Kugelgewindθtrieb

Beschreibung

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kugelgewindetrieb. Kugelgewinde¬ triebe zählen zu den Rot-Transgetrieben, bei denen eine rotative Bewegung in eine translatorische Bewegung umgewandelt werden kann. Derartige Ku¬ gelgewindetriebe finden zunehmend Anwendung auch im Kfz-Bereich, bei- spielsweise als Bestandteil einer Lenkunterstützung für eine Zahnstangen¬ lenkung. In diesem Fall ist ein elektromotorischer Antrieb vorgesehen, wobei der vom Motor angetriebene Kugelgewindetrieb eine translatorische Bewe¬ gung der Zahnstange unterstützt.

Aus DE 103 12 228 A1 beispielsweise ist ein Kugelgewindetrieb bekannt geworden, bei dem eine Spindelmutter auf einer Kugelrollspindel angeord¬ net ist. Die Kugelrollspindel bildet zusammen mit der Spindelmutter einen endlosen Kugelkanal für den endlosen Umlauf von Kugeln. Der Kugelkanal umfasst einen schraubenförmig um die Achse der Kugelrollspindel gewun- denen Lastabschnitt. Dieser Lastabschnitt ist begrenzt durch an der Spin¬ delmutter und an der Kugelrollspindel ausgebildete Kugelrillen. Ferner um¬ fasst dieser Kugelkanal einen lastfreien Umlenkabschnitt, an dessen beide Enden der Lastabschnitt mit seinen Enden anschließt. Die Kugeln rollen un¬ ter Last durch den Lastabschnitt hindurch, treten aus dem Lastkanal heraus und durchlaufen den Umlenkabschnitt, um schließlich wieder in den Last¬ einschnitt einzurollen. Auf diese Weise ist ein endloser Umlauf der Kugeln gewährleistet. Der Umlenkabschnitt weist zwei parallel zueinander angeordnete Schenkel auf, zwischen denen die Kugelrollspindel angeordnet ist. Die beiden Schen¬ kel sind über einem Verbindungsabschnitt miteinander verbunden. Zwi¬ schen jedem Schenkel und dem Verbindungsabschnitt ist ein Umlenkwinkel von etwa 90° ausgebildet. Die freien Enden der beiden Schenkel schließen an den Lastabschnitt des endlosen Kugelkanals an. Die beiden Schenkel schließen etwa tangensial an die Kugelrillen der Kugelrollspindel an, sodass die Kugeln möglichst stoßfrei aus dem Lastabschnitt hinein in den Umlenk¬ abschnitt rollen. Auf ihrem Weg durch dem Umlenkabschnitt werden die Kugeln zweimal um jeweils 90° umgelenkt. Die Umlenkungen der Kugel ha¬ ben lokale Beschleunigungen und Reibungsverluste zur Folge. Die soge¬ nannte Durchschiebekraft der Kugeln durch den endlosen Kugelkanal kann auf diese Weise unerwünscht erhöht sein. Zudem können diese lokal auftre¬ tenden Beschleunigungen störende Laufgeräusche hervorrufen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Kugelgewindetrieb nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 anzugeben, bei dem die Durchschiebekraft der Kugeln durch den endlosen Kugelkanal reduziert ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass ein an der Ach¬ se der Kugelrollspindel gemessener Winkel zwischen den beiden Enden des Umlenkabschnittes kleiner als 180 Grad ist, wobei der Umlenkabschnitt zwei einerseits miteinander verbundene und andererseits mit den Enden versehene Schenkel aufweist, die winklig zueinander angeordnet sind; die Schenkel sind also nicht parallel zueinander angordnet. Der Winkel kann in einem Bereich zwischen 100 Grad und 170 Grad liegen. Zunächst ist eben¬ so wie bei dem bekannten Stand der Technik sichergestellt, dass die Um¬ lenkabschnitte etwa tangential an die Kugelrillen der Kugelrollspindel an¬ schließen. Während jedoch bei dem bekannten Kugelgewindetrieb der er- wähnte Winkel α zwischen den Enden der parallelen Schenkel 180 Grad beträgt, sind bei der erfindungsgemäßen Anordnung mit einem Winkel klei¬ ner als 180 Grad Schenkelanordnungen möglich, bei denen die beiden Schenkel winklig zueinander angeordnet sind. Während bei dem bekannten Kugelgewindetrieb zwei ausgeprägte Umlenkungen von jeweils 90 Grad er¬ folgen, erfahren erfindungsgemäß die Kugeln im Umlenkabschnitt im opti¬ malen Fall eine gleichbleibende Beschleunigung, dies ist der Fall, wenn die Schenkel und der sie verbindende Verbindungsabschnitt mit konstanter Krümmung versehen sind. Aber selbst wenn im Bereich des Verbindungs¬ abschnittes eine Krümmungsänderung mit der Folge einer lokalen Be¬ schleunigung gegeben ist, erfahren die Kugeln lediglich einmal eine Be¬ schleunigung, während im diskutierten Stand der Technik die Kugeln zwei¬ mal beschleunigt werden.

Jedenfalls sind bei dem erfindungsgemäßen Kugelgewindetrieb diese Schenkel nicht parallel zueinander angeordnet und vorzugsweise v-förmig zueinander angeordnet. Die Kugelbahn innerhalb des Umlenkabschnittes ist wenigstens näherungsweise splineförmig ausgebildet. In günstiger Weise sind die Kugeln immer tangential und krümmungsstetig auf einer Kugelbahn geführt, ohne dass Beschleunigungsspitzen auftreten; auch wenn im Verlauf der Kugelbahn Richtungsänderungen erfolgen, sind diese ohne nennens¬ werte Polygoneffekte in Bezug auf die Bewegung der Kugeln.

Der Winkel kleiner als 180 Grad ermöglicht zudem eine kürzere Kugelbahn für die Kugeln im Umlenkbereich, sodass die Durchschiebekraft weiter re¬ duziert ist.

Bei einer bevorzugten erfindungsgemäßen Weiterbildung weist der Kugel- gewindetrieb zwei axial hintereinander angeordnete endlose Kugelkanäle auf, wobei die beiden Umlenkabschnitte diametral einander gegenüberlie¬ gen angeordnet sind. Bei dieser Anordnung ist es besonders günstig, dass der Winkel zwischen den beiden Enden des Umlenkabschnittes kleiner 180 Grad beträgt. Denn in diesem Fall ist gewährleistet, dass unter jedem Orts- Winkel - aufgetragen auf die Spindelachse - Kugeln Last zwischen der Ku¬ gelrollspindel und der Spindelmutter übertragen können. Bei dem eingangs erwähnten bekannten Kugelgewindetrieb mit 180 Grad Umlenkung stellt sich bei diametral einander gegenüberliegend angeordneten Umlenkab- schnitten das Problem, dass die Enden beider Umlenkabschnitte in einer gemeinsamen die Spindelachse beinhaltenden Ebene einmünden, also ein¬ ander überlappen. Das bedeutet, dass die Kugeln der jeweils letzte Win¬ dung der beiden endlosen Kugelkanäle in dieser Ebene keine Last übertra- gen können. Es entsteht ein Tragloch.

Erfindungsgemäß überschneiden die jeweils letzte Windung der beiden Ku¬ gelkanäle vielmehr einander mit ihren Lastabschnitten, sodass eine er¬ wünschte Überlappung lastübertragender Abschnitte erzielt wird.

Bei einer besonders bevorzugten erfindungsgemäßen Weiterbildung beträgi der Winkel zwischen den Enden des Umlenkabschnittes zwischen 140 und 150 Grad. Bei der erwähnten Anordnung von zwei Kugelketten mit diametral gegenüberliegenden Umlenkungen ist auf diese Weise sichergestellt, dass immer volle Kugelumläufe tragen und somit kein Tragloch entsteht. Zusätz¬ lich ist gewährleistet, dass durch die in ihrer Länge reduzierte Umlenkung Durchschiebekräfte im Umlenkabschnitt reduziert sind.

Wenn die Umlenkabschnitte einander diametral gegenüberliegend ange- ordnet sind, sieht eine erfindungsgemäße Weiterbildung vor, dass die Spin¬ delmutter ein hohles Mutterteil aufweist, an dessen Innenumfang die Kugel¬ rillen des jeweiligen Lastabschnittes ausgebildet sind. Am Aussenumfang dieses Mutterteiles sind dann die beiden Umlenkabschnitte bildende Um¬ lenkstücke angeordnet, die umfangseitig auf Lücke zueinander am Aussen- umfang des Mutterteiles angeordnet sind. Die Anordnung auf Lücke wird möglich durch den erfindungsgemäß vorgesehenen Winkel von kleiner als 180 Grad. Bei dem bevorzugten Winkelbereich zwischen 140 und 150 Grad kann sich somit in Umfangsrichtung zu beiden Seiten zwischen den beiden Umlenkstücken jeweils eine Lücke einstellen.

Vorzugsweise sind diese Lücken diametral einander gegenüberliegend an¬ geordnet. Sofern die Spindelmutter in einem Gehäuse gelagert werden soll, oder aber mit einem Antriebsrad verbunden sein soll, bietet es sich an, wenn das Mut¬ terteil an seinem Außenumfang im Bereich der Lücke als Lagerfläche aus¬ gebildet ist. In diesem Fall können geeignet geformte Gehäuseansätze oder Naben von Antriebsrädern an diesen Lagerflächen abgestützt sein. Sofern ein Antriebsrad drehfest mit der Spindelmutter verbunden sein soll, kann dieses Antriebsrad mit in die Lücken eingreifenden Nabenabschnitten ver¬ sehen sein, sodass das Antriebsrad einwandfrei an der Spindelmutter ge¬ stützt und gelagert ist.

Eine besonders leichtgewichtige und platzsparende Bauweise sieht vor, dass das Antriebsrad einen Antriebskranz aufweist, der mit diesen Naben¬ abschnitten verbunden ist, wobei umfangseitig zwischen den Nabenabschit- ten an dem Antriebskranz Hohlräume ausgebildet sind, in denen die Um- lenkstücke angeordnet sind. Der Kugelgewindetrieb ist demzufolge platz¬ sparend innerhalb des Antriebsrades untergebracht. Diese integrierte An¬ ordnung hat zudem den Vorteil, dass die beispielsweise von einem Ritzel oder von einem Zahnriemen auf das Antriebsrad übertragenen Kräfte nahe¬ zu ohne Hebelarm in den Kugelgewindetrieb eingeleitet werden, sodass un- erwünschte Kippmomente weitgehend reduziert sind. Die Umlenkstücke können beispielsweise mit einem Gießharz in diesen Hohlräumen einge¬ gossen werden.

Erfindungsgemäße Kugelgewindetriebe eignen sich besonders für die Ver- wendung als Lenkunterstützung für eine Zahnstangenlenkung eines Kraft¬ fahrzeuges. In diesem Fall weist die Zahnstange der Zahnstangenlenkung in axialer Verlängerung die Kugelrollspindel auf. Die von ihrem Gewicht her und von ihrem Platzbedarf her optimierte Spindelmutter kann in besonders günstiger Weise eingesetzt werden.

Anstelle von zwei einander diametral gegenüberliegend angeordneten Um¬ lenkabschnitten sind mit der Erfindung auch Kugelgewindetriebe realisier¬ bar, bei denen drei endlose Kugelumläufe vorgesehen sind, wobei dann die Umlenkabschnitte um jeweils 120° zueinander versetzt angeordnet sind. Für den Einsatz als Lenkunterstützung in einer Zahnstangenlenkung kann je¬ doch die Variante mit lediglich zwei endlosen Kugelumläufen bevorzugt sein, da diese einen reduzierten axialen Bauraumbedarf hat. Nachstehend wird die Erfindung an Hand von einem in insgesamt acht Figuren abgebilde¬ ten Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 einen erfindungsgemäßen Kugelgewindetrieb in perspekti¬ vischer Darstellung,

Figur 2 ein Einzelteil des erfindungsgemäßen Kugelgewindetriebes gemäß Figur 1 ,

Figur 3 den erfindungsgemäßen Kugelgewindetrieb gemäß Figur 1 in axialer Draufsicht,

Figur 4 den Kugelgewindetrieb gemäß Figur 1 in perspektivischer Darstellung,

Figur 5 und 6 Einzelheiten des erfindungsgemäßen Kugelgewindetriebes gemäß Figur 1 ,

Figur 7 in schematischer Darstellung den Verlauf der endlosen Kugelbahn bei einem erfindungsgemäßen Kugelgewinde- trieb,

Figur 8 im Längsschnitt eine Lenkunterstützung für eine Zahnstan¬ genlenkung eines Kraftfahrzeuges mit einem erfindungs¬ gemäßen Kugelgewindetrieb gemäß Figur 1.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnung

Der in den Figuren 1 bis 4 abgebildete erfindungsgemäße Kugelgewindetrieb umfasst eine Spindelmutter 1 , die auf einer Kugelrollspindel 2 drehbar ange¬ ordnet ist. Die Kugelrollspindel 2 ist in Figur 8 als Teil einer Lenkunterstüt¬ zung einer Zahnstangenlenkung für ein Kraftfahrzeug abgebildet. Die Spin¬ delmutter 1 und die Kugelrollspindel 2 begrenzen gemeinsam einen endlo- sen Kugelkanal 3 für den endlosen Umlauf von Kugeln 4. Der Kugelkanal 3 ist gebildet aus einem Lastabschnitt 5 und einem lastfreien Umlenkabschnitt 6. Der Lastabschnitt 5 ist gebildet aus schraubenförmig um die Spindelachse der Kugelrollspindel 2 gewundenen Kugelrillen 7, 8 der Spindelmutter 1 und der Kugelrollspindel 2, wobei die Kugelrillen 8 der Kugelrollspindel 2 beson- ders deutlich in Figur 8 zu erkennen sind. Der Lastabschnitt 5 schließt an die beiden Enden des Umlenkabschnittes 6 an, sodass ein endloser Kugelum¬ lauf gewährleistet ist. Im Bereich des Lastabschnittes 5 rollen die Kugeln 4 an den schraubenförmig gewundenen Kugelrillen 7, 8 ab. Der Lastabschnitt 5 erstreckt sich vorliegend um etwa 570 Grad um die Spindelachse der Ku- gelrollspindel 2.

Den Figuren 1 und 2 ist besonders deutlich zu entnehmen, dass der Um¬ lenkabschnitt 6 zwei Schenkel 9 aufweist, die in axialer Richtung gesehen winklig zueinander angeordnet sind. Die Enden des Umlenkabschnittes 6 markieren den Übergang, in dem die Kugeln 4 aus dem lastübertragenden Bereich des Lastabschnitts in den lastfreien Bereich der Umlenkung wech¬ seln. Erfindungsgemäß beträgt der Umlenkbereich weniger als 180 Grad. Dieser in Figur 3 angegebene Winkel α reicht von dem einen Ende bis zu dem anderen Ende des Umlenkabschnittes 6, und wird gemessen an der Spindelachse. Die beiden Schenkel 9 des Umlenkabschnittes 6 sind mittels eines Verbindungsabschnittes 9a miteinander verbunden. Die Bahn der Ku¬ geln 4 innerhalb des Umlenkabschnittes 6 ist so gewählt, dass die Kugeln möglichst ohne Polygoneffekte - also ohne lokale Beschleunigungsspitzen - diesen Bereich durchlaufen. In der Ansicht gemäß Figur 3 stellt sich der Um- lenkabschnitt 6 etwa v-förmig dar. Der Winkel α beträgt hier vorliegend ca. 150 Grad.

Insbesondere den Figuren 3 und 4 kann entnommen werden, dass zwei axial hintereinander angeordnete endlose Kugelkanäle 3 vorgesehen sind, wobei die beiden Umlenkabschnitte 6 diametral einander gegenüberliegend ange¬ ordnet sind. Bei beiden Umlenkabschnitten beträgt der Winkel α vorliegend ca. 150 Grad. In der die Spindelachse beinhaltenden Ebene des Übergangs von dem lastübertragenden Bereich in den lastfreien Bereich können her¬ kömmliche Kugelgewindetriebe in der Regel eine geringere Radiallast über¬ tragen gegenüber dem erfindungsgemäßen Kugelgewindetrieb bei dem auch noch die letzte Windung eines endlosen Kugelkanals in dieser Ebene Last überträgt. Dieser Effekt ist bei der vorliegenden diametralen Anordnung da- durch ermöglicht, dass der Winkel α kleiner als 180 Grad gewählt ist.

Den Figuren 1 , 3 und 4 kann entnommen werden, dass der Umlenkabschnitt 6 an einem Umlenkstück 10 ausgebildet ist. Dieses Umlenkstück 10 ist in der Darstellung gemäß den Figuren 3 und 4 geöffnet abgebildet. Jedes Umlenk- stück 10 ist aus zwei Hälften gebildet, wobei eine Trennebene entlang des Kugelkanals 3 im Bereich des Umlenkabschnittes 6 angeordnet ist. In den Figuren 3 und 4 ist lediglich die eine Hälfte eines jeden Umlenkstückes ab¬ gebildet. In diesen Abbildungen ist somit deutlich die Lage der Kugeln 4 in¬ nerhalb des Kugelkanals 3 zu erkennen.

Insbesondere der Figur 3 kann entnommen werden, dass der Winkel α von dem einen Ende des Umlenkstückes 10 zu dessen anderen Ende reicht. Die beiden diametral einander gegenüberliegend angordneten Umlenkstücke 10 sind in beiden Umfangsrichtungen auf Lücke zueinander angeordnet. In der Figur 3 ist dies durch den Scheitelwinkel ß zum Ausdruck gebracht. Der Scheitelwinkel ß beträgt vorliegend ca. 30 Grad. Dieser Winkel ß stellt zugleich einen Überschneidungsbereich dar, in dem die jeweils letzte Win¬ dung beider Kugelkanäle 3 mit ihren lastübertragenden Lastabschnitten 5 einander überlappen. Ein sogenanntes Tragloch liegt demzufolge in diesem Bereich nicht vor.

Figur 1 zeigt deutlich, dass auf der Spindelmutter 1 ein Antriebsrad 11 ange¬ ordnet ist. Dieses Antriebsrad 11 ist vorliegend als Zahnriemenscheibe 12 ausgebildet. Das Antriebsrad 11 ist drehfest auf der Spindelmutter 1 ange¬ ordnet. Figur 2 zeigt deutlich die Ausbildung des Antriebsrades 11. Das An¬ triebsrad 11 umfasst einen Antriebskranz 13, der vorliegend von einem hier nicht abgebildeten Riemen umschlungen ist. Dieser Antriebskranz 13 ist fest mit zwei diametral einander gegeüberliegend angeordneten Nabenabschnit- ten14 verbunden. Umfangseitig sind zwischen diesen Nabenabschnitten 15 Hohlräume 15 an dem Antriebskranz 13 ausgebildet.

Figur 1 zeigt, dass die Spindelmutter 1 ein hohles Mutterteil 16 aufweist, an dessen Innenumfang die Kugelrillen 7 ausgebildet sind. Am Aussenumfang dieses Mutterteiles 16 sind die beiden Umlenkstücke 10 in beschriebener Weise in Umfangsrichtung auf Lücke zueinander angeordnet. Im Bereich der Lücken ist das Mutterteil 16 mit Lagerflächen 17 versehen, wie insbesondere der Figur 3 zu entnehmen ist. Die Nabenabschnitte 14 des Antriebsrades 13 sind so dimensioniert, dass sie einwandfrei in diese Lücken hinein passen und zur Anlage an die Lagerflächen 17 gelangen. Auf diese Weise ist der Antriebskranz 13 einwandfrei gegenüber der Spindelmutter 1 abgestützt und gelagert. Weiter oben wurde bereits ausgeführt, dass der erfindungsgemäß vorgeschlagene Umlenkwinkel α von ca. 140 bis 150 Grad - vorliegend 150 Grad - die Vorteile bietet, dass zum einen die Länge des Umlenkabschnittes reduziert ist, und zum anderen die sogenannten Traglöcher reduziert sind. Dieser Winkelbereich bietet jedoch den weiteren Vorteil, dass der verblei¬ bende Scheitelwinkel ß hier ca. 30 Grad hinreichend groß ist, dass über die vollständige axiale Erstreckung der Spindelmutter eine Abstützung des An- triebsrades 13 erfolgen kann.

In den Figuren 5, 6, 7 sind die endlosen Kugelreihen mit der Bahn des end¬ losen Kugelkanals abgebildet. Figur 7 zeigt den Verlauf von den Bahnen von zwei axial hintereinander und umfangsseitig diametral einander gegenüber- liegend angeordneten Kugelumläufen gemäß dieser Erfindung. Der axiale Abstand zwischen den beiden endlosen Kugelkanälen - also der Totgang - kann variieren. Je geringer der Abstand ausgebildet ist, desto geringer ist der axiale Bauraumbedarf; mit wachsendem Abstand können zunehmend große- re Kippmomente übertragen werden.

Figur 8 zeigt im Längsschnitt eine Lenkunterstützung für die Zahnstangen¬ lenkung eines Kraftfahrzeuges. In einem Gehäuse 18 ist die Zahnstange 19 angeordnet, die in ihrer axialen Verlängerung als Kugelrollspindel 2 ausge¬ bildet ist. In dem Gehäuse 18 ist zudem die Spindelmutter 1 untergebracht. Bezugszahlenliste

1. Spindelmutter 2. Kugelrollspindel 3. Kugelkanal 4. Kugel 5. Lastabschnitt 6. Umlenkabschitt 7. Kugelrille 8. Kugelrille 9. Schenkel 9a. Verbindungsabschnitt 10. Umlenkstück 11. Antriebsrad 12. Zahnriemenscheibe 13. Antriebskranz 14. Nabenabschnitt 15. Hohlraum 16. Mutterteil 17. Lagerfläche 18. Gehäuse 19. Zahnstange