DE3402631C2

DE3402631C2 -

Info

Publication number: DE3402631C2
Application number: DE3402631A
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Tokio/Tokyo Jp Teramachi
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1983-01-29
Filing date: 1984-01-26
Publication date: 1992-04-09
Also published as: DE3402631A1; GB2134603B; FR2540201B1; IT8447606A0; JPS59140920A; FR2540201A1; IT1177516B; GB2134603A; US4629337A; GB8326184D0

Description

Die Erfindung betrifft ein Linearkugellager nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solches Linearkugellager ist aus der US 41 27 309 bekannt. Bei diesem Linearkugellager sind die Kugel kanäle für unbelastete Kugeln in radialer Verlängerung der zugeordneten Kugelnuten angeordnet. Dadurch wird der gesamte Aufbau des Linearkugellagers voluminös. Der Abstand der Achsen der Kugelkanäle für unbelastete Kugeln von der Längsachse des äußeren Lagerrings ist viel größer als der Abstand der Achsen der Kugelkanäle für belastete Kugeln von der Längsachse des Lagerrings.

In der DE 30 01 799 A1 ist ein von der Anmelderin ent wickeltes Linearkugellager beschrieben, bei dem grund sätzlich die Möglichkeit einer kompakteren Bauweise dadurch zu erreichen versucht wurde, daß eine seitliche Übersetzung der Kugelkanäle für unbelastete Kugeln gegen über den Kanälen für belastete Kugeln vorgesehen wurde. Allerdings ist der Aufbau dieses bekannten Linearkugel lagers in vielen Punkten anders als bei den hier in Rede stehenden gattungsmäßigen Linearkugellagern: Während es hier um Konstruktionen geht, bei denen auf der Innenseite des äußeren Lagerrings mehrere Stege gebildet sind, auf deren beiden Seiten Kugelkanäle für belastete Kugeln ge bildet sind, sind bei dem bekannten Linearkugellager nach der DE 30 01 799 A1 keine solchen Stege vorhanden, son dern es sind in der Innenwand des Lagerrings Nuten gebil det, deren einander zugewandte Flächen Kugelnuten bein halten. Auch ist der Abstand der Kanäle für unbelastete Kugeln von der Längsachse des Lagers im Verhältnis zu dem Abstand der Kugelkanäle für belastete Kugeln von der Längsachse des Lagers relativ groß.

Aus der GB 9 28 696 ist ein Linearkugellager bekannt, bei dem im Querschnitt die Kugelkanäle für belastete Kugeln und diejenigen für unbelastete Kugeln praktisch radial verlaufen, also der Lagerring eine beträchtliche Dicke aufweisen muß, um die Kugelkanäle in sich aufnehmen zu können. Dies steht einer kompakten Bauweise entgegen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Linearkugellager der eingangs genannten Art anzugeben, welches hohe Dreh momente zu übertragen imstande ist und welches sich dennoch durch einen kompakten Aufbau auszeichnet.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichnungsteil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Durch die seitliche Versetzung der Kugelkanäle für unbe lastete Kugeln gegenüber den jeweils zugeordneten Kugel nuten und durch die relativ kleine Differenz zwischen den Abständen der Längsachsen der Kugelkanäle für unbelaetete Kugeln von der Achse des äußeren Lagerrings und den Achsen der Kugelkanäle für belastete Kugeln von der Längsachse des äußeren Lagerrings kann letzterer relativ dünn ausgebildet sein, so daß eine kompakte Ausgestaltung des Linearkugellagers möglich ist. Dennoch werden die Vorteile der Übertragung eines hohen Drehmoments beibe halten.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1A eine Stirnansicht einer bevorzugten Aus führungsform eines Linearkugellagers gemäß der Erfindung bei abgenommener Kappe;

Fig. 1B einen vergrößerten Ausschnitt der Dar stellung gemäß Fig. 1A;

Fig. 2 einen Längsschnitt durch das Lager ge mäß Fig. 1, jedoch ohne die Keilnut welle;

Fig. 3 einen Querschnitt durch das Lager gemäß Fig. 1 längs der Linie III-III in Fig. 1A;

Fig. 4 eine Stirnansicht des äußeren Lager rings des Lagers gemäß Fig. 1;

Fig. 5 einen Längsschnitt durch den Lagerring gemäß Fig. 4 längs der Linie V-V in dieser Figur;

Fig. 6 einen Längsschnitt durch den Lagerring gemäß Fig. 4 längs der Linie VI-VI in dieser Figur;

Fig. 7 eine Stirnansicht der Keilnutwelle des Lagers gemäß Fig. 1;

Fig. 8 eine Seitenansicht der Keilnutwelle gemäß Fig. 7;

Fig. 9 eine Draufsicht auf die Außenseite einer Kappe des Lagers gemäß Fig. 1 und 2;

Fig. 10 eine Draufsicht auf die Innenseite der Kappe gemäß Fig. 9;

Fig. 11 einen Querschnitt durch die Kappe gemäß Fig. 9 längs der Linie XI-XI in dieser Figur;

Fig. 12 einen Querschnitt durch die Kappe gemäß Fig. 10 längs der Linie XII-XII in dieser Figur;

Fig. 13 einen Querschnitt durch die Kappe gemäß Fig. 10 längs der Linie XIII-XIII in dieser Figur.

Im einzelnen zeigen Fig. 1 bis 13 ein erfindungsgemäßes Linear-Lager zur Drehmomentübertragung, bei dem ein äußerer Lagerring 1 eine Keilnutwelle 2 unmittelbar um gibt, bei dem also kein Kugelkäfig vorgesehen ist. Bei dem betrachteten, bevorzugten Ausführungsbeispiel ist an jedem der beiden offenen Enden des äußeren Lager rings 1 jeweils eine Abdeckung bzw. eine Kappe 3 vorge sehen, wobei die Kappen 3 die Bildung von Kugelketten 4 ermöglichen, von denen jede aus einer Anzahl von Kugeln besteht, die bei einer Axialbewegung zwischen dem äußeren Lagerring 1 und der Keilnutwelle 2 auf geschlossenen, ringförmigen Bahnen umlaufen können.

Im einzelnen wird aus Fig. 1 bis 6 deutlich, daß der äußere Lagerring 1 ein hohlzylindrisches Bauteil ist, welches aus einem durch Abschrecken härtbaren Material besteht und an seiner inneren Mantelfläche mit drei in axialer Richtung verlaufenden Trennstegen 100 versehen ist, die in Umfangsrichtung jeweils um 120° gegeneinander versetzt sind. Längs beider Seiten jedes der Trennstege 10 sind in der inneren Mantelfläche des äußeren Lager rings 1 außerdem halbrunde Nuten 11 vorgesehen, die im Betrieb der Aufnahme der belasteten Kugeln dienen. Die Nuten 11 sind dabei symmetrisch zur radialen Mittelebene der Trennstege angeordnet. Insgesamt sind also drei Paare von halbrunden Nuten 11 bzw. sechs Nuten in der inneren Mantelfläche des äußeren Lagerrings 1 ausgebildet. Da bei ist der Radius der Nuten 11 größer als der Radius der von ihnen aufzunehmenden Kugeln der Kugelketten 4. Durch die beschriebene Anordnung wird die Kontaktfläche zwischen den belasteten Kugeln und der Nutfläche, die sich bei Belastung aufgrund der elastischen Verformung der Kugeloberfläche und der Nutoberfläche ergibt, gegen über den bekannten Linear-Lagern erhöht, so daß die Belastung pro Flächeneinheit verringert wird, was be deutet, daß das mit dem erfindungsgemäßen Linear-Lager übertragbare Drehmoment erhöht wird.

Der äußere Lagerring 1 ist ferner mit sechs Kugelkanälen 12 versehen, die im Material des Lagerrings 1 ausgebildet und in Umfangsrichtung in vorgegebenen Abständen von einander angeordnet sind und der Aufnahme der im Betrieb nicht belasteten Kugeln der Kugelketten 4 dienen. Um ein leichtes Rollen der Kugeln in den Kugelkanälen 12 zu ge währleisten, haben diese einen etwas größeren Durchmesser als die Kugeln. Am Ausführungsbeispiel liegen die Kugel kanäle 12, welche in axialer Richtung verlaufen, jeweils zu beiden Seiten der einzelnen Trennstege und sind sym metrisch zur Mittelebene der Trennstege angeordnet.

Nachstehend soll unter Bezugnahme auf Fig. 1 näher er läutert werden, wie die halbrunden Nuten 11 in Verbindung mit den zugeordneten Nuten 21 der Keilnutwelle 2 einer seits als Kanäle für die im Betrieb belasteten Kugeln mit den Kugelkanälen 12 andererseits für die im Betrieb unbelasteten Kugeln zusammenwirken. Um diese Erläuterung zu vereinfachen, soll lediglich derjenige Trennsteg 10 betrachtet werden, der in Fig. 1 im oberen, mittleren Teil des äußeren Lagerrings 1 liegt. Man erkennt, daß eine halbrunde Nut 11 ₁ auf der linken Seite des Trenn stegs 10 liegt und zusammen mit einem Kugelkanal 12 ₁ auf der linken Seite des Trennstegs 10 zu einem geschlos senen Kugelkanal für eine Kugelkette gehört. In entspre chender Weise gehören eine Nut 11 ₂ und ein Kugelkanal 12 ₂ auf der rechten Seite des Trennstegs 10 zu einem anderen geschlossenen Kugelkanal für eine weitere Kugelkette.

Der aus der Nut 11 ₁ und der zugeordneten Nut 21 gebildete innere Kugelkanal besitzt einen Mittelpunkt O₁, während der zugehörige äußere Kugelkanal 12 ₁ einen Mittelpunkt O₂ besitzt. Der Radius r₁ zwischen dem Mittelpunkt O des äußeren Lagerrings 1 ist dabei kleiner als der Radius r₂ zwischen den Mittelpunkten O und O₂, wobei die Differenz R = r₂-r₁ so gewählt ist, daß sie kleiner als der Kugeldurchmesser ist, so daß die Kugelkanäle 12 im Mate rial des äußeren Lagerrings 1 an einer Stelle vorgesehen werden können, die bezüglich der Lage der zugehörigen Nut 11 relativ dicht am Mittelpunkt O des äußeren Lager rings 1 liegt. Folglich kann der Einfluß der Zentrifugal kraft auf die im Betrieb unbelasteten Kugeln 4 ₂ in den Kugelkanälen 12 bei rotierendem äußerem Lagerring 1 gegen über dem Stand der Technik verringert werden, um so ein glattes Umlaufen der Kugeln zu fördern.

Wie aus Fig. 1, 7 und 8 deutlich wird, besitzt die Keil nutwelle 2 einen im wesentlichen kreisrunden Querschnitt und wird mit geringem Spiel von dem äußeren Lagerring 1 aufgenommen. An ihrer Mantelfläche ist die Keilnutwelle 2 mit Trennstegen 20 versehen, welche den Trennstegen 10 des äußeren Lagerrings 1 entsprechend und welche in Umfangs richtung ebenfalls um 120° versetzt sind. Zu beiden Seiten jedes der Trennstege 20 ist dabei wieder eine halbrunde Nut 21 vorgesehen, welche im Betrieb der Aufnahme der belasteten Kugeln 4 ₁ dient, wobei die Nuten 21 symmetrisch zur radialen Mittelebene jedes Trennstegs 20 angeordnet sind. Am Umfang der Keilnutwelle 2 sind also drei Paare von Keilnuten 21 vorgesehen. Die halbrunden Nuten 11 und die Keilnuten 21 bilden also insgesamt 6 Kugelkanäle, wobei auch der Radius der Keilnuten 21 wieder größer ist als der Radius der Kugeln 4.

Die Kugeln 4 bestehen aus Stahl und können in den durch die Nuten 11 und 21 gebildeten Kugelkanälen laufen, da die Nuten 11 und 21 jeweils etwa eine dem Kugelradius entsprechende Tiefe besitzen. Durch den Verzicht auf den Kugelkäfig ergibt sich bei dem erfindungsgemäßen Linearlager ein deutlich vergrößerter Winkel R von etwa 45°, wie dies aus Fig. 1B deutlich wird, wo die Verbin dungslinie X-X zwischen den Mittelpunkten O und O′ ein gezeichnet ist sowie die Verbindungslinie Y-Y zwischen den beiden Berührungspunkten P₁ und P_2, welche die im Betrieb belastete Kugel 4 ₁ mit den Nuten 11 bzw. 21 besitzt.

Die vordere und die hintere Kappe 3 ist jeweils am axial offenen Ende des äußeren Lagerrings 1 befestigt. Die Kappen 3 werden als Kunststoff-Spritzteile, durch Prä zisionsgießen oder durch Formgießen hergestellt. Wie in Fig. 1 bis 3 sowie in Fig. 9 bis 13 gezeigt, besitzt jede Kappe 3 auf ihrer Innenseite mehrere Kugel-Umlenk nuten 30, wobei jede dieser Umlenknuten jeweils einen Kugelkanal für die belasteten Kugeln mit einem Kugel kanal 12 für die unbelasteten Kugeln einer Kugelkette verbindet. Die aus einem inneren Kugelkanal 11, 21 aus tretenden Kugeln werden also zwangsweise umgelenkt und rollen längs der Umlenknuten 30 ab, bis sie in den be treffenden Kugelkanal 12 eingeführt sind. In entsprechen der Weise werden die Kugeln aus dem Kugelkanal 12 in den Kugelkanal 11, 21 umgelenkt. An den Enden der Umlenknuten 30 sind dabei angrenzend an den Kugelkanal 11, 21 für die belasteten Kugeln Zungen 31 angeformt, welche die aus dem angrenzenden Kugelkanal 11, 21 austretenden Kugeln 4 ₁ glatt und fehlerfrei in die Umlenknuten hineinheben.

Das erfindungsgemäße Linear-Kugellager arbeitet wie folgt:

Wenn sich der äußere Lagerring 1 oder die Keilnutwelle 2, während sie eine Drehbewegung ausführen, in axialer Rich tung bewegen, dann laufen die belasteten Kugeln 4 ₁, die der Drehmomentübertragung dienen, längs des äußeren Lager rings 1 in axialer Richtung, wobei sie in einem perfekten Rollkontakt mit den Flächen der Kugelkanäle 11, 21 stehen. Dabei werden die Kugeln 4 ₁ nacheinander von den Zungen 31 der Kappen 3 in die betreffenden Umlenknuten 30 gelenkt. Damit endet die Belastung der betreffenden Kugeln, und diese werden nach Passieren der betreffenden Umlenknuten 30 in die zugeordneten Kugelkanäle 12 für die unbelasteten Kugeln 4 ₂ eingeführt. Auf diese Weise erreicht man, daß die Kugeln der einzelnen Kugelketten 4 auf ihren ge schlossenen Bahnen umlaufen.

Aus der vorstehenden Beschreibung wird deutlich, daß bei dem erfindungsgemäßen Linear-Lager zur Drehmomentüber tragung auf einen Kugelkäfig verzichtet werden kann, wie er bei den konventionellen Linear-Lagern als wesentliches Bauteil benötigt wird. Bei dem erfindungsgemäßen Linear lager liegen sich die Nuten im äußeren Lagerring und in der Keilnutwelle dagegen unmittelbar gegenüber und de finieren gemeinsam Kugelkanäle für die belasteten Kugeln, so daß diese tief in die Nuten hineinragen, so daß sich ein großer Kontaktwinkel von etwa 45° ergibt; wodurch das übertragbare Drehmoment bei sonst gleichen Be dingungen merklich erhöht wird.

Gemäß der Erfindung ist es also möglich, den Durchmesser des äußeren Lagerrings und der Keilnutwelle gegenüber dem Stand der Technik zu verringern, ohne daß damit die Belastbarkeit und das übertragbare Drehmoment reduziert würden.

Es wird also ein kompaktes Linear-Kugellager geschaffen, welches einer hohen Belastung standhält und ein großes Drehmoment übertragen kann. Ein derartiges, kompaktes Linear-Kugellager ermöglicht, beispielsweise beim Einsatz für drehbare Teile eines Industrie-Roboters, eine kompakte Ausbildung des Roboters selbst bei hoher Leistungsfähig keit desselben.

Außerdem wird durch den Verzicht auf den Kugelkäfig die Anzahl der Teile verringert, wodurch auch die Produktions kosten gesenkt werden. Zusätzlich wird auch die Montage des Lagers vereinfacht, wodurch die Kosten weiter gesenkt werden. Weiterhin wird durch den Verzicht auf einen Kugel käfig das Gesamtgewicht des Lagers verringert, so daß sich eine geringere träge Masse ergibt, wenn der äußere Lagerring oder die Keilnutwelle mit hoher Beschleunigung gestartet oder stillgesetzt werden. Das erfindungsgemäße Linear-Kugellager ist damit aber besonders für Maschinen geeignet, welche mit hohen Geschwindigkeiten arbeiten müssen.

Durch die unterschiedlichen Radien der Kugelnuten 11, 21 wird erfindungsgemäß erreicht, daß die Krümmung der Nut flächen etwas schwächer ist als diejenige der Kugelober fläche, so daß die Kugeln leicht in den Kugelnuten laufen. Außerdem wird die Tiefe der Kugelnuten so gewählt, daß der Lagerring frei gegenüber der Keilnutwelle verschiebbar ist. Die Kugelnuten haben also kein vollständiges Halbkreis profil, sondern sind geringfügig flacher.

Während vorstehend ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel erläutert wurde, versteht es sich, daß dem Fachmann, ausgehend von diesem Ausführungsbeispiel, zahlreiche Möglichkeiten für Änderungen und/oder Ergänzungen zu Gebote stehen, ohne daß er dabei den Grundgedanken der Erfindung verlassen müßte.

Claims

1. Linearkugellager zum Übertragen von Drehmomenten mit einem äußeren Lagerring, der an seiner inneren Mantelfläche mit mehreren, in Umfangsrichtung jeweils in einem vorgegebenen Abstand voneinander angeordneten, in axialer Richtung verlaufenden Trennstegen versehen ist, wobei Kugelnuten jeweils paarweise mit je einer Kugelnut auf jeder der beiden Längsseiten jedes der Trennstege vorgesehen sind, in dem mehrere, der Auf nahme unbelasteter Kugeln dienende, in axialer Rich tung verlaufende, in Umfangsrichtung in vorgegebenen Abständen voneinander angeordnete Kugelkanäle vorge sehen sind, mit einer Keilnutwelle, die vom hohlen Inneren des äußeren Lagerrings aufgenommen wird und die an ihrer Mantelfläche mit mehreren, in axialer Richtung verlaufenden Keilnuten versehen ist, von denen jede zusammen mit einer zugeordneten Kugel nut des äußeren Lagerrings einen Kugelkanal für im Betrieb belastete Kugeln bildet, und mit zwei Kappen, von denen jeweils eine an je einem der beiden offenen Enden des äußeren Lagerrings ange bracht und auf ihrer dem Lagerring zugewandten Innen seite mit einer Anzahl von Kugel-Umlenknuten versehen ist, die jeweils einen der Aufnahme von belasteten Kugeln dienenden Kugelkanal mit einem zugeordneten, der Aufnahme von unbelasteten Kugeln dienenden Kugelkanal derart miteinander verbinden, daß sich geschlossene Umlaufbahnen für Kugelketten ergeben, welche jeweils eine Anzahl von Kugeln umfassen, dadurch gekennzeichnet, daß

a) jeder der Kugelkanäle (12) für unbelastete Kugeln jeweils in Umfangsrichtung gegenüber seiner jeweils zugeordneten Kugelnut (11) versetzt ist,
b) die Differenz (R) zwischen dem radialen Abstand (r₂) der Achse (O₂) jedes Kugelkanals (12) für un belastete Kugeln von der Achse (O) des äußeren Lagerrings (1) und dem radialen Abstand (r₁) der Achse jeder der Kugelkanäle für belastete Kugeln von der Achse (O) des äußeren Lagerrings (1) kleiner ist als der Durchmesser der Kugeln (4), und
c) die Kugel-Umlenknuten in den Kappen derart gekrümmt sind, daß ein sanftes Umlenken der Kugeln erreicht wird.

2. Linearkugellager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktwinkel (R) für die belasteten Kugeln (4 ₁) in den zugeordneten Kugelkanälen (11, 21) etwa 45° beträgt.

3. Linearkugellager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Kugel-Umlenknuten (30) in jeder der Kappen (3) an ihrem einen Ende mit einer Zunge (31) versehen ist.