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Schraubengetriebe mit Gewindespindel und Gewindewälzmutter Die Erfindung
bezieht sich auf ein Schraubengetriebe mit Gewindespindel und treibender Gewindewälzmutter,
insbesondere als Linearantrieb, wobei das Innengewinde der treibenden Gewindewälzr1utter
und das Spindelgewinde gleiche Steigung aufweisen und die Rotationsmittelachse der
treibenden Gewindewälzmutter zu der Längsachse der Gewindespindel parallel versetzt
ist (US-PS 2,918,827).
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Ein Schraubengetriebe nach der obengenannten US-PS 2,918,827 vevwendet
nur eine einzige Gewindewälzmutter bei nicht drehender Spindel, die ebenfalls oit
einem Gewinde versehen ist. Wälzlager vor und hinter der treibenden Gewindewälzmutter
legen mit ihren drehbaren Gleitbüchsen die Positionen der Mutter zur Spindel in
radialer Richtung fest. Die radialen Kräfte wirken sich durch den großen stand der
Gleitbuchsen verbiegens auf die Spindel aus.
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Die Spindel bewegt sich wie eine Feile in den Gleitbuchsen.
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Dies führt zu deren Erweiterung. Die gewählte Führungsposition geht
verloren. Selbst geringste elastische Verformungen der Spindel und vor allem die
dadurch auftretende Änderung der Wälzradien, führt zu unterschiedlichen Umlaufwegen
und somit zu unterschiedlichen U'ntersetzunqen.
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Dies wiederum führt zu erheblichen Klemmungen und zu Verschleiß. Eine
Führung der Spindel zu beiden Seiten der Gewindewälzmutter muß sehr hohe radiale
Kräfte auffangen. Nur in Sonderfällen, wenn sehr geringe Wege axial zurückgelegt
werden müssen, ist das beschriebene Prinzip in gewisser Hinsicht funktionsfähig.
Die Gewindewälzmutter selbst ist ebensowenig angetrieben wie die Spindel.
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Angetrieben ist der äußere Lagerring, der mit dem Rotor eines Motors
verbunden ist Die Drehung erfolgt exzentrisch zur Spindelachse. Die Rotationsmittelachse
der Gewindewälzmutter rotiert dabei um die Längsachse der Spindel wie ein Planet,
in dem vorbestimmten Exzentrizitätsabstand.
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Alle Positionen sind starr und verändern sich erst im Gebrauch durch
Toleranzen und Verschleiß. Derartige Schraubengetriebe haben sich in der Praxis
daher nicht durchsetzen können.
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Wenn mehrere 2'älzmutsern hinterenander geschaltet sind, wie dies
beispielsweise die US-PS 2,961,887 zeigt, so ist zwar die Spindel mit einem Gewinde
versehen, die Muttern sind aber sogenannte Wälzringuttern, bei denen zueinander
parallele ebene Ringe eingearbeitet sind.
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Bei dieser Ausführung ist eine Untersetzung nicht möglich.
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Die Nachteile der bekannten Walzmuttersysteme sind ebenfalls nicht
vermieden, so daß Klemmungen durch unterschiedliche Vorschubwege an den verschiedenen
Tragstellen auftreten und somit Vorschubkrä-.rte gegeneinander arbeiten und zu Kennungen
und Verschleiß führen.
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Erklärlich ist diese Erscheinung dadurch, daß die Präz6tsion der Teile
nicht so genau sein kann, daß nicht Steigungsunterschiede am Gewinde, unterschiedliche
Abstände der Wälzringe, unterschiedliche Kippwinkel, unterschiedliche Gewindedurchmesser
oder sonstige Toleranzen zu Hemmungen und Verschleiß führen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den Eingriff zwischen
einem Innengewinde der Gewindewälzringmutter und dem Außengewinde der Gewindespindel
in dem jeweils zur Anlage kommenden Eingriffsbereich auch dann in optimierter Position
zu halten, wenn erhebliche Ungenauigkeiten in Kauf genommen werden müssen und eine
sehr reibungsarme Führung zu finden.
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Bei einem Schraubengetriebe nach dem Oberbegriff löst die gestellte
Aufgabe das Kennzeichen des Anspruchs 1.
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Die Rotationsmittelachse der Gewindewälzmutter bewegt sich nicht um
die Spindelachse, so daß auch hteine Rüttelkräfte auf das Gesamtsystem wirken. Die
Spindel wälzt sich at:f dem Innengewinde der Gewindewälznutter wie ein Planetenrad
in der innenverzahnung eines Planetengetriebes ab, wobei die Umfangsgeschwindigkeit,
jedoch nicht die Drehzahl der miteinander in Berührung kommenden Teile stets gleich
ist. Jeder Schlupf soll ja nach Möglichkeit vermieden werden.
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Die Unteransprache 2 und 7 geben nun Anweisungen, wie eine reibungsarme
Führung, insbesondere durch die freie axiale Eeweglichkeit der führenden Wälzringe
möglich ist. In weiteren Unteransprüchen 3 bis 6 und 13 wird ausgeführt, wie unterschiedliche
Vorschubgeschwindigkeiten, insbesondere zwischen Leerifub und Arbeitshub erreichbar
sind. Dies geschieht durch eine Abbremsung
der Gewindewälzmutter
mit einer Kraft, die großer ist als die Restreibungskräfte, so daß die Gewindewälzmutter
stehen bleibt und somit eine Untersetzung 1 : 1 hergestellt ist. Sobald jedoch Arbeit
zu leisten ist, reicht diese Bremsung nicht mehr aus und die Gewindewälzmutter wird
wälzend von der Spindel mitgedreht, so daß die Untersetzung sich voll auswirkt.
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Durch eine Bremsung kann dies bewußt herbeigeführt werden.
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Es können aber auch die Widerstände des Lagerfetts oder andere Friktionsverluste
als Bremsung für den Leerhub ausreichen.
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Für eine optimale Funktion ist es wünschenswert (Ansprüche 5 bis 8),
wenn mit absoluter Sicherheit jeder Schlupf zwischen Gewindewälzmutter und Spindel
vermieden wird, und wenn vor allen Dingen bei Verwendung mehrerer Muttern, diese
absolut synchron drehen. Die von der Erfindung vorgeschlagene Lösung löst diese
Probleme optimal. Die auf den Gewindekämmen angeordnete Verzahnung greift in entsprechend
verzahnte Partien der Gewindewälzmuttern ein und sorgt für absolute Synchronisation,
ohne daß die Beweglichkeit der muttern im Sinne der Erfindung behindert ist. Besondere
Getriebe oder eine Kupplung der Muttern oder sonstige Hilfsmittel werden gespart.
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Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe auf denkbar einfache Weise
und schafft ein wirklich für Dauergebrauch geeignetes Schraubengetriebe mit hohem
Wirkungsgrad bei einfacher Fertigung, ohne allzu hohe Präzisionsanforderungen.
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Die Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch ein Schraubengetriebe nach
der Erfindung mit einer treibenden Gewindewälzmutter und zwei führenden, axial frei
beweglichen Gewindewälzmuttern.
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Die Fig. 2 zeigt einen Schnitt AlB durch Fig. 1 als Draufsicht.
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Die Fig. 3 zeigt eine prinzipielle Darstellung des erfindungsgemaßen
Eingriffs bei Verwendung eines Flachgewindes.
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Die Fig. 4 zeigt ein Flachgewinde nach Fig. 3, jedoch wird die Veränderung
des Wälzradius gezeigt.
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Die Fig. 5 zeigt eine prinzipielle Darstellung einer formschlüssigen
Kopplung zwischen Cewindespindel und Gewindemutter, Für die Funktion ist es wichtig
zu wissen, daß das Maß der Untersetzung zwischen relativer axialer Bewegung zwischen
Spindel und Mutter von dem Verhältnis der Wålzwege in den beiden Gewinden abhängig
ist. Dieses Verhältnis ändert sich mit der Eingriffstiefe bzw. mit dem Wandern einer
schlupflosen Linie auf den Gewindeflanken, die stets dort ist, wo die größten Kräfte
übertragen werden.
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Alle anderen Berührungsbereiche werden stets geringfügige Relativbewegungen
zueinander ausführen. Auch eine Wälzmutter ist daher nicht ohne Reibungsverlust.
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Obwohl eine Gewindemutter mehrere Gewindegänge aufweist, trägt nur
ein einziger, linienförmiger oder punktförmiger Bereich, es sei denn es treten elastische
Verformungen
auf. Handelt es sich jedoch nicht um Präzisionsteile
und sind diese ggf. unrund, weisen ungleichmäßige Steigung, unsaubere Führung od.
dgl. auf, so können mehrere Berührungszonen auftreten, die axiale und/oder radiale
Kräfte übertragen, wobei sich unterschiedliche Unterseizungsverhältnisse und dabei
unterschiedliche axiale Vorschübe ergeben. Diese Kräfte wirken dann gegeneinander,
erhöhen den Reibungsverlust und den möglichen Verschleiß. Dies ist auch der Grund,
warum theoretisch vorgeschlagene Lösungen mit mehreren axial versetzten, tragenden
Muttern nicht zu einem praktischen Erfolg geführt haben. Bei diesen würden nämlich
die Muttern unterschiedliche axiale Wege ausführen und sch daher zwangsläufig selbst
zerstören. Nur bei sehr geringen Wegen kann diese Erscheinung vermieden werden.
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Die Erfindung daegen verzichtet darauf, mehr als eine treibende Gewibde.eålzmutter
2 zu verwenden und verwendet zusätzlich zwei ausschließlich führende Gewindewälzmuttern
7, die vor und hinter der erstgenannten angeordnet sind, aber keine axialen Kräfte
ubertragen. Ihre Aufgabe in die Aufnahme der radialen Kräfte ohne zusätzliche Reibungsverluste
zu erzeugen. Dabei geht die Erfindung von der ESerlegung aus, daß unterschiedliche
Vorschubwege, deren positiver und negativer Verlauf sich meist über den Hubweg ausgleichen,
bewußt in Kauf genommen werden können, wenn man den führenden Gewindewälzmuttern
r ein axiales Bewegungsspiel in dem Mutterngehäuse 10 gibt.
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Das Gehäuse 10 gibt der treibenden Gewindewälzmutter 2 über die Führungsflächen
15 ausreichend radiales Bewegungsspiel, um über die Stellmittel 21, Druckstück 22,
elastische Zwischenglieder 23 den parallelen Abstand der Rotationsmittelachse 5
von der Längsachse 6 der Gewindespindel 1 einzustellen und für einen zur Aufnahme
der auftretenden radialen Kräfte ausreichenden Andruck zu sorgen.
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Wird ein Flachgewinde 17, wie in den Figuren 3 und 4 gezeigt, verwendet,
so können die radialen Kräfte auf ein Minimum reduziert werden.
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Liegen die Stirnflächen 24 rollend auf den Kernflächen 26 an, so ist
der Wälzrollradius 25 gleich dem Kernradius 16.
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Treten aber große axiale Kräfte auf, kann der eigeetliche Wälzrollradius
25, wie durch Pfeile angedeutet, über die Eingriffstiefe zwischen den Zähnen hin
und her pendeln.
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Dies führt zu erheblichen Anderunqen des Untersetzungsverhältnisses.
Je höher das grundsätzlich gewählte Untersetzungsverhältnis ist, desto stärker wirkt
sich dies ändernd aus. Diese vom Stand der technik noch nicht berücksichtigten Erscheinungen
sind bei Verwendung mehrerer Muttern nicht zu beherrschen, wenn die führenden Getriebewälzmuttern
7 nicht ein ausreichendes axiales freies Spiel aufweisen.
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Wie die Schnittdarstellung nach Fig. 2 zeigt, ist das Kugellager 19,
dessen Innenring 18 die treibende Mälzringmutter 2 mit dem Innengewinde 3 bildet
über Führungsflächen 15 radial beweglich, jedoch unverdrehbar geführt.
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Ein Blick auf die Fig. 1 zeigt, daß die Stellmittel 21 über Druckstücke
22 und elastische Zwischenglieder 23 gegen den Eingriffsbereich 8 drücken, so daß
ein gewisses radiales Bewegungspiel zwischen der Spindel und den drei Muttern möglich
ist, um aj-c; bei Fertigungsungenauigkeiten stets einen vollen Eingriff .Jer Gewinde
(3, 4) sicherzustellen.
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Das Gehäuse 10 ist beidseitig durch Deckel 27 geschlossen.
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Nicht dargestellt sind ggf. vorzusehene elastische Mittel zwischen
den Muttern, um diese auch bei nicht eingeschrauber Spindel I in Position zu halten.
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Die in Fig. 1 eingezeichnete Bremse 9 wird in der Praxis natürlich
nicht so ausgeführt und ist nur zur Darstellung des Prinzips so dargestellt worden.
Mit dieser Bremse sollen alle drei Gewindewälzmuttern 2 und 7 bremsbar sein, da
sonst bei lastlosem Transport die treibende Gewindewälzmutter 2 einen Vorschub 1
: 1, die beiden führenden Gewindewälzmuttern 7 jedoch einen vom Untersetzungsverhältnis
abhängigen Vorschub aufweisen. Sind alle drei Innenringe 18, bzw. Gewindewälzmuttern
2, 7 festgelegt, wirkt die Spindel wie eine normale Schraube in ihrer Mutter. Das
Untersetzungsverhältnis ist dann 1 = 1. Durchmesserunterschiede spielen dann keine
Rolle mehr.
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In der Zeichnung* Fig. 5, wird nur der Bereich der treibenden Gewludewälzmutter
gezeigt, jedoch muß eine entsprechende Ergänzung durch die führenden Gewindewälzmuttern
# unterstellt werden. Der Gewindekamm 11 der Spindel 1 trägt eine Verzahnung 12,
die in entsprechend innenverzahnte Teile 13 und in die Gewindenuten 14 der Gewindewälzringnuttern
2, 7 eingreifen. Damit ist sichergestellt, daß alle Gewindewälzmuttern 2, 7 synchron
drehen, wenn natürlich gleiche Zahnzahlen unterstellt sind. Da eine Verzahnung in
den Gewindenuten 14 fertigungstechnisch schwierig ist, sind innenverzahnte Teile
13 mit den Gewindewälzmuttern 2, 7 über Schrauben 28 verbunden.
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Die Gewindespindel 1 und alle Gewindewälzmuttern 2, 7 sind daher formschlüssig,
getrieblich und synchron drehend verbunden.
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Eine zusätzliche Längsführurg 26 zwischen dem Gehäuse 10 und der Gewindespindel
X dient als Mementenstütze.
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Zum Verständnis der Zeichnungen nach den Fig. 1 und 2 sei noch erwähnt,
daß das Gehäuse 10 ein mittig aufgeschnittes Rohr darstellt, wobei die aufgeschnittene
Rohrhälfte in der Mitte durch einen halbkreisförmigen
Gehausedeckel
29 mit Deckelschrauben 30 verbunden ist.
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Der gezeigte konstruktive Aufbau ist nicht unumgehbar, sondern es
sind andere Möglichkeiten gegeben.
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Bezugszeichenliste 1 Gewindespindel 2 treibende Gewindewälzmutter
3 Innengewinde zu 2 4 Spindelgewinde 5 Rotationsmittelachse 6 Längsachse der Gewindespindel
7 führende Gewindewälzmutter 8 Eingriffsbereich 9 Bremsen 10 Gehäuse 11 Gewindekamm
12 Verzahnung 13 innenverz hnte Teile 14 Gewindenuten 15 Führungsflächen 16 Kernradius
17 Flachgewinde 18 Innenringe 19 Kugellager 20 Außenring 21 Stellmittel 22 Druckstück
23 elastische Zwischenglieder 24 Stirnflächen 25 Wälzradius 25 Längsführung 27 Deckel
28 Schrauben für Deckel Eg Gehäusedeckei 3 Deckel schrauben 31 Längsverzahnung