DE2061101B2 - Kugelschraubtrieb - Google Patents

Description

Kugelschraubtriebe werden z. B. als Vorschubmechanismus bei Werkzeugmaschinen verwendet sowie bei verschiedenen Arten von Antriebsvorrichtungen einschließlich von motorisch angetriebenen Lenkungen.

Ein herkömmlicher, aus Gewindeschaft und Schubmutter bestehender Schraubtrieb zeigt gewöhnlich eine gewisse Selbsthemmung, da sein statischer Reibungswinkel größer ist als sein Anschnittwinkel. Ein Schraubtrieb mit kugelgelagerter Schubmutter hingegen zeigt seiner Natur nach keine wesentliche Selbsthemmung, da sein Reibungswinkel außerordentlich klein ist. Deshalb werden Schraubtriebe mit kugelgelagerter Schubmutter weithin eingesetzt, weil die erforderliche Antriebsdrehkraft beträchtlich vermindert ist, soweit durch die Drehung des Gewindeschaftes die Schubmutter axial bewegt wird. Wird indessen die Anordnung in der Weise gebraucht, daß durch eine axiale Verschiebung der Schubmutter der Gewindeschaft verdreht werden soll, dann haben die Lagerkugeln die Tendenz, von ihrem vorbestimmten Ort wegzulaufen.

Die bei den herkömmlichen Kugelschraubtrieben vorgesehene Kugellaufflächen-Profilkurve — senkrecht zur Steigung der die Kugeln führenden Gewinderille gesehen — wird von einem Paar bisymrnetrischer Bögen gebildet, deren Mittelpunkte nicht zusammenfallen und die mitunter ihrer Form nach als »gotische Bögen« bezeichnet werden. Wenn in den Gewinderillen, die Profilkurven einer solchen »gotischen« Bogenform aufweisen, eine Lagerkugel anfängt, aus dem ihr vorbestimmten Drehort herauszulaufen, dann tendiert s sie mehr und mehr dazu, sich in der Richtung dieser Bewegung weiter zu bewegen, wenn nicht eine besondere Richtkraft auf sie zur Einwirkung gebracht wird. Spielt sich nun dieses Phänomen der Lagerkugelbewegung in einem herkömmlichen Kugelschraubtrieb ab, dann fluktuiert der Berührungspunkt der Lagerkugel relativ zum Gewindeschaft und zur Schubmutter, so daß die Kugeln des ganzen Kugelsatzes sich bei ihrer Rollbewegung gegenseitig stören, da ja jede von ihnen mit einer ihr eigenen Rollgeschwindigkeit fluktuiert.

Dabei entsteht eine zunehmende Reibungskraft, die beim Betrieb des Schraubtriebs Pulsationsbewegungen hervorruft, wie man sie beim Auftreten ruckartiger Verzögerungen (stick slip) feststellen kann. Dadurch wird z. B. der Lenker einer motorisch angetriebenen Lenkung verunsichert, und es wird auch die Lebensdauer des Kugelschraubtriebs verringert

Im Rahmen dieser Technologie betrifft die Erfindung einen Kugelschraubtrieb, bestehend aus einer Mutter mit Innengewinderille, einem durch die Mutter geführten Schaft mit Außengewinderille, der mit der Innengewinderille einen schraubenförmig um die Schafitachse verlaufenden Gewindegang bildet, und einem Satz Kugeln in dem Gewindegang, wobei die Gewinderillen zur Führung der Kugeln in zum Gewindegang senkrechten Schnittebenen paarweise zusammenwirkende Laufflächenprofile aufweisen, von denen wenigstens eines einen bogenförmigen, konkaven Profilabschnitt aufweist, an den sich beiderseits längs tangentialer Verlängerungslinien vom Kugelmittelpunkt zurücktretende Rillenabschnitte anschließen, so daß beiderseits des Profilabschnitts Profilkanten entstehen. Solche Kugelschraubtriebe sind bekannt, wie das deutsche Gebrauchsmuster 18 63 831 zeigt.

Bei diesen Kugelschraubtrieben ergeben sich folgende Schwierigkeiten: Zwischen den Kugeln und den bogenförmigen, konkaven Profilabschnitten besteht ein ovaler Kontaktbereich. Wenn nun die Krümmung der bogenförmigen, konkaven Profilabschnitte wesentlich größer ist als die der Kugeln, dann kann sich ein ovaler Kontaktbereich, der eine Richtkraft nach den Hertzschen Formelbeziehungen auszuüben in der Lage wäre, nur unvollständig oder gar nicht bilden.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei Kugelschraubtrieben der in Frage stehenden Art die Formgebung der Laufflächenprofile so zu wählen, daß — unter Vermeidung der vorstehend erwähnten, bei den bekannten Anordnungen auftretenden Einschränkungen — in jedem Falle auf die Kugeln eine Richtkraft nach den Hertzschen Formelbeziehungen ausgeübt wird.

Gelöst wird diese Aufgabe nach der Erfindung dadurch, daß der bogenförmige konkave Profilabschnitt so geformt ist, daß die Breite des durch die Flächenpressung der Kugeln auf dem Profilabschnitt entstehenden ovalen Kontaktbereichs annähernd gleich dem Abstand der Profilkanten voneinander ist.

Wenn in dieser Weise die Breite der durch die Flächenpressung der Kugeln auf den Profilabschnitten entstehenden bogenförmigen konkaven Kontaktbereichen mit den Krümmungsradien der Kugeln einerseits und denen der genannten Profilabschnitte andererseits in der richtigen Übereinstimmung steht, dann kann das teilweise Außereingrifftreten der ovalen Kontaktberei-

ehe und damit das Entstehen der gewünschten Richtkräfte bereits eintreten, wenn eine Kugel auch nur ein wenig von ihrer vorgesehenen Rollbahn abzuweichen beginnt Das: aber bedeutet eine entsprechende Erhöhung der Genauigkeit der Kugelführung und damit einen erheblichen technischen Fortschritt.

Zum Stand der Technik ist noch auf die britische Patentschrift 8 56 305 hinzuweisen. Der danach bekannte Kugelschraubtrieb zeigt ebenfalls einen Gewindeschaft mit Außengewinderille, eine Schraubmutter mit komplementärer Innengewinderille, sowie einen Kugelsatz in dem von dien beiden Gewinderillen gebildeten Gewindegang, wobei die beiden Gewinderillen in den zum Gewindegang senkrechten Schnittebenen je zwei verschiedene, die Kugeln tangierende Profilteile aufweisen.

Bei einem Kugelschraubtrieb dieser Art — der also weder die Merkmale der eingangs umrissenen bekannten Kugelschraubtriebe aufweist noch die erfindungsgemäßen Besonderheiten — ist es ziemlich schwierig, die Gewinderillen so herzustellen, daß sich für den Kontakt mit den Laufkugeln ein gleichmäßiges, im Querschnitt bogenförmiges Profil von konstantem Krümmungsradius ergibt, und zwar bei konstanter Lage des Krümmungsmittelpunktes über den ganzen Gewindegang hinweg. Ergibt sich aber bezüglich dieser Bestimmungsstücke irgend eine Ungleichmäßigkeit, dann ist der Druckwinkel (Druckwinkel C in F i g. 1 der genannten britischen Patentschrift) im Belastungsfall nur schwer konstant zu halten. Die Berührungspunkte zwischen den Kugeln und den Flanken des Schraubgewindes beginnen dann auszuwandern, und zwar je nach dem Unterschied zwischen dem Kugelradius und dem Krümmungsradius des Gewindeprofils am Berührungspunkt

Daher mußte bei den bekannten Anordnungen dieser Art der die Kugeln tangierende Profilteil übermäßig breit ausgelegt werden, um unerwarteten Fluktuationen, die ihre Ursache in Flankenspiel (»Flankenluft«) haben können, zu begegnen, und zwar vor allem dann, wenn — etwa bei einer motorgetriebenen Fahrzeuglenkung — der Gewindeschaft infolge einer Axialverschiebung der Schubmutter gedreht wird.

Auch gegenüber dieser bekannten Anordnung zeigt also die Erfindung eine wesentliche Bereicherung der Technik.

Was im einzelnen die sich bei der Erfindung bildenden zurücktretenden Rillenabschnitte anbelangt, so können sie bogenförmig konkav oder auch geradlinig verlaufen, und im übrigen sind zweckmäßig pro Rille zwei konkave Profilabschnitte vorgegeben.

Die Erfindung wird nunmehr an bevorzugten Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung des Näheren erläutert. Die Figuren der Zeichnung stellen im einzelnen folgendes dar.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine erste Ausgestaltungsform eines aus Gewindeschaft, Schubmutter und Lagerkugeln bestehenden Kugelschraubtriebs nach der Erfindung;

F i g. 2 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht längs der Liniell-IIderFig. 1;

F i g. 3 zeigt eine vergrößerte schematische Ansicht ohne Lagerkugeln, in der ein längs der Linie II-1I der F i g. 1 abgenommenes Profil zu sehen ist;

F i g. 4 zeigt eine vergrößerte schematische Schnittansicht, geschnitten längs der Linie IV-IV der F i g. 2, die den Ablauf der Rollbewegung der Lagerkugeln veranschaulicht;

Fig.5 zeigt in einer Schnittansicht eine zweite Ausführungsform der Erfindung anstelle derjenigen nach der F i g. 3; und

Fig.6 zeigt in einer Schnittansicht eine dritte Ausführungsform anstelle derjenigen nach F i g. 3.

In Fig. 1 ist ein Gewindeschaft 10 mit einer Außengewinderille 11 versehen. Eine Schubmutter 12 hat eine zu dieser Außengewinderille 11 komplementäre Innengewinderille 13. In dem durch die Gewinderille 11 und 13 gebildeten Gewindegang ist ein Satz von Kugeln 14 eingeschlossen, der in der Art eines Schraubengewindes den Gewindeschaft 10 mit der Schubmutter 12 verbindet. An der Schubmutter 12 sind in einem bestimmten Abstand zwei nicht dargestellte Bohrungen radial eingebracht, die tangential zu der Innengewinderille 13 verlaufen und untereinander durch ein Rücklaufrohr 15 verbunden sind. Durch dieses Rücklaufrohr 15 sowie die Gewinderillen 11 und 13 wird ein Umlaufweg für die Kugeln 14 gebildet, auf dem diese durch die Relativdrehung von Gewindeschaft 10 und Schubmutter 12 befördert werden.

Die F i g. 2 und 3 zeigen Profile entsprechend einem Schnitt senkrecht zur Steigung der Gewinderillen 11 und 13. Diese Profile sind bisymmetrisch gebildet von einem aus mehreren Abschnitten bestehenden Bogen. Die Laufflächenprofile 20 und 21 der Außengewinderille 11 werden durch bogenförmige konkave Profilabschnitte 22 mit dem Radius R 1 gebildet, die mit der Kugel 14 an Stellen in Berührung stehen, die in einer um einen Winkel von etwa 45° gegenüber der Senkrechten vom Kugelmittelpunkt zur Achse des Gewindeschaftes 10 geneigten Richtung liegen; vgl. hierzu Fig. 2. Die Laufflächenprofile 20 und 21 werden weiterhin durch bogenförmig konkav verlaufende zurücktretende Rillenabschnitte 25 und 26 mit den Radien R 2 bzw. R 3 gebildet, die sich an den kurzen, bogenförmigen konkaven Profilabschnitten 22 anschließen und über tangentiale Linien 23 und 24 an den beiden Enden der bogenförmigen konkaven Profilabschnitte 22 vom Mittelpunkt der Kugel 14 weg nach außen laufen.

Die Laufflächenprofile 30 und 31 der Innengewinderille 13 der Schubmutter 12 werden durch bogenförmige konkave Profilabschnitte 32 gebildet, die den Radius R 4 haben und in einer gleichfalls um einen Winkel von etwa 45° gegenüber der Senkrechten von der Kugelmitte aus zur Achse des Gewindeschaftes 10 geneigten Richtung mit den Kugeln 14 in Berührung stehen. Die Laufflächenprofile 30 und 31 werden weiterhin gebildet durch bogenförmig konkav verlaufende zurücktretende Rillenabschnitte mit den Radien R 5 und R 6, die sich an die bogenförmigen konkaven Profilabschniue 32 anschließen und über tangentiale Linien 33 und 34 an den beiden Enden der bogenförmigen konkaven Profilabschnitte 32 vom Mittelpunkt der Kugel 14 weg nach außen laufen.

An dem Gewindeschaft 10 bilden die bogenförmigen konkaven Profilabschnitte 22 — im Folgenden als erste Profilteile bezeichnet — und die bogenförmig konkav verlaufenden zurücktretenden Rillenabschnitte 25 und 26 — im Folgenden als zweite Profilteile bezeichnet — Profilkanten 27 und 28, wie dies aus F i g. 4 ersichtlich ist. In der Schubmutter 12 hingegen bilden die bogenförmigen konkaven Profilabschnitte 32 — im Folgenden wiederum als erste Profilteile bezeichnet — und die bogenförmig konkav verlaufenden zurücktretenden Rillenabschnitte 35 und 36 — im Folgenden wiederum als zweite Profilteile bezeichnet — Profilkanten 37 und 38. wie man aus F i s. 3 sieht. Wenn nun. wie in F i 0. 2

dargestellt, auf die Schubmutter 12 eine axiale Kraft F einwirkt, dann treten die durch die Laufflächenprolile 20 und 30 gegebenen Berührungsflächen in Kontakt mit der Kugel 14 (F i g. 2), während die durch die Laufflächenprofile 21 und 31 gegebenen Berührungsflächen ein leichtes Spiel gegenüber der Kugel 14 aufweisen, so daß diese in diesem Gebiet einer Fluktuation ihres jeweiligen Ortes auf der Bewegungsbahn fähig ist.

Die Rollbewegungen der Kugel 14 bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform sollen nun anhand der Fig.4 des Näheren erläutert werden. Eine Lagerkugel 14a, die gerade auf ihrem vorbestimmten Bahnort in der Richtung A rollt, steht in Kontakt mit der Oberfläche der Gewinderille in dem durch eine gestrichelte Linie dargestellten ovalen Kontaktbereich Cdes bogenförmigen konkaven Profüabschnitts 22 des ersten Profilt.eiles entsprechend den Hertzschen Formelbeziehungen. Eine durch diesen ovalen Kontaktbereich verursachte Reibungskraft B wirkt in einer Richtung, die der Bewegungsrichtung A der Lagerkugel 14a auf der gemeinsamen Operationslinie entgegengesetzt ist, da das Gebiet der elastischen Deformation der Lagerkugel 14a symmetrisch zu ihrem Mittelpunkt Oist.

Auf eine solche Kugel 146 wirkt ein Richtmoment, wenn z. B. die Kugel 14a aus später noch zu behandelnden Gründen von ihrer vorbestimmten Lage nach links abweicht. Das heißt, daß die Kugel Hb in Richtung A 1 relativ zum Gewindeschaft 10 rollt, wobei kein Gebiet einer möglichen elastischen Deformation in der linken Seite über den Profilkanten 28 wirksam vvrd, da der bogenförmig konkav verlaufende zurücktretende Rillenabschnitt 26 des zweiten Profilteils so geschwungen ist, daß er sich vom Mittelpunkt der Kugel 14Δ» über die an beiden Enden des bogenförmigen konkaven Profüabschnitts 22 gezogene Tangentiallinie hinaus erstreckt. In Übereinstimmung damit berührt die Kugel 146 die durch den bogenförmigen konkaven Profilabschnitt 22 gegebene Oberfläche der Gewinderille in α·ϊΐτι ovalen Kontaktbereich, dem teilweise der Ir-ke Abschnitt fehlt und der mit der gestrichelten Linie Cl bezeichnet ist. Demzufolge wird eine Reibungskraft 31 entgegen der Rollrichtung A I und an der rechten Seite über dem Mittelpunkt O der Lagerkugel 146 erzeugt. Die schräg wirkende Reibungskraft B1 wirkt als «in Moment im Uhrzeigersinn exzentrisch auf die Lagerkugel 146 ein, die die Tendenz hat, in der Richtung A 1 relativ zum Gewindeschaft 10 zu rollen.

Da das im Uhrzeigersinn wirkende Moment als Richtkraft die Rollrichtung: A 1 der Kugel 146 geraderichtet, wird diese abgewichene Kugel 146 auf ihren vorbestimmten Ort der Rollbahn gerichtet. Mit anderen Worten: Weil die genannte Richtkraft auf die Kugel 146 sogleich einwirkt, wenn diese anfängt, von ihrem vorbestimmten Rollpunkt abzuweichen, wird eine solche Abweichung verhindert. Im Gegensatz dazu nind bei einem herkömmlichen Kugelschraubtrieb keine Vorkehrungen getroffen, um die erwähnte elastische Deformationsunsymmetrie relativ zum Mittelpunkt cer Lagerkugel herbeizuführen. Daher ist eine solche herkömmliche Anordnung auch nicht im Stand«, die Lagerkugel auf den vorbestimmten Ort ihrer Ablaufbahn auszurichten, und zwar derart, daß eine Reibungskraft zwangsläufig das erforderliche Richtmoment fiuf die Kugel ausübt.

Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungiiform erscheint in gleicher Weise dieselbe Richtkraft zwischen dem oberen Teil der Lagerkugel 146 und eier Schubmutter 12, um die Kugel auf den vorbestimmter Ort ihrer Bahn auszurichten, und zwar zusammen mil der vorerwähnten Rieh! kraft.

Die F i g. 5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel Rechte und linke Laufflächenprofil 21 und 31 eine; Gewindeschaftes 10a werden hier durch ein Paai bisymmetrischer Einzelbogen mit dem Radius R1 gebildet, der ein wenig größer ist als der Radius R dei Lagerkugel. Die rechten und linken Laufflächenprofüe

ίο der zugehörigen Schubmutter 12a werden durch kurze bogenförmige konkave Profilabschnitte 32a mit dem Radius R 4 gebildet, die mit den Lagerkugeln in einer uneben Winkel von etwa 45° gegenüber der Senkrechter vom Kugelmittelpunkt zur Achse des Gewindeschafts 10a geneigten Richtung in Berührung stehen. Weiterhin werden sie gebildet von bogenförmig konkav verlaufenden zurücktretenden Rillenabschnitten 35a und 36a mil den Radien R 5 bzw. R 6 die vom Kugelmittelpunkt über die an den beiden Enden der bogenförmigen konkaver Profilabschnitte 32a tangentialen Linien nach außer laufen.

Durch die zwischen der Schubmutter 12a und dei Kugel entstehende Reibungskraft werden auch hier die rollenden Kugeln auf den jeweils vorbestimmten Punkl ihrer Abrollbahn gebracht.

Die F i g. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel dei Erfindung, bei dem ein rechtes Laufflächenprofil einet Gewinderille auf einem Gewindeschaft 106 von einem bogenförmigen konkaven Profilabschnitt 226 gebildet wird, der den gleichen Radius aufweist wie die Lagerkugel und der sich längs geradlinig verlaufender zurücktretender Rillenabschnitte 256 und 266 erstreck! mit Ausschwingungen über tangentiale Linien nach außen, die an den beiden Enden des bogenförmiger konkaven Profüabschnitts 226 gezogen sind. Das linke Laufflächenprofil wird hingegen durch eine geneigte Gerade 286 gebildet. In der zugehörigen Schubmutter 126 wird das linke Laufflächenprofil der Gewinderille durch einen bogenförmigen konkaven Profilabschniti 326 gebildet, der den Radius R 4 aufweist, der ein wenig größer ist als der Radius R der Kugel. Das linke Laufflächenprofil wird weiterhin von geradlinig verlaufenden zurücktretenden Rillenabschnitten 356 und 36i gebildet, die vom Kugeimittelpunkt stark nach außen laufen. Das rechte Laufflächenprofil der Gewinderille wird dagegen von einer schrägen Linie 386 gebildet. Der erfindungsgemäße Kugelschraubtrieb in dieser seiner dritten Ausführungsform, die verwendet wird, wenn die Druckkraft nur von der Schubmutter 126 auf den Gewindeschaft 106 wirksam wird, hat im übrigen den gleichen Effekt wie beim ersten Ausführungsbeispiel.

Unter den vier Laufflächenprofilen, die senkrecht zur Steigung der Gewinderillen verlaufen und die Kugel umschließen, wird mindestens eins von dem ersten Profilabschnitt der kurzen bogenförmigen konkaven Profilabschnitte gebildet, die mit den Kugeln im Kontakt stehen, sowie von den zweiten Profilabschnitten, die an den beiden Enden des jeweils ersten Profüabschnitts angeordnet sind und vom Kugelmittelpunkt über von den beiden Enden des jeweils ersten Profüabschnitts ausgehende tangentiale Linien weglaufen. Dadurch ist der Koniaktbereich zwischen der Kugel und dem Gewindeschaft bzw. der Schubmutter bezüg-Hch der Kugelmitte unsymmetrisch, wenn die rollende Kugel aus der vorgegebenen Rollbahn ausbricht. Da die Reibungskraft an der Kugel exzentrisch angreift, tritt eine Richtkraft auf, die die Kugel auf den vorgegebenen

Rollort hin ausrichtet. Der erfindungsgemäße Kugelschraubtrieb ist daher zu einem ungestörten glatten, stoßfreien und in der notwendigen Weise stabilen Vortrieb befähigt und hat außerdem eine erhöhte Lebensdauer.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Kugelschraubtrieb, bestehend aus einer Mutter mit Innengewinderille, einem durch die Mutter geführten Schaft mit Außengewinderille, der mit der Innengewinderille einen schraubenförmig um die Schaftachse verlaufenden Gewindegang bildet, und einem Satz Kugeln in dem Gewindegang, wobei die Gewinderillen zur Führung der Kugeln in zum Gewindegang senkrechten Schnittebenen paarweise zusammenwirkende Laufflächenprofile aufweisen, von denen wenigstens eines einen bogenförmigen, konkaven Profilabschnitt aufweist, an den sich beiderseits längs tangentialer Verlängerungslinien vom Kugelmittelpunkt zurücktretende Rillenabschnitte anschließen, so daß beiderseits des Profilabschnitts Prüfilkanten entstehen, dadurch gekennzeichnet, daß der bogenförmige konkave Profilabschnitt (22,32; 22a, 32a; 22b, 32b) so geformt ist, daß die Breite des durch die Flächenpressung der Kugeln (14) auf dem Profilabschnitt entstehenden ovalen Kontaktbereichs (C) annähernd gleich dem Abstand der Profilkanten (27, 28; 37, 38) voneinander ist.

2. Kugelschraubtrieb nach Anspruch t, dadurch gekennzeichnet, daß die zurücktretenden Rillenabschnitte (25, 26; 36, 36; 35a, 36a) bogenförmig konkav verlaufen (F i g. 3 und 5).

3. Kugelschraubtrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zurücktretenden Rillenabschnitte (256, 26b, 35b, 36b) geradlinig verlaufen (F ig. 6).

4. Kugelschraubtrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß pro Rille zwei konkave Profilabschnitte (22, 32) vorgesehen sind (F ig. 3).