WO2012160151A1

WO2012160151A1 - Rückführkanal eines wälzgewindetriebs und verfahren zur ermittlung einer bahn eines rückführkanals

Info

Publication number: WO2012160151A1
Application number: PCT/EP2012/059740
Authority: WO
Inventors: Philipp Krebs; Lars-Erik Stacke; Erik Svensson
Original assignee: Aktiebolaget Skf
Priority date: 2011-05-25
Filing date: 2012-05-24
Publication date: 2012-11-29
Also published as: EP2715186A1; DE102011076439A1

Abstract

Ein Konzept für einen Rückführkanal zur Rückführung von Wälzkörpern in einem Wälzgewindetrieb, wobei der Rückführkanal einen Eintrittsbereich zur Aufnahme der Wälzkörper aus einer Eintrittsrichtung von einem Gewindegang einer Mutter oder einer Spindel und einen Austrittsbereich zur Rückführung der Wälzkörper in einer Austrittsrichtung in den Gewindegang der Mutter oder der Spindel umfasst. Der Rückführkanal ist ausgebildet, um die Wälzkörper von dem Eintrittsbereich zu dem Austrittsbereich entlang einer Bahn zu führen, wobei eine Krümmung der Bahn um weniger als 10% einer mittleren Krümmung der Bahn variiert.

Description

B e s c h r e i b u n g

RÜCKFÜHRKANAL EINES WÄLZGEWINDETRIEBS UND VERFAHREN ZUR ERMITTLUNG EINER

BAHN EINES RÜCKFÜHRKANALS

Die vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet der Kugelgewindetriebe, insbesondere auf dem Gebiet der Verschleißreduktion der Komponenten von Kugelgewindetrieben.

Zur Umsetzung einer Drehbewegung in eine Längsbewegung oder umgekehrt werden sogenannte Wälzgewindetriebe oder Wälzschraubtriebe, wie beispielsweise Kugelgewindetriebe (KGT als Abkürzung), eingesetzt, wobei als Wälzkörper z.B. Kugeln eingesetzt werden. KGT werden bei Werkzeugmaschinen, wie z. B. Drehmaschinen, auf denen Werkstück- bzw. Werkzeugträger positioniert werden müssen, eingesetzt. Die zu bewegende Komponente kann an der Mutter befestigt werden und zusätzlich über Linearführungen gelagert werden. KGT werden beispielsweise auch bei Pressen, Spritzgießmaschinen und Servolenkungen eingesetzt.

Ein Wälzgewindetrieb umfasst eine Spindel mit einem Gewinde, eine Mutter mit Gewindegängen und Wälzkörper, die in den Gewindegängen der Mutter mit dem Gewinde der Spindel im Eingriff stehen. Ein Motor kann dann die Spindel entweder direkt oder über ein Getriebe antreiben. Als Wälzkörper können sich zwischen Spindel und Mutter in Laufrillen oder Gewindegängen z.B. Kugeln befinden, die beim Drehen der Spindel ihre axiale Position verändern. Wenn sich die Mutter nun um einige Umdrehungen bewegt, erreichen die Kugeln die Enden der Gewindegänge der Mutter und würden am Mutterende herausfallen. Daher werden sie über eine Rückführung oder einen Rückführkanal wieder an anderer Stelle in die Gewindegänge eingeführt. Der Rückführkanal in oder an der Spindelmutter befördert die Kugeln wieder zurück und schließt damit einen Kreislauf, in dem die Kugeln zirkulieren. Bei allgemeinen Wälzgewindetrieben können die Wälzköper auch zylinderförmig, tonnenförmig, kegelförmig, etc. sein, die Rückführkanäle sind dann entsprechend an die Wälzkörper angepasst.

Die Wälzkörper werden demnach beim Einbringen in die Gewindegänge belastet und beim Austreten aus den Gewindegängen wieder entlastet. Nach dem Austreten aus den Gewindegängen werden die Wälzkörper nicht mehr zwischen Spindel und Mutter angetrieben, sondern bewegen sich teils durch die mitgenommene Bewegungsenergie aus den Gewinde gängen und teils durch gegenseitiges Anschieben durch die aus den Gewindegängen austretenden Wälzkörper.

Ferner sind aus der konventionellen Technik auch invertierte Kugel- und Wälzgewindetriebe, bei denen die Mutter als vergleichsweise langes Rohr mit Innengewinde ausgeführt ist und die Spindel nur wenige Gewindegänge aufweist, bekannt. Bei diesen Wälzgewindetrieben sind die Rückführkanäle auf der Spindel angeordnet, d.h. die Wälzkörper werden dann nach innen vom Gewinde der Mutter weggeführt.

Prinzipiell lassen sich zwei verschiedene Technologien bei den Rückführkanälen unterscheiden. Zum einen gibt es radiale Rückführkanäle, die die Wälzkörper in ein oder mehrere Schleifen um die Spindel herum zurückführen. Die Bahn der Wälzkörper durch den Rückführkanal verläuft dann ebenfalls radial um die Spindel herum, bzw. innerhalb der Spindel im Falle von invertierten Wälzgewindetrieben. Zum anderen sind axiale Rückführungen bekannt, bei der die Kugeln in axialer Richtung, d.h. parallel zu der Spindel, zurückgeführt werden. Dies kann beispielsweise über die gesamte Länge der Spindel hinweg geschehen. Die Rückführkanäle können z.B. aus kreisförmigen und geraden Segmenten zusammengesetzt werden. Diese Konzepte weisen den Nachteil auf, dass entlang der Bahn in dem Rückführkanal zum Teil abrupte Richtungsänderungen der Wälzkörper und damit hohe Beschleunigun- gen an den Wälzkörpern auftreten, die zu entsprechenden Vibrationen der Wälzkörper, der Mutter und der Spindel führen können.

Die Vibrationen haben zur Folge, dass es zu erhöhtem Verschleiß der Wälzkörper und der Laufflächen in den Gewindegängen und in dem Rückführungskanal kommen kann.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Konzept für einen Rückführkanal eines Wälzgewindetriebs zu schaffen.

Die Aufgabe wird gemäß den anhängigen Patentansprüchen gelöst.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beruhen auf der Erkenntnis, dass die Vibrationseigenschaften eines Wälzgewindetriebes dadurch positiv beeinflusst werden können, dass die Form des Rückführkanals verbessert wird. Beispielsweise kann die Bahn der Wälzkörper durch den Rückführkanal so optimiert werden, dass abrupte Beschleunigungen oder Richtungsänderungen der Wälzkörper reduziert werden.

Unter der Bahn der Wälzkörper sei hier die Ortskurve, die ein Mittelpunkt eines z. B. kugelförmigen Wälzkörpers durch den Rückführkanal beschreibt, verstanden. In Ausführungsbeispielen können alle Arten von Wälzkörpern vorkommen, die Wälzköper können beispielsweise kugelförmig, zylinderförmig, tonnenförmig, kegelförmig, etc. sein, die Rückführkanäle sind dann entsprechend an die Wälzkörper ange- passt. Bei nicht kugelförmigen Wälzkörpern kann unter der Bahn der Wälzkörper die Ortskurve, die ein Mittelpunkt einer Rotationsachse des Wälzkörpers durch den Rückführkanal beschreibt, verstanden werden. In Ausführungsbeispielen kann die Bahn der Wälzkörper beispielsweise so geformt sein, dass eine Richtungsänderung entlang der Bahn zwischen zwei benachbarten Wälzkörpern reduziert oder minimiert wird. Ausführungsbeispiele des Rückführkanals können daher eine Bahn oder eine Tra- jektorie aufweisen, die über ein mathematisches Modell entworfen oder optimiert wurde. Generell beruhen Ausführungsbeispiele auf der Erkenntnis, dass die oben erwähnten Vibrationen durch Richtungsänderungen der Wälzkörper hervorgerufen werden. Darüber hinaus geht mit jeder Richtungsänderung eine erhöhte Reibung einher, die zwischen dem Rückführkanal und dem darin befindlichen Wälzkörper auftritt. Ausführungsbeispiele können daher auf der Erkenntnis beruhen, dass eine Reduzierung dieser Reibung zu einem verminderten Verschleiß führt. In Ausführungsbeispielen kann dies beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Krümmungen entlang der Bahn, d.h. also die insgesamt durchgeführten oder totalen Richtungsänderungen der Wälzkörper entlang der Bahn, reduziert oder minimiert werden.

Die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele beziehen sich sowohl auf reguläre als auch auf Rückführkanäle für invertierte Wälzgewindetriebe. In anderen Worten können Ausführungsbeispiele Rückführkanäle für Muttern und für Spindeln von Wälzgewindetrieben umfassen.

Dies kann als mathematisches Problem formuliert werden. Die Randbedingungen für dieses mathematische Problem sind die Positionen und Richtungsvektoren der Wälzkörper beim Ein- und Austreten in bzw. aus dem Rückführkanal, sowie das Profil der Spindel oder der Mutter, an dem die Wälzkörper vorbei geführt werden. In anderen Ausführungsbeispielen kann auch eine Krümmung oder Richtungsänderungen insgesamt reduziert oder optimiert werden. In anderen Worten kann eine Abweichung, beispielsweise eine Varianz, der Richtungsänderungen entlang des Rückführkanals reduziert werden. Die Randbedingungen sind dabei die gleichen, wie bereits oben erwähnt.

Ausführungsbeispiele können daher eine reduzierte Reibung entlang des Rückführkanals bereitstellen und somit zu einer höheren Effizienz des Rückführkanals und des gesamten Kuge Ige winde trieb s führen. Darüber hinaus können sich durch Aus- führungsbeispiele der Verschleiß und die Vibrationen, sowie die Geräuschentwicklung, in einem Rückführkanal reduzieren lassen.

Ausführungsbeispiele stellen daher einen Rückführkanal zur Rückführung von Wälzkörpern in einem Wälzgewindetrieb bereit, wobei der Rückführkanal einen Eintrittsbereich zur Aufnahme der Wälzkörper aus einer Eintrittsrichtung von einem Gewindegang einer Mutter oder einer Spindel und einen Austrittsbereich zur Rückführung der Wälzkörper in einer Austrittsrichtung in den Gewindegang der Mutter oder der Spindel umfasst. Der Rückführkanal ist ausgebildet, um die Wälzkörper von dem Eintrittsbereich zu dem Austrittsbereich entlang einer Bahn zu führen, wobei eine Krümmung der Bahn um weniger als 10% einer mittleren Krümmung der Bahn variiert.

Die Länge des Rückführkanals kann zwischen dem Eintrittsbereich und dem Austrittsbereich weniger als das Doppelte der direkten Verbindungsstrecke zwischen dem Eintrittsbereich und dem Austrittsbereich betragen. In weiteren Ausführungsbeispielen kann die Länge, also der innerhalb der Rückführkanals von einem Wälzkörper zurückgelegte Weg, auch kürzer als das 1,5-fache, das 1,2-fache oder das 1,1 -fache des Abstandes zwischen dem Eintrittsbereich und dem Austrittsbereich betragen.

Die integrale Richtungsänderung eines Wälzkörpers entlang der Bahn kann kleiner als die doppelte Differenz zwischen der Eintrittsrichtung und der Austrittsrichtung sein. In anderen Worten lässt sich zwischen der Eintrittsrichtung und der Austrittsrichtung eine Richtungsdifferenz bestimmen. Der Rückführkanal überführt die Wälzkörper von der Eintrittsrichtung hin zur Austrittsrichtung. Der Wälzkörper ändert seine Richtung entlang der Bahn des Rückführkanals demzufolge ebenfalls von der Eintrittsrichtung hin zur Austrittsrichtung. Darüber hinaus kann der Wälzkörper jedoch noch weitere Richtungsänderungen in der Bahn vollziehen, beispielsweise um Hindernisse, wie die Spindel, herum. Ausführungsbeispiele können sich auf reguläre Wälzgewindetriebe, bei denen der Rückführkanal in der Mutter verläuft und die Wälzkörper an der Spindel vorbei geführt werden und auch auf invertierte Wälzgewindetriebe, bei denen der Rückführkanal in der Spindel verläuft und die Wälzkörper an der Mutter vorbei geführt werden, beziehen.

Ausführungsbeispiele können dabei auch Muttern umfassen, bei denen der Rückführkanal durch ein weiteres Teil geschaffen wird und auch Muttern mit ausschließlich durch mechanische Bearbeitung integriertem Rückführkanal. In anderen Worten können in Ausführungsbeispielen die Mutter und der Rückführkanal auch einstückig ausgebildet sein. Darüber hinaus können Ausführungsbeispiele auch Spindeln umfassen, die für inverse Wälzgewindetriebe angepasst sind, bei denen der Rückführkanal durch ein weiteres Teil geschaffen wird und auch Spindeln mit ausschließlich durch mechanische Bearbeitung integriertem Rückführkanal. In anderen Worten können in Ausführungsbespielen die Spindel und der Rückführkanal auch einstückig ausgebildet sein.

Unter der integralen Richtungsänderung entlang der Bahn sei im Wesentlichen die Summe aller Richtungsänderungsbeträge entlang der Bahn verstanden.

In einem Ausführungsbeispiel kann die integrale Richtungsänderung eines Wälzkörpers entlang der Bahn zwischen der Eintrittsrichtung und der Austrittsrichtung gleich der Differenz zwischen der Eintrittsrichtung und der Austrittsrichtung sein. In weiteren Ausführungsbeispielen kann der Rückführkanal zur Rückführung von beispielsweise Kugeln als Wälzkörper entlang einer Bahn angepasst sein, wobei die Mittelpunkte der Kugeln auf ihrem Weg von dem Eintrittsbereich zu dem Austrittsbereich die Bahn beschreiben, wobei eine maximale Krümmung der Bahn weniger als der Hälfte des Reziprokes eines Kugelradius oder eines Wälzköφerradius entspricht. In anderen Worten ist dann der minimale Krümmungsradius der Bahn wenigsten doppelt so groß wie der Radius einer Kugel oder eines Wälzkörpers.

In Ausführungsbeispielen kann die Bahn zumindest abschnittsweise oder vollständig entlang einer Kugeloberfläche verlaufen. Darüber hinaus können Ausführungs- beispiele auch eine Mutter oder eine Spindel für einen Wälzgewindetrieb mit einem Rückführkanal oder auch einen Wälzgewindetrieb mit einem Rückführkanal gemäß der obigen Beschreibung umfassen.

Ausführungsbeispiele können auch ein Verfahren zur Ermittlung einer Bahn eines Rückführkanals zur Rückführung von Wälzkörpern in einem Wälzgewindetrieb schaffen, wobei der Rückführkanal einen Eintrittsbereich zur Aufnahme der Wälzkörper aus einer Eintrittsrichtung von einem Gewindegang einer Mutter oder einer Spindel und einen Austrittsbereich zur Rückführung der Wälzkörper in einer Austrittsrichtung in den Gewindegang der Mutter oder der Spindel umfasst. Der Rückführkanal führt die Wälzkörper von dem Eintrittsbereich zu dem Austrittsbereich entlang der Bahn. Das Verfahren umfasst ein Ermitteln der Bahn ausgehend von der Eintrittsrichtung hin zu der Austrittsrichtung unter der Bedingung, dass ein Krümmungsverlauf der Bahn um weniger als 10% einer mittleren Krümmung variiert.

Ausführungsbeispiele könne auch ein Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung eines der oben genannten Verfahren umfassen, wenn der Programmcode von einem Prozessor ausgeführt wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele, auf weiche die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist, näher beschrieben. Es zeigen

Figur 1 eine Illustration eines Bahnentwurfs in einem Ausführungsbeispiel;

Figur 2 eine Gegenüberstellung von Simulationsergebnissen eines Ausführungsbeispiels mit dem Stand der Technik;

Figur 3 ein Diagramm zur Veranschaulichung eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Entwurf eines Rückführkanals; und Figur 4 zwei Diagramme mit zweidimensionalen Verläufen von Ausführungsbeispielen und herkömmlichen Rückführkanälen.

Die Figur 1 illustriert den Entwurf einer Bahn in einem Ausführungsbeispiel. Ausgehend von einem Anfangspunkt 100 oder„a" treten die Wälzkörper aus dem Gewindegang der Mutter oder der Spindel aus und in den Rückführkanal ein. Diese Eintrittsrichtung in den Rückführkanal ist in der Figur 1 mit„t_a" bezeichnet. Es sei ferner angemerkt, dass davon ausgegangen wird, dass die Größen in der Figur 1 in einem kartesischen Koordinatensystem 105 dargestellt sind. Nachdem die Wälzkörper aus dem Gewindegang der Mutter oder der Spindel ausgetreten sind, werden sie über den Rückführkanal zum Eintrittsbereich des Gewindegangs zurückgeführt, welcher mit dem Austrittsbereich des Rückführkanals zusammenfällt. Dieser Punkt ist in der Figur 1 mit 120 oder„b" bezeichnet.

Die Eintrittsrichtung in den Rückführkanal fällt generell nicht mit der Austrittsrichtung aus dem Rückführkanal zusammen. Dies illustriert die Figur 1 durch den Vektor„t_b". Wie in der Figur 1 zu erkennen ist, führt der Weg von„a" nach„b" an einem Hindernis 1 10 vorbei. Bei einem realistischen Wälzgewindetrieb entspricht die Spindel, bzw. die Mutter, oder deren Wand dem Hindernis 1 10. In anderen Worten kann ein Wälzkörper nicht auf dem gleichen Weg oder auf der gleichen Bahn zurückgeführt werden, den er bereits durch den Gewindegang der Spindel oder der Mutter durchlaufen hat. Vielmehr muss der Wälzkörper zunächst ein Stück von der Spindel oder der Mutter entfernt werden, und dann außen vorbei zurück zum Eintrittsbereich des Gewindeganges gebracht werden. Wie bereits oben geschildert können Ausführungsbeispiele die auf die Wälzkörper wirkenden Kräfte reduzieren, indem ein Wälzkörper entlang einer Bahn durch den Rückführkanal geführt wird, wobei eine Krümmung der Bahn um weniger als 10% einer mittleren Krümmung der Bahn variiert.

In anderen Worten ausgedrückt muss der Wälzkörper auf seinem Weg zurück in axialer Richtung entlang der Spindel oder der Mutter bewegt werden. Der kürzeste Weg, der dafür zur Verfügung steht, wäre die direkte Verbindung zwischen dem Eintrittsbereich des Rückführkanals, welcher gleich im Austrittsbereich des Gewindeganges der Mutter oder der Spindel ist, und dem Austrittsbereich des Rückführkanals, welcher gleich dem Eintrittsbereich des Gewindeganges der Mutter oder der Spindel ist. Nachdem abrupte Richtungsänderungen in Ausführungsbeispielen möglichst vermieden werden, ist eine Bahnführung, die direkt nach dem Eintritt in den Rückführkanal abknickt, nicht optimal. Aus diesem Grund werden Ausführungsbeispiele die Wälzkörper zunächst in radialer Richtung von der Spindel oder der Mutter wegführen, um dann über eine entsprechende Krümmung die Wälzkörper außen oder innen herum bis zu dem Austrittsbereich aus dem Rückführkanal zu bringen. Der Weg, den ein solcher Wälzkörper durch den Rückführkanal zurücklegt, wird länger sein als die direkte Verbindung zwischen dem Eintrittsbereich und dem Austrittsbereich. In Ausführungsbeispielen kann dieser Weg beispielsweise das Doppelte der direkten Verbindungsstrecke zwischen dem Eintrittsbereich und dem Austrittsbereich oder weniger betragen.

Ein Wälzkörper wird auf ihrem Weg ihre Richtung ändern. In Ausführungsbeispielen kann dies kontinuierlich, d.h. möglichst gleichmäßig erfolgen. Darüber hinaus können Ausführungsbeispiele die gesamte Richtungsänderung der Wälzkörper reduzieren, bzw. minimieren. Wie bereits oben erläutert kann in Ausführungsbeispielen die integrale Richtungsänderung eines Wälzkörpers entlang der Bahn kleiner als die doppelte Differenz zwischen der Eintrittsrichtung und der Austrittsrichtung sein. In anderen Worten muss zumindest eine Richtungsänderung von der Eintrittsrichtung zur Austrittsrichtung erfolgen. Darüber hinaus können noch weitere Richtungsänderungen erfolgen, beispielsweise um die Wälzkörper um ein Hindernis, d.h. die Spindel oder die Mutter, herumzuführen. Summiert man entlang der Bahn alle Richtungsänderungen auf, so ergibt sich eine kumulative Richtungsänderung, die im Wesentlichen der Summe aller Beträge der Richtungsänderungen auf dem Weg der Wälzkörper durch den Rückführkanal entspricht. Diese gesamte Richtungsänderung kann in Ausführungsbeispielen kleiner als die doppelte Differenz zwischen der Eintrittsrichtung und der Austrittsrichtung sein. In Ausführungsbeispielen kann die Richtungsänderung auch im Wesentlichen gleich der Differenz der Eintrittsrichtung und der Austrittsrichtung sein, beispielsweise wenn keine wesentlichen Richtungsänderungen notwendig sind, um die Wälzkörper um ein Hindernis, wie beispielsweise die Spindel oder die Mutter, herumzuführen. Dies kann dadurch begünstigt werden, dass der Gewindegang der Mutter oder der Spindel die Wälzkörper bereits radial von der Spindel oder der Mutter so weit entfernt, dass die dafür notwendigen Richtungsänderungen nicht mehr auf den Rückführkanal fallen.

Die Minimierung der Richtungsänderung oder die Minimierung der Änderung der Richtungsänderung kann mit einem mathematischen Verfahren zur nichtlinearen Optimierung wie beispielsweise dem Trust-Region- Verfahren oder dem Innere- Punkte-Verfahren erfolgen.

In Ausführungsbeispielen kann sich die Bahn der Wälzkörper durch den Rückführkanal beispielsweise durch die Trajektorie der Mittelpunkte der Wälzkörper, oder deren Rotationsachsen, auf ihrem Weg von dem Eintrittsbereich zu dem Austrittsbereich ergeben. In Ausführungsbeispielen kann eine maximale Krümmung der Bahn weniger als der Hälfte des Reziprokes eines Wälzkörperradius entsprechen. Dabei sei vorausgesetzt, dass die Krümmung umgekehrt proportional zu einem Krümmungsradius ist. Der Krümmungsradius gibt dabei an, wie stark die Bahn gekrümmt ist, d.h. wie groß der Radius eines Kreisbogens sein müsste, dessen Krümmung dem der Bahn entspricht. Der Krümmungsradius ist somit ein Maß für die Krümmung. In anderen Worten kann in Ausführungsbeispielen der Krümmungsradius der Bahn wenigstens doppelt so groß wie ein Wälzköφerradius sein.

In Ausführungsbeispielen kann die Bahn zumindest abschnittsweise oder vollständig entlang einer Kugeloberfläche verlaufen. Ausführungsbeispiele umfassen auch ein Verfahren zur Ermittlung einer Bahn eines Rückführkanals zur Rückführung von Wälzkörpern in einem Wälzgewinde trieb, bei der der Rückführkanal einen Ein- trittsbereich zur Aufnahme der Wälzkörper aus einer Eintrittsrichtung von einem Gewindegang einer Mutter oder einer Spindel und einen Austrittsbereich zur Rückführung der Wälzkörper in einer Austrittsrichtung in den Gewindegang der Mutter oder Spindel umfasst. Der Rückführkanal führt die Wälzkörper von dem Eintrittsbereich zu dem Austrittsbereich entlang der oben beschriebenen Bahn. Das Verfahren umfasst ein Ermitteln der Bahn ausgehend von der Eintrittsrichtung hin zu der Austrittsrichtung unter der Bedingung, dass ein Krümmungsverlauf auf der Bahn um weniger als 10% einer mittleren Krümmung variiert.

Die Figur 2 stellt Simulationsergebnisse für Ausführungsbeispiele Simulationsergebnissen für konventionelle KGT gegenüber. Im Folgenden wird demnach ein regulärer KGT betrachtet, wobei Ausführungsbeispiele weder auf reguläre Wälzgewindetriebe noch auf KGT beschränkt sind. Die Figur 2 zeigt je fünf zeitliche Verläufe von Simulationswerten für ein Ausführungsbeispiel und ein Beispiel aus der konventionellen Technik. Die Simulationsergebnisse für die konventionelle Technik sind auf der linken Seite in der Figur 2 dargestellt, diejenigen für das Ausführungsbeispiel auf der rechten Seite. Die jeweils erste und dritte Zeile der zeitlichen Verläufe der Figur 2 zeigt den radialen Abstand der Kugeln als Wälzkörper von der Spindel. Aus den sinusförmigen Verläufen ist zu erkennen, dass die Kugeln jeweils an die Spindel herangeführt werden, wo der Kraftschluss erfolgt, und diese die Spindel zumindest in einen Winkelbereich umlaufen, bevor sie von der Spindel wieder weggeführt werden und durch den Rückführkanal außen um die Mutter herum zurück in den Eintrittsbereich des Gewindeganges der Mutter geführt werden.

In der zweiten und vierten Zeile der Figur 2 sind jeweils Radialbeschleunigungen aufgetragen, die auf die jeweiligen Wälzkörper oder Kugeln wirken. Dabei ist zunächst zu erkennen, dass jeweils in den Ein- und Austrittsbereichen Spitzen auftreten, d.h. Beschleunigungen treten auf, wenn die Kugeln in den Gewindegang der Mutter eintreten bzw. wenn sie aus diesem austreten oder gleichwertig, wenn sie in den Rückführkanal eintreten oder aus diesem austreten. Bereits hier lässt sich erkennen, dass die Spitzen für die Ausführungsbeispiele nicht so ausgeprägt sind, wie die für die konventionelle Technik. In anderen Worten, kann der Krümmungsverlauf in Ausführungsbeispielen dazu führen, dass auch die im Ein- und Austrittsbereich in den Gewindegang der Mutter auftretenden Beschleunigungen reduziert werden.

Die letzte Zeile der Figur 2 zeigt die Radialbeschleunigungen die auf die Mutter wirken. In anderen Worten werden von allen Wälzkörpern die Radialbeschleunigungen auf die Mutter übertragen, so dass die untere Zeile der Figur 2 eine Zusammenschau aller Beschleunigungen aller Kugeln darstellt. In dem unteren Diagramm ist ebenfalls die jeweils mittlere Beschleunigung aufgetragen. In den unteren Diagrammen lässt sich erkennen, dass die insgesamt auf die Mutter wirkenden Beschleunigungen in Ausführungsbeispielen erheblich reduziert sind. Dies wird durch den optimierten Krümmungsverlauf erreicht, der zum einen die Beschleunigungen reduziert, und in der Folge eine erhebliche Verminderung des Verschleißes an Wälzkörpern, im Rückführkanal und der Mutter oder der Spindel bedingen kann.

Die Figur 3 zeigt ein Diagramm, das auf der Abszisse eine axiale Ausdehnung und auf der Ordinate eine radiale Ausdehnung jeweils in Millimetern angibt. Das Diagramm 300 zeigt dabei ein Beispiel einer Spindel (auch engl. Screw), wobei das Diagramm einem Querschnitt in axialer Richtung gleicht. Die beiden Mulden, die im Verlauf 300 zu erkennen sind, entsprechen dabei einem Gewinde gang der Spindel, wobei die Figur 3 ebenfalls mit Hilfe des Pfeils 315 zeigt, dass die Stelle, an der die Wälzkörper aus dem Gewindegang austreten, in axialer Richtung 7,132 mm von der Stelle entfernt liegt, an der die Wälzkörper wieder in den Gewindegang eintreten. In anderen Worten beträgt die Steigung des Gewindes im vorliegenden Beispiel 7mm. Da allerdings Ein- und Austrittspunkt auch in tangentialer Richtung versetzt sind, ergibt sich hier die Entfernung von 7,132mm.

Darüber hinaus ist der theoretische Verlauf 305 der axialen Rückführung einer Kugel angegeben, deren Radius beispielsweise 1,985 mm umfasst (auch RED von engl. Rolling Element Diameter) und der durch den Pfeil 320 angedeutet ist. Diese Kugel könnte in genau diesem Abstand von dem einen Gewindegang zu dem anderen Gewindegang der Spindel geführt werden, sofern eine Wandstärke des Rückführkanals nicht berücksichtigt würde. Diese führt dazu, dass der tatsächliche Abstand der Kugeln im Rückführkanal um die Wandstärke (auch Spalt, engl. Gap) des Rückführkanals erhöht werden muss, die in der Figur 3 als 320 μηι angenommen wurde und durch den Pfeil 325 angedeutet ist.

Die Figur 4 illustriert zwei zweidimensionale Darstellungen des Verlaufes des Rückführkanals in der Ebene für jeweils verschiedene Optimierungs- oder Ent- wurfskriterien. Die Figur 4 zeigt oben Verläufe in der χ,ζ-Ebene und untern Verläufe in der x,y-Ebene, wobei angenommen wird, dass sich die y,x-Ebene in radialer Richtung, also senkrecht zur Rotationsachse der Spindel, erstreckt, und dass sich die χ,ζ-Ebene in axialer Richtung entlang der Rotationsachse der Spindel erstreckt. Der Verlauf 400, der auch durch„o" gekennzeichnet ist, entspricht der herkömmlichen Technik. Die Kurve 410 zeigt einen Verlauf einer Bahn eines Ausführungsbeispiels, der auch durch„+" gekennzeichnet ist, der auf möglichst geringe Gesamtkrümmung bzw. möglichst geringe integrale Krümmung optimiert wurde. Die Reibung der Kugel im Rückführkanal ist auf deren Normalkraft auf den Rückführkanal zurückzuführen. Diese Normalkraft entsteht aufgrund der notwendigen Richtungsänderungen der Kugel in dem Rückführkanal und den damit verbundenen Fliehkräften. Die Reibung kann somit minimiert werden, indem die Gesamtkrümmung oder die integrale Krümmung der Trajektorie der Wälzkörper minimiert wird.

Die Kurve 420, die auch durch„— " gekennzeichnet ist, zeigt den Verlauf eines Ausführungsbeispiels, der durch Minimierung der Krümmungsvarianz erhalten wird. Damit geht einher, dass die Änderung der Reibung minimiert wird, denn diese steht in direktem Zusammenhang mit der Änderung der Krümmung der Trajektorie bzw. der Bahn. Der Verlauf 430, der auch durch„x" gekennzeichnet ist, zeigt den auf Länge optimierten Verlauf. Es sei ferner darauf hingewiesen, dass in der Figur 4 oben die χ,ζ-Ebene dargestellt ist, wobei der Beginn der jeweiligen Kurven zwischen xl und x2 variieren kann, d.h. dies entspricht im Austrittsbereich des Ge- windeganges der Mutter und dem Eintrittsbereich des Rückführkanals, in dem gewisse Variationen möglich sind. Für die Verläufe, die in der Figur 4 gezeigt sind wird angenommen, dass der Beginn des Rückführkanals genau zwischen den beiden Punkten x2 und xl liegt. Die Koordinate xs für den Beginn des Rückführkanals ergibt sich aus dem Beginn des Bereiches bei xl und einem Wert s multipliziert mit der Größe des Bereichs (x2-xl). Der Wert von s kann zwischen 0 und 1 liegen. Im unteren Bereich sind noch einmal die gleichen Kurven gezeigt, diesmal jedoch in der x,y-Ebene.

An den Kurven in der Figur 4 lässt sich erkennen, dass im Vergleich zur herkömmlichen Technik, die Krümmung deutlich reduziert werden kann, so dass nun kleinere Beschleunigungen auftreten. In anderen Worten zeigt die Figur 4 in beiden Ebenen, dass die herkömmliche Bahnführung die größte Krümmung und damit die größten Beschleunigungen aufweist. Unabhängig nach welchem Kriterium die verbleibenden Kurven gemäß Ausführungsbeispielen entworfen wurden, sie weisen gänzlich geringere Krümmungen, d.h. Richtungsänderungen, auf. Auch hieraus lässt sich erkennen, dass Ausführungsbeispiele den Verschleiß an Kugelgewindetrieben reduzieren können.

Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele der Erfindung in Hardware oder in Software implementiert sein. Die Implementierung kann unter Verwendung eines digitalen Speichermediums, beispielsweise einer Floppy-Disk, einer DVD, einer Blu-ray Disc, einer CD, eines ROM, eines PROM, eines EPROM, eines EEPROM oder eines FLASH-Speichers, einer Festplatte oder eines anderen magnetischen oder optischen Speichers durchgeführt werden, auf dem elektronisch lesbare Steuersignale gespeichert sind, die mit einer programmierbaren Hardwarekomponente derart zusammenwirken können oder zusammenwirken, dass das jeweilige Verfahren durchgeführt wird.

Eine programmierbare Hardwarekomponente kann durch einen Prozessor, ein Computerprozessor (CPU = Central Processing Unit), einen Grafikprozessor (GPU = Graphics Processing Unit), einen Computer, ein Computersystem, einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC = Application-specific Integrated Circuit), einen integrierten Schaltkreis (IC = Integrated Circuit), ein Ein-Chip- System (SOC = System on Chip), ein programmierbares Logikelement oder ein feldprogrammierbares Gatterarray mit einem Mikroprozessor (FPGA = Field Pro- grammable Gate Array) gebildet sein.

Das digitale Speichermedium kann daher maschinen- oder computerlesbar sein. Manche Ausführungsbeispiele umfassen also einen Datenträger, der elektronisch lesbare Steuersignale aufweist, die in der Lage sind, mit einem programmierbaren Computersystem oder einer programmierbare Hardwarekomponente derart zusammenzuwirken, dass eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird. Ein Ausführungsbeispiel ist somit ein Datenträger (oder ein digitales Speichermedium oder ein computerlesbares Medium), auf dem das Programm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufgezeichnet ist.

Allgemein können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung als Programm, Firmware, Computerprogramm oder Computeφrogrammprodukt mit einem Programmcode oder als Daten implementiert sein, wobei der Programmcode oder die Daten dahin gehend wirksam ist bzw. sind, eines der Verfahren durchzuführen, wenn das Programm auf einem Prozessor oder einer programmierbare Hardwarekomponente abläuft. Der Programmcode oder die Daten kann bzw. können beispielsweise auch auf einem maschinenlesbaren Träger oder Datenträger gespeichert sein. Der Programmcode oder die Daten können unter anderem als Quellcode, Maschinencode oder Bytecode sowie als anderer Zwischencode vorliegen.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist ferner ein Datenstrom, eine Signalfolge oder eine Sequenz von Signalen, der bzw. die das Programm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren darstellt bzw. darstellen. Der Datenstrom, die Signalfolge oder die Sequenz von Signalen kann bzw. können beispielsweise dahin gehend konfiguriert sein, über eine Datenkommunikationsverbindung, beispielsweise über das Internet oder ein anderes Netzwerk, transferiert zu werden. Ausführungsbeispiele sind so auch Daten repräsentierende Signalfolgen, die für eine Übersendung über ein Netzwerk oder eine Datenkommunikationsverbindung geeignet sind, wobei die Daten das Programm darstellen.

Ein Programm gemäß einem Ausführungsbeispiel kann eines der Verfahren während seiner Durchführung beispielsweise dadurch umsetzen, dass dieses Speicherstellen ausliest oder in diese ein Datum oder mehrere Daten hinein schreibt, wodurch gegebenenfalls Schaltvorgänge oder andere Vorgänge in Transistorstrukturen, in Verstärkerstrukturen oder in anderen elektrischen, optischen, magnetischen oder nach einem anderen Funktionsprinzip arbeitenden Bauteile hervorgerufen werden. Entsprechend können durch ein Auslesen einer Speicherstelle Daten, Werte, Sensorwerte oder andere Informationen von einem Programm erfasst, bestimmt oder gemessen werden. Ein Programm kann daher durch eine Auslesen von einer oder mehreren Speicherstellen Größen, Werte, Messgrößen und andere Informationen erfassen, bestimmen oder messen, sowie durch ein Schreiben in eine oder mehrere Speicherstellen eine Aktion bewirken, veranlassen oder durchführen sowie andere Geräte, Maschinen und Komponenten ansteuern.

Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei. Bezugszeichenliste

100 Eintrittsbereich in den Rückführkanal

105 Koordinatensystem

1 10 Hindernis, Spindel oder Mutter

120 Austrittsbereich aus dem Rückführkanal

300 Spindelprofil

305 theor. Bahnprofil

310 tats. Bahnprofil

315 Abstand der Kugeln

320 Kugelradius

325 Spalt + Kugelradius

400 konventioneller Verlauf

410 reibungsoptimierter Verlauf

420 krümmungsoptimierter Verlauf

430 längenoptimierter Verlauf

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e Konzept für einen Rückführkanal eines Wälzgewindetriebs

1. Ein Rückführkanal zur Rückführung von Wälzkörpern in einem Wälzgewindetrieb, wobei der Rückführkanal einen Eintrittsbereich zur Aufnahme der Wälzkörper aus einer Eintrittsrichtung von einem Gewindegang einer Mutter oder einer Spindel und einen Austrittsbereich zur Rückführung der Wälzkörper in einer Austrittsrichtung in den Gewindegang der Mutter oder der Spindel umfasst und wobei der Rückführkanal ausgebildet ist, um die Wälzkörper von dem Eintrittsbereich zu dem Austrittsbereich entlang einer Bahn zu führen, wobei eine Krümmung der Bahn um weniger als 10% einer mittleren Krümmung der Bahn variiert.

2. Der Rückführkanal gemäß Anspruch 1, bei dem die Länge des Rückführkanals zwischen dem Eintrittsbereich und dem Austrittsbereich weniger als das Doppelte der direkten Verbindungsstrecke zwischen dem Eintrittsbereich und dem Austrittsbereich beträgt.

3. Der Rückführkanal gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die integrale Richtungsänderung eines Wälzkörpers entlang der Bahn kleiner als die doppelte Differenz zwischen der Eintrittsrichtung und der Austrittsrichtung ist.

4. Der Rückführkanal gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die integrale Richtungsänderung eines Wälzkörpers entlang der Bahn zwischen der Eintrittsrichtung und der Austrittsrichtung gleich der Differenz zwischen der Eintrittsrichtung und der Austrittsrichtung ist.

5. Der Rückführkanal gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, der zur Rückführung von Kugeln als Wälzkörper entlang der Bahn angepasst ist, wobei die Mittelpunkte der Kugeln auf ihrem Weg von dem Eintrittsbereich zu dem Austrittsbereich die Bahn beschreiben, wobei eine maximale Krümmung der Bahn weniger als der Hälfte des Reziprokes eines Kugelradius entspricht.

6. Der Rückführkanal gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Bahn zumindest abschnittsweise oder vollständig entlang einer Kugeloberflä- che verläuft.

7. Eine Mutter oder eine Spindel für einen Wälzgewindetrieb mit einem Rückführkanal gemäß einem der vorangehenden Ansprüche.

8. Ein Wälzgewindetrieb mit einem Rückführkanal gemäß einem der vorangehenden Ansprüche.

9. Ein Verfahren zur Ermittlung einer Bahn eines Rückführkanals zur Rückführung von Wälzkörpern in einem Wälzgewindetrieb, wobei der Rückführkanal einen Eintrittsbereich zur Aufnahme der Wälzkörper aus einer Eintrittsrichtung von einem Gewindegang einer Mutter oder einer Spindel und einen Austrittsbereich zur Rückführung der Wälzkörper in einer Austrittsrichtung in den Gewindegang der Mutter oder der Spindel umfasst und wobei der Rückführkanal die Wälzkörper von dem Eintrittsbereich zu dem Austrittsbereich entlang der Bahn zu führt, umfassend: Ermitteln der Bahn ausgehend von der Eintrittsrichtung hin zu der Austrittsrichtung unter der Bedingung, dass ein Krümmungsverlauf der Bahn um weniger als 10% einer mittleren Krümmung variiert.

Ein Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 9, wenn der Programmcode von einem Prozessor ausgeführt wird.