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Dokumentenidentifikation DE102005053621A1 16.05.2007
Titel Kugelgewindetrieb
Anmelder Schaeffler KG, 91074 Herzogenaurach, DE
Erfinder Osterlänger, Jürgen, Dipl.-Ing., 91448 Emskirchen, DE;
Kraus, Manfred, Dr., 91074 Herzogenaurach, DE
DE-Anmeldedatum 10.11.2005
DE-Aktenzeichen 102005053621
Offenlegungstag 16.05.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 16.05.2007
IPC-Hauptklasse F16H 25/22(2006.01)A, F, I, 20051110, B, H, DE
Zusammenfassung Kugelgewindetrieb, umfassend eine ein Außengewinde aufweisende Gewindespindel und eine ein Innengewinde aufweisende Mutter, die auf der Gewindespindel über in die beidseitigen Gewinde eingreifende Kugeln geführt ist, welche Kugeln über eine mutterseitige Kugelumlenkung umgelenkt werden, wobei der Kugeldurchmesser (D) der in wenigstens zwei einmal umlaufenden Kugelreihen (I, II, III) geführten Kugeln (6) gleich oder größer als die Gewindesteigung (S) ist, wobei zwischen zwei Kugelreihen (I, II, III) mindestens ein Gewindegang (7) kugelfrei ist.

Beschreibung[de]
Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Kugelgewindetrieb umfassend eine ein Außengewinde aufweisende Gewindespindel und eine ein Innengewinde aufweisende Mutter, die auf der Gewindespindel über in die beidseitigen Gewinde eingreifende Kugeln geführt ist, welche Kugeln über eine mutterseitige Kugelumlenkung umgelenkt werden.

Hintergrund der Erfindung

Derartige Kugelgewindetriebe kommen für Stellaufgaben in verschiedensten Anwendungen im Bereich des Maschinenbaus oder der Kraftfahrzeugtechnik zum Einsatz. Häufig besteht einsatzbedingt der Wunsch nach einer möglichst kleinen Steigung des Gewindetriebs, um ein ansonsten häufiger erforderliches zusätzliches Stellgetriebe einzusparen. Mit abnehmender Steigung jedoch ergeben sich eine Reihe von Schwierigkeiten. Zum einen lassen sich die Kugeln, deren Durchmesser bei bekannten Kugelgewindetrieben stets kleiner als die Gewindesteigung ist, nicht beliebig klein ausführen, ohne dass die Toleranzempfindlichkeit zunimmt. Je kleiner die Kugeln sind, um so geringer ist ihre Einfederung unter Last. Infolgedessen wirken sich Ungenauigkeiten wie Steigungsunterschiede zwischen Muttergewinde und Spindelgewinde bei kleineren und steiferen Kugeln stärker aus als bei größeren. Dies hat zur Folge, dass die Lastverteilung ungleichmäßiger wird und einzelne Kugeln evtl. gar nicht tragen. Auch ist die Herstellung solcher Kugelgewindetriebe mit Steigungen ≤ 4 mm, insbesondere ≤ 3 mm, sehr aufwändig, da infolge der im Durchmesser sehr kleinen Kugeln eine feinwerktechnische Herstellung erforderlich ist. Beispielsweise sind bei einer Steigung von 2 mm Kugeln mit einem Durchmesser von 1,5 mm üblich, was zu Montageproblemen führt. Weiter nachteilig ist, dass bei kleinen Steigungen der Abstand zwischen zwei benachbarten Kugeln relativ klein ist, so dass häufig nicht genügend Raum zur Verfügung steht, um die Kugelumlenkung zu positionieren, insbesondere wenn Einzelumlenkungen gewählt sind. Wird infolgedessen der Kugeldurchmesser weiter verkleinert, verstärken sich die oben angegebenen Schwierigkeiten.

Zusammenfassung der Erfindung

Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, einen Kugelgewindetrieb anzugeben, mit dem kleine und kleinste Steigungen realisiert werden können, und der darüber hinaus in seiner Herstellung gegenüber bisher bekannten Kugelgewindetrieben mit geringer Steigung günstiger und robust gegen Querkräfte und Biegemomente ist.

Zur Lösung dieses Problems ist bei einem Kugelgewindetrieb der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Kugeldurchmesser der in wenigstens zwei einmal umlaufenden Kugelreihen geführten Kugeln gleich oder größer als die Gewindesteigung ist, wobei zwischen zwei Kugelreihen mindestens ein Gewindegang kugelfrei ist.

Beim erfindungsgemäßen Kugeltrieb ist. in Abkehr von allen bisher bekannten Gestaltungsweisen der Kugeldurchmesser mindestens gleich, bevorzugt aber größer als die Gewindesteigung, es werden also, verglichen mit Kugelgewindetrieben mit entsprechender Steigung, größere Kugeln verwendet. Die Kugeln sind erfindungsgemäß in zwei oder mehr separaten Kugelreihen geführt, die jeweils einmal umlaufen, mithin sind also Einzelkugelumlenkungen vorgesehen. Infolge des größeren Kugeldurchmessers ist zwischen zwei Kugelreihen jeweils mindestens ein Gewindegang kugelfrei, um Kugelkollisionen zu vermeiden.

Mit dem erfindungsgemäßen Kugelgewindetrieb sind folglich sehr kleine Steigungen realisierbar, wobei ausreichend große Kugeln verwendet werden, die zum einen eine gute Handhabung ermöglichen, mithin also auch die Herstellung relativ einfach und auch kostengünstig ist. Darüber hinaus sind, verglichen mit vergleichbaren Lösungen mit kleinen Kugeln, deutlich höhere Querkräfte und Biegemomente aufnehmbar, mithin ist also der Gewindetrieb selbst deutlich robuster, die Tragfähigkeit ist groß. Infolge der zwangsläufig vorgesehenen Beabstandung der Kugelreihen ergeben sich auch keine Schwierigkeiten hinsichtlich der Kugelumlenkung, die hier erfindungsgemäß als Einzelumlenkungen realisiert sind und ohne weiteres integriert werden können.

Mit dem erfindungsgemäßen Kugelgewindetrieb können folglich kleinste Steigungen, also Steigungen mit weniger als 4 mm, insbesondere im Bereich von 3 mm oder 2 mm, einsatzbedingt mithin auch noch kleiner, realisiert werden. Bezogen auf den Kugeldurchmesser bedeutet dies, dass mit dem erfindungsgemäßen Kugelgewindetrieb bei einem Kugeldurchmesser von z. B. 3 mm die Steigung – statt z. B. etwa 4 mm bei einem konventionellen Kugelgewindetrieb und bereits „minimal" ausgeführte Steigung – erfindungsgemäß z. B. 2,5 mm oder weniger betragen kann.

Das Verhältnis zwischen Kugeldurchmesser zu Gewindesteigung ist erfindungsgemäß ≥ 1 und ≤ 1,8 ist. Bei einem Verhältnis > 1,8 werden die möglichen Druckwinkel zwischen Mutter bzw. Spindel und Kugel so gering, dass die axiale Tragfähigkeit unbedeutend wird. Dabei sollte die Auslegung des Kugelgewindetriebs hinsichtlich Steigung und Kugeldurchmesser derart sein, dass der Druckwinkel zwischen Mutter und Kugel bzw. Spindel und Kugel ≥ 15° und ≤ 35° ist und die Schmiegung ≥ 110% und ≤ 130% beträgt. Bei Werten unter 110% wird die Druckellipse zu groß, wofür kein ausreichender Platz vorhanden ist, während bei Werten über 130% schlechte Tragzahlen gegeben sind. Je nach Einsatzzweck bzw. Anwendungsgebiet sollte die Ausgestaltung derart gewählt sein, dass der jeweils zweckmäßigste Druckwinkel bzw. die jeweils zweckmäßigste Schmiegung erreicht wird.

Wie bereits beschrieben ist die Kugelumlenkung bei dem erfindungsgemäßen Kugelgewindetrieb als Einzelumlenkung ausgebildet, wobei jeweils separate Einzelumlenkungen für jeweils separate Kugelreihen vorgesehen sind.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele. Dabei zeigen:

1 eine Schnittansicht durch einen erfindungsgemäßen Kugelgewindetrieb in Form einer Prinzipdarstellung,

2 eine vergrößerte Teilansicht aus 1,

3 eine Prinzipdarstellung einer Kugelumlenkung,

4 eine Teilansicht einer möglichen Einzelkugelumlenkung, und

5 eine Perspektivdarstellung der Einzelumlenkung.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen

1 zeigt in Form einer Prinzipdarstellung einen erfindungsgemäßen Kugelgewindetrieb 1 bestehend aus einer Gewindespindel 2 mit einem Außengewinde 3 sowie einer Mutter 4 mit einem Innengewinde 5, wobei zwischen Außengewinde 3 und Innengewinde 5 Kugeln 6 geführt sind, die in separaten Kugelreihen I, II und III laufen, wobei jeder Kugelreihe I-III eine Einzelkugelumlenkung zugeordnet ist, worauf nachfolgend noch eingegangen wird. Im gezeigten Beispiel sind drei Kugelreihen vorgesehen, es können natürlich auch nur zwei oder auch mehr Kugelreihen realisiert sein.

Bei dem erfindungsgemäßen Kugelgewindetrieb 1 ist nun der Kugeldurchmesser D mindestens gleich, im gezeigten Ausführungsbeispiel aber größer als die Steigung S des Außengewindes 3 bzw. des Innengewindes 5, wie in 2 ersichtlich ist. Zur Vermeidung von Kugelkollisionen zwischen Kugeln benachbarter Kugelreihen ist der jeweils dazwischen liegende Gewindegang bzw. Ge windeabschnitt 7 jeweils kugelfrei. Zusätzlich ist der Druckwinkel &agr; zwischen Innengewinde 5 bzw. Außengewinde 3 und der jeweiligen Kugel 6 gegenüber den bei herkömmlichen Kugelgewindetrieben mit Kugeln, deren Durchmesser kleiner als die Gewindesteigung ist, von üblicherweise 45° auf Werte zwischen 15° und 35° reduziert. Im Ausführungsbeispiel beträgt der Druckwinkel &agr; 28°. Der geringere Druckwinkel bewirkt zwar formal eine geringere Tragzahl, die bei Kugelgewindetrieben axial definiert ist. Durch die größeren Kugeln, die erfindungsgemäß verwendet werden, wird dieser Effekt jedoch bei weitem kompensiert.

3 zeigt schließlich in vergrößerter Darstellung einen Ausschnitt aus dem Kugelgewindetrieb 1 gemäß 1 im Bereich der Kugelumlenkung 8. In einer entsprechenden mutterseitigen Ausnehmung 9 ist eine Einzelumlenkung 10 eingesetzt, bei der es sich um ein Kunststoffteil handelt. 3 zeigt den Schnitt entlang der Mitte der Einzelkugelumlenkung. Die umzulenkende Kugel 6 befindet sich in einem Bereich oberhalb des die beiden Gewindegänge 7 trennenden Stegs 11, sie wird vom einen Gewindegang 7 in den anderen überführt, wie durch die Bogenlinie, die die beiden Mittelpunkte Z der jeweiligen Kugelendlagen darstellt, angedeutet ist. Infolge der Kugelfreiheit der beiden benachbarten Gewindegänge 7 (also den in 3 gezeigten linken und rechten Gewindegängen) besteht ausreichend Raum, eine hinreichend große Ausnehmung 9 vorzusehen, mithin also auch die Einzelkugelumlenkung 10 hinreichend stark zu dimensionieren, so dass Wandstärken im Bereich des unteren, inneren Endbereichs von 0,5 mm oder je nach gewählter Steigung auch mehr ohne weiteres verwendet werden können. Dies führt dazu, dass eine sichere Kugelumlenkung ohne der Gefahr etwaiger Beschädigungen beim Ein- und Ausfädeln am Kunststoffteil realisiert werden kann.

Die 4 und 5 zeigen schließlich in detaillierter Form eine mögliche Ausgestaltung der Kugelumlenkung. 4 zeigt eine Schnittansicht entsprechend der Darstellung aus 3, während 5 eine detaillierte Perspektivansicht der Einzelumlenkung 10, wie sie in 4 im Schnitt gezeigt ist, darstellt.

Insgesamt kann mit dem erfindungsgemäßen Kugelgewindetrieb eine sehr kleine Steigung realisiert werden, während noch ausreichend handhabbare Kugeln eingesetzt werden können und infolgedessen die Herstellung noch hinreichend einfach und kostengünstig realisiert werden kann. Beispielsweise können bei einer Steigung von 2 mm Kugeln mit einem Durchmesser von 2,4 mm oder 3 mm verwendet werden, je nachdem, wie die jeweiligen Gewinde hinsichtlich Druckwinkel und Schmiegung auszulegen sind, bezogen auf den jeweiligen Einsatzzweck. Auch geringere Steigungen sind realisierbar, wobei das Verhältnis zwischen Kugeldurchmesser und Gewindesteigung im eingangs angegebenen Bereich liegen sollte, entsprechend auch der jeweilige Druckwinkel wie auch die Schmiegung.

Ein derartiger erfindungsgemäßer Kugelgewindetrieb eignet sich infolgedessen für viele Anwendungen, insbesondere solche, bei denen das Erfordernis eines separaten Untersetzungsgetriebes erforderlich wäre, um einen gewünschten Übersetzungsfaktor zu realisieren. Ein solches wird bei Verwendung des erfindungsgemäßen Kugelgewindetriebs unnötig, womit mitunter erhebliche Kosten und Bauraum eingespart werden kann, vielmehr kann der Motor dann unmittelbar die Mutter antreiben. Schließlich ist die Herstellung ausreichend robuster, kraft- und momentenstabiler Triebe möglich.

1
Kugelgewindetrieb
2
Gewindespindel
3
Außengewinde
4
Mutter
5
Innengewinde
6
Kugeln
7
Gewindeabschnitt
8
Kugelumlenkung
9
Ausnehmung
10
Einzelumlenkung
11
Steg
I
Kugelreihe
II
Kugelreihe
III
Kugelreihe
D
Kugeldurchmesser
S
Steigung
Z
Mittelpunkt


Anspruch[de]
Kugelgewindetrieb umfassend eine ein Außengewinde aufweisende Gewindespindel und eine ein Innengewinde aufweisende Mutter, die auf der Gewindespindel über in die beidseitigen Gewinde eingreifende Kugeln geführt ist, welche Kugeln über eine mutterseitige Kugelumlenkung umgelenkt werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Kugeldurchmesser (D) der in wenigstens zwei einmal umlaufenden Kugelreihen (I, II, III) geführten Kugeln (6) gleich oder größer als die Gewindesteigung (S) ist, wobei zwischen zwei Kugelreihen (I, II, III) mindestens ein Gewindegang (7) kugelfrei ist. Kugelgewindetrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Verhältnis Kugeldurchmesser zu Gewindesteigung (D/S) ≥ 1 und ≤ 1,8 ist. Kugelgewindetrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckwinkel (&agr;) zwischen Mutter (4) bzw. Spindel (2) und Kugel (6) ≥ 15° und ≤ 35° ist. Kugelgewindetrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmiegung ≥ 110% und ≤ 130% beträgt. Kugelgewindetrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugelumlenkung (8) eine Einzelumlenkung (10) ist, wobei vorzugsweise separate Einzelumlenkungen (10) für jeweils separate Kugelreihen (I, II, III) vorgesehen sind.






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