DE2709006C2

DE2709006C2 - Wälzmutter zur Umwandlung einer Drehbewegung in eine Vorschubbewegung

Info

Publication number: DE2709006C2
Application number: DE2709006A
Authority: DE
Inventors: Joachim 2300 Molfsee Uhing
Original assignee: Individual
Current assignee: Uhing Hans Peter Dipl-Ing 2300 Molfsee De Uh
Priority date: 1977-03-02
Filing date: 1977-03-02
Publication date: 1983-05-11
Also published as: US4253342A; FR2393206A1; CH622324A5; IT7820455A0; DE2709006A1; FR2393206B1; GB1602042A; IT1093847B

Description

Die Erfindung betrifft eine Wälzmutter zur Umwandlung einer Drehbewegung in eine Vorschubbewegung zur Erzielung größerer Schubkräfte und Stabilisierung der relativen Lage zwischen Welle und Wälzkörpern mit in einem Winkel zueinander stehenden ringförmigen Wälzkörpern, wobei mehrere derartige in einem gemeinsamen Gehäuse gelagerte Rollringe mit ihrer Innenfläche in kraftschlüssigem Eingriff mit der Außenfläche einer Welle stehen.

Im Maschinen- und Apparatebau werden häufig Schrauben benötigt, mit denen Sch"bbewegungen von großer Länge ausgeführt werden. Das Gewinde für derartig lange Schrauben herzustellen, bereitet einige Schwierigkeiten, besonders, wenn sie genau sein sollen und zwischen Schraubenbolzen und Mutter weder Spiel noch Verschleiß entstehen soll. Oft wird noch Leichtgängigkeit bei derartigen Schraubenpaarungen verlangt

Es sind auch Schraubenelemente bekannt, welche Wälzelemente verwenden, die sich in den entsprechend geformten Rillen des Bolzens und/oder der Mutter abwälzen und jede Gleitbewegung und damit auch die Abnutzung vermeiden. Ein Beispiel dafür sind Kugelumlaufmuttern, bei welchen die Kugeln am Ende eines oder mehrerer Gewindegänge wieder auf den Anfang des Ganges zurückgeführt werden. Derartige Schraubengetriebe sind durch die schwierige Herstellung jedoch so teuer, daß sie für viele Zwecke nicht verwendet werden können. Darüber hinaus sind auch reibschlüssige Schrauben bekannt, welche aus einem oder mehreren Ringen bestehen, die durch elastische Kräfte so gegen eine glatte Welle gepreßt werden, daß sie eine schraubenförmige Bewegung ausführen können, wenn die Ebenen der Ringe die Wellenachse unter demselben Winkel schneiden.

Aus der DE-PS 10 57 411 ist beispielsweise ein Rollringgetriebe bekannt, bei welchem diese Winkel veränderbar ausgeführt sind, so daß Schraubenbewegungen mit veränderlicher Steigung entstehen, Der technische Aufwand ist aber auch bei diesen gleitreibungsfreien Getrieben so groß, wenn eine Schraubenbewegung mit nur einem festen Steigungswinkel gebraucht wird. Getriebe mit veränderlichem Steigungswinkel haben auch den Nachteil, daß die Welle aus der Ringmitte lateral herausgedrängt wird, wenn Querkräfte auf die Ringe wirken und keine zusätzliche Führung zwischen Ringgehäuse und Welle vorhanden ist. Die Ringe stehen zwar auf der Welle durch die Anpreßkräfte im Gleichgewicht; eine stabile Querlage haben sie aber nicht, da der fast punktförraige Wälzpunkt in der Schwenkachse der Ringe liegt Durch die daher erforderlichen zusätzlichen lateralen Führungen entstehen aber wieder Gleitbewegungen mit Reibungsverlusten und somit Verschleiß. Bei Rollringgetrieben mit drei Ringen wird außerdem der mittlere Ring doppelt so hoch belastet, wie die beiden Außenringe (vgL Fig. 3 der DE-PS 10 57 4H). Die maximale Belastbarkeit wird hierbei durch die zulässige spezifische Flächenpressung im Wälzpunkt und die Tragfähigkeit der Lagerung des mittleren Ringes bestimmt Da, wie bereits oben angedeutet, diese Ringe die Welle nur in einen". Punkt berühren, werden die Anpreßkräfte ungleichmäßiger auf die tragenden Kugeln des Lagers verteilt als bei der einfachen Lagerung einer Welle, bei welcher sie den Innenring ganz ausfüllt Auch aus diesem Grunde kann die Tragfähigkeit der Lager nicht voll ausgenutzt werden.

Aus der US-PS 40 08 323 ist eine Einrichtung zur Umwandlung einer Drehbewegung in eine Vorschubbewegung bekanntgeworden, bei der verschiedene Einzelkomponente der Einrichtung dazu dienen, die Anpreßdrücke in Abhängigkeit von den Schubkräften zu regulieren. Dabei kann man aus Fig. 4 erkennen, daß die Wälzflächen ellipsoide Formen haben, deren große Achse in der Ringebene liegen. Über die Größe der Achse liegen aber weder in der Beschreibung noch in der Zeichnung Angaben vor.

Das in der DE-AS 12 16 058 dargestellte Rollringgetriebe soll die auf die Welle bzw. Ringe wirkenden Kräfte in Abhängigkeit der Schubkräfte vergrößern. Dabei sind die Ringe nicht nur drehbar, sondern auch um zwei Achsen parallel zur Ringebene kippbar gelagert Wälzpunkt und Achsen bilden ein Dreieck mit den Kippwinkeln 2ß. Der in Fig. 12 ebenfalls dargestillte Winkel ρ ist der Reibungswinkel, der sich aus der Anpreßkraft und durch den im Wälzpuwkt entstehenden Reibungswiderstand ergibt Je nach Erfordernis der Schubkraft muß der Reibungswinkel ρ, wie Fig. 12 zeigt, kleiner sein als der Kippwinkel ß.

Schließlich ist durch die US-PS 34 43 443 ein Rollringgetriebe vorgeschlagen worden, bei dem die Kugeln nicht auf einem Rollring, sondern direkt in Berührung mit der Welle gebracht werden. Dabei entsteht jedoch nur eine punktförmige Berührung, die auch nur eine geringe Schubkraft erlaubt Auch ist dabei die Abwälzgeometrie sehr ungünstig, da die Kugeln im Bereich des Wälzpunktes auf einem Ellipsenbogen und nicht, wie erforderlich, auf einem Kreisbogen zentrisch zur Wellenmitte laufen. Diese Anordnung führt auch zu einem unruhigen Lauf.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, unter Vermeidung der vorgenannten Nachteile eine Wälzmutter mit nur einer Gewindesteigung zu konzipieren, die es ermöglicht, größere Schubkräfte zu erzielen und die Lage der Welle zum Ring gegen Querkräfte zu stabilisieren, wobei die Konstruktion aus wenigen einfachen Teilen bestehen soll, gut zugänglich ist und einen geringen Raumaufwand beansprucht.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Schmiegung zwischen Rollring und Welle so groß wie möglich, jedoch nicht größer als 60° gewählt wird. Dabei ist das aus zwei gleichen Hälften bestehende Gehäuse so geteilt, daß die Trennfläche der beiden Gehäusehälften durch die Achse der Welle und die Mitten der Wälzflächen verläuft. Die beiden Gehäusehälften sind somit gleich ausgebildet und untereinander

austauschbar.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 die Schmiegung zwischen Welle und Rollring anhand eines Schnittes,

F ii g. 2 die Ausbildung der Schmiegung hervorgerufen durch den Steigungswinkel,

F \. g. 3 Schubgeschwindigkeiten in der Wälzfläche,

F i g. 4 die Lage der Rollringe im Gehäuse im Schnitt, _]0 F i g. 5 eine Seitenansicht gemäß F i g. 4,

Fig.6 einen Schnitt durch die Kammern der Federelemente im Gehäuse.

Fig.! zeigt einen Rollring 10, dessen Achse gegenüber der Welle 11 um den Winkel β (Fig.2) verschwenkt ist Die Innendurchmesser der Welle, des Rollrings und die Form seiner Lauffläche sind hierbei so gewählt, daß sie die Welle 11 nicht in einem Punkt, sondern auf einem Bogen von Punkt 13 bis 14 berührt. Hierdurch wird die Lage der Weile zum Ring auch gegen Querkräfte stabilisiert Die Anpreßct-ücke werden auch in einem größeren Ringbereich über die Wälzkörper des Lagers auf den äußeren Ring des Rollringes 10 übertragen. Die Rollringe sind somit also höher belastbar. Theoretisch könnten die Lauffläche des ₂s Rollringes und sein Durchmesser so ausgeführt werden, daß die Anschmiegung 13, 14 zwischen Ring 10 und Welle 11 fast 180° beträgt Dieser Idealfall kann deshalb nicht realisiert werden, weil die Geschwindigkeit in der Abwälzfläche in jedem Punkt verschieden groß ist In der Mitte der Wälzfläche hat sie z. B. ihr Maximum; um 90° dazu versetzt gleich Null. Naturgemäß können zwei Körper aufeinander aber nur einwandfrei abwälzen« wenn die sich berührenden Punkte die gleichen Geschwindigkeiten aufweisen. 1st das nicht der Fall, so treten neben Abwälzen zusätzlich noch Gleitreibung auf, die um so größer ist, je größer die Geschwindigkeitsunterschiede sind. Erfahrungsgemäß sollen diese Abweichur jen von der mittleren Wälzgeschwindigkeit ca. ±6% nicht übersteigen.

Für die Vorschubgeschwindigkeit wird bekanntlich bei Rollringgetrieben die mathematische Beziehung:

Vo-K-tgß

angegebeii, in welcher der Faktoi K die konstanten Größen Drehzahl und Durchmesser der Welle enthält, β ist der Winkel zwischen Ring- und Wellenachse.

Liegt ein Wälzpunkt η auf dem Bogen 13, 14 um den Winkel γ (F i g. 3) von dtr Mitte der Wälzfläche entfernt, so ist die Schubgeschwindigkeit Vn im Punkt η so

Vn = K ■ tg β ■ cos γ.

Für die zulässige Abweichung von ca. ±6% ergibt sich für cos y der Wert von

1-2 · 0,06 = 0,88

und damit für den größten zulässigen Winkel y = 28,2^J oder aber für die Gesamtlänge der Wälzfläche 2 · 28,2 = 56,4^a. Daraus ergibt sich, daß die Änschmiegung zwischen Ring 10 und Welle 11 wohl möglichst groß sein soll, jedoch einen Bogen von ca. 60° nicht überschreiten darf, wenn in der Berührungsfläche keine größeren Geschwindigkeiten als ±6% der mittleren Gleitgeschwindigkeit auftreten soll.

Bei dem bekannten ? ,"Jlringgetriebe ist jeder Rollring in einem Gehäuse gelagert, welches wiederum in einem Gesamtgehäuse geschützt untergebracht und schwenkbar gelagert ist Es nimmt gleichzeitig alle Kräfte auf, die durch die Anpreßdrücke zwischen Rollringen und Welle entstehen. Dagegen brauchen die Rollringe gemäß der Erfindung nicht schwenkbar ausgebildet zu sein, da der Steigungswinkel β konstant sein muß. Die einzelnen Ringgehäuse entfallen, und die Rollringe sind im Gesamtgehäuse direkt gelagert Dabei ist die Teilung des Gehäuses — sie ist notwendig um die Ringe einbauen zu können — so gewählt, daß beide Gehäusehälften vollständig gleich ausgebildet sind. Durch diese Maßnahme wird die Fertigung wesentlich vereinfacht, da z. B. jede Wälzmutter dann nur noch aus zwei Arten von Einzelteilen besteht, nämlich au» Rollringen und Gehäusehälften.

F i g. 4 veranschaulicht anhand eines Schnittes durch das Gehäuse 16 (F i g. 5) die Lage der in diesem Beispiel vier Rollringe 10 in einer der Gehäusehälften 16. Die Anpreßkräfte zwischen den Rollringen und der Welle werden durch elastische Elemen»', z. B. Federn oder ähnliche Werkstoffe, erzeugt

F i g. 6 zeigt, wie diese elastischen Elemente angeordnet sind, und zwar für die beiden mittleren Rollringe gemäß F i g. 4. Um ca. 45° versetzt zur Teilungsebene 15 (F i g. 5) sind vier Aussparungen vorhanden, in welchen Druckfedern 22 angeordnet sind. Diese raumsparende Anordnung erlaubt das größtmögliche Federvolumen unterzubringen, da die Ecken der Gehäuse 16 ohnehin vorhanden sind, für die Federn 22 also kein zusätzlicher Raum erforderlich ist Die Komponente 19 aus beiden Federdrücken 20 und 21 drückt den Rollring 10 gegen die Welle 11.

Bei Wälzmuttern mit z. B. drei Rollringen wird der mittlere Rollring auf diese Weise gegen die Welle gepreßt und die Reaktionskraft je zur Hälfte von den äußeren Rollringen aufgenommen und auf das Gehäuse übertragen.

Bei der Einrichtung mit vier Rollringen werden die beiden inneren Rollringe 10 entsprechend F i g. 4 und 6 gegen die Weile 11 gedrückt und die Reaktionskräfte ve η den beiden äußeren Rollringen 10' (Fig.4) aufgenommen. Die Anpreßkräfte sind dann bei allen Rollringen gleich und die Ausnutzung der zulässigen Rollringbelastung optimal. Mit vier Rollringen kann dadurch z. B. die doppelte Schubkraft gegenüber solchen mit drei Rollringen erreicht werden.

Es ist aber notwendig, daß in beiden Fällen sowohl mit drei als auch mit vier Rollringen diese so angeordnet werden, daß sie im Gehäuse um geringe Strecken auf der Welle verschoben werden können, seitlich aber gut geführt bleiben. Dieser Bedingung kommen die unter 45° angeordneten Druckfedern 22 (Fig.6) entgegen. Sie ändert auch nichts an der Gleichartigkeit der beiden Gehäusehälften 16,16'. Dadurch wird aber erreicht, daß mit denselben Bauteilen, je nach Zusammenhau, Wälzmuttern für linke oder rechte Steigung entstehen. Um eine andere Dreh- bzw. Schubrichtung zu erhalten, brauchen nur die Federn 22 in F i g. 6 aus den obere;) Kammern in die Uiiteren ausgewechselt zu werden.

Bei allen Rollringen wechseln dann auch die Wälzflächen von der einen auf die gegenüberliegende Seite der Welle 11, wodurch die Bedingung für die Änderung der Steigungsrichtung — links oder rechts — erfüllt wird. Diese Festlegung kann einmalig bei der Montage erfolgen. Walzrr.uttern können aber auch so ausgeführt werden, daß die Kraftrichtung der Federn 22 auch im Betriebszustand umgeschaltet werden kann. Dadurch sind z. B. ohne Änderung der Wellendrehrichtung hin- und hergehende Bewegungen der Wälzmutter

ausführbar.

Auch die Schrauben 23 und 24 Fig. 5 und Gewindelöcher zur Befestigung von Maschinenteilen können so angeordnet werden, daß beide Gehäuseteile 16,16' gleich bleiben. Besonders hervorzuheben ist bei 5 dieser Ausführung, daß durch die bessere Anschmiegung 13,14 (F i g. 1 + 2) der Rollringe 10, 10', und durch die Verwendung von 4 statt 3 Rollringen etwa die 4fache Schubkraft erreicht wird.

Es sei noch darauf hingewiesen, daß die Schubkraft gemäß der Einrichtung mit vier Rollringen begrenzt ist und daß die Welle in den Rollringen zu rutschen beginnt, wenn zu große Bewegungswiderstände auftreten, die bei gewöhnlichen Gewindespindeln eventuell zu Schäden führen können.

Da der spezifische Flächendruck in den Wälzflächen gering ist, treten beim gelegentlichen »Durchrutschen« an den Wälzkörpern keine Beschädigungen auf, und es kann für die Wellen ungehärteter, handelsüblicher Rundstahl verwendet werden. Trotzdem ist der Wirkungsgrad hoch, da in den Wälzpunkten nur verlustarmes Abwälzen auftritt Während bei normalen Gewinden die Selbstsperrung schon bei Steigungen von ca. 10° beginnt, liegt er bei der vorliegenden Ausführungsform bei 2 bis 3°. Für den praktischen Gebrauch wird der Steigungswinkel β aber so gewählt, daß die Steigung ein ganzzahliger Bruchteil vom Wellendurchmesser ist, so z. B. 9° für Steigung 0,5 Wellendurchmesser usw. gemäß der Formel

Steigung H = D- η · tg0

Die Federpakete 22 können druckeinstellbar ausgeführt werden. Dadurch ist eine Anpassung der gesamten Schubkraft an den technischen Prozeß, für welchen die Wälzmutter verwendet werden soll, möglich (z. B. Überlastschutz).

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Wälzmutter zur Umwandlung einer Drehbewegung in eine Vorschubbewegung zur Erzielung größerer Schubkräfte und Stabilisierung der relativen Lage zwischen Welle und Wälzkörpern mit in einem Winkel zueinander stehenden ringförmigen Wälzkörpern, wobei mehrere derartige in einem gemeinsamen Gehäuse gelagerte Rollringe mit ihrer Innenfläche in kraftschlüssigem Eingriff mit der Außenfläche einer Welle stehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmiegung (13, 14) zwischen Rollring (10) und Welle (11) so groß wie möglich, jedoch nicht größer als 60° gewählt wird.