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TECHNISCHER HINTERGRUND
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Eine Kugelumlaufspindel oder auch Kugelgewindetrieb (KGT) ist die Gesamtheit eines Wälzschraubtriebes mit Kugeln als Wälzkörper. Er dient zur Umsetzung einer Drehbewegung in eine Längsbewegung bzw. umgekehrt. Im Grundsatz besteht ein KGT aus einer Gewindespindel und einer Spindelmutter (Kugelumlaufmutter).
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Kugelgewindetrieben werden in vielen technischen Anwendungen eingesetzt, vor allem im Maschinenbau und dort bevorzugt in Werkzeugmaschinen. Die Untergattung der verspannten Kugelgewindetriebe, gebildet aus zwei leicht gegeneinander verspannten Kugelgewindetrieben ermöglichen dort die spielfreie und vor allem umkehrspielfreie Positionierung von e.g. Dreh- oder Fräswerkzeugen relativ zu einem Werkstück.
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KGT spielen auch eine zunehmende Rolle in elektromechanischen und elektrohydraulischen Bremssystemen. Mit diesen Systemen soll Bremsdruck aufgebaut werden unabhängig von oder unterstützend zu der Bremsbetätigung des Fahrers. Das Bremssignal des Fahrers oder eines Fahrzeugsicherungssystems (e.g. Kollisionswarnung, ABS Sensorik) wird hierbei elektronisch ausgewertet und als Systemantwort auf einen Elektromotor übertragen. Dessen Drehbewegung wirkt auf eine Gewindemutter, deren Rotation in eine translatorische Bewegung einer Gewindespindel umgesetzt wird. Der dadurch entstehende Hub der Gewindespindel kann dann dazu genutzt werden, einen Kolben zu bewegen und dadurch, insbesondere hydraulisch, Bremsdruck in einem oder mehreren Bremskreisen aufzubauen oder direkt eine Bremswirkung auszuüben (e.g. Anpressen eines Bremsbelags auf eine Bremsscheibe).
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STAND DER TECHNIK
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1 zeigt die Hauptbestandteile eines KGT 7, wozu eine Gewindespindel 2 und eine diese Spindel umgreifende Spindelmutter (Kugelumlaufmutter) 1 zählen. Die Spindelmutter 1 besteht aus einem Mutterkörper mit eingearbeiteten Kugelumläufen 5, die zur Geometrie der Gewindespindel 2 passend ausgelegt werden; einem Kugelrückführkanal 8 und sogenannten Rückführhülsen 9. Der Mutterkörper weist Raum auf für mehrere, tragende Kugelumläufe, sprich Innengewindegänge, die zusammen mit dem Aussengewinde der Spindel den Aufnahmeraum für die tragenden Kugeln 3, 4 bilden. Bei der Kugelrückführung (häufig auch als Kugelumlenkung bezeichnet) werden durch Einsätze in der Mutter die Kugeln am Ende des Gewindegangs vollständig von der Spindel abgehoben und zum Beispiel durch eine Rückführhülse zurückgeleitet. Die Herstellung so einer Mutter ist komplex, weil neben den Kugelumläufen (Innengewinde) und deren Nachbearbeitung auch Ausnehmungen für die Kugelrückführungen vorzusehen sind. Somit werden eine Vielzahl von Dreh-, Fräs- und Bohr-Arbeitsschritten notwendig.
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Wird ein KGT als Linearantrieb eingesetzt, so kann - je nach Einsatzfall - eine ortsfest gelagerte, drehbare Spindel durch einen Motor/Getriebe angetrieben werden, worauf die Spindelmutter axial versetzt werden kann. Auch der umgekehrte Fall ist möglich, wenn eine Spindelmutter ortsfest, aber drehbar gelagert wird, kann die Gewindespindel die Linearbewegung vollführen. Wird eine hohe Lineargeschwindigkeit angestrebt, gilt es im ersten Fall die Schwingungen (seitliche Vibrationsschwingung) der Spindel unter Kontrolle zu halten. Im zweiten Fall muss die Schwingung der Gewindemutter kontrolliert werden.
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NACHTEILE DES STANDES DER TECHNIK
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Durch die Konstruktion der Spindelmutter bedingt ist diese häufig nicht symmetrisch um ihre zentrale Rotationsachse aufgebaut. Unter anderem sorgt die Kugelumlenkung, die für die Rückführung der Kugeln zwischen den Kugelumläufen zuständig ist, dafür, dass die Hauptträgheitsachse der Spindelmutter nicht mehr mit der Rotationsachse, die durch die axiale Mittelachse der Spindel definiert wird, zusammenfällt.
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Dieser Zustand führt zu einer dynamischen Unwucht der im Betrieb rotierenden Spindelmutter. Das äussert sich in erhöhter Belastung von Lagerteilen, Befestigungen und folglich in erhöhtem Verschleiss des Gesamtsystems. Zudem werden durch die dynamischen Unwuchten Vibrationen hervorgerufen, die zu hörbaren Betriebsgeräuschen führen, was häufig unerwünscht ist.
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Durch den komplexen Aufbau einer Spindelmutter ist es aufwändig, eine technisch zufriedenstellende Lösung zu finden. Ein dynamisches Auswuchten scheidet aufgrund der üblicherweise hohen Produktionszahlen aus Kostengründen aus. Eine einfache Methode zur Beseitigung der Unwucht bestünde darin, möglichst identische, jedoch spiegelsymmetrische Ausnehmungen wie für die Kugelumlenkung(en) in der Spindelmutter vorzusehen und um 180° axial versetzt anzubringen. Diese Lösung würde aber bedeuten, denselben Fertigungsaufwand für die Ausgleichsbereiche zu betreiben wie für die Kugelumlenkungen. Zudem bestünde u.U. eine Verwechslungsgefahr bei der Montage und die Tatsache, dass diese Ausnehmungen die Wandung der Spindelmutter komplett durchbrechen, ist ebenfalls nachteilig. Dadurch können Stabilitätsprobleme und Undichtigkeiten verursacht werden. Ein Anbringen von Ausgleichsgewichten am Aussenumfang ist wegen des individuellen Aufwandes keine Alternative. Auch ein Vorsehen einer permanenten Erhebung am Aussenumfang ist nicht vorteilhaft, weil dies den Fertigungsaufwand erhöht.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung hat es sich zum Ziel gesetzt, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden, insbesondere eine Reduzierung der Rotationsunwucht einer Spindelmutter in einem Kugelgewindetrieb zu ermöglichen. Die gefundene Lösung hat sich dabei als anwendbar erwiesen sowohl für KGT mit einfacher wie auch mehrfacher Kugelumlenkung und darüber hinaus als einfach in der Herstellung.
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Dies wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1 und 12 erzielt. Weitere, vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Grundsätzlich wird vorgeschlagen, den Grundkörper der Spindelmutter (ohne Berücksichtigung von Flanschen oder Anbauteilen) als im Wesentlichen zylindrischen Körper zu gestalten, der Ausnehmungen für die Kugelumlenkungen aufweist. In einer vorteilhaften Ausbildung wird dabei der Aussendurchmesser dieses Grundkörpers so gross gewählt wird, dass die Kugelumlenkung nicht oder nur wenig vorkragt, sprich der Umlenkkanal plus dessen evtl. Befestigungen schliessen bündig mit der Zylinderoberfläche des Spindelmutterkörpers ab oder sind versenkt. Diese versenkte Bauweise erlaubt nach der Montage von Spindel, Muttern, Kugeln und den Umlenkungen die Sicherung der verbauten Komponenten durch einfaches Aufschieben einer runden Hülse. Durch ein leichtes Vorkragen der Kugelumlenkung lässt sich eine Selbstsicherung durch die Hülse erzielen.
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Der Kern der Erfindung sieht zum Ausgleich der Unwucht flächige Ausnehmungen in der Oberfläche der Spindelmutter vorgesehen. Der Begriff „flächig“ meint hierbei eine Kontur, die im üblichen Sinne keine graben- bzw. schlitzförmige Ausgestaltung hat, sondern die einer Einsenkung, deren kleinste Ausdehnung in der Fläche grösser ist als die Tiefe der Einsenkung.
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Diese Fläche hat erfindungsgemäss bevorzugt die Form eines Rechtecks mit abgerundeten Ecken bzw. entspricht der Form eines flachen Langlochs bzw. Nut. Die Aussenlinien dieser Fläche sind so angeordnet, dass die geraden Abschnitte der Aussenlinie dieser Fläche parallel bzw. rechtwinklig zur Mitten-Längsachse der Spindelmutter liegen.
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Alternativ kann die Ausnehmung quadratisch oder als Kreis oder Oval ausgeführt sein unter Beachtung der oben genannten Bedingung einer flächigen Ausführung.
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Die Anordnung im Falle der rechteckigen bzw. quadratischen Ausgleichsfläche auf der Oberfläche der Spindelmutter wird wie folgt festgelegt. Zuerst bestimmt man den Flächenschwerpunkt einer Hüllfläche um die Ausnehmungen für die Kugelumlenkungen. Als Hüllfläche wird dabei eine einhüllende Fläche um die Gesamtheit der Ausnehmungen verstanden, wobei die Aussenlinien so gewählt werden, dass sie parallel zu den Kanten einer abgewickelten Zylinderaussenfläche des Mutterkörpers liegen. Der Flächenschwerpunkt lässt sich so sehr einfach bestimmen. Dieser Punkt wird dann um 180° um die Mittenlängsachse des Spindelmutterkörpers gedreht bzw. verschwenkt und legt dort am Ziel den Sollpunkt für die Mitte der Ausgleichsfläche fest. Der Flächenschwerpunkt berücksichtigt dabei zwar nicht die Tiefe der Ausnehmungen, das tut der Wirksamkeit der Erfindung keinen Abbruch.
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Die Ausdehnung der Ausnehmung in der Fläche (in Längs- und Querdimensionen) soll gross gewählt werden, mindestens einfach, bevorzugt mindestens zweifach, besonders bevorzugt ein Mehrfaches, der Tiefe der Ausnehmung. Als Anhaltspunkt kann gelten, dass der Materialabtrag für die Kompensations-Ausnehmung so gross sein soll wie der Materialabtrag der Kugelumlenkungen +/-20%.
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Die Tiefe der Ausnehmung für die Ausgleichsfläche kann parallel der Oberfläche der Spindelmutter folgen, mit anderen Worten die Bodenfläche der Ausnehmung kann Teil einer Zylindermantelfläche mit konstantem Radius zur Spindelmutterlängsachse sein. Bevorzugt wird die Ausnehmung jedoch einen ebenen Boden aufweisen, der weiter bevorzugt parallel zur Mittenachse des Spindelmutterkörpers liegt. Je nach technischer Auslegung kann der Boden der flächigen Ausnehmung einen umlaufenden, eingetieften Rand zur Zylindermantelfläche des Mutterkörpers bilden oder stellenweise flach, also ohne Randstufe, in die Zylindermantelfläche des Mutterkörpers münden.
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Die Tiefe der Ausnehmung soll so gewählt werden, dass die Dauerfestigkeit des Spindelmutterkörpers nicht gefährdet wird. Je nach Wandstärke des Spindelmutterkörpers wird die Tiefe der Ausnehmung also wenige Zehntelmillimeter bis einige Millimeter betragen.
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In einer Weiterbildung der Erfindung kann die Ausnehmung mehrere Abstufungen in der Tiefe aufweisen, sprich mehrere Ebenen, deren Bodenflächen die vorgenannte Bedingung einer Zylindermantelfläche erfüllen, mit jeweils unterschiedlichem Radius zur Spindelmutterlängsachse bzw. als Staffelung von ebenen Flächen vorgenannter Art. Diese somit abgetreppten Flächen bilden somit im Wesentlichen einen stufenförmigen Trichter.
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Überraschenderweise wurde herausgefunden, dass eine solche Ausbildung der flächigen Ausnehmung zur Kompensation der Unwucht Vorteile bietet, wenn die Spindelmutter als Teil des Herstellprozesses eine Wärmebehandlung durchlaufen muss. Dabei lässt sich üblicherweise ein gewisser Verzug des Bauteils nicht vermeiden, weil durch vorangegangene Umformprozesse das Metallgefüge gestört wurde und die Ausnehmungen für Kugelumlenkungen verhindern, dass der Relaxationsprozess für das gesamte Bauteil gleichmässig verläuft. Wenn nun neben den Ausnehmungen für die Kugelumlenkungen auch die erfindungsgemässen flächigen Ausnehmungen für die Unwucht-Kompensation in die Oberfläche des Spindelmutterkörpers eingebracht werden, hat sich gezeigt, dass der Wärmebehandlungsverzug für das Gesamtbauteil besser ist als ohne die Kompensationsausnehmungen.
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Es kann sich als vorteilhaft erweisen, wenn anstatt einer Kompensations-Ausnehmung zwei solche vertiefte Flächen vorgesehen werden. Dies kann erforderlich werden, wenn z.B. eine einzelne Ausnehmung aus Stabilitätsgründen nicht in Frage kommt oder eine so grosse Fläche nicht am Stück zur Verfügung steht. Bevorzugt werden solche Flächen um den gleichen Winkelbetrag seitlich im Uhrzeiger- und Gegenuhrzeigersinn verschoben höhengleich an der Zylindermantelfläche angeordnet, mit anderen Worten symmetrisch zum vorhin definierten Sollpunkt verschwenkt. Die beiden Ausnehmungen werden bevorzugt gleichartig in ihrer Dimensionierung ausgeführt.
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Der Vorteil einer solchen flächigen Ausnehmung ist, dass sie die Wandstärke der Spindelmutter nur unwesentlich schwächt und vor allem keine Durchgangslöcher in den Innenbereich des KGT zur Folge hat. Zudem lässt sie sich idealerweise in einem Aufspann mit den Ausfräsungen für die Kugelumlenkungen fertigen. Dazu kann z.B. ein Fingerfräser zum Einsatz kommen. Ferner wird die dynamische Unwucht hiermit durch Materialabtrag statt durch Hinzufügen von Ausgleichsgewichten beseitigt.
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Figurenliste
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- 1 zeigt ein KGT 7 mit einer Gewindespindel 2 und eine diese Spindel umgreifende Spindelmutter (Kugelumlaufmutter) 1. Die Spindelmutter 1 weist einen Mutterkörper mit eingearbeiteten Kugelumläufen bzw. Gewindegängen 5 auf, die zur Geometrie der Gewindespindel 2 passend ausgelegt werden. Ein Kugelrückführkanal 8 und sogenannten Rückführhülsen 9 erlauben das Aus- und Einheben von Kugeln 3, 4 von bzw. in die Kugelumläufe. Bei der Kugelrückführung bzw. Kugelumlenkung werden durch Einsätze in der Mutter die Kugeln am Ende des Gewindegangs vollständig von der Spindel abgehoben und durch eine Rückführhülse zurückgeleitet. 1 zeigt ferner einen Flansch 6, über den die Spindelmutter befestigt werden kann um die auftretenden Kräfte ableiten zu können. Das Material für Spindel wie Mutter sind kaltumformbare Stähle, die je nach Auslegung des KGTs in mehreren Arbeitsschritten umgeformt und spanend bearbeitet werden. Nachbearbeitungsschritte wie Reinigung, Wärmebehandlung, Oberflächenbehandlung (Vergütung, Härtung) wird ein Fachmann je nach Spezifikation vorsehen.
- 2 zeigt einen erfindungsgemässen Spindelmutterkörper 11 mit zwei Ausnehmungen 15, 16 zur Kompensation der Unwucht. Der Spindelmutterkörper weist eine im Wesentlichen zylinderförmige Aussenkontur auf mit einer axialen Längsbohrung, die zumindest teilweise ein Innengewinde 12 aufnimmt. Die Ausnehmungen 13 und 14 markieren die für Kugelrückführkanäle vorgesehenen Ausfräsungen bzw. Aussparungen in der Spindelmutter. Etwaige funktionelle Einsätze sind hier nicht gezeigt. Der Spindelkörper rechts in 2 ist gegenüber 1 um 180° axial rotiert dargestellt. Die Ausnehmungen 15, 16 sind dort als Nuten mit ebenem Boden dargestellt, könnten aber auch in den oben beschriebenen Varianten gefertigt werden oder auch als einteilige Vertiefung. Merkmal 17 zeigt die Lage des oben beschriebenen Sollpunktes, von dem ausgehend die beiden Vertiefungen 15, 16 jeweils um denselben Winkelbetrag verschoben bzw. verschwenkt wurden.
- Die 3 und 4 illustrieren die Ermittlung des Sollpunktes zur Anordnung der Ausgleichsflächen. 3 zeigt einen zylinderförmigen Spindelmutterkörper 11 mit den Ausnehmungen 13 und 14. Die Zylindermantelfläche 20 lässt sich beginnend an einer beliebigen Trennlinie 22 abwickeln.
- 4 zeigt den Zustand der abgewickelten Zylindermantelfläche 24 als Fläche. Um die Areale der Ausnehmungen 13, 14 ist die Hüllfläche 21 gezeigt. Deren Aussenlinien sind parallel zu den Aussenlinien der abgewickelten Zylindermantelfläche gewählt. Merkmal 23 markiert den geometrisch ermittelten Flächenmittelpunkt der Hüllfläche, der anschliessend, wie oben beschrieben verschwenkt wird, um den Ort der Ausgleichsfläche zu ermitteln.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Spindelmutter
- 2
- Gewindespindel
- 3, 4
- Kugel(n)
- 5
- Kugelumläufe
- 6
- Flansch
- 7
- Kugelgewindetrieb
- 10
- Abgewickelte Mantelfläche
- 11
- Spindelmutter(körper)
- 12
- Innengewinde der Spindelmutter
- 13, 14
- Aussparungen für Kugelumlenkkanal
- 15, 16
- Ausnehmung(en) für Unwuchtausgleich
- 17
- Sollpunkt für die Mitte der Ausgleichsfläche
- 20
- Zylindermantelfläche der Spindelmutter
- 21
- Hüllfläche
- 22
- Trennlinie der Zylindermantelfläche 20
- 23
- Flächenmittelpunkt der Hüllfläche
- 24
- Abgewickelte Zylindermantelfläche 20
