DE102009020554A1 - Kugelgewindetrieb mit sphärischer Lagerung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kugelgewindetrieb mit einer um eine Achse (7) drehbaren Kugelmutter (1), einer konzentrisch darin angeordneten Gewindespindel (2) und dazwischen abrollenden Kugeln (3), wobei die Kugelmutter in einem einzelnen, einen Lageraußenring (10) und einen Lagerinnenring (30) aufweisenden Hauptlager (5) in einem Gehäuse (4) gelagert ist, wobei der Lageraußenring (10) des Hauptlagers (5) eine ringförmige äußere Umfangsfläche aufweist, die als Teil einer Kugeloberfläche ausgebildet und mit eine kompatible innere Oberfläche aufweisenden Ringen (11, 11') gegenüber dem Gehäuse (4) abgestützt ist.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kugelgewindetrieb mit Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
• Kugelgewindetriebe werden allgemein als reibungsarme, geräuscharme und nahezu spielfreie Antriebe für Spindeln eingesetzt. Sie setzen eine Drehbewegung in eine Linearbewegung um. Wegen dieser Eigenschaften werden Kugelgewindetriebe in elektromotorisch angetriebenen Servolenkungen eingesetzt. In diesem Anwendungsfall ist die Spindel des Kugelgewindetriebs auf der Zahnstange einer Zahnstangenlenkung ausgebildet, während die Kugelmutter in dem Gehäuse des Lenkgetriebes drehbar gelagert ist. Ein Elektromotor treibt die Kugelmutter dann entweder direkt, über ein Rädergetriebe oder über einen Zahnriementrieb an.
• Durch die unmittelbare Kopplung des Kugelgewindetriebs mit der Zahnstange werden im Kraftfahrzeug im Betrieb Rückwirkungen auf den Kugelgewindetrieb erzeugt. Diese Rückwirkungen äußern sich in Stoßbelastungen und Biegebelastungen der Zahnstange. Diese Belastungen fördern eine Geräuschentwicklung und erhöhten Verschleiß. Die Bauteile der so belasteten Baugruppe müssen entsprechend groß dimensioniert werden, um eine ausreichende Lebensdauer zu erreichen.
• Es gibt zahlreiche Ansätze, derartige Stoß- und Biegebelastungen aufzufangen. So ist es aus der US 2003/0121714 A1 bekannt, Kugelmuttern axial beweglich in dem Lenkungsgehäuse zu lagern. Diese Lagerung dämpft axiale Belastungen. Eine ähnliche Anordnung mit einer in Axialrichtung elastischen Lagerung der Kugelmutter ist in der GB 2388352 A gezeigt.
• Die aus dem Stand der Technik bekannten Dämpfungselemente sind für die Federung oder Dämpfung axialer Stoßbelastungen geeignet. Für Biegemomente, die in den Kugelgewindetrieb eingeleitet werden, sind sie nur eingeschränkt geeignet. Zudem ergibt die Verwendung von elastisch nachgiebigen Lagermaterialien eine ungenau definierte Position der Kugelmutter. Die Materialien unterliegen auch einer Alterung.
• Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kugelgewindetrieb in einem Gehäuse derart zu lagern, dass dessen Position in dem Gehäuse genau definiert ist und dass dennoch eine Kippbewegung der Kugelgewindemutter möglich ist.
• Diese Aufgabe wird von einem Kugelgewindetrieb mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
• Weil der Lageraussenring des Hauptlagers eine ringförmige äußere Umfangsfläche aufweist, die als Teil einer Kugeloberfläche ausgebildet und mit Ringen gegenüber dem Gehäuse abgestützt ist, die eine kompatible ebenfalls einen Teil einer Kugeloberfläche bildenden innere Oberfläche aufweisen, wird bei Kippbelastungen eine Ausweichbewegung des Lagers möglich, ohne dass die axiale oder radiale Position des Lagers im Gehäuse undefiniert ist.
• Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt:
• 1: einen Längsschnitt durch einen Kugelgewindetrieb mit einseitiger Lagerung in einem Gehäuse.
• In der 1 ist ein Kugelumlaufgetriebe mit einer Kugelmutter 1 und einer Spindel 2 dargestellt. Die Kugelmutter 1 ist in einem Getriebegehäuse 4 mit einem Hauptlager 5 einseitig gelagert.
• Eine Drehung der Kugelmutter 1 um eine dem Kugelgewindetrieb gemeinsamen Symmetrieachse 7 bewirkt eine Verlagerung der Spindel 2 in Axialrichtung der Achse 7. Die Antriebskräfte werden in dem Hauptlager 5 gegenüber dem Getriebegehäuse 4 abgestützt. Der Antrieb der Kugelmutter 1 kann über einen Zahnriementrieb, ein Rädergetriebe oder als Direktantrieb mit einem Hohlwellenmotor erfolgen.
• In einem Lenkgetriebe ist die Spindel 2 gleichzeitig die Zahnstange des Zahnstangenlenkgetriebes, wobei das Kugelgewinde unmittelbar auf die Zahnstange aufgebracht ist.
• In Axial- und Radialrichtung stützt sich das Hauptlager 5 mit einem Lageraußenring 10 an einem Paar von Ringen 11, 11' gegenüber dem Gehäuse 4 und gegenüber einem Gehäusedeckel 13 ab. Der Lageraußenring 10 ist an seiner umlaufenden Außenseite ballig ausgeführt. Die Oberfläche bildet einen ringförmigen Teil einer Kugeloberfläche. Die innere Oberfläche der Ringe 11 und 11' ist dazu kompatibel ausgebildet, so dass doe genannten Bauteile nach Art eines Kugelgelenks zusammenwirken können.
• Die Lagerung in den Ringen 11, 11' ermöglicht deshalb eine Verschwenkung des Hauptlagers 5 um einen mit der Achse 7 zusammen fallenden Momentanpol 14.
• Diese Lagerung wird in der 2 näher beschrieben. Gleiche Bauteile tragen gleiche Bezugsziffern.
• Im Betrieb wirken Biegemomente auf die Gewindespindel 3 ein, so dass diese sich entlang ihrer Achse 7 biegt. Diese Biegungen bewirken Kippmomente auf den gesamten Kugelgewindetrieb. Diese Kippmomente bewirken ein Drehmoment um den Momentanpol 14, dessen genaue Lage je nach Geometrie des Kugelgewindetriebs und des gesamten Getriebes konstruktiv gewählt werden kann. Dieses Drehmoment oder Kippmoment bewirkt dann, dass der Lageraußenring 10 und die Ringe 11 und 11' mit ihren einander zugewandten, kompatiblen Kugeloberflächen an einander gleiten. Das Hauptlager 5 kann also gegenüber dem Gehäuse 4 um den Momentanpol 14 gekippt werden. Dadurch können Spannungsspitzen in dem Hauptlager 5, aber auch in dem Kugelumlauf und insbesondere im Bereich des Eingriffs der Kugelmutter 1 und der Spindel 2 mit den Kugeln vermieden werden.
• Es ist ersichtlich, dass in der Axialrichtung der Achse 7 die gesamte Anordnung steif ist, weil zwischen den Lagerbunden des Gehäuses 4 und des Gehäusedeckels 13 die Bauelemente 10, 11 und 11' spielfrei festgelegt sind.
• Die äußere Oberfläche der äußeren Lagerschale 10 gewährleistet zusammen mit den Ringen 11, 11' einen auch während des Kippvorgangs nicht unterbrochenen Kontakt der Lagerschale 10 in Axialrichtung mit dem Lagersitz, so dass die Axialrichtung auch jederzeit genau definiert ist.
• Der durch die beschriebene Anordnung gewonnene zusätzliche Freiheitsgrad führt bei Biegebelastungen der Gewindespindel 2 zu einer Verringerung der Bauteilbelastungen. Dadurch werden nicht nur der Verschleiß und die Geräuschentwicklung reduziert. Es können auch bei gleicher Lebensdauer kleinere Lager eingesetzt werden, was zu Kosten- und Gewichtsvorteilen führt.

1

Kugelmutter

2

Spindel

4

Getriebegehäuse

5

Hauptlager

7

Symmetrieachse

10

Lageraußenring

11

Ring

11'

Ring

13

Gehäusedeckel

14

Momentanpol

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• - US 2003/0121714 A1 [0004]
• - GB 2388352 A [0004]

Claims (3)

1. Kugelgewindetrieb mit einer um eine Achse (7) drehbaren Kugelmutter (1), einer konzentrisch darin angeordneten Gewindespindel (2) und dazwischen abrollenden Kugeln (3), wobei die Kugelmutter in einem einzelnen, einen Lageraussenring (10) und einen Lagerinnenring (30) aufweisenden Hauptlager (5) in einem Gehäuse (4) gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Lageraussenring (10) des Hauptlagers (5) eine ringförmige äußere Umfangsfläche aufweist, die als Teil einer Kugeloberfläche ausgebildet und mit eine kompatible innere Oberfläche aufweisenden Ringen (11, 11') gegenüber dem Gehäuse (4) abgestützt ist.
2. Kugelgewindetrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringe (11, 11') baugleich sind, so dass ein zusammen mit dem Lageraußenring (10) definierter Momentanpol (14) auf der Achse (7) liegt.
3. Kugelgewindetrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Momentanpol (14) auf der Drehachse der Gewindespindel (2) mittig zwischen den Ringen (11, 11') liegt.