SE503473C2

SE503473C2 - Ball Screw

Info

Publication number: SE503473C2
Application number: SE9502562A
Authority: SE
Inventors: Bo Granbom
Original assignee: Bo Granbom
Priority date: 1995-07-11
Filing date: 1995-07-11
Publication date: 1996-06-24
Also published as: SE9502562L; AU6373496A; WO1997003309A1; SE9502562D0

Abstract

A ball-nut comprising a screw (1) with screw formed threads (2) and in a nut retained balls (11) cooperating with these, the balls running between two ball races (8) suspended perpendicularly to the shaft of the screw (1) and rotatably in the nut. The ball-nut is characterized in that each ball (11) has a radius being so much minor than the radius of the thread profile of the screw (1) and the ball treads (6) of the ball races (8), respectively, that the contact point (15) of the ball (11) with the thread (2) at a load on the ball-nut is situated on a tangent to it declined with an angle alpha being less than 90 degrees and not zero to the shaft (12) of the screw and the contact point (16) of the ball tread (6) of the corresponding ball race (8) situated on a tangent to it declined with an angle beta , which is not zero, but minor or equal to the angle alpha towards the axis (12) of the screw.

Description

15 20 25 30 i 505 473 2 7 medan 14 betecknar en med mutterhylsan 4 fast förbunden kulhållare för kulorna 11. 15 20 25 30 in 505 473 2 7 while 14 denotes a ball holder for the balls 11 fixedly connected to the nut sleeve 4.

Vid driften av en kulslcuv kommer, vid skruvens 1 rotation, muttern, genom kulomas ingrepp i gängorna, att förflytta sig axiellt utefter skmven varvid det underförstås, att själva muttern ej vrider sig. På motsvarande sätt kan naturligtvis muttem förskjutas och därmed vrida skruven. Teoretiskt sett kommer vid skruvens vridning kulorna att symmetriskt rulla i gängoma samtidigt som löpringarna lilcformigt vrider sig i motsatt riktning mot skruven. Problemet är emellertid att detta teoretiska, idealiska förhållande ej föreligger.During the operation of a ball screw, when the screw 1 rotates, the nut, through the engagement of the balls in the threads, will move axially along the screw, it being understood that the nut itself does not turn. Correspondingly, of course, the nut can be displaced and thereby turn the screw. Theoretically, when the screw is rotated, the balls will roll symmetrically in the threads at the same time as the running rings rotate slightly in the opposite direction to the screw. The problem, however, is that this theoretical, ideal relationship does not exist.

Frånsett kravet på ytterst fma toleranser arbetar kulskruven med stora belastningar och höga hastigheter, vilket medför värmetöjningar och värmespänningar. Stor risk föreligger att kulan kommer att rulla mot gängspårets båda ﬂanker med stor friktion som följd, samtidigt som löpringarna kommer att påverkas av motriktade krafter från de samverkande kulorna, exempelvis så som kulskruven är utformad enligt nämnda SE 8702982-3. Kulorna kommer att rulla odeﬁnierat vilket bidrar till ojämn förslitning av löpbanor och kulor.Apart from the requirement for extremely fma tolerances, the ball screw operates with large loads and high speeds, which results in thermal elongations and thermal stresses. There is a great risk that the ball will roll against both ﬂ anchors of the threaded track with great friction as a result, at the same time as the running rings will be affected by opposite forces from the cooperating balls, for example as the ball screw is designed according to the SE 8702982-3. The balls will roll undetected, which contributes to uneven wear of the tracks and balls.

Föreliggande uppfinning har till uppgift att vid denna typ av kulskruv lösa problemen med hög friktion med kraftig värmeutveckling som följd och kulomas odeﬁnierade rörelser i kulbanorna; Detta är löst så att kulskruven uppvisar endast en enda kulrad, vars kulor 11, löpande i skruvens gängor 2, samverkar med två i muttern fritt roterbara löpringar 8 och att gängproñlen liksom profilen hos respektive löprings kullöpbana 10 givits sådana dimensioner i förhållande till kuloma 11, att dessa vid kulskmvens arbete uppvisar tre anliggnings- eller rullningspunkter, dels en punkt 15 på skruvgängans ﬂank och dels en punkt 16 pá löpringarnas 8 vardera kullöpbana 10. För att säkerställa detta krav måste ett visst spel föreligga mellan kula och gängﬂanker, dvs. gängspáret skall vara något större än vad som krävs för kulan. Detta spel kan vara ca. 0,02 mm. Vid belastning av kulskruven kommer härigenom kulans rullningspunkt i gängan att förﬂyttas radiellt utåt, sett från skruvens 1 axel 12, dvs. rullningspunkten hamnar längre ut på gängﬂanken. Härigenom tvingas kulorna radiellt utåt och säkras därmed god kontakt med löpringarna 8, se Fig. 2, i vilken muttem 3 antas påverkad av en axiell kraft från höger och varvid det skall underförstâs att de visade spelen är grovt schematiska. En väl definierad kontakt mellan kula, gängﬂank och löpringar är därmed etablerad i tre rullningspunkter. För att emellertid under alla driftsförhållanden absolut säkerställa, att dessa tre rullningspunkter eller rullningslinjer hela tiden upprätthålls skall kulans 11 ingrepps- eller rullningspunkt 16 på respektive löpring 8 befinna sig vid en punkt där kulradien lutar vinkeln ß mot skruvens axel 12. Vinkeln ß skall därvid vara lika 10 15 20 25 30 503 473 3 med eller mindre än vinkeln a, som är kulradiens genom ingrepps- eller rullningspunktens 15 lutning mot skruvens axel 12. Härigenom kommer den löpringarna 8 isärförande kraften från kuloma 11 att vara större än den kraft som verkar mellan kuloma 11 och gängﬂanken i rullningspunkten 15 (vid ß = a verkar centrifugalkraften pâ kulorna som den isärförande kraften.) Kuloma 11 kommer att arbeta i det stabilt intagna rullningsplanet, definierat av de tre ingrepps- eller rullningspunkterna 15 och 16, det vill säga kuloma 11 mllar i ett enda plan utan friktionsförluster från skmv 1 eller löpringar 8. Genom att löpringarna 8 fritt roterar i muttern kommer ringarna 8 att vrida sig i motsatta :riktningar när kulorna rullar i skruvgängorna mot dessas gängﬂank utefter den av rullningspunkterna 15 genererade rullningslinjen.The object of the present invention is to solve with this type of ball screw the problems of high friction with strong heat generation as a result and the unedited movements of the balls in the ball paths; This is solved so that the ball screw has only a single ball row, the balls 11, running in the threads 2 of the screw, cooperate with two nut rings rotatable in the nut 8 and that the thread profile as well as the profile of the respective race ring ball track 10 are given such dimensions in relation to the balls 11 that these during the work of the ball joint have three abutment or rolling points, partly a point 15 on the screw thread ﬂ ankle and partly a point 16 on the ball race 10 of the running rings 8. To ensure this requirement, a certain play must exist between the ball and the gang ﬂ anchor, ie. the threaded groove should be slightly larger than that required for the ball. This game can be approx. 0.02 mm. When the ball screw is loaded, the rolling point of the ball in the thread will thereby be moved radially outwards, seen from the shaft 12 of the screw 1, ie. the rolling point ends up further out on the gang ﬂ anken. As a result, the balls are forced radially outwards and thus good contact with the running rings 8 is ensured, see Fig. 2, in which the nut 3 is assumed to be influenced by an axial force from the right and it is to be understood that the games shown are roughly schematic. A well-defined contact between the ball, the gang ﬂ ank and the running rings is thus established in three rolling points. However, in order to absolutely ensure in all operating conditions that these three rolling points or rolling lines are maintained at all times, the engaging or rolling point 16 of the ball 11 on the respective running ring 8 must be at a point where the ball radius tilts the angle ß to the screw axis 12. The angle ß equal to or less than the angle α, which is the ball radius through the inclination of the engaging or rolling point 15 towards the axis 12 of the screw. As a result, the force of the running rings 8 separating from the balls 11 will be greater than the force acting between the balls 11 and the thread ﬂ the anchor in the rolling point 15 (at ß = a the centrifugal force on the balls acts as the separating force.) The balls 11 will operate in the stably occupied rolling plane, defined by the three engaging or rolling points 15 and 16, i.e. the balls 11 mills in a single plane without friction losses from skmv 1 or running rings 8. By the running rings 8 rotating freely in nut rn, the rings 8 will rotate in opposite: directions when the balls roll in the screw threads towards their threads ﬂ ank along the rolling line generated by the rolling points 15.

Med 17 betecknas lâs- eller fäststift för fixering av gavelstyckena 5 vid hylsan 4.17 denotes locking or fastening pins for fixing the end pieces 5 to the sleeve 4.

Denna fixering kan naturligtvis ske på många andra, för fackmannen självklara sätt.This fixation can of course take place in many other, obvious ways for the person skilled in the art.

För att belysa den unikt låga friktionen hos kulskruven enligt uppfinningen skall som exempel verkningsgraden beräknas vid en kulskruv, där vinkeln a är 45° och vinkeln ß 30°.To illustrate the uniquely low friction of the ball screw according to the invention, the efficiency of a ball screw must be calculated as an example, where the angle α is 45 ° and the angle ß 30 °.

Kulskruven har en diameter av 25 mm, stigning 36 mm och 8 gängingångar (dvs. 8 kulor).The ball screw has a diameter of 25 mm, pitch 36 mm and 8 threaded inputs (ie 8 balls).

Spelet mellan' kuloma och skruvens båda gängﬂanker är ca. 0,02 mm.The clearance between the 'balls and the two threads of the screw ﬂ anchor is approx. 0.02 mm.

De enda friktionsförluster Q som här behöver tas hänsyn till är de från kulhållaren 14 och beräknas enligt Q = C x p x L där L är längden på den sträcka, som kulan rullar när skruven roterat ett varv och C är det tryck, som kulan får mot kulhâllaren vid en viss belastning. p är friktionskoefﬁcienten mellan kulan och kulhâllaren.The only friction losses Q that need to be taken into account here are those from the ball holder 14 and are calculated according to Q = C xpx L where L is the length of the distance that the ball rolls when the screw has rotated one revolution and C is the pressure that the ball gets against the ball holder at a certain load. p is the coefficient of friction between the ball and the ball holder.

Verkningsgraden 6 beräknas ur 6 = 100 - Q_-_@ .The efficiency 6 is calculated from 6 = 100 - Q _-_ @.

E Antag nu i exemplet att lasten är 100 kg. Kulan trycker mot slcruvﬂanken med 45° vinkel och den kraft som radiellt påverkar kulan blir då a = 50 kg. Skruvens stigningsvinkel 7 blir Tgy = 36 där y = 26°. :sym L = 1362 + (zaf/ml = o,os27 m och 1 000 C = a - sin 'y - cos 'y = 50 - 0,438 ~ 0,899 = 19,69 kp, vilket fördelat på 8 kulor blir 2,46 503 473 kp/kula. p väljs 0,1 och E blir vid vridning 1 varv av skruven 3,6 kpm. Härav fås = 100 - 19.69 - 0.1 - 0.0827 - 100 = 95,48% 3,6 Det skall förstås att vinklarna a och ß (se Fig. 2) kan tillåtas inta andra än de nämnda värdena, men skall alltid ß vara mindre än a.E Now assume in the example that the load is 100 kg. The ball presses against the slcruv ﬂ anchor at a 45 ° angle and the force that radially affects the ball then becomes a = 50 kg. The pitch angle 7 of the screw becomes Tgy = 36 where y = 26 °. : sym L = 1362 + (zaf / ml = o, os27 m and 1 000 C = a - sin 'y - cos' y = 50 - 0.438 ~ 0.899 = 19.69 kp, which in 8 spheres becomes 2.46 503 473 kp / ball. P is selected 0.1 and E becomes when turning 1 revolution of the screw 3.6 kpm. From this is obtained = 100 - 19.69 - 0.1 - 0.0827 - 100 = 95.48% 3.6 It should be understood that the angles a and ß (see Fig. 2) may be allowed to take other than the mentioned values, but ß must always be less than a.

Claims

10 15 503 473 5 Patent claims

Ball screw comprising a screw (1) with helical threaded threads (2) and with these cooperating balls (11) received in a nut (3), which run between two perpendicular to the axis (12) of the screw (1) and in the nut ( 3) rotatably mounted running rings (8), characterized in that resp. ball (11) has a radius which is so smaller than the radius of the threaded profile of the screw (1) resp. the ball race paths (6) of the running rings (8), that at the load of the ball screw the ball radius slopes through the point of engagement (15) of the ball (11) with the thread (2) at an angle of less than 90 ° and separated from zero towards the shaft (12) and engagement point ) with resp. ball ring path (8) ball bearing path (6) the ball radius is inclined at an angle ß of zero but equal to or less than the angle α towards the axis (12) of the screw.

Ball screw according to claim 1, characterized in that the running rings (8) are mounted in the nut (3) by means of bearing balls (7).

Ball screw according to Claim 1 or 2, characterized in that a ball holder (14) is arranged between the balls (11) and is fixedly connected to the nut (3).

Ball screw according to one of the preceding claims, characterized in that the angle α is approximately 45 °.

Ball screw according to one of the preceding claims, characterized in that the angle ß is approximately 30 °.