der Spindel 1 gehalten wird.

In den übrigen Löchern 4, die nicht durch Kugelhalter 5 besetzt sind, wird ein festes Schmiermittel 10 angeordnet. Auf diese Weise kann die wendelförmige Nut 1a über ihre ganze Oberfläche gleichmäßig geschmiert gehalten werden. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf eine solche Anordnung beschränkt und man kann auch andere Konstruktionen verwenden. Bei der bevorzugten Ausführungsform besteht das feste Schmiermittel 10 aus MoS₂, man kann jedoch auch andere feste Schmierstoffe verwenden. Wie am deutlichsten aus Fig. 2 ersichtlich ist, sind die festen Schmiermittelkörper 10 im Gleitsitz in den entsprechenden Löchern 4 angeordnet und reichen mit ihrem Vorderende, das der Form der Nut angepaßt ist, aus dem Loch heraus, so daß sie gleitenden Kontakt mit der wendelförmigen Nut 1a machen. In einen Gewindeteil der die Schmiermittelkörper aufnehmenden Löcher 4 ist eine Halterungs- oder Verschlußschraube 6 eingeschraubt und zwischen dieser Schraube 6 und dem äußeren Ende des festen Schmiermittelkörpers 10 ist eine Feder 9 angeordnet. Das feste Schmiermittel wird daher normalerweise radial nach innen gedrückt, so daß das innere Ende des festen Schmier­ mittelkörpers 10 normalerweise in die wendelförmige Nut 1a gedrückt wird. Diese Konstruktion ist in betrieblicher Hin­ sicht von Vorteil, da das feste Schmiermittel 10 auch dann gegen die wendelförmige Nut gedrückt bleibt, wenn ein Verschleiß eintritt; die wendelförmige Nut kann dadurch jederzeit einwandfrei geschmiert gehalten werden. Die Verschlußschraube 10 hat außen einen Schlitz, so daß sie mit einem Schraubendreher oder dergleichen in das entsprechende Loch eingeschraubt werden kann. Die Position der Verschluß­ schraube 6 im Loch 4 kann auf diese Weise so eingestellt werden, daß sich ein gewünschter Anpreßdruck zwischen dem festen Schmiermittel und der Nut 1a ergibt. Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform hat der feste Schmiermittelkörper 10 ein im Querschnitt im wesentlichen U-förmiges inneres Ende. Die Form des inneren Endes oder der Spitze des festen Schmiermittels kann jedoch entsprechend der Querschnittsform der wendelförmigen Nut 1a auch anders sein. Im übrigen wird sich die Form des vorderen Endes des Schmiermittelkörpers 10 an die Querschnittsform der wendel­ förmigen Nut 1a anpassen, selbst wenn anfänglich die Formen des inneren Endes des festen Schmiermittelkörpers 10 und der wendelförmigen Nut nicht übereinstimmen.

In der äußeren Muffe 2 der vorliegenden kugelgelagerten Spindeleinrichtung ist ferner ein Druckmittelzuführungskanal 12 vorgesehen, der parallel zur Längsrichtung der Spindel 1 verläuft. Bei der in Fig. 2 dargestellten Muffe ist ein solcher Druckmittelzuführungskanal 12 an drei Stellen vor­ gesehen. Die Druckmittelzuführungskanäle 12 sind jeweils am einen Ende verschlossen und am anderen Ende 14 an der anderen Stirnfläche der äußeren Muffe 2 offen. Das offene Ende 14 kann mit irgendeiner Druckmittelversorgung, z. B. einem Druckluftkompressor, verbunden werden. Der Druck­ mittelzuführungskanal 12 erstreckt sich über eine vorgegebene Anzahl von Löchern 4. Die Kugelhalter 5 bilden jeweils einen Verbindungskanal 13, der eine Fluidverbindung zwischen dem Druckmittelzuführungskanal 12 und dem durch das konkave Ende 11 gebildeten Raum herstellt. Im Betrieb wird dementsprechend ein Druckmittel, vorzugsweise Druckluft, durch das offene Ende 14 in die Druckmittelzuführungskanäle 12 eingespeist und damit über die Verbindungskanäle 13 in den von dem konkaven Ende 11 der Kugelhalter 5 gebildeten Raum. Da das Druckmittel in den Zwischenraum 11a zwischen der Innenfläche des konkaven Endes 11 und der Oberfläche der Kugel 3 eingespeist wird, wird ein fluiddynamisches Kissen oder Fluidlager zwischen dem konkaven Ende 11 und der Kugel 3 gebildet. Da andererseits die Kugel 3 gegen die wendel­ förmige Nut 1a gedrückt wird um einen rollenden Kontakt herzustellen, wird der Reibungswiderstand zwischen der äußeren Muffe und der Spindel 1 erheblich verringert. Wenn außerdem das Endteil 7, 8 so geformt ist, daß etwas von dem zugeführten Druckmittel durch einen schmalen Spalt zwischen der Kugel 3 und dem Endteil 7, 8 ausströmen kann, wird dieses ausströmende Fluid in die wendelförmige Nut 1a ein­ treten und dazu streben, die Kugel 3 in einem etwas schwimmenden Zustand zu halten. In diesem Falle wird auch die Reibung zwischen der Kugel 3 und der wendelförmigen Nut 1a erheblich herabgesetzt. Das Druckmittel trägt außer­ dem dazu bei, das von den festen Schmiermittelkörpern 10 abgeriebene Schmiermittel zu verteilen, so daß eine gleich­ förmigere Schmierung der wendelförmigen Nut 1a resultiert. Gewünschtenfalls kann die Druckmittelversorgung einen Druck­ regler enthalten, so daß das Druckmittel mit geregeltem Druck zugeführt wird.

Claims (13)

1. Kugelgelagerte Spindeleinrichtung mit

• - einer Spindel (1), die eine Umfangsfläche mit einer wendel­ förmigen Nut (1a) vorgegebener Steigung hat;
• - einer Mehrzahl von Kugeln (3), die zwischen einer äußeren Muffe (2) und der wendelförmigen Nut der Spindel angeord­ net sind,

dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Kugeln durch eine an der äußeren Muffe vorgesehene Halterungsvorrichtung (5) in fester Position zur Muffe (2) und in Berührung mit der wendelförmigen Nut gehaltert sind und
• - die Halterungsvorrichtung eine Mehrzahl von konkaven Enden (11) enthält und in jedem der konkaven Enden jeweils eine der Mehrzahl von Kugeln einzeln und lose beweglich auf­ genommen ist und
• - in der äußeren Muffe eine Druckmittelzuführungsvorrichtung (12, 13) vorgesehen ist, um jedem der konkaven Enden und wenigstens zum Teil der entsprechenden Kugel ein Druckmit­ tel zuzuführen.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Muffe (2) eine erste Mehrzahl von radialen Löchern (4) aufweist und daß die Halterungsvorrichtungen eine erste Mehrzahl von Kugelhaltern (5) enthalten, die jeweils in ein entsprechendes der ersten Mehrzahl von radialen Löchern (4) eingeschraubt sind und ein im wesentlichen konkaves inneres Ende (11) zur teilweisen Aufnahme einer entsprechenden Kugel (3) aufweist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das konkave innere Ende (11) einen Mündungsteil (7, 8) aufweist, der einen kleineren Durchmesser als eine Kugel (3) hat, so daß die Kugel am Herausfallen aus dem konkaven inneren Ende des Kugelhalters (5) gehindert wird.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Mündungsteil nach dem Einführen der Kugel in den durch das konkave innere Ende gebildeten Raum zusammengedrückt ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der durch das konkave innere Ende (11) gebildete Raum größer ist als die Kugel (3), so daß sich die Kugel in diesem Raum bewegen kann und ein vorgegebener Zwischenraum zwischen dem konkaven inneren Ende (11) und der Kugel (3) verbleibt.

6. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugelhalter (5) ein äußeres Ende mit einem Schlitz (5a) aufweisen.

7. Einrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Druckmittelzuführungsvorrichtung zum Zuführen von Druckmittel in den vorgegebenen Zwischenraum zwischen dem konkaven inneren Ende (11) und der in diesem angeordneten Kugel (3) zur Bildung eines Fluidlagers im Zwischenraum.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckmittelzuführungsvorrichtung mindestens einen ersten Kanal (12), der in der äußeren Muffe (2) verläuft, und mindestens einen zweiten Kanal (13) in jedem der Kugelhalter (5) enthält, wobei der zweite Kanal (13) sowohl mit dem ersten Kanal (12) als auch mit dem Zwischenraum (11a) zwischen dem konkaven inneren Ende (11) und der Kugel (3) kommuniziert.

9. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von festen Schmiermittelkörpern (10), die im Normalzustand gegen die wendelförmige Nut (1a) gedrückt sind.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Muffe (2) eine zweite Mehrzahl von radialen Löchern (4) aufweist, in denen jeweils einer der festen Schmiermittel­ körper (10) gleitend gelagert ist.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß in jedes radiale Loch (4) der zweiten Mehrzahl eine Verschluß­ schraube (6) eingeschraubt ist und daß eine Feder zwischen jedem festen Schmiermittelkörper (10) und der zugehörigen Verschlußschraube (6) angeordnet ist um den festen Schmier­ mittelkörper nach innen zu drücken.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher der ersten Mehrzahl und die Löcher der zweiten Mehrzahl längs einer hypothetischen Wendellinie, die die gleiche Steigung wie die wendelförmige Nut (1a) hat, alternieren.