NO875372L - Skrue med resirkulerende satelittruller. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en skrue med resirkulerende satelittruller som benyttes i maskinteknikk for å gi en gjenstand en meget nøyaktig translasjonsbevegelse av stør-relsesorden en mikron.

I industrien støter man på mange situasjoner hvor en gjenstand må forskyves i rett linje en meget nøyaktig distanse. Dette gjelder f.eks. et optisk måleinstrument for en linse hvor stillingen justeres i forhold til en lysstråle. Et annet eksempel finnes i valseverk, hvor avstanden mellom to valser som veier omtrent 100 kg hver, justeres med en nøy-aktighet på 10 mikron.

Problemet i disse situasjoner er å omdanne en forskyvning som er synlig for det menneskelige øye, dvs. av størrelses-orden 1 cm, til en infinitesimal bevegelse. En av de mange reduksjonsfremgangsmåter som er tilgjengelig for dette formål består i å rotere en skrue i en fast mutter. For en skrue med gjennomsnittlig stigning på 1 mm vil en hel omdreining av skruen tilsvare en langsgående bevegelse av skruen på 1 mm, og en hundredels omdreining tilsvarer en forskyvning på 10 mikron. Det er i dag lett å bevirke en rotasjon på en hundredels omdreining, f.eks. ved hjelp av et ratt med omkrets på 1 m forbundet med skruen eller ved hjelp av en elektrisk trinnmotor.

Den glidende friksjon som skjer spesielt mellom en skrue og dens mutter erkarakterisert vedat den minsker raskt ved begynnelsen av en bevegelse. Med andre ord, den første mot-stand mot bevegelse av en stasjonær skrue er betydelig større enn motstanden etter at skruen er begynt å rotere. Dette fenomen hindrer meget små forskyvninger fordi det er mulig straks å redusere det dreiemoment som i begynnelsen utøves mot skruen for å sette denne i bevegelse.

For å overvinne denne ulempe plasseres et sett ruller med sirkulære spor rundt skruen mellom skruen og mutteren for å erstatte den glidende friksjon med konstant rullende friksjon. For å redusere denne rullefriks jon så mye som mulig, lages hele arrangementet av et hardt materiale såsom stål, og gjengene både på skruen og mutteren gis en vinkel på

90° med rette flanker, mens de sirkulære spor tilpasses 90° ved hjelp av ogival form. Det foreligger derfor kun enkeltpunktskontakt mellom hvert spor og de respektive gjenger. Et nytt problem oppstår på grunn av det faktum at disse ruller, som dreier seg sammen med skruen, også forskyves i lengderetningen, og kan derfor bevege seg ut av mutteren. Det er derfor nødvendig å tilveiebringe en mekanisme for å resirkulere rullene, dvs. returnere dem med jevne mellomrom til midten av mutteren.

Denne resirkulering oppnås vanligvis ved hjelp av et langsgående spor utført i mutterens gjenger og to kammer plassert ved hhv. begynnelsen og slutten av dette. Dersom en rulle derfor beveger seg i stilling foran dette spor under sin rotasjon rundt skruen, skyves den bort fra skruens gjenger ved hjelp av én av de to kammer, som styrer den mot det indre av mutteren en distanse som er lik én eller to skrue-stigninger, avhengig av kammens fremspring. Denne rulle skyves deretter sideveis av rulleholderen slik at den retur-nerer til de korrekte gjenger, hvor den fortsetter sin bevegelse.

Dette system har imidlertid mange ulemper i bruk. Når rullen støter mot kammen, oppstår det et lite slag. Når sy-stemet brukes intenst, f.eks. når det skjer en kontinuerlig frem- og tilbakegående bevegelse med en hastighet på 300 omdreininger pr. minutt, vil rekken av disse slag skape vibrasjoner i maskinen som helhet samtidig med at det dannes generende støy. Avhengig av maskinens konstruksjon kan disse vibrasjoner forsterke seg og resultere i akselerert slitasje, som setter maskinens totale driftssikkerhet i fare. Videre skaper slitasjen på kammen jernspon, som lett kan trenge inn i skruens gjenger og derved ødelegge presi-sjonen av skruens bevegelse.

En annen ulempe oppstår fordi det er nødvendig at rullen forskyves av kammen en distanse som er nøyaktig lik skruens stigning fordi det ellers ville oppstå et såkalt "hardt punkt", dvs. en betydelig grad av forkiling i det øyeblikk rullen på nytt kommer i kontakt med skruens og mutterens gjenger. Siden kammen og rullen fremstilles separat, krever dette nøyaktig justering av høyden av kammens skulder og av kontaktflaten på rullen i forhold til dens spor. Slike nøyaktige betingelser resulterer i at en stor del av de fremstilte deler går tapt som vrak og krever meget forsiktig og nøyaktig montering, noe som øker skruens fremstillingsomkostninger.

Det er et formål med foreliggende oppfinnelse å løse disse problemer ved å tilveiebringe en mekanisme som for det første forhindrer slag. Den bør også i større grad tillate større toleranser i delenes dimensjoner. Videre bør mekanismen ifølge oppfinnelsen være sammensatt av standard deler eller deler som er av enkel utførelse slik at de lettere kan fremstilles og monteres for derved å redusere de totale fremstillingsomkostninger.

Disse formål oppnås ifølge oppfinnelsen ved hjelp av en skrue med resirkulerende satelittruller, omfattende en gjenget mutter, en gjenget skrue som holdes sentralt i mutteren av et sett ruller som er anordnet rundt dennes omkrets, et klaringsrom for resirkulering av rullene, og et deksel som er skrudd fast til hver ende av mutteren og som gir skruen fri passasje, men fastholder rullene inne i mutteren,karakterisert vedat rullene ved hver ende er forsynt med elastiske midler som søker å returnere dem til midten av mutteren.

Ifølge en fordelaktig utførelse utgjøres de elastiske midler av et hulrom som er utformet aksialt i rullen og inneholder en fjær som skyver en tapp ut av hulrommet, hvilken tapp hviler mot det gjengede deksel.

Det kan være fordelaktig å fremstille det gjengede deksel av Teflon eller nylon eller et annet plastmateriale.

Ifølge en annen utførelse hviler de elastiske midler mot en kuleløpebane i det gjengede deksel, idet en rekke kuler kan være anordnet i en kulebane og en holderbrikke.

Ifølge en tredje utførelse danner holderbrikken for kule-banen en integrerende del med ruileholderen.

Ifølge en fjerde utførelse holdes rullene i stilling i forhold til hverandre ved hjelp av to tykke skiver, en øvre og én nedre, som hver har utsparinger hvor de glatte ender av rullene opptas og som hver dekker kuleløpebanene ved de respektive deksler.

Ifølge et annet trekk er det utformet ett eller flere klaringsspor for resirkulering av rullene langs skruens gjenger.

Som en variant har kun halvdelen av en rulle spor, mens den andre halvdel er glatt, og disse ruller plasseres alternativt i motsatte retninger rundt omkretsen av den gjengede skrue.

Oppfinnelsen er beskrevet i større detalj nedenfor under henvisning til de ikke-begrensende utførelseseksempler som er vist på tegningene, hvor

Fig. 1 representerer et lengdesnitt gjennom skruen med resirkulerende ruller, hvor den gjengede skrue er vist i massiv form og kun den nedre del av rullene er vist i snitt. Fig. 2 til 4 er detaljerte snitt av forskjellige arrange-menter for å holde tappen. Fig. 5 er et tverrsnitt gjennom en annen utførelse av klaringssporet, og Fig. 6 representerer et lengdesnitt gjennom en variant av ruilen.

Det skal først vises til fig. 1, hvor mekanismen omfatter en gjenget mutter 110, en gjenget skrue 101, et sett ruller 108 med sirkulære spor innsatt mellom skruen og mutteren og to deksler 102, et øvre og et nedre, som gir fri passasje for den gjengede skrue, men fastholder rullene inne i mutteren. Hvert deksel er festet i stilling ved hjelp av en skrue 103. Som vist på side A av fig. 1, er rullenes 108 spor i kontakt med gjengene både på mutteren 110 og på skruen 101. Disse spor er fremstilt på konvensjonell måte slik at de kun har enkeltpunktskontakt med hver gjengeflanke for å redusere den rullende friksjon. Disse ruller holdes i stilling i forhold til hverandre ved hjelp av en holder 114, hvis hovedlegeme fritt kan rotere mellom dekslene 102. Siden det her kun dreier seg om rullende friksjon, kan skruen 101 om ønskelig roteres meget langsomt.

Mutteren 110 er vanligvis fast forbundet med maskinens ramme, og skruen benyttes derfor til å forskyve den gjenstand hvis stilling det er nødvendig å justere. Arrangementet kan også benyttes omvendt. I så fall ville den gjengede skrue være understøttet av lagre og ville være fast forbundet med aksen av en motor som roterer skruen, slik at mutteren ville bevege seg langs skruen.

Det vil forstås at når skruen roterer, vil rullene rulle både langs skruen og langs mutteren, slik at de utfører en translasjonsbevegelse langs mutteren i retning mot én av de to deksler. For å gjøre det mulig for rullene å resirkulere når de når sin endestilling, er det utformet et langsgående klaringsspor 106 i mutterens gjenger, slik det er vist på side B på fig. 1.

Under rullens translasjonsbevegelse vil tappen 104 som hviler mot det tilsvarende deksel 102, komprimere den til-støtende fjær 107. Når den samme rulle befinner seg i klaringssporet, fastholdes den ikke lenger mot siden av mutteren, og under virkningen av fjæren blir den adskilt fra skruens gjenger. Den kan derved bevege seg fritt. Den sammentrykkede fjær 107 strekker seg deretter ut og skyver rullen tilbake til midten av mutteren. Når rullen har returnert til midtstillingen, vil øvre og nedre f jaer 107 være i balanse slik at rullen er stabilisert.

Holderen 114, som drives av de andre ruller, skyver så den frie rulle tilbake i stilling mellom mutterens og skruens gjenger. En påfølgende oppadgående eller nedadgående forskyvning av rullen bevirkes av samvirkningen mellom sporene og gjengene. Mens tilstedeværelsen av en kam ville ha forhindret denne bevegelse i den ene eller andre retning og derved skape et "hardt punkt", kan bevegelsen nå skje ganske jevnt ved hjelp av fjærene 107.

Bredden av sporet 106 er vanligvis omtrent lik diameteren av rullen, slik at kun én rulle blir frigjort av gangen. La-boratorieprøver har vist at dersom antall ruller er stort, f.eks. større enn ti, er det en fordel å utforme et spor som er like bredt som avstanden mellom to påfølgende ruller, slik at én rulle frigjøres samtidig med at den foregående rulle reintegreres mellom gjengene, fordi dette er den beste måte å dempe det lille slag som oppstår.

Det skal bemerkes at lengden av hver rulle 108 og tykkelsen av dekslene 102 ikke er avgjørende. Utformningen av boring-ene i hver ende av rullene er en enkel fremsti 11ingsopera-sjon. Fjærer og tapper med gjengs toleranse er kommersielt tilgjengelige til lave omkostninger. Montering kan lettes ved å smøre tappenes sider med et seigt fett, som holder dem i stilling i rullene under montering. Oppfinnelsen gjør det således mulig å oppnå skruer med bedre ytelse til en lavere pris .

I basisversjonen skrubber de avrundede ender av tappene 104 mot dekslene 102 når de beveger seg langs den indre omkrets av mutteren 110. For å redusere intensiteten av denne glidende friksjon kan det være hensiktsmessig å fremstille dekslene av Teflon, nylon eller plast. Videre kan dekslene være forsynt med deler som passer ganske tett mot skruen 101 for derved å stryke bort støv. Fig. 2 viser en andre utførelse hvor tappen 104 hviler mot dekselet 102 via en lagerring som består av et sett kuler 113 og en brikke 112. Disse deler er kommersielt tilgjengelige. Denne forbedring er spesielt viktig når skruen er i kontinuerlig bruk og permanent glidende friksjon av tappene mot dekslene vil bevirke oppvarming og krafttap. Et rulle-spor kan være anordnet i én eller begge flater avhengig av størrelsen av kulene som skal fastholdes. Fig. 3 viser en tredje utførelse av oppfinnelsen, hvor oven-nevnte brikke utgjør en integrerende del av ruileholderen slik at det dannes et enhetlig stykke 115. I dette arrangement blir den glidende friksjon i foregående utgave, spesielt mellom tappene eller holderen og dekslene, totalt eliminert, slik at det kun gjenstår en mindre rullende friksjon ved kulene 113. Omkostningene ved denne mekanisme er imidlertid noe høyere.

I tilfeller hvor rullene bare beveger seg litt mellom hver resirkulasjon, f.eks. mindre enn 8 mm, enten på grunn av lav skruestigning eller på grunn av det forhold som skal beskri-ves i det følgende under henvisning til fig. 5, kan rulleholderen 114, som er komplisert å fremstille, erstattes av to modifiserte brikker 117, en øvre og en nedre, slik det er vist på fig. 4. Disse tykke brikker har dype utsparinger 118 langs omkretsen for å oppta rullene 108. Disse ruller er modifisert i den forstand at hver rulle ved hver ende er forsynt med et glatt parti 105 som har noe mindre diameter enn bredden av utsparingen 118.

Det vil forstås av fig. 4, hvor rullen 108 befinner seg nøy-aktig i midtstilling i forhold til mutteren 110, at dybden av utsparingen 118 og lengden av det glatte parti 105 er i det minste mer enn to ganger den maksimale forskyvning h av rullen 108 mellom to resirkuleringer. Som i det foregående tilfelle, reduserer også her en kuleløpebane 113 friksjons-kreftene og således effekttapet.

I tillegg til den større forenkling av mekanismen muliggjør dette arrangement at rullene kan plasseres nærmere sammen, slik at det antall ruller som kan få plass langs en gitt omkrets kan økes, med det resultat at den maksimale aksiale belastning på skruen kan økes. Man har også funnet at hver gjeninnføring av en rulle mellom gjengene søker å gjeninn-rette de to brikker 117 i forhold til hverandre.

Siden plasseringen av klaringssporet 106 nå ikke er avhengig av plasseringen av kammen, har man funnet det fordelaktig å skjære dette spor i selve den gjengede skrue, f.eks. i form av et flatt parti 120 i skruens lengderetning, slik det er vist på fig. 5. Dette kan ganske enkelt utføres ved å snitte langs skruen.

En annen form på utsparingen 121 eliminerer fullstendig enhver skarp vinkel og gir derfor ytterligere fleksibilitet for gjeninnføring av rullen 108 mellom gjengene etter resirkulasjon.

Av større viktighet er det faktum at i dette arrangement skjer resirkulasjonen av rullene ikke etter én fullstendig rotasjon av rullen rundt mutteren, med andre ord etter en langsgående forskyvning lik én gjengestigning, men så snart sporet på skruen innhenter rullen, noe som skjer mye tid-ligere. Frekvens og plassering ved resirkulering av en gitt rulle avhenger hovedsakelig av den utvendige diameter av skruen og den innvendige diameter av mutteren hvor de respektive gjenger er plassert. Proporsjonene av mekanismen som f.eks. er vist på fig. 5, medfører at en rulle vil bli resirkulert etter at den har utført kun to tredjedeler av en omdreining rundt mutteren. På dette trinn har rullen for-skjøvet seg langsetter med to tredjedeler av størrelsen av gjengestigningen. Rommet i mutteren som rullene kan bevege seg i, kan derved reduseres, som angitt ved avstanden h på fig. 4. Ved en gitt størrelse på bevegelsesrommet, f.eks. 6 mm, blir det omvendt mulig å skjære gjenger med flere innganger og større stigning i mutteren. Slike gjenger fremstilles raskere enn gjenger med enkel inngang.

Det er viktig å merke seg at resirkuleringen av alle rullene ikke lenger skjer på et enkelt punkt, men over hele omkretsen av mutteren, slik at mekanismen fungerer symmetrisk om sentral aksen.

I tilfelle av gjengede skruer av stor diameter, som medfører et stort antall ruller som omgir skruen, kan det være fordelaktig å skjære flere klaringsspor med lik avstand rundt periferien av skruen for hyppigere resirkulasjon.

I noen tilfeller kan det være nødvendig å "forspenne" skruen, enten for å eliminere all aksial klaring mellom den gjengede skrue og mutteren eller for å øke stivheten av

anordningen eller øke det minste dreiemoment som kreves for å starte rotasjon av skruen. En slik forspenningsanordning er illustrert på fig. 6, som viser mutteren bestående av en øvre del 124 og en nedre del 126, som begge er gjenget, og en kalibrert kile 109, hvilke deler er anordnet i en boks 130. Tykkelsen av kilen 109 er litt mindre eller større enn stigningen av skruen. Når tykkelsen av kilen er mindre enn skruestigningen, vil alle gjengene skåret i delen 124 presse nedad mot rullen 108, mens gjengene skåret i delen 106 presser oppad mot den samme rulle. Rullen tvinges derfor mot den gjengede skrue. Denne strammevirkning øker ruilefriksjonen og således det minste dreiemoment som er nødvendig for å starte skruens rotasjon.

I en slik situasjon ville et hardt punkt opptre ved gjen-innføringen av en rulle mellom gjengene. For å halvere intensiteten av disse kilevirkninger, har rullene 128 på fig. 6 en glatt halvdel og en sporforsynt halvdel. Disse ruller 128 er anordnet alternativt i motsatte retninger rundt skruen, dvs. at en "øvre" rulle følges av en "nedre" rulle og at disse resirkuleres alternativt. Det øvre klaringsspor kan være forskjøvet i forhold til det nedre spor, og denne forskyvning kan ta hensyn til nødvendigheten av eventuelt å resirkulere to ruller samtidig. Dette arrangement tar således hensyn til symmetrisk operasjon om midtpartiet.

Det fremskritt som oppfinnelsen medfører for skruer med resirkulerende ruller kan like godt anvendes for små meka-nismer som store enheter. Skruen vist på fig. 1, som bl.a. erkarakterisert vedat tappene hviler direkte mot Teflon deksler og ved at klaringssporet er plassert inne i mutteren, er å foretrekke når det gjelder å påvirke en liten gjenstand, såsom et lineært potensiometer, for å ta et eksempel fra elektronikken. Denne skrue tilsvarer den enkleste basisform som for tiden er tilgjengelig. Valget av opsjoner såsom kulerullebanen, utskiftning av ruileholderen med brikken 117, plasseringen av klaringssporet på mutteren eller på skruen, og bruk av ruller som delvis er glatte, foretas i henhold til den spesielle bruk som skruen er til-tenkt og de tekniske og økonomiske betingelser.

For en tung gjenstand som ikke forandrer sin stilling med mer enn 1 mm, vil skruen benyttet for å håndtere denne kreve tykke gjenger og derved en stor skruestigning. I et slikt tilfelle er det fordelaktig å benytte en holderbrikke 117 som roterer på en kulerullebane og en gjenget skrue som selv har ett eller flere klaringsspor 121 for å begrense den langsgående forskyvning av rullene.

For effektiv smøring helt opp til nivå med fjærene 107 kan det være fordelaktig å lage en langsgående åpning ved hver ende av tappen.

Claims (8)

1. Skrue med resirkulerende satelittruller, omfattende en gjenget mutter, en gjenget skrue som holdes sentrert i mutteren av et sett ruller anordnet rundt dennes omkrets, et klaringsrom for resirkulasjonen av rullene, og et deksel som er skrudd fast til hver ende av mutteren og som gir fri passasje for skruen, men fastholder rullene inne i mutteren, karakterisert ved at rullene har elastiske midler som søker å returnere dem til midten av mutteren.

2. Skrue ifølge krav 1, karakterisert ved at de elastiske midler omfatter et hulrom som er utformet aksialt i rullen og som inneholder en fjær som skyver en tapp ut av hulrommet, hvilken tapp hviler mot det gjengede deksel.

3. Skrue ifølge krav 1, karakterisert ved at de gjengede deksler er laget av Teflon eller nylon eller plast.

4. Skrue ifølge krav 1, karakterisert ved at de elastiske midler for hver rulle hviler mot en kuleløpebane som omfatter det gjengede deksel, et sett kuler som eventuelt er anordnet i et spor, og en holderbrikke.

5. Skrue ifølge krav 4, karakterisert ved at holderbrikken for kuleløpebanen danner en integrerende del med en holder for rullene.

6. Skrue ifølge krav 1, karakterisert ved at rullene holdes i stilling i forhold til hverandre av to tykke brikker, en øvre og en nedre, som hver har utsparinger som opptar glatte ender av rullene og dekker kuleløpebanen ved de respektive deksler.

7. Skrue ifølge krav 1, karakterisert ved at ett eller flere klaringsspor hvor resirkulasjon av rullene skjer, er utformet langs den gjengede skrue.

8. Skrue ifølge krav 1, karakterisert ved at kun halvparten av en rulle er forsynt med spor, idet den gjenværende del er glatt, og at de således utførte ruller er plassert i motsatte retninger i forhold til hverandre langs omkretsen av den gjengede skrue.