DE2153023A1

DE2153023A1 - LINEAR FRICTION DRIVE USING A BALL NUT

Info

Publication number: DE2153023A1
Application number: DE2153023A
Authority: DE
Inventors: Erich Ing Grad Geiger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1971-10-25
Filing date: 1971-10-25
Publication date: 1973-05-17
Also published as: ZA727506B

Description

Linearer Reibantrieb mittels Kugelumlaufmutter Beschreibung: Die Erfindung hat es sich zur Aufgabe gemacht einen möglichst billigen, preiswerten und einfachen Linearantrieb zu schaffen. Linear friction drive by means of a recirculating ball nut Description: The Invention has made it its task to be as cheap and inexpensive as possible and to create a simple linear drive.

Dies ist dadurch erreicht worden, daß das Prinzip der Kugelumlaufspindel mit Kugelumlaufmutter von dem derzeit üblichen Formschluß, der durch die Kugeln gegeben ist so abgewandelt wurde, daß nur noch ein Reibschluß vorhanden ist. Somit ist die normalerweise bei Mutter und Spindel vorhandene Gewinderille nur noch in einem der Teile, also entweder in der Mutter, oder in der Spindel notwendig. Eine bevorzugte Lösung wurde å jedoch darin gefunden, daß die Gewinderille durch eine Schraubenfeder gebildet wird. Durch diese Lösung wird gleichzeitig der bei einem Reibantrieb notwendige Anpreßdruck erzielt und somit ein guter Reibschluß erreicht. Selbstverständlich ist es möglich statt Kugeln auch Rollen zu verwenden. Anhand von Bild 1 wird nachfolgend die Wirkungsweise dieses Linearantriebes erläutert.This has been achieved by using the principle of the ball screw with recirculating ball nut of the currently usual form fit, which is caused by the balls given has been modified so that only a frictional connection is present. Consequently the thread groove normally present on the nut and spindle is only in one of the parts, either in the nut or in the spindle. One preferred solution was found å in that the thread groove by a Coil spring is formed. This solution also becomes the one with one Friction drive achieved the necessary contact pressure and thus achieved a good frictional engagement. Of course, it is also possible to use rollers instead of balls. Based The mode of operation of this linear drive is explained below from Figure 1.

Der Durchmesser D der Welle Nr. 3 ist so gewählt, daß die Kugeln Nr. 2 zwischen die einzelnen Gänge der Feder Nr. 1 hineingedrückt werden und damit die Feder spannen. Die Kugeln werden also, entsprechend der Kraft der Feder gegen die Welle gepreßt, und am Punkt Nr. 4 kann von jeder einzelnen Kugel eine Reibkraft übertragen werden. Je mehr Kugeln vorhanden sind, desto größer wird die übertragbare Kraft, proportional zur Federlänge wächst also die Reibkraft. Die Flächenbelastung an den einzelnen Berührungspunkten der Wälzkörper kann klein gehalten werden. Wird nun die Feder mit den Kugeln oder die Welle D in Drehung versetzt, so erfolgt eine lineare Bewegung der Mutter bzw. Spindel, wobei bei einer Umdrehung die Strecke h/2 zurückgelegt wird. Wenn wie bei einer Kugelumlaufmutter für einen Umlauf der Kugeln gesorgt ist, kann praktisch eine endlose Linearbewegung erzeugt werden.The diameter D of shaft no.3 is chosen so that balls no. 2 are pressed between the individual courses of spring no. 1 and thus the Tension the spring. The balls are so, according to the force of the spring against the Shaft pressed, and at point no. 4 can be a frictional force from each individual ball be transmitted. The more balls there are, the larger the transferable Force, so the frictional force increases proportionally to the spring length. The wing loading at the individual points of contact the rolling elements can be kept small. Will now the spring with the balls or the shaft D is set in rotation, a linear movement of the nut or spindle, with one revolution the distance h / 2 is covered. If, as with a recirculating ball nut, the Balls is taken care of, an endless linear movement can practically be generated.

Selbstverständlich läßt sich dieses Prinzip auch umkehren, in diesem Falle wird die Welle D von einer Feder gebildet, während eine innen glatte Hülse oder Buchse die Funktion der Mutter übernimmt. Da bei Maßabweichungen des Durchmessers D der Welle die Kugeln mehr oder weniger in die Gänge der Feder hineingedrückt werden und sich damit die Steigung h ändert, würde sich dann wenn großer Wert auf konstante lineare Bewegung gelegt wird -bezogen auf eine konstante Drehzahl - dies durch die Lösung nach Bild 1 nicht verwirklichen lassen. Findet jedoch eine Doppelfeder Verwendung, wie in Bild 2, so wirken sich Änderungen des Wellendurchmessers D nicht mehr auf die vorhandene Steigung aus.Of course, this principle can also be reversed, in this one Case, the shaft D is formed by a spring, while an internally smooth sleeve or socket takes on the function of the mother. As in the case of dimensional deviations in the diameter D of the shaft, the balls are pushed more or less into the gears of the spring and thus the slope h changes, if the value is large it would change to constant linear movement is set - based on a constant speed - this by the Do not allow the solution according to Fig. 1 to be realized. However, if a double spring is used, As in Figure 2, changes in the shaft diameter D no longer have an effect the existing slope.

Die Feder Nr. 5 stützt sich an der Fläche Nr. 7, die Feder Nr.G dagegen an der Fläche Nr. 8 ab. Wird jetzt die Kugel durch die Maßänderung des Durchmessers D der Welle weiter in die Federn hineingedrückt, bleibt die Steigung h konstant, da die Feder Nr.5 nach links und die Feder Nr. 6 nach rechts gedrückt wird. Derselbe Effekt wird erzielt, wenn eine Mutter und eine weder wie in Bild 3 dargestellt zusammenwirken. Da die Steigung der Mutter konstant ist, ergeben sich keine Änderungen: bei schwankendem Wellendurchmesser D; es ist nur zu beachten, daß die 3 Auflagepunkte a, b und c der Kugel so gelegt werden, daß ein einwandfreies Abwälzen derselben gewährleistet ist. Wird dies nicht berücksichtigt, tritt an einem der 3 Punkte eine Gleitbewegung auf, die erhöhten Kraftaufwand und erhöhten Verschleiß mit sich bringt. Aus diesem Grunde wird am besten für die Mutter im Beruhrungspunkt mit der Kugel dieselbe Form gewählt, wie sie die Feder hat. Nachfolgend werden noch weitere Nöglichkeiten aufgezählt, durch die es möglich ist, den Reibschluß zwischen Mutter, Kugel und Welle herzustellen.Spring # 5 is supported on surface # 7, while spring # G is against it on surface no. 8. Now the ball becomes by changing the dimension of the diameter D the shaft is pushed further into the springs, the pitch h remains constant, because spring # 5 is pushed to the left and spring # 6 is pushed to the right. Same The effect is achieved when one nut and one neither work together as shown in Figure 3. Since the slope of the nut is constant, there are no changes: if it fluctuates Shaft diameter D; it is only to be noted that the 3 support points a, b and c the ball are placed in such a way that the same ensures proper rolling is. If this is not taken into account, a sliding movement occurs at one of the 3 points on, which entails increased expenditure of force and increased wear. For this Basically, the same shape is best for the nut at the point of contact with the ball chosen as she has the pen. Further possibilities are listed below, through which it is possible to establish the frictional connection between nut, ball and shaft.

a) Mutter, Kugel und Welle werden in ihren Maßen so gefertigt, daß sich beim Zusammenbau ein Übermaß ergibt, um eine Pressung zu erzielen. Diese Pressung kann durch die Auswahl geeigneter Werkstoffe so gelegt werden, daß ein einwandfreies Funktionieren des Antriebes gewährleistet ist, wobei auch Kunststoffe zum Einsatz kommen können.a) The dimensions of the nut, ball and shaft are made in such a way that there is an oversize during assembly in order to achieve compression. This pressing can be laid out by the selection of suitable materials in such a way that a flawless Functioning of the drive is guaranteed, plastics also being used can come.

b) Die Pressung kann ferner genau so erreicht werden, wenn man ein Einlegeteil aus einem sich leicht verformenden Werkstoff z,B. Gummi verwendet.b) The compression can also be achieved in exactly the same way if one Insert made of a slightly deforming material z, B. Rubber used.

c) In gewissen Fällen, wenn lediglich kleinere Kräfte übertragen werden sollen, wird die Fliehkraft bei der entsprechenden Drehzahl der Mutter oder der Spindel ausreichen, um einen genügenden Reibschluß zu erzeugen.c) In certain cases when only smaller forces are transmitted should, the centrifugal force at the corresponding speed of the nut or the Sufficient spindle to produce sufficient frictional engagement.

d) Ist es möglich, eine Kraft radial auf die Einheit einwirken zu lassen z.B. in Form des Eigengewichtes einer Maschineneinheit, so sorgt diese für eine Anpressung der Kugeln und es kann eine Axialkraft ausgeübt werden.d) Is it possible to apply a radial force to the unit? e.g. in the form of the dead weight of a machine unit, this takes care of a pressure of the balls and an axial force can be exerted.

Da die mit dem neu gefundenen Antriebsprinzip übertragbaren Kräfte sehr groß sein können, wird sich dieses in der Technik sehr häufig einsetzen lassen, vor allem, da ein völlig spielfreier Antrieb gewährleistet ist, und durch die fehlende Gleitreibung ein sehr geringer Verschleiß auftritt. Wird ein Motor mit einer Ilohlwelle verwendet, so entfallen die derzeitig noch oft notwendigen Untersetzungsgetriebe. Für deii antrieb einer Kranlaufkatze z.B. werden nur noch eine glatte Welle und ein Motor mit einer Hohlwelle benötit, sowie eine Kugelumlaufmutter die im wesentlichen aus einer Schraubenfeder besteht. Dort wo der Antrieb ausgekuppelt werden mllI3, ist es nur erforderlich, die Feder, die für den Reibschluß verwendet wird bei einer Ausführung nach Bild 1 zu belasten, bei einer Ausführung nach Bild 3 zu entlasten, um somit den gesamten Reibschluß zwischen Mutter und Welle aufzuheben. Nachfolgend sind noch einige Einsatzmöglichkeiten aufgezählt: Sämtliche linearen Vorschubeinrichtungen, an Werkzeugmaschinen, einfachste Bewegungseinrichtungn an Spielzeugen, Drahtvorschubeinrichtungen bei der Schutzgasschweißung, wobei hier die Mutter eine Drehbewegung ausführt, praktisch überall dort wo eine drehende Bewegung in eine lineare Bewegung umgewandelt werden soll, oder aber überhaupt eine lineare Bewegung erzeugt werden muß.Because the forces that can be transferred with the newly found drive principle can be very large, this can be used very often in technology, especially since a completely backlash-free drive is guaranteed, and due to the lack of it Sliding friction shows very little wear. Will be a motor with an Ilohlwelle are used, the reduction gears that are still often required at present are no longer necessary. For the drive of a crane trolley, for example just a smooth one Shaft and a motor with a hollow shaft, as well as a recirculating ball nut consists essentially of a helical spring. Where the drive is disengaged be mllI3, it is only necessary to use the spring that is used for the frictional engagement is to be loaded with a version according to Fig. 1, with a version according to Fig. 1 3 to relieve in order to cancel the entire frictional engagement between nut and shaft. A few more possible uses are listed below: All linear ones Feed devices on machine tools, the simplest movement devices Toys, wire feed devices in inert gas welding, here the nut executes a rotary motion, practically anywhere that a rotary motion should be converted into a linear movement, or a linear movement at all Movement must be generated.

Die maximalsten Kräfte P1 und P2 in Bild 1, sind verschieden groß. Ist die Feder 1 auf der linken Seite befestigt und wirkt die Kraft P2 auf das System, so wird die Anpreßkraft der Kugeln nuf die Welle in einem bestimmten Verhältnis der Kraft P2 vergröert, weil auf die einzelnen Kugeln die Kraft P2' im Punkt 4 wirkt, sich bei 4' abstützt und somit eine zusätzliche Anpressung der nächsten Kugel bewirkt.The maximum forces P1 and P2 in Figure 1 are of different sizes. If the spring 1 is attached on the left side and the force P2 acts on the system, so the contact pressure of the balls nuf the shaft is in a certain ratio the force P2 is increased because the force P2 'acts on the individual balls at point 4, is supported at 4 'and thus causes additional pressure on the next ball.

Ist Pl wirksam, so ist auch P1' entgegen der Richtung von P2' vorhanden. Pl' wirkt gegen die Federkraft P und verkleinert damit die Anpreßlcraft der dahinterliegenden Kugel. Damit ist: P1 max ( P2 max Werden 2 Systeme zusammengebaut wie in Bild 5 dargestellt, so ist: P1 = P2 Dasselbe wird erreicht, wenn die verwendete Feder in der Mitte befestigt ist.If Pl is effective, then P1 'is also present in the opposite direction to P2'. Pl 'acts against the spring force P and thus reduces the contact pressure of the one behind it Bullet. This means: P1 max (P2 max If 2 systems are assembled as in Figure 5 is shown, then: P1 = P2 The same is achieved if the spring used is in the middle is attached.

Claims

Patent claims:

1. Friction drive in which a rotary movement in a linear movement it is converted by the fact that the frictional engagement is achieved Rolling elements between a threaded nut and a smooth one Shaft, or a threaded spindle and a smooth sleeve is made and the rolling elements are in a closed circuit, as is the case with recirculating ball nuts happens in a known manner.

2. Friction drive according to claim 1 d a d u r c h g e k e n n z e ic h n e t that the nut or the threaded spindle is a coil spring, the Spring has to fulfill 2 functions: 1. Act as threads and turns of its windings 2. the spring provides the necessary contact pressure of the rolling elements, as is e.g. is shown in Figure 1.

3. Friction drive according to claim 1 and 2 d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t that two springs acting against each other as shown in picture 2 are used Find.

4. Friction drive according to claim 1 and 2 d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t that a nut and a coil spring work together as shown in Figure 3.

5. Friction drive according to claim 1 and 2 d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t that two or more springs are used as shown in Figure 4, In a modification of Fig. 2, the springs work in parallel here.

6. Friction drive according to claim 1 to 5 d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t that the coil spring used is made of round wire.

7. Friction drive according to claim 1 to 5 d a d u r c h g e k e n nz e i n e t that a spring is used, which is made of one wire with another Cross-section is made, e.g. triangular, oval or rectangular.

8. Friction drive according to claim 1 d a d u r c h g e k e n n z e i -c h n e t that the required contact pressure on the rolling elements by the centrifugal force is achieved.

9. Friction drive according to claim 1 to 8 d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t that balls are used as rolling elements.

10. Friction drive according to claim 1 to 8 d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t that as rolling bodies rollers that are cylindrical, barrel-shaped or else are shaped so that at the point of contact to which the power is transmitted line contact is guaranteed.

11. Friction drive according to claim 1 to 9 d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t that the pitch of the thread or the spring used is greater than the sphere diameter.

12. Friction drive according to claim 1 d a d u r c h g e k e n n z e i -c h n e t that the contact pressure between nut, rolling element and shaft or threaded spindle, Rolling body and sleeve is achieved in that there is a certain excess and thus the parts are pressed against each other.

13. Friction drive according to claim 1 to 11 d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t that for the nut, rolling element and shaft resp.

Threaded spindle, rolling element and sleeve used different materials which allow a large deformation, e.g.

various plastics or rubber.

14. Friction drive according to claim 1 to 13 d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t that only one insert is used, e.g. in the form of a rubber cord and thus the pressing of the rolling elements is achieved.

15. Friction drive according to claim 1 to 13 d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t that a device is available which enables the contact pressure which for the frictional engagement between nut, rolling element and shaft or threaded spindle, Rolling element and sleeve ensures lift. This can be done, for example, at a facility according to Claim 2 done simply by adding an additional spring used The tensile load is so great that they no longer exert any force on the balls can.

16. Friction drive according to claim 1 to 8 d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t that the spring is hollow and this cavity is also used for the ball circulation is used.

17. Friction drive according to claim 1 to 15 d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t that an appropriate fastening of the spring, or by using two springs, the transferable frictional force is the same in both directions.

18. Friction drive according to claim 1 to 15 d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t that the contact pressure of the ball is achieved by a radial force will.

19. Threaded spindle with recirculating ball nut e i c h n e t that one coil spring each for the threaded spindle and the nut come into use.