DD207562A5

DD207562A5 - Kugelgewindetrieb

Info

Publication number: DD207562A5
Application number: DD83248500A
Authority: DD
Inventors: Richard Wilke; Helmut Korthaus
Original assignee: Richard Wilke; Helmut Korthaus
Priority date: 1982-03-12
Filing date: 1983-03-04
Publication date: 1984-03-07
Also published as: ES278027Y; GB2117082A; HU188244B; IT8320031A0; ES278027U; DE3209086C1; IN158191B; SE449249B; SE8300279L; GB2117082B; GB8305251D0; US4680982A; FR2523248B1; IT1171660B; SE8300279D0; FR2523248A1; JPS58166160A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kugelgewindetrieb mit jeweils zwei Traglinien aufweisenden mutterseitigen und spindelseitigen Gewindeprofilen, welche zwischen sich Kugeln gleichen Durchmessers aufnehmen. Beim erfindungsgemaessen Kugelgewindetrieb ist die Gewindesteigung der Mutter um einen Betrag kleiner als die Gewindesteigung der Spindel. Dieser Betrag ist gleich dem Betrag der elastischen Verformung der Mutterabmessungen bei der Lastuebernahme innerhalb des vorgesehenen zulaessigen Belastungsbereiches. Die Kugeln sind innerhalb des zulaessigen Belastungsbereichs stets spielfrei aufgenommen.

Description

24850 0 3 Berlin, den 14.6.1933

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Kugelgewindetrieb Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Kugelgewindetrieb mit jeweils zwei Traglinien aufweisenden mutterseitigen und spindel-, · seitigen Gewindeprofilen, welche zwischen sich Kugeln gleichen Durchmessers aufnehmen.

'Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Der in den vergangenen Jahren gestiegene;, Einsatz von Kugelgewindetrieben war Veranlassung für ein Forschungsvorhaben, das ein 'rechnergestütztes Programmsystem¹ erarbeitet hat, um die konstruktive Auslegung von Kugelgewindetrieben, bezogen auf den Einsatzfall, optimal zu gestalten· Für die optimale Auslegung eines Kugelgewindetriebs müssen danach folgende Voraussetzungen erfüllt sein (Fertigungstechnische Berichte, Bd. 11, 1978, S-* 10, Ziffern 1-3, 2echnischer Verlag Reach KG, Graf elf ing b, München): .''

1· Alle Kugeln tragen gleichmäßig, zwischen den Kugeln besteht keine signifikante Durchmesaerdifferenz·

2. Eine Steigungsdifferenz zwischen Spindel- und Muttergewinde ist nicht vorhanden, ,

3. Die Pro£ilgeometrie ist, über der Gewindelänge konstant und setzt gleiche .Schmiegungen innerhalb eines Bauteils voraus.

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Diese Voraussetzungen bedeuten - abgesehen von einer gleichmäßigen Materialqualität - für die Fertigung die Einhaltung. .höchstmöglicher Genauigkeit bei der formgebung, wozu insbesondere die Profilgeometrie und die Steigungsgenauigkeit der Gewindegänge gehören·

In der Praxis stellt sich jedoch heraus, daß die hintereinanderliegenden Gewindegänge in der Mutter nicht etwa gleichmäßig, sondern ungleichmäßig belastet werden, weil die auf die Mutter wirkende Axiallast eine elastische Verformung der Mutterwandung -^insbesondere deren Längenänderung bewirkt (s. fertigungstechnische Berichte a.a.O, S. 79 Ziff· 5·3·1)· Sine höchstmögliche Lebensdauer eines Kugelgewindetriebs kann aber nur,erreicht werden, wenn alle in den Gewindegängen vorhandenen Kugeln gleichmäßig tragen.

Zum Ausgleich" dieser elastischen Verformung, die zur ungleichmäßigen Belastung der einzelnen Gewindegänge führt, wird in dem Forschungsbericht (s.a.a.O. S, 94, Ziffer 5·4· bis S· 100, Ziffer 5·5) zur Realisierung gleichförmiger Ge-, Windebelastung vorgeschlagen:

1. eUne Mutterquerschnittsvariation des Außendurchmessersf

^: . /,' ' '..

2. ein von Gewindegang zu Gewindegang sich ändernder Profilzuschliff, um die Biegesteifigkeit der einzelnen Gänge zu beeinflussen;

3· eine Kugeldurchmesservariation für die einzelnen Gewindegänge als kostengünstigste Methode für Muttern mit Sinzelüberläufen. .

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Es versteht sich von selbst, daß die vorgeschlagenen Lösungen insgesamt immer nur für einen begrenzten Belastungsbereich , voll wirksam wären, wobei der Forschungsbericht folgendes feststellt (s.a.a.Ö. S, 99 ti·, S. 100 unter Ziffer 5.5 "Programmergebnisse"): . , .

¹¹ Die vorgestellten Berechnungsalgorithmen wurden zu einem Programmsystem zusammengefaßt und erlauben im Dialog-Betrieb eine anwenderfreundliche Handhabung. Ausgehend von den eingelesenen Daten - Kugel- und Mutteraußendurchmesser sowie Gewindegangausschliff können für jeden Gewindegang getrennt eingegeben werden - läßt sich einmal die Lastverteilung berechnen bzw. durch Vorgabe der entsprechenden Steuerziffern eine Gleichbelastung angeben ·.**'

" Da bei den auftretenden Lastverteilungen unter Torraus- ' ' setzung idealer Spindel- und 'Muttergeometrie nur geringe Abweichungen von der mittleren Belastung auftreten, gewinnt das vorgestellte Programmsystem seine Bedeutung unter dem Gesichtspunkt fertigungstechnisch bedingter Fehler in der Mutter· Ss lassen sich sowohl die Auswirkungen von Steigungsfehlern als auch die Maßabweichungen von Kugeln in einzelnen Umlenkungssystemen berechnen und somit eine Beurteilung über den möglichen Einsatz infolge veränderter Lebensdauer erzielen." '

Ziel der Erfindung .

Ziel der Erfindung,ist es, die vorgenannten Mängel zu überwinden, '

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Darlegung des Wesens der Erfindung

Ausgehend vom eingangs beschriebenen, durch offenkundige Vorbenutzung bekanntgewordenen gattungsgemäßen Kugelgewindetrieb, liegt der Brfindung die Aufgabe zugrunde, einen in beiden Bewegungsrichtungen positioniergenauen Kugelgewindetrieb höchstmögliche.r Lebensdauer und zugleich einfach herzustellender Bauform zu schaffen·

Entsprechend der Erfindung wurde diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Gewindesteigung der Mutter um einen Betrag kleiner ist als die Gewindesteigung der Spindel, wobei dieser Betrag der elastischen Verformung der Mutterabmessungen bei der LastÜbernahme innerhalb des vorgesehenen zulässigen ¹BeIa-* stungsbereich entspricht und wobei die Kugeln innerhalb des zulässigen Belastungsbereichs stets spielfrei zwischen den Gewinde-Üraglinien aufgenommen sind·

Der erfindungsgemäße Kugelgewindetrieb vermeidet insbe-· sondere die entsprechend den weiter oben vorgeschlagenen Lösungen aufwendigen Bearbeitungsgänge und berücksichtigt darüber hinaus die selbst bei sorgfältiger Bearbeitung unvermeidlichen fertigungstechnisch bedingten Fehler eines Kugelgewindetriebe· . ι

Ausführungsbeispiel

Die mit der iärfindung verbundenen Vorteile sollen nun anhand zweier Darstellungen eines erfindungsgemäßen bevorzugten Ausführungsbeispiels näher beschrieben werden. Hierbei zeigen:

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/ · . . ·

Pig· 1: in schematischer Darstellung einen halben Längsschnitt durch einen unbelasteten und

Fig. 2 und 3: einen solchen halben Längsschnitt durch einen belasteten Kugelgewindetrieb·

In den Zeichnungen ist ein Kugelgewindetrieb insgesamt jeweils mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet· Der Kugelgewindetrieb 10 besteht im wesentlichen aus einer Mutter 11 und aus einer Spindel 12· '

Der schraubenförmig umlaufende Gewindegang der Mutter 11 ist insgesamt init der Bezugsziffer 13 und der ebenfalls . schraubenförmig umlaufende Gewindegang der Spindel 12 ist mit der Bezugsziffer 14 bezeichnet. Sowohl der mutterseitige Gewindegahg 13 als auch der spindelseitige Gewindegang 14 weisen ein.spitzbogenförmiges Profil auf, welches auch als "gothisches Profil" bezeichnet wird·

Jeder Gewindegang 13 bzw· 14 weist zur Abstützung der Kugeln 15 zwei Iraglinien auf, welche durch die Kraftübertragungsbzw· Berührungssteilen zwischen den Gewindegangen 13, 14 ' und den Kugeln 15 verlaufen. Die beiden iraglinien des mutterseitigen Gewindegangs 13 befinden sich, an den Spitzen der mit A₁, A₂ und die beiden Traglinien des spindelseitigen Gewindeganges 14 befinden sich an den Spitzen der mit B₁, B₂ bezeichneten Pfeile, welche die von Mutter' 11 und Spindel auf die Kugeln 15 einwirkenden Kräfte symbolisieren sollen·

Beim Kugelgewindetrieb 10 sind die Gewindeprofile der beiden Gewindegänge 13 und 14 genau deckungsgleich· Die in beiden Gewindegängen 13» 14 umlaufenden Kugeln 15 besitzen kein

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Spiel in Richtung der mit ζ bezeichneten Längsachse, Die Kugeln 15 berühren daher jeweils beide Traglinien an den Spitzen der mit A-, A₂ sowie B₁ und B₂ bezeichneten Pfeile.

Das in den Zeichnungen dargestellte gothische Gewindeprofil ist nicht ausschließlich,für den Zweck der Erfindung verwendbar. Vielmehr ist jedes andere Gewindeprofil verwendbar, welches, ähnlich wie das gothische Profil, mit ausgeprägten Traglinien versehen ist* · .''

Der bei sorgfältiger fertigung erreichbare Taumelfehler bzw. Steigungsfehler pro Gewindegang und Steigung liegt bei etwa O bis 4yum und wird durch elastische Verformung der Kugelbahnen und Kugeln entlang den Traglinien aufgefangen.

Zeichnerisch nicht darstellbar - jedoch vorstellbar - ist es, daß zwischen dem mutterseitigen.Gewinde (Gewindegang 13) und dem spindelseitigen Gewinde (Gewindegang'14) eine geringe Steigungsdifferenz besteht. Beim vorliegenden Ausführungs- / beispiel beträgt die mutterseitige Steigung h^ =9,998 mm, während die spindelseitige Steigung hg » 10 mm beträgt. Wie üblich, bedeutet die Steigung h die Strecke, welche die Mutter 1.1 bzw. die Spindel 12 bei einer Umdrehung in Richtung der Achse ζ zurücklagt. '

Durch den sich ergebenden Differenzbetrag h = 0,002 mm zwischen der mutterseitigen Steigung h^ und der spindelseitigen Steigung hg werden die zwischen den Gewindegängen 13, 14 angeorndeten Kugeln 15 bei lastfreier Anordnung (Last » P = 0) an allen .Traglinien entsprechend den Kraftpfeilen A₁, A₂ sowie B^ und 3₂ gepreßt, ^enn die Spindel 12 gegenüber

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der Mutter 11 laatfrei gedreht wird, laufen demnach die Kugeln 15 schwergängig. -

Zu den Pig· 1, 2 und 3 ist zu erwähnen, daß die Spindel 12 in der ζ Achse unverschieblich gelagert sein soll, also nur eine Drehbewegung um die ζ Achse ausführen kann» Außerdem soll vorausgesetzt werden, daß die radiale Au._SWeitungsmöglichkeit der Mutter 11 im Belastungsfall entweder durch eine Einbaumaßnahme oder in Steige ihrer hinreichenden Wandstärke infinitesimal klein ist· Desgleichen soll vorausge-/ setzt werden, daß bei dem im Zusammenhang, mit der Erfindung zu berücksichtigenden Belastungsfall die Spindel 12 "derart dimensioniert ist_y daß- deren belastungsabhängige Axial- und Radialverformung ebenfalls infinitesimal klein ist.

Sobald entsprechend Pig· 2 und 3 eine Last P_-. oder P₂, auf den Kugelgewindetrieb 10 einwirkt, dann ergibt sich, wie in Pig· 2 und 3 dargestellt, eine gleichförmige, jedoch zugleich spielfreie Belastung zwischen Kugeln 15 und Gewindegängen 13,' 14 über den gesamten Axialbereich der miteinander in Eingriff befindlichen Gewindebereiehe. Im Belastungsfall wird demnach die Reibung zwischen den Kugeln 15 einerseits sowie den spindel- und mutterseitigen Gewindegängen 13, 14 andererseits geringer, wodurch der erfindungsgemäße Kugelgewindetrieb 10 eine hohe Lebensdauer erhält· Die Erfindung ist deshalb so zu verstehen, daß die Kugeln 15 sowohl im anbelasteten Zustand (Pig. 1) als auch im belasteten Zustand (Pig. und 3) gewissermaßen ^!lvorgespannt" und deshalb stets in der Lage sind, zur Erzielung eines houngenau positionierbaren Kugelgewindetriebs zugleich an sullen Traglinien entsprechend den Pfeilen A₁, Ag und B₁, B„ anzuliegen* Erklärend ist hinzu-

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zufügen, daß im. unbelasteten Zustand gemäß Pig. 1 die durch die ³teigungsdifferenz Δ η zwischen den mutter- und spindelseitigen Gewindegängen 13, 14 bedingte Pressung der Kugeln größer ist als beim Lastzustand gemäß Pig. 2und 3, so daß

- wie weiter oben bereits erwähnt - die Kugeln 15 im lastfreien Zustand gemäß Pig· 1 schwergängig laufen. In jedem vorkommenden Belastungsfall, so auch im Beiastungsfall gemäß Pig. 2 und 3, dehnt sich die Mutter im proportionalen, d. h. elastischen Bereich der Hooke¹sehen Geraden, In Fig. 2 unds ist deshalb verdeutlicht, daß an der Frenze der zulässigen Belastung (dies wäre zugleich der Idealfall) im wesentlichen nur noch'die auf die Kugeln 15 wirkenden Kräfte A₁ und B₂ bzw, Α« und B₁ vorhanden, die Kräfte A₂ und B₁ bzw. A₁ und Bp jedoch - allerdings unter Aufrechterhaltung einer Berührung zwischen den Kugeln 15 und an den durch die Pfeile A₂ und B«. bzw· A«. und, Bp · in Pig, 1 bezeichneten Stellen

- gegen Hull gehen.

Wie erwähnt, ist die Differenz zwischen der mutterseitigen Steigung h™ und der spindelseitigen Steigung hg ein Betrag A h =0,002 mm. Anhand der Belastungsbeispiele gemäß den Pig. 2 und 3 ist im übertriebenen Maßstab anhand der einzelnen Maßlinien verdeutlicht worden, daß die belastungsbedingte axiale Qesamtdehnung der Mutter 11 vier Steigungsdifferenzen, Δ, h von je 0,002 mm, also insgesamt 0,008 mm, ausmacht·

Sobald die Anordnung gemäß Pig. 2 oder 3 entlastet wird, steigt zw,ar der Reibungsverlustanteil, jedoch bleibt die Spielfreiheit des Spindel-Mutter-Systems 10 aus den vorerwähnten Gründen erhalten· '

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ι .

Ss ist einleuchtend, daß die Lastrichtung auf die erfindungsgemäße Anordnung keinen Sinfluß hat. Der ,erfindungsgemäße' Kugelgewindetrieb 10 hat deshalb noch den weiteren Vorteil, daß er sowohl die "Σ^η- als auch die "0"-VorSpannung eines viel aufwendigeren und räumlich größeren Doppelmuttersystems herkömmlicher Bauart ("fertigungstechnische Berichte", a.a.Oo Seite 25) ersetzt·

Claims

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Sr find ungs ana pr uch , . '

Kugelgewindetrieb mit jeweils zwei !raglinien aufweisenden mutterseitigen und spindelseitigen Gewindeprofilen, welche zwischen aich Kugeln gleichen Durchmessers aufnehmen, gekennzeichnet dadurch, daß die Gewindesteigung (iyi) der Mutter (H) um einen Betrag C A h) kleiner ist als die Gewindesteigung (ho) der Spindel (12), ,wobei dieser Betrag (Ah) der-- elastischen Verformung der Mutterlängenabmesaung bei der Lastübernähme innerhalb des zulässigen Belastungsbereichs entspricht und wobei die Kugeln (15) innerhalb des zulässigen Belastungsbereichs stets spielfrei zwischen den Gewinde-Traglinien (bei A-, A₂; B₁, B₂) aufgenommen sind ο

' - Hierzu 1 Seite Zeichnung -